CN100549395C - 控制电容性负载的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过借助负载电流给负载充电或放电来控制电容性负载，该负载电流被允许在最大设定(Ith正)与最小设定(Ith负)之间摆动，其中，在充电过程期间，最大设定(Ith正)在第一步(a)中单调上升，在第二步(b)中基本上保持恒定，并且在第三步(c)中单调下降；其中，在放电过程期间，最小设定(Ith负)在第一步(a)中单调下降，在第二步(b)中基本上保持恒定，并且在第三步(c)中单调上升，其中，为了调节所希望的充电程度，规定了充电过程的第三步(c)和随后的放电过程的第一步(a)的可变的在时间上的重叠(Δtth)。因此得到了控制的高分辨率和可再现性。
Description
本发明涉及一种用于控制电容性负载、尤其是用于控制内燃机的喷油嘴的压电执行元件的方法和设备。
在控制像压电执行元件那样的电容性负载时，即在借助负载电流对电容性负载进行充电和放电时，对控制电子设备提出了很大的要求。电容性执行机构的一种实施形式是压电执行元件，像该压电执行元件例如用于操作喷油嘴那样。这种喷油嘴在内燃机中被用于在燃烧室中喷射燃料(例如汽油、柴油等等)。在这种情况下，对于精确和可再现地打开和闭合阀提出了很高的要求，并且因此也对于控制电子设备提出了很高的要求。因此，在此必须提供在直至数百伏的范围中的电压，并且必须短时提供用于进行充电和放电的大于10A的负载电流。大多在几分之一的毫秒内实现控制。同时，在这些充电过程和放电过程期间，应给执行机构尽可能有控制地输送电流和电压。
从DE 19944733A1中公知一种用于控制压电执行元件的电路装置，在该电路装置中由充电电容器通过变压器给执行元件进行充电。为此，利用脉宽调制过的控制信号来控制被布置在变压器初级侧的充电开关。充电开关以及放电开关在那里被实施为可控制的半导体开关。在充电和放电时，给压电执行元件输送预先给定的能量包(Energiepaket)，或从压电执行元件汲取预先给定的能量包。如果必需小于预先给定的能量包的能量包，则公知的电路装置为了求出输送给压电执行元件并又从该压电执行元件汲取的能量的时间上的平均值而必需强烈有效的输出滤波器。在公知的电路装置中，准确并可再现地调节所希望的充电程度(Ladeausmass)因此是成问题的。
本发明的任务是说明一种用于控制电容性负载的方法和设备，该方法和设备的特点在于高的分辨率和可再现性。
利用按照权利要求1所述的方法或按照权利要求6所述的设备来解决该任务。从属权利要求涉及本发明的有利的扩展方案。
根据本发明规定了一种用于控制电容性负载、尤其是用于控制内燃机喷油嘴的压电执行元件的方法，该方法包括用于借助负载电流给电容性负载进行充电或放电的充电过程和放电过程，该负载电流被允许在最大设定与最小设定之间摆动；其中，在充电过程期间，最大设定在第一步单调上升，在第二步基本上保持恒定，并且在第三步单调下降；其中，在放电过程期间，最小设定在第一步单调下降，在第二步基本上保持恒定，并且在第三步单调上升；其中，为了调节所希望的充电程度，规定充电过程的第三步与随后的放电过程的第一步可变地在时间上重叠。
在根据本发明的控制设备中，负载电流被允许在两个设定值之间摆动，这例如通过简单测量实际的负载电流和基于此地控制充放电开关而能在多种多样本身公知的控制方案中实现。所希望的充电程度(例如在充电过程结束时被存储在电容性负载中的电荷)通过根据本发明分别被划分为三个步骤的充放电过程以高分辨率并且能良好再现地来调节，因为对此有一系列变化的参数可供使用，如在下面还要阐述的那样。根据本发明，为了调节所希望的充电程度，将充电过程的第三步与随后的放电过程的第一步的在时间上的重叠考虑为这种参数。在这种情况下，即使在比较简单设置的控制电路方案中，无需值得注意地定量地、即基本上无级地来改变最大存储到电容性负载中的能量或电荷的调节。
在一种实施形式中规定了，该控制设备规定了以下可能性：即使在从放电过程向随后的充电过程过渡时，也规定了放电过程的第三步与随后的充电过程的第一步在时间上重叠，并且与工作参数有关地改变该重叠。
如果电容性负载是内燃机的燃油喷射器的压电执行元件，则可以相应地实现喷油嘴的精确和可再现的打开和闭合。在这一点值得一提的是，为了遵守未来的废气排放极限值，必须提高每个燃烧冲程的燃油喷射过程的数量(具有预喷射、主喷射和后喷射的喷射序列)。因此，单个喷射时间和因此压电执行元件的控制时间也变得越来越短，这对控制电子设备提出了附加的要求。
在本发明的扩展方案中规定，为了调节充电程度，此外还改变了在充电过程中在第一步结束时所达到的最大设定，和/或改变了第二步的持续时间。因此有利地将一个或两个其它的参数用于调节充电程度。
如果从特性曲线族中读出这个或这些要改变的参数，则可以特别精确地和以在电路技术上简单的方式来实现充电程度的调节。在控制燃油喷射器的压电执行元件时，可以例如根据控制设定(例如所希望的喷射量)和其它的所测量的量或者从所测量的量中推导出来的量而从特性曲线族中预先确定这种参数。特性曲线族可以例如含有将内燃机的不同运行参数(诸如转数和/或负载)分配给所必需的燃油量以及因此分配给所希望的压电电荷的分配，并且例如能以试验方式或者也能通过计算算出地确定和存储该特性曲线族。
在优选的实施形式中规定，在充电过程期间，最小设定基本上是零，和/或在放电过程期间，最大设定基本上是零。因此，在充电过程的第一步期间，平均逐渐提高了负载电流，在第二步期间将负载电流大致保持恒定，并且在第三步期间重新降低负载电流。可替换地或者附加地，相应的情况适于放电过程。在内燃机上进行燃油喷射的应用情况下，通过在充电过程或放电过程的开始变化过程和结束变化过程中的电荷随着时间逐渐变化，可以防止执行机构的过调。此外，可以因此减少干扰的机械或声音的效应。
在充电过程期间的最大设定的时间变化过程和/或在放电过程期间的最小设定的时间变化过程优选地大致拥有梯形的形状。在该给定形状中，能以特别简单的方式通过改变该梯形形状的参数来实现所希望的充电程度的调节。这对于充电过程的第三步和随后的放电过程的第一步的可变的在时间上的重叠是可选的。除了所提及的最大设定和/或最小设定的梯形形状之外，在本发明的范围中当然也考虑了具有单调的开始/结束的任意的其它曲线形状，这些曲线形状实现了在从充电向放电过渡时的在时间上的重叠。
最大设定以及最小设定例如可以通过如基于查阅表(“look-uptable”)的读出的数字式控制单元来产生。
在一种优选的实施形式中，本发明的控制设备包括：
-输出级，用于基于被输入给该输出级的控制信号来提供负载电流，和
-控制单元，用于基于控制设定和至少基于实际负载电流的测量值来提供控制信号。
可以多种多样的方式来实现在这种情况下所采用的输出级。合适的电路方案对于本领域技术人员通常是公知的。在一种实施形式中，例如将输出级实施为升压变换器和降压变换器(Buck-Boost变换器)。在这种情况下，可以将充电开关和放电开关布置为供电电压源的接头之间的半桥，以便在开关之间的分接点上调节负载控制电压，该负载控制电压例如通过限制电流的器件(例如扼流线圈)施加电容性负载。在使用充电开关和放电开关的半导体开关时，将这些半导体开关例如构造为功率MOS场效应晶体管(MOSFET)或者构造为绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。于是由控制单元给这些半导体开关的控制接头加载控制信号。
以下借助实施例，参考附图来详细阐述本发明。其中：
图1是控制电路的方框电路图，
图2是控制电路的具体实例，
图3示出了在按照图2的电路运行时的若干信号的时间变化过程，和
图4表明了充电过程的结束与随后的放电过程开始的、在按照图2的电路运行时所设置的时间上的重叠。
图1示出了用于控制压电执行元件P的电路的方框电路图，该压电执行元件P通过电感L与输出级E相连接。输出级E提供了通过电感L给压电执行元件P充电或放电的电流IL。输出级E可被实施为传统的开关转换器或被实施为降压-升压变换器，实施为反激式(Flyback)变换器或者实施为SEPIC变换器，并且与控制信号S(例如一个或多个控制电压)有关地提供电流，该控制信号S由控制单元ST基于控制设定和在考虑测量量的情况下被确定，这些测量量在输出级E的范围中和/或在压电执行元件P的范围中(例如压电电压和/或压电电流)被确定。
图2示出了根据图1的控制电路的实施例。
输出级E从电路节点(电压Us)出发又通过电感L向被布置在与电流测量电阻RS的串联电路中的压电执行元件P提供负载电流IL。
在电阻RS上下降的电压URS代表在给压电执行元件P充电和放电时流过的负载电流IL。与在压电执行元件P上下降的压电电压UP一起，得到输出电压V输出。由于由输入电压V输入给输出级E供电，所以也可以将该电路装置看作为将电压V输入转换成电压V输出的受控制的电压互感器。
电阻RS作为所谓的分流器拥有很小的电阻值，以致在实践中相对于压电电压能忽略在其上下降的电压。
测量电压URS被导向两个比较器K1和K2，以便将代表负载电流IL的电压与正的阈值th正和负的阈值th负进行比较。将在比较器的输出端上对应于比较结果的信号称作c正和c负。
提供压电控制电压Us的电路节点是由充电开关T1和放电开关T2所组成的串联电路的中间分接点。这些开关T1和T2有利地分别被构造为晶体管，特别地被构造为N沟道MOSFET。平行于这些开关地分别布置自振荡二极管D1或D2。在将MOSFET用作开关时，也可以舍弃这些二极管，因为这些晶体管由结构决定地具有这种集成的二极管。在这种情况下，外部的自振荡二极管可能是可选的。给由T1和T2所组成的串联电路施加输入电压V输入。平行于充电开关T1地布置了电荷能量存储器(Ladeenergiespeicher)或电容器CL。可替换地或附加地，也可能平行于放电开关T2地布置转变(Umschwing)储能器或转变电容器。在该图中用虚线画出了这种转变电容器CU。
控制单元ST启动和控制了要由输出级E实施的、用于借助负载电流IL给执行元件P充电或放电的充电过程和放电过程。为此目的，控制单元ST在输出侧提供了输送给晶体管T2和T2的控制接头(栅极)的控制信号S1和S2。
给控制单元ST在输入侧提供了信号V输入、V输出、c正和c负。
在所示的实施例中，同样由控制单元ST提供了用于将实际的负载电流IL与最大设定和最小设定进行比较所必需的阈值th正和th负。
图3借助时间变化曲线图(时间：t)表明了从充电过程向随后的放电过程的过渡。
在所示出的时间变化过程的起始处，闭合充电开关T1并打开放电开关T2(请参阅该图中的控制信号S1和S2)。与此相对应地，得到节点电压Us的由输入电压V输入预先给定的最大值，该节点电压Us通过电感L施加给执行元件P。在该阶段中，在执行元件中流过的负载电流IL持续地上升。
只要负载电流达到了最大设定Ith正，这通过比较器输出信号c正检测到，控制单元就促使打开充电开关T1，并(在预先给定的时间延迟Δt2之后)促使闭合放电开关T2。直接在打开开关T1之后，首先通过自振荡二极管D2提供负载电流。时间延迟Δt2实现了与此平行地来布置的开关T2的“软”接通。与输出级E的部件的具体大小有关地，尤其是与可选的转变电容器CU或其电容的存在有关地，负载电流IL的变化过程也能更强烈地或更不强烈地偏离图3中所示出的变化过程。可是主要的是，在打开开关T1或闭合开关T2之后的某个时间，电流重新下降。
只要负载电流IL达到了由阈值th负所限定的最小设定Ith负，这通过比较器输出信号c负来识别，控制单元ST就促使打开开关T2，和在预先给定的时间延迟滞后Δt1之后，促使闭合开关T1。电流IL随即重新上升。
如从图3中能看出的那样，所述的过程重复，以致负载电流在最大设定与最小设定之间摆动。大约5至10个“负载电流脉冲”优选地应该位于最大设定和最小设定的每个上升边沿或下降边沿之内。
图4表明了充电过程和紧随其后的放电过程的这些电流设定Ith正和Ith负的时间变化过程。
在充电过程期间，最小设定Ith负基本上为零，而在放电过程期间，最大设定Ith正基本上为零。在充电过程期间，最大设定首先线性上升(步骤a)，以便然后一段时间长地保持恒定(步骤b)，并且最终重新线性下降(步骤c)。因此，在时间变化过程中观察到地，该设定拥有梯形的形状。以类似的方式，放电过程中的最小设定Ith负是梯形状的，即同样被划分为三个这种步骤a、b、c。
为了调节所希望的充电程度，该充电程度在所示出的实施例中例如是在充电过程结束时达到的最大的执行元件偏移或执行元件电荷，控制单元ST规定了充电过程的第三步c与放电过程的第一步a的、更大的或者更不大的时间上的重叠Δtth。通过在运行时可变的时间上的重叠，能以高分辨率和良好可再现性地实现压电执行元件P的控制。
在某种程度上实现了从充电进入放电中的连续的变换。在时间上的过渡范围中，同时和相同意义地改变了所使用的电流设定值(上阈值th正和下阈值th负)。在重叠区Δtth之外，控制电路实际上仅仅在考虑两个电流设定之一(正或负)的情况下来工作，这些电流设定被考虑为用于进行电流调节的参考值(降压或升压变换器的原理)。
Claims (7)
1.用于控制电容性负载(P)的方法，该方法包括用于借助负载电流(IL)给电容性负载(P)充电或放电的充电过程和放电过程，该负载电流(IL)被允许在最大设定值(Ith正)与最小设定值(Ith负)之间摆动，其中，在充电过程期间，最大设定值(Ith正)在第一步(a)中单调上升，在第二步(b)中基本上保持恒定，并且在第三步(c)中单调下降；其中，在放电过程期间，最小设定值(Ith负)在第一步(a)中单调下降，在第二步(b)中基本上保持恒定，并且在第三步(c)中单调上升，其中，为了调节所希望的充电程度，一系列要改变的参数被提供使用，并且充电过程的第三步(c)和随后的放电过程的第一步(a)在时间上的重叠(Δtth)被设置为要改变的参数，所述重叠是可变的。
2.按权利要求1所述的方法，其中，为了调节充电程度，作为一个或两个其它参数，还改变了在充电过程中第一步(a)结束时所达到的最大设定值(Ith正)，和/或改变充电过程中的第二步(b)的持续时间。
3.按以上权利要求之一所述的方法，其中，为了调节充电程度，从特性曲线族中读出所述要改变的参数。
4.按权利要求1或2所述的方法，其中，在充电过程期间，最小设定值(Ith负)基本上为零，和/或在放电过程期间，最大设定值(Ith正)基本上为零。
5.按权利要求1或2所述的方法，其中，充电过程期间的最大设定值(Ith正)的时间变化过程和/或放电过程期间的最小设定值(Ith负)的时间变化过程大致拥有梯形的形状。
6.按权利要求1所述的方法，其中，该方法被用于控制内燃机的喷油嘴的压电执行元件。
7.一种用于控制电容性负载的设备，其包括用于执行按权利要求1至6之一所述的方法的装置，以及包括：
-输出级(E)，用于基于被输入给该输出级的控制信号(S；S1，S2)来提供所述负载电流(IL)，和
-控制单元，用于基于控制设定和至少基于实际负载电流(IL)的测量值来提供控制信号(S；S1，S2)。
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