DE69212073T2

DE69212073T2 - Vorrichtung zur Dämpfung der periodischen Schwingungen einer mechanischen Struktur

Info

Publication number: DE69212073T2
Application number: DE69212073T
Authority: DE
Inventors: Andre Gennesseaux
Original assignee: Hutchinson SA
Current assignee: Hutchinson SA
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2012-05-27
Also published as: EP0516537A1; ES2089440T3; JPH05240295A; US5369348A; FR2677096B1; DE69212073D1; EP0516537B1; FR2677096A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dämpfung von periodischen Schwingungen einer mechanischen Struktur.
Wenn bei mechanischen Strukturen periodische Schwingungen bzw. Geräusche auftreten, besteht ein allgemein bekanntes Verfahren darin, eine Kompensationsschwingung bzw. ein Kompensationsgeräusch zu erzeugen und an diese mechanische Struktur mittels einer Betätigungseinrichtung zu übertragen, wobei die Kompensationsschwingung bzw. das Kompensationsgeräusch der ursprünglichen Schwingung bzw. dem ursprünglichen Geräusch gegenüber in der Phase entgegengesetzt ist. Man nennt dieses Verfahren aktive Antischwingung.
Die Steuerung der Dämpfung der Schwingung bzw. der Geräusche, d.h. die Erzeugung von Kompensationsschwingungen bzw. -geräuschen ist schwierig, da die letztlich erzielte Dämpfung bzw. Ausschaltung der ursprünglichen Schwingung von der Genauigkeit der Amplitude und der Phase im Hinblick auf die ursprüngliche Schwingung abhängt.
Aus diesen Gründen liefern die bekannten Vorrichtungen keine zufriedenstellenden Ergebnisse.
Unter anderem sind die beiden folgenden Verfahren bekannt:
Ein erstes, in Fig. 1a veranschaulichtes Verfahren besteht darin, eine alle Harmonien einer Kompensationsschwingung unter Verwendung eines Synchronisationssignales, das von der periodischen Schwingung selbst ausgeht, nacheinander zu erzeugen.
Ein derartiges Verfahren ist insbesondere aus der am 28.4.1983 veröffentlichten internationalen Anmeldung WO 83/01525 bekannt.
Bei einem solchen Verfahren wird die Einstellung von Amplitude und Phase der Schwingungen erzeugt, indem das Bewegungsanstiegssignal γ mit Hilfe eines an der zu schützenden Struktur angebrachten Beschleunigungsmessers ermittelt und dann aufgehoben wird.
Der Nachteil des obigen Verfahrens liegt darin, daß es nicht auf veränderliche Schwingungen und Geräusche abgestimmt ist, da die Reaktionszeit des Systems relativ lang ist; andererseits kann aus den gleichen Gründen die Erzeugung der Kompensationsschwingung nur für eine begrenzte Anzahl bestimmter Schwingungen erfolgen, was die Präzision hinsichtlich Amplitude und Phase der erzeugten Kompensationsschwingung in bezug auf die ursprüngliche Schwingung beeinträchtigt und damit auch letztendlich das Dämpfungsergebnis verschlechtert.
Das zweite derzeit bekannte Verfahren besteht darin, die Natur bzw. die Form der ursprünglichen Schwingungswelle nicht in irgend einer Weise vorauszusetzen, sondem sie, wie in Fig. 1b dargestellt, mit Hilfe eines zweiten Meßwertgebers zu ermitteln und zu messen, welcher ein Signal erzeugt, daß der momentanen Beschleunigung γi entspricht. Dieses Signal wird durch ein selbstanpassendes Filterelement mit variablen Koeffizienten bearbeitet, wobei das selbstanpassende Filterelement eine Kompensationsschwingung erzeugt und es die Ermittlung und Messung der verbleibenden Beschleunigung es daraufhin ermöglicht, die Koeffizienten des Filterelements so zu verändern, daß das Steuersignal der Kompensationsschwingung minimiert wird. Das obige Verfahren dient also nur einer zeitlich begrenzten Einwirkung.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß alle vom Meßwertgeber erzeugten Signale letztlich durch die Anordnung verarbeitet werden, ohne daß eine Synchronisation des periodischen Charakters der ursprünglichen Schwingung erfolgt. Ein derartiger Nachteil führt beispielsweise dann zu größeren Problemen, wenn das Geräuschniveau hoch ist bzw. wenn die Eigenresonanzwerte der mechanischen Struktur durch ihre Aufhängung verstärkt werden. Die betreffende Vorrichtung ist dabei nicht in der Lage, eine entsprechende Unterscheidung hinsichtlich der Behandlung der einzigen vorhandenen Ausgangsschwingung zu treffen.
Schließlich wurde in der am 27.12.1989 veröffentlichten EP 0 348 087 auch vorgeschlagen, das Drehgeräusch eines Lasergyroskops mittels der Erzeugung eines durch eine in Schwingung gebrachte Gegenmasse geschaffenen Gegenschwingungssignals zu kompensieren. Eine derartige Anordnung kann nur dann zufriedenstellende Ergebnisse erzielen, wenn eine absolut sinusförmige Schwingung kompensiert werden soll und keinerlei Geräusch auftritt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, alle oben genannten Nachteile zu beheben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Dämpfung bzw. Aufhebung von periodischen Schwingungen einer mechanischen Struktur zu entwickeln, deren Einsatz unter anderem die Vorteile der beiden oben genannten bereits bekannten Verfahren miteinander verbindet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt schließlich darin, eine sehr präzise arbeitende Vorrichtung zur Dämpfung bzw. zur Aufhebung von periodischen Schwingungen einer mechanischen Struktur zu entwickeln, durch deren Einsatz es möglich ist, die Amplitude der Restschwingung der mechanischen Struktur auf weniger als 10 % der ursprünglichen Schwingungsamplitude zu verringern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung periodischer Schwingungen einer mechanischen Struktur enthält wenigstens einen Detektor-Wandler, der die Schwingungen erfaßt und ein Detektorsignal erzeugt, einen Periodizitätsdetektor fur diese Schwingungen, der ein Synchronisationssignal erzeugt, einen Steuerkreis und einen Wandler, der Kompensationsschwingungen erzeugt, die an die mechanische Struktur übertragen werden, um die periodischen Ausgangsschwingungen zu kompensieren.
Der Steuerkreis umfaßt wenigstens einen Synchronfilterkreis für das Detektorsignal, der durch das Synchronisationssignal gesteuert wird und ein Filtersignal erzeugt, dessen Frequenzspektrum nur die momentanen Grundfrequenzen dws Detektorsignals bzw. dazu harmonische Frequenzen umfaßt, sowie einen Regulationskreis für das Filtersignal, der letzteres empfängt und ein Gegenschwingungs-Steuersignal erzeugt, das zur Erzeugung von auf die mechanische Struktur einwirkenden Kompensationsschwingungen an den Wandler weitergeleitet wird, welche zur Minimierung der Amplitude des Detektorsignals führen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zur Stabilisierung von jeder Art von Maschinen mit sich drehenden Elementen verwendet, bei denen das Vorhandensein einer geringfügigen Unwucht eine entsprechende periodische Ausgangsschwingung der zugehörigen mechanischen Struktur verursacht.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung eingehend beschrieben.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1a und 1b den Stand der Technik;
Fig.2a ein allgemeines Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dämpfung periodischer Schwingungen einer mechanischen Struktur;
Fig.2b ein Diagramm zur Darstellung von Übertragung und Phasenverschiebung als Funktionen der Frequenz bei einem Paßband-Filterelement mit einstellbaren Kondensatoren,
Fig.3 eine vorteilhafte, jedoch nicht einschränkende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend dem allgemeinen Schema gemäß Fig.2a;
Fig.4a ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dämpfung periodischer Schwingungen einer mechanischen Struktur;
Fig.4b ein Fresnel-Phasendiagramm der wichtigsten physikalischen Parameter bzw. der sie repräsentierenden Signale für das bevorzugte Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4a;
Fig.4c einen Ausschnitt einer möglichen, vorteilhaften Ausführung eines Steuerkreises zur Einstellung der Phasen, der eine Regelung der Phase der physikalischen Parameter bzw. der sie repräsentierenden Signale gemäß Fig. 4b ermöglicht;
Fig.5 ein alternatives Ausführungsbeispiel der in Fig.4a dargestellen Vorrichtung, wobei eine Vielzahl von Harmonien eines Synchronisationssignales, das die Grundzüge der Ausgangsschwingung aufweist, zur Erzeugung des kompensierenden Gegenschwingungsignals verwendet wird, wenn die ursprüngliche periodische Schwingung einer Sinusform nur wenig ähnelt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung von periodischen Schwingungen einer mechanischen Struktur wird nachfolgend in bezug auf Fig.2a genauer beschrieben.
In der genannten Zeichnungsfigur ist die mechanische Struktur mit 5 bezeichnet. Diese mechanische Struktur kann beispielsweise fest oder beweglich sein und ent hält eine Maschine M mit sich drehenden Bestandteilen. Als Maschine M mit sich drehenden Bestandteilen kommt jede beliebige derartige Maschine in Frage, z.B. ein Elektromotor, ein Verbrennungsmotor oder ein Wechselstrom-Generator.
Die in Fig.2a dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung enthält wenigstens einen als Detektor eingesetzten Energiewandler 1, der die oben genannten Schwingungen ermittelt und ein Detektorsignal sd liefert, einen Detektor 2 zur Ermittlung der Periodizität dieser Schwingungen, der ein Synchronisationssignal ss aussendet, einen Steuerkreis 3 und einen Energiewandler 4, der Kompensationsschwingungen erzeugt, welche auf die mechanische Struktur 5 einwirken, um die ursprünglichen periodischen Schwingungen auszugleichen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält, wie in Fig.2a darge stellt, einen Steuerkreis 3 mit einem Synchronfilterkreis 30, zu dem das Detektorsignal sd gelangt und der vom Synchronisationssignal ss so gesteuert wird, daß er ein Filtersignal sf liefert, dessen Frequenzbreite nur die augenblickliche Grundfrequenz des Detektorsignals sd bzw. dazu harmonische Frequenzen umfaßt.
Darüber hinaus umfaßt der Steuerkreis 3 einen Regulierkreis 31 zur Regulierung des Filtersignals sf, der dieses Filtersignal empfängt und ein Gegenschwingungssignal sca an den die Kompensationsschwingung erzeugenden Wandler 4 weiterleitet, das geeignet ist, die Amplitude des Detektorsignals sd so weit wie möglich zu verkleinern.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht der Synchronfilterkreis 30 aus wenigstens einem Filterelement mit einstellbaren Kondensatoren, wobei das Filterelement an einem Eingang 301 zur Einstellungssteuerung das vom Periodizitätsdetektor 2 gelieferte Synchronisationssignal ss empfängt, und an einem Filtereingang 302 das Detektorsignal sd.
Im übrigen besteht der Synchronfilterkreis 30 aus wenigstens einem Paßband-Filterelement mit einstellbaren Kondensatoren dessen Hauptfrequenz, die vom Synchronisationssignal ss bestimmt wird, genau mit der momentanen Frequenz der Ausgangsschwingungen bzw. der Geräusche übereinstimmt, die von der Maschine M mit sich drehenden Bestandteilen im Betrieb erzeugt werden. Die Filterelemente mit veränderlichen Kondensatoren sind so beschaffen, daß ihre Frequenz anders als bei herkömmlichen Filtern nicht festgelegt ist. Die momentane Hauptfrequenz wird vielmehr sehr genau gemäß einer ständigen Meldung auf das Synchronisationssignal ss abgestimmt und kann zwischen etwa 10 und 1000 liegen. So ändert sich die momentane Hauptfrequenz des Filterelements mit einstellbaren Kondensatoren entsprechend dem Betriebszustand der Maschine M und das vom Filterelement übertragene Signal, d.h. das Filtersignal sf, enthält nur die von der Maschine erzeugten Schwingungen, die ihrem Betriebszustand entsprechen. Eigengeräusche und Zustände, die nicht mit den Schwingungen des Motors oder der Maschine M zusammenhängen, werden auf diese Weise eliminiert.
Fig.2b ist ein Diagramm zur Darstellung des Übertragungskoeffizienten des Filterelements als Funktion der Frequenz für einen momentanen Wert f0 der Hauptfrequenz sowie der durch das Filterelement erzeugten Dämpfung als Funktion der Frequenz bei der vorher genannten momentanen Hauptfrequenz f0. Hierbei ist die Dämpfung verständlicherweise linear und wirkt auf das Detektorsignal sd zur Erzeugung des Filtersignals sf ein.
Die Filterelemente mit einstellbaren Kondensatoren können natürlich durch eine entsprechende numerische Filteranordnung ersetzt werden, wobei hintereinander ein A/D-Konverter, ein digitaler Rechner und ein D/A-Konverter angeordnet sind.
Unter Bezugnahme auf Fig.3 wird nachfolgend beispielhaft eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung genauer beschrieben. Hierbei umfaßt die mechanische Struktur, bei der die periodischen Ausgangsschwingungen bzw. -geräusche auftreten, einen Be reich, in dem die Schwingungen entstehen, welcher schematisch zur besseren Verständlichkeit als Verbrennungsmotor M dargestellt ist, der von einer Stützeinrichtung bzw. einem Gestell C getragen wird, wobei die mechanische Struktur 5 über eine Aufhängung SU mit dem Gestell C verbunden ist. Das Gestell C kann wiederum selbst feststehend oder beweglich sein. Der Verbrennungsmotor M kann also beispielsweise der Motor eines Kraftfahrzeugs sein.
Nach einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Detektor-Wandler 1 als ein erster Detektorwandler 11 ausgeführt, der mechanisch mit dem Bereich, in dem die Ausgangsschwingungen entstehen, also dem Motor M, verbunden ist. Der erste Detektor-Wandler 11 liefert ein erstes Detektorsignal sd1.
Darüber hinaus ist ein zweiter Detektor-Wandler 12 vorgesehen, der mechanisch mit dem Gestell C verbunden ist und ein zweites Detektorsignal 5d2 liefert.
Im oben geschilderten Fall besteht der Synchronfilterkreis 30 dementsprechend aus einem ersten und einem zweiten Filterelement 303 bzw. 304 mit einstellbaren Kondensatoren, welche das erste bzw. das zweite Detektorsignal sdl bzw. sd2 empfangen und ein erstes bzw. zweites Filtersignal sf1 bzw. sf2 für den Regulierkreis 31 erzeugen.
Wie aus Fig.3 des weiteren hervorgeht, können die ersten und zweiten Detektor-Wandler 11, 12 vorzugsweise Beschleunigungsmesser sein. Die Detektorsignale sdl bzw. sd2 werden dann an das erste bzw. zweite Filterelement 303 bzw. 304 mit einstellbaren Kondensatoren über ein Doppelintegrierelement 303a bzw. über ein Gegenfilterelement 304a weitergeleitet. Das erste Filterelement 303 mit einstellbaren Kondensatoren empfängt dementsprechend ein der Bewegung der Struktur S entsprechendes Signal, während das zweite Filterelement 304 mit einstellbaren Kondensatoren ein dem Bewegungsanstieg des Gestells C entsprechendes Signal erhält.
Der Filtersignal-Regulierkreis 31, welcher die Filtersignale sf2 und sf2 empfängt und ein Gegenschwingungssignal sca erzeugt, umfaßt wenigstens einen Kontrollkreis CG, welcher den Anstieg des Signals sf2 in Abhängigkeit zur Amplitude des Signals sf2 steuert.
Der Anstiegskontrollkreis CG kann einen Verstärker 310 zur einstellbaren Verstärkung bzw. Herabsetzung enthalten, der an seinem Eingang für den variablen Anstieg das erste Filtersignal sf1 und an seinem Eingang zur Steuerung des Anstiegs ein Signal, das der Amplitude des zweiten Filtersignals sf2 proportional ist, empfängt. Der Ausgang des einstellbaren Anstiegsverstär kers 310 liefert das Gegenschwingungssignal sca an den Wandler 4, der derartige Kompensationsschwingungen erzeugt, daß die Amplitude des zweiten Filtersignals sf2 so klein wie möglich wird.
Die detailliertere Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dämpfung von periodischen Schwingungen einer mechanischen Struktur, bei der die mechanische Struktur, wie anhand Fig.3 oben beschrieben, einen Bereich, in dem die Schwingungen entstehen, aufweist, der auf einem Stützelement bzw. Gerüst C ruht, wird nachfolgend in bezug auf Fig.4a beschrieben.
In Fig.4a sind für dieselben Teile wie in Fig.3 auch dieselben Bezugszeichen verwendet.
Wie sich Fig.4a entnehmen läßt, enthält der Regulierkreis für das Filtersignal, der das Filtersignal empfängt und ein Gegenschwingungs-Steuersignal erzeugt, weiterhin einen Phasenkontrollkreis CP, der eine Korrektur der Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten empfangenen Signal bzw. dem ersten und dem zweiten Filtersignal ermöglicht.
Wie aus Fig.4a hervorgeht, wird der Phasenkontrollkreis CP mit der Bezugsziffer 32 beispielsweise oberhalb des zuvor beschriebenen Anstiegskontrollkreises 31 angebracht.
Im anhand Fig.4a beschriebenen Ausführungsbeispiel kann der Motor M beispielsweise als Vierzylinder-Reihenmotor eines Kraftfahrzeuges ausgebildet sein. Für eine Drehfrequenz N des Motors besitzen die erzeugten Schwingun gen eine Grundfrequenz von 2N. Der die Periodizität der Schwingungen ermittelnde Detektor 2 kann vorzugsweise als inkrementaler Detektor ausgeführt sein, etwa als optischer Detektor oder gegebenenfalls auch als Magnetdetektor, der die Zähne am Rad der Kurbelwelle des Motors mißt. Für ein Rad mit 200 Zähnen, das demnach pro Umdrehung des Motors 200 Impulse erzeugt, erzeugt der Detektor 2 für die Periodizität der Schwingungen 100 Impulse pro Schwingungsperiode. In einem solchen Fall können die Filterelemente 303 und 304 mit einstellbaren Kondensatoren vorteilhaft eine Übertragungsbandbreite von 1/100 der Synchronisationssignalfrequenz 55 aufweisen. Hierfür können beispielsweise von der Firma National Semi-Conductor unter der Nummer LMF 100 oder LMF vertriebene Filterelemente mit einstellbaren Kondensatoren oder solche von der Firma LINEAR TECHNOLOGY unter der Nummer LT 1060 vertriebene verwendet werden.
Diese Filterelemente arbeiten nach dem Vergleichssystem und es kann nötigenfalls auch ein Gegenfilter am Eingang der oben genannten Filterelemente mit einstellbaren Kondensatoren vorgesehen werden, falls die Paßbandfilterung durch das Doppelintegrierelement 303a nicht ausreicht um das Gegenfiltern mit dem Verqleichsspektrum sicherzustellen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 4a umfaßt der Anstiegskontrollkreis 31 einen Demodulierkreis 311, der an seinen beiden Demoduliereingängen das erste und zweite Filtersignal sf1 bzw. af2 empfängt und ein demoduliertes Signal erzeugt. Außderdem enthält der Anstiegskontrollkreis einen Integrierkreis 312, der das vom Demodulierkreis 311 erzeugte demodulierte Signal empfängt und das Filtern der Zwischenmodulationsprodukte und eine Fehlerkorrektur bei der dauerhaften Steuerung des Demodulationssignals sicherstellt. Der Integrierkreis 312 ist über seinen Ausgang mit dem Eingang der Anstiegssteuerung des einstellbaren Anstiegsverstärkers 310 verbunden, welcher an seinem Eingang, wie zuvor für Fig. 3b beschrieben, das erste Filtersignal sf1 empfängt.
Der Anstiegskontrollkreis GC kann auch ein numerisches Bauelement sein, wobei der Verstärker 310 durch einen D/A-Konverter-Multiplikator ersetzt wird, der als numerischer Spannungsmesser dient, wobei das Signal sf1mit einem Koeffizienten multipliziert bzw. um diesen verringert wird, der in numerischer Form von einer am Ausgang des Integrierkreises 312 vorgesehenen Anordnung aus A/D-Konverter und Mikroprozessor geliefert wird.
Außerdem enthält der Phasenkontrollkreis CP, wie ebenfalls aus Fig.4a ersichtlich ist, ein Phasenvergleichselement 321, das an einem ersten Vergleichseingang über einen Differenzierkreis 320 das erste Filtersignal sf1 und, im Vergleich dazu direkt, an einem zweiten Eingang das zweite Filtersignal sf2 empfängt. Der Phasenkontrollkreis CP liefert ein Phasenkorrektursignal über einen Integrierkreis 322 an das erste Filterelement 303 mit einstellbaren Kondensatoren.
Daneben ist der Ausgang des Anstiegskontrollkreises 31, genauer gesagt des einstellbaren Anstiegsverstärkers 310, mit dem als Betätigungselement dienenden Wandler 4 über einen Leistungsverstärker 33 verbunden, der durch jede Art von Verstärker gebildet werden kann, beispeilsweise durch einen Thyristor oder Analogverstärker, und die Übermittlung an das Betätigungselement 4 sicherstellt.
Die Funktionsweise der in Fig.4a dargestellten Anordnung wird anschließend in bezug auf die Fig.4b und 4c erläutert.
Das Gegenschwingungs-Steuersignal sca wird an das Betätigungselement 4 gesendet, welches es in eine auf die Struktur bzw. das Gestell C einwirkende Kraft umwan delt, die der Kraft der Ausgangsschwingungen bzw. -geräusche entgegenwirkt, und direkt durch die Aufhängung SU übertragen wird. Damit die Dämpfung wirkt, muß die Gegenkraft, also die durch das Betätigungselement 4 erzeugte Kraft, der durch die Ausgangschwingung bzw. das Ausgangsgeräusch erzeugten Kraft in Aussteuerung und Phase entgegengesetzt sein. Um also trotz Schwankungen eine dauerhafte, wirksame Dämpfung zu erzeugen, muß das System selbstanpassend sein.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Stellglied des Betätigungselements 4 sich auf derselben Ebene wie der zweite Detektor-Wandler 12 befindet.
Die Steifheit der Aufhängung SU wird mit K gekennzeich net und das vom ersten Detektor 11 erzeugte Beschleunigungssignal mit γm, wobei γm den von der Maschiene M mit sich drehenden Bestandteilen an die Struktur S übertragene Bewegungsanstieg darstellt. γc bezeichnet as vom zweiten Detektor 12 gelieferte Signal und steht für den Bewegungsanstieg des Gestells C.
In dem Fresnel-Plan gemäß Fig.4b sind die durch das Betätigungselement 4 und die Aufhängung SU auf das Gestell C in Höhe des zweiten Detektors 12 übertragenen Kräfte in Diagrammform dargestellt. In dieser Figur bezeichnet dm die der Schwingung des Motors M auf der Höhe des ersten Detektors 11 entsprechende Phase. Die durch die Aufhängung SU übertragene Kraft hat demnach den Wert K.dm, aber da ein leichtes Dämpfen erfolgt, ist der diese Kraft darstellende Vektor gegenüber der in Fig.4b dargestellten um φa voraus phasenverschoben.
Die durch das Betätigungselement 4 übertragene Kraft hat den Wert G.dm. Sie ist jedoch wegen des Reaktionsverzuges aufgnind der Übertragungsfunktionen des Phasenkontrollkreises CP 32 des Filterkreises 30 und des Anstiegskontrollkreises CG 31 um φb zu dem in Fig.4b dargestellten phasenverzögert.
Die resultierende Kraft, die vom zweiten Wandler-Detektor 12 gemessen wird, ist γc proportionell und be trägt L.dm + G.dm.
Damit diese Kraft gleich 0 ist, muß einerseits G = - K sein und anderserseits müssen die einander entgegengesetzten Phasen φb = -φa sein. Wenn diese beiden Übereinstimmungen nicht gegeben sind, verbleibt eine Restschwingung γc, die zum Teil aus einer Komponente eg besteht, die mit der durch die Aufhängung übertragenen Kraft K.dm in Phase ist und auf eine Abweichung beim Anstieg zurückgeht, sowie zum Teil aus einer Komponente ep, die zu dieser durch die Aufhängung übertragenen Kraft K.dm senkrecht steht und auf eine Abweichung in der Phase zurückgeht.
Die oben genannten Bedingungen für Anstieg und Phase können also durch wenigstens einen Phasenkontrollkreis CP 32 und einen Anstiegskontrollkreis 31 der oben beschriebenen Art erzeugt werden.
Alle oben genannten Schaltkreise enthalten einen Fehlerdetektor, bestehend aus dem Demodulator 311 bzw. dem Demodulator 321, sowie ein Betätigungselement, welches zur Veränderung des Anstiegs im Falle des Anstiegskontrollkreises 31 der verstellbare Anstiegsver stärker 310 ist bzw. zur Veränderung der Phase im Falle des Phasenkontrollkreises CP 32 der Integrierschalter 322 ist, der auf das Filterelement 322 mit einstellbaren Kondensatoren einwirkt. Die Detektorschaltungen 311 und 321 können aus einem Synchrondemodulator bestehen, der aus einem gegebenen Signal die Komponenten herausfiltern kann, die mit einem Referenzeingangswert in Phase sind.
Der Referenzeinganswert ist im Falle des Demodulier kreises 311 das erste Filtersignal sf1, während als Referenzeingangswert für den Synchrondemodulierkreis 321 das Filtersignal sf1 nach Differenzierung durch den Differenzierkreis 320 verwendet wird. Dies stellt die Phasenverschiebung um 90º sicher, die die Messung der Quadratkomponente ep, wie in Fig.4b dargestellt, ermöglicht.
Das demodulierte Signal aus dem Referenzsignal jedes der beiden oben genannten Synchrondemodulatoren 311, 321 ist jedoch für beide Synchrondemodulatoren das zweite Filtersignal sf2. Die Verwendung von Synchrondemodulatoren bewirkt, daß jede Komponente, die rechtwinklig zum Referenzeingangswert steht bzw. jeder andere Wert, jede andere Frequenz bzw. jedes andere Geräusch aussortiert wird. Die genannten Synchrondemodulatoren können beispielsweise als Multiplikatoren ausgebildet sein, die das der Demodulation unterworfene Signal, d.h. das zweite Filtersignal sf2, und den Refe renzeingangswert, der durch das erste Filtersignals sf1 gebildet wird, bzw. das erste Filtersignal sf1 nach dem Durchlaufen des Differenzierkreises 320 miteinander multiplizieren. Man kann hierfür beispielsweise die unter der Nummer AD 534 von der Firma ANALOG DEVICES bzw. die unter der Nummer MC 1595 durch die Firma MOTOROLA vertriebenen Muliplikatoren verwenden. Es können natürlich auch weitere Schaltungen verwendet werden, die die Funktion des Deniodulierens direkt sicherstellen, beispielswiese die Schaltung Analog Devices AD 630. Für die Synchrondemodulierkreise 311 und 321 können identische Schaltungen verwendet werden, da der einzige Unterschied im Betrieb der Synchrondetektoren darauf beruht, daß der Referenzwert zur Phasenregelung ein Signal sein muß, das senkrecht zum Referenzwert der Anstiegssteuerung steht, wie beispielsweise eine Quadratur der Phase. Dieses Signal wird vom Differenzierkreis 320 aus dem ersten Filtersignal sf1 erzeugt, welches als Referenzwert für den Anstiegskontrollkreis dient. Anstelle eines Differenzierkreises 320 kann auch ein Integrierkreis verwendet werden.
Generell wird auf die Phase eingewirkt, indem die Synchronisier-Meldefrequenz bzw. die Hauptfrequenz der Filterbandbreite durch Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Filterbestandteile, beispielsweise Widerstände und Kondensatoren, leicht verändert wird. Die Filterkurve in Fig.2 steigt an, bis nahe dem Hauptwert eine fast lineare Phasenveränderung eine Frequenzverschiebung anzeigt.
Eine genauere Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Phasenkontrollkreises erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 4c.
In dieser Zeichnungsfigur umfaßt der Phasenkontrollkreis 322 einen Integrierkreis 3220, der beispielsweise einen Operationsverstärker und einen Kondensator C in einem Integrator vom Typ Miller enthält, wobei hinter dem oben genannten Integrierkreis eine Diode mit variabler Kapazität 3221 angeordnet ist, die mit einem Polarisationswiderstand R und einem Verbindungskondensator C1 verbunden ist.
Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.4c kann der Verbindungskondensator C1 vorteilhaft mit einem oder mehreren nicht verstellbaren Kondensatoren des Filter-elements mit einstellbaren Kondensatoren verbunden werden. Die Diode mit einstellbarer Kapazität 3221 wird zum nicht eingestellten Kondensator des genannten Filterelements mit einstellbaren Kondensatoren parallelgeschaltet.
Bei einer Veränderung der vom Integrator 3220 geliefer ten Ausgangsspannung ändert sich die Spannung der Polarisation der Diode mit variabler Kapazität 3221 und damit auch die betreffende Kapazität, wodurch der zugehörige, nicht veränderte Kondensator des Filters mit einstellbaren Kondensatoren anders eingestellt werden kann und sich schließlich die Phasenverschiebung für die in Fig.2 dargestellte Hauptfrequenz f0 ändert. Dies dient der Kompensation der oben genannten Phasenverschiebung gemäß dem in dieser Figur veranschaulichten Gesetz der linearen Veränderung.
Die oben beschriebene Art der Einwirkung auf die Phase ist nicht die einzige Möglichkeit. Man kann auch durch Veränderung der Synchronisationsfrequenz auf die Phase einwirken, d.h. über das Signal 55, das vom entsprechenden Filterelement mit veränderlichen Kondensatoren 303 empfangen wird.
Natürlich kann die Phasensteuerung auch numerisch erfolgen.
In diesem Fall kann ein als Multiplizierer dienender A/D-Konverter verwendet werden, um die Meldebandfrequenz an die Filtersynchronfrequenz anzugleichen, wobei dieser A/D-Multiplizierer von einem Mikroprozessor und einem A/D-Wandler, der das Fehlersignal der Phase empfängt, gesteuert wird. Dabei kann auf den A/D-Konverter verzichtet werden, wenn das verwendete Eilterelement direkt durch den Mikroprozessor programmiert werden kann. Darüber hinaus können das Filtern, die Demodulation und alle Verarbeitungsvorgänge der Signale γm und γc mittels eines leistungsfähigen Rechners direkt am Ausgang zum Stellelement 4 digital vorgenommen werden.
Die Synchrondemodulatoren geben Signale über Niederfrequenzschaltungen mit hohem Anstieg ab, beispielsweise über einen Integrator 312, 322, was zwei Vorteile mit sich bringt: Unterdrückung der Hochfrequenzkomponenten der Demodulatoren und Fehlerlosigkeit bei Dauerbetrieb.
Eine genauere Beschreibung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorichtung, die eine sehr hohe Präzision bei der Erzeugung des Steuersignais für die Dämp fung sca und eine Dämpfung der ursprünglichen Schwingungen auf unter 10 % ihres Anfangswertes ermöglicht, erfolgt unter Bezugnahme auf Fig. 5. Das genannte Ausführungsbeispiel ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die ursprünglichen Schwingungen aus einem periodischen, nicht sinusförmigem Signal bestehen. In einem solchen Fall kann eine Vorrichtung wie oben hinsichtlich Fig.4a beschrieben, in Abhängigkeit zur Anzahl der harmonischen Frequenzen die vom genannten periodischen, nicht sinusförmigen Signal gebildet werden erweitert werden. In diesem Fall muß als einzige Änderung eine Modifizierung der Frequenz des Synchronisationssignales ss der entsprechenden Filterelemente mit einstellbaren Kondensatoren durchgeführt werden. Wenn also f1 die Frequenz des an die entsprechende Stelle zur Bearbeitung der Hauptbestandteile der genannten periodischen Schwingung gesandten Synchronisationssignals bezeichnet, erlaubt ein Synchronisationssignal der Frequenz 2.f1 die Bearbeitung der Harmonie 2 usw.. Die entsprechenden Schaltkreise sind miteinander identisch.
Jeder mit 3Hi bezeichnete Steuerkreis enthält somit einen Synchronfilterkreis 30, einen Anstiegskontrollkreis 31 und einen Phasenkontrollkreis 32, die den hinsichtlich Fig.4a beschriebenen entsprechen. "i" be zeichnet dabei die Rangstufe der entsprechenden Harmonie. Der Leistungsverstärker 33 dient allen Steuerkreisen 3Hi gleichermaßen. Die Frequenzen f1, f2 ... fn können auffolgende Weise ermittelt werden: Jedes Filterelement mit einstellbaren Kondensatoren der Rangstufe "i" empfängt das Synchronisationssignal ss mit der Frequenz fs über einen Teiler Di von n/i.
Jeder Synchronfilterkreis, der einer Rangstufe "i" ent spricht, erzeugt das entsprechende Filtersignal sf1i, sf2i. Die entsprechenden Regulierkreise der Rangstufe "i" sind über ein Summierelement 330, das auf den Leistungsverstärker 33 einwirkt, parallelgeschaltet Dadurch arbeitet jeder Steuerkreis 3Hi unabhängig von den anderen Steuerkreisen mit anderer Rangstufe.
Eine Vorrichtung zur Dämpfung von periodischen Schwingungen einer mechanischen Vorrichtung gemäß der obigen Beschreibung ist besonders leistungsfähig, da die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Betriebsweise ermöglicht, bei der die Nachteile der derzeit bekannten Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik vermieden werden. Insbesondere gibt es für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dämpfung von periodischen Schwingungen einer mechanischen Vorrichtung auch für sehr viele verschiedene Einsatzmöglichkeiten zur Unterstützung von jeder möglichen Art von Maschine, bei der Schwingungen auftreten. Falls nötig kann die erfindungsgemäße Vorichtung vorteilhaft zur Unterstützung einer Maschine und zur Dämpfung von periodischen Schwingungen einer mechanischen Struktur auch in drei Referenzrichtungen eingesetzt werden, wobei die ersten und zweiten Detektor-Wandler 11 und 12, die beispielsweise als Beschleu nigungsmesser dienen, jeweils dreifach vorhanden und den einzelnen Referenzrichtungen zugeteilt sind, die beispielsweise einem dreiflächigen Referenzelement entsprechen. In diesem Pall ist jedes Paar von ersten und zweiten Detektor-Wandlern 11, 12 natürlich jeweils mit einem Steuerkreis 3 gemäß Fig.4a oder mit mehreren Steuerkreisen 3Hi gemäß Fig.5. verbunden.

Claims

1. Vorrichtung zum Dämpfen von periodischen Schwingungen einer mechanischen Struktur (5), enthaltend wenigstens einen Detektor-Wandler (1), der diese Schwingungen erfaßt und ein Detektorsignal (sd) erzeugt, einen Periodizitätsdetektor (2), der die Periodizität dieser Schwingungen erfaßt und ein Synchronisationssignal (ss) erzeugt, einen Steuerkreis (3) und einen Wandler (4) zur Erzeugung von Kompensationsschwingungen, die auf die mechanische Struktur (5) übertragen werden, um die periodischen Schwingungen zu kompensieren,

dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (3) wenigstens die folgenden Bestandteile enthält

- einen Synchronfilterkreis (30) für das Detektorsignal (sd), der von dem Synchronisationssignal (ss) gesteuert wird, wobei der Synchronfilterkreis (30) ein Filtersignal (sf) erzeugt, dessen Frequenzbereich nur die momentane Grundfrequenz des Detektorsignals (sd) und/oder dazu harmonische Frequenzen umfaßt,

- einen Regulierkreis (31) für das Filtersignal (sf), der das Piltersignal (sf) empfängt und ein Gegenschwingungs-Steuersignal (sca) erzeugt, das an den Wandler (4) zur Erzeugung von Gegenschwingungen weitergeleitet wird, wodurch die Amplitude des Detektorsignals (sd) minimiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadruch gekennzeichnet, daß der Synchronfilterkreis (30) wenigstens ein Paßbandfilterelement (303, 304) mit einstellbaren Kon densatoren enthält, wobei das Filterelement mit einstellbaren Kondensatoren an seinem Eingang zur Einstellungssteuerung das Synchronisationssignal (ss) und an seinem Filtereingang das Detektorsignal (sd) empfängt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die mechanische Struktur (5), bei der die periodischen Schwingungen auftreten, einen Bereich (M) enthält, von dem diese Schwingungen ausgehen und der von einem Stützbereich bzw. einem Gestell (C) über eine Aufhängung (SU) getragen wird, und daß der Detektor-Wandler (1) aus den folgenden Bestandteilen besteht:

- einem ersten Detektor-Wandler (11), der mechanisch mit dem Ausgangsbereich (M) der Schwingungen verbunden ist und ein einer Bewegung entsprechendes erstes Detektorsignal (sdl) erzeugt,

- einen zweiten Detektor-Wandler (12), der mechanisch mit dem Gestell (C) verbunden ist und ein zweites Detektorsignal (sd2) entsprechend einem Bewegungsanstieg erzeugt, wobei der Synchronfilterkreis (30) aus einem ersten und einem zweiten Paßbandfilterelement (303, 304) mit einstellbaren Kondensatoren besteht, die das erste bzw. das zweite Detektorsignal (sd1, sd2) empfangen und ein erstes bzw. zweites Filtersignal (sf1, sf2) an den Regulierkreis (31) weiterleiten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Detektor-Wandler (11, 12) Beschleunigungsmesser sind und die Detektorsignale an das erste bzw. zweite Filterelement (303, 304) mit einstellbaren Kondensatoren über ein Doppelintegrierelement (303a) bzw. einen Gegenfilterelement (304a) geleitet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, das der Anstiegskontrollkreis (CG) einen Verstärker (310) zur einstellbaren Verstärkung bzw. Dämpfung des Anstiegs enthält, der an seinem Eingang für den variablen Anstieg das erste Filtersignal (sf1) und an seinem Eingang für die Steuerung des Anstiegs ein der Amplitude des zweiten Filtersignals (sf2) proportionales Signal empfängt, wobei der Ausgang des Verstärkers (310) für den veränderlichen Anstieg ein derartiges Gegenschwingungs-Steuerungssignal (sca) an den die Kompensationsschwingungen erzeugenden Wandler (4) sendet, daß die Amplitude des zweiten Filtersignals (sf2) minimiert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Regulierkreis (31) für das Filtersignal, der das Filtersignal empfängt und ein Gegenschwingungs- Steuersignal erzeugt, außerdem einen Phasenkontrollkreis (CP 32) enthält, der eine Phasenkorrektur zwischen dem ersten und zweiten Detektorsignal (sd1, sd2) und/oder dem ersten und zweiten Filtersignal (sf1, sf2) ermöglicht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstiegskontrollkreis (CG), der das der Amplitude des zweiten Filtersignals (sf2) proportionale Signal erzeugt, hintereinandergeschaltet die folgenden Bestandteile umfaßt:

- einen Demodulierkreis (311), der über seine beiden Demoduliereingänge das erste und das zweite Filtersignal (sf1, sf2) empfängt und ein Demoduliersignal erzeugt,

- einen Integrierkreis (312), der das Demoduliersignal empfängt und die Filterung der Produkte der Zwischenmodulation sowie die Fehlerkorrektur dieses Dimoduliersignales bei Dauerbetrieb sicherstellt, wobei der Ausgang des Integrierkreises (312) mit dem Eingang für die Steuerung des Anstiegs des Verstärkers (310) zur Einstellung des Anstiegs verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenkontrollkreis (CD32) ein Phasenvergleichselement (321) enthält, das an einem ersten und einem zweiten Vergleichseingang das erste Filtersignal (sf1) bzw. über einen Differenzierkreis (320) das zweite Filtersignal (sf2) empfängt und ein Phasenkorrektur-Steuersignal über einen Integrierkreis (322) an das erste Filterelement (303) mit einstellbaren Kondensatoren sendet, wobei die Phasenkorrektur durch Verschieben der momentanen Hauptfrequenz des Filters erfolgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Integrierkreis (322) eine Diode mit einstellbarer Kapazität (3221) folgt, die parallel mit einem nicht eingestellten Kondensator des ersten Filters mit einstellbaren Kondensatoren verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, falls die Schwingungen aus einem nicht sinusförmigen periodischen Signal bestehen, die Vorrichtung eine Vielzahl von identischen, parallelgeschalteten Steuerkreisen (3Hi) enthält, wobei i für die Rangstufe der bearbeiteten Schwingung steht und wobei jeder Steuerkreis (3Hi) das erste und zweite Detektorsignal (sd1, sd2) empfängt und der Steuerkreis, der dem Harmonierang i entspricht, als Synchronisationssignal ein entsprechendes Synchronisationssignal mit einer Frequenz empfängt, die entsprechend der Rangstufe i ein Mehrfaches der Frequenz des Synchronisationssignals beträgt, welches vom Steuerkreis für die zu dämpfende Grundschwingung empfangen wird, wobei jeder Steuerkreis (3Hi) mit dem Betätigungselement über ein einen Leistungsverstärker (33) betätigendes Summierelement (330) verbunden ist.