CN101646951A - 用于在压电执行器单元上检测电势差的方法以及用于实施该方法的电路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于通过一个待检测的电势差(200)来检测时间上变化的幅度的一种电路装置(100)。其提供了一个第一电势差检测装置(101)和一个第二电势差检测装置(102)，该第一电势差检测装置用于检测至少一个电势差(200)并用于输出一个第一电势差信号(201)，该第二电势差检测装置用于检测至少一个电势差(200)并用于输出一个第二电势差信号(202)。该第一电势差检测装置(101)具有比该第二电势差检测装置(102)更高的时间分辨率，而该第二电势差检测装置(102)具有比该第一电势差检测装置(101)更高的幅度分辨率。
Description
本发明涉及用于一种运行压电元件的电路装置，并尤其涉及用于监控该压电元件的电路装置和方法。本发明尤其涉及用于利用第一电势差检测装置和第二电势差检测装置来检测至少一个待检测的电势差的时间上变化的幅度，其中该第一电势差检测装置用于检测所述至少一个电势差并用于输出第一电势差信号，该第二电势差检测装置用于检测所述至少一个电势差并用于输出第二电势差信号。
压电元件的控制装置比如应用于机动车的燃料喷射设备。这种压电元件在此用作一种执行机构，可以给该执行机构施加一个控制电流。为了控制这种执行机构，必须对施加在该执行机构上的电压以高的精度来进行监控。
现有技术
内燃机喷射系统的功能基于的是作为压电执行器来构造的燃料喷射执行机构的精确控制。在DE 102004037720A1中描述了一种执行机构的控制电路，其中压电元件被控制，该压电元件比如移动喷射阀的针阀，以影响至该内燃机燃烧室内的燃料喷射。
在DE 102004037720A1中所述的控制电路如此来构造，使得最大可能地避免干扰电流，其中该干扰电流比如在预给定的电流曲线中由于该压电元件的引线电感而出现。
在DE 102004058671A1中公开了用于控制机动车的尤其是燃料喷射设备的压电元件的另一种电路。在此提供有两个串联的、利用时钟可控制的晶体管，其共同的端子点与该压电元件相耦合，并规定其中一个用于该压电元件的放电。虽然在错误情况下能够保证该压电元件的快速放电，但是缺点是，利用所述的装置不能可靠并且无地电位(massepotentialfrei)地监控该压电元件上的电压。
为了能够利用压电元件把燃料注入到燃烧室中，必须把该压电元件充电至200V的电压。利用一个脉动电流来进行该压电元件(执行器单元)的充/放电。通常的共轨压电柴油系统具有该压电元件与地电势相连接的一个极。从而可以为了测量该执行器电压而检测在该压电元件另一端上的电势，并相对于地电势来进行确定。
但是在用于高精度燃料喷射的压电元件的改进中，该压电元件的端子没有与地电势相连接。相反该压电元件不仅可以充电到一个正电压，而且可以充电到一个稍微负的电压。对此该压电元件(低电压侧)的一个极被施加了相对于地电势约45V的电压。其问题在于，如果在高电压侧的端子同样被施加了小于45V的这种电势，那么在该执行器上的电压差就变成负的。为了能够利用并监控这种压电元件，必须进行无地电势的电压差测量。
本发明的优点
从而本发明所基于的问题在于，在一种压电执行机构上进行可靠的、在时间上以及在幅度上高分辨的电压差测量。
为了解决该问题，根据本发明推荐了具有权利要求1特征的、用于检测至少一个待检测的电势差的时间上变化的幅度的一种电路装置。另外还提供了用于检测至少一个待检测的电势差的时间上变化的幅度的一种方法，其中该方法具有在并列权利要求6中所包含的步骤。本发明的进一步的扩展参见从属权利要求。
本发明的基本想法是，设置两个不同的电势差检测装置以检测至少一个电势差并用于输出电势差信号，其中第一电势差检测装置具有比第二电势差检测装置高的时间分辨率，并且其中该第二电势差检测装置具有比该第一电势差检测装置高的幅度分辨率。
利用这种电压差监控装置，可以可靠地监控压电元件，其中该压电元件比如被应用在具有带直接针阀控制的喷射器的压电共轨柴油系统中。一种处理装置有利地提供了所述第一和第二电势差信号的处理，使得获得控制信号，该控制信号具有高的幅度分辨率和/或高的时间分辨率。
本发明的基本想法是，该第一电势差检测装置如此来构造，使得该第一电势差检测装置模拟地确定该第一电势差信号，而至少一个第二电势差检测装置被构造用于数字地确定该第二电势差信号。
根据一个总的观点，本发明的用于检测至少一个待检测的电势差的时间上变化的幅度的电路装置主要具有：
a)第一电势差检测装置，其用于检测至少一个电势差并用于输出第一电势差信号；以及
b)至少一个第二电势差检测装置，其用于检测至少一个电势差并用于输出第二电势差信号，其中该第一电势差检测装置具有比该第二电势差检测装置高的时间分辨率，并且该第二电势差检测装置具有比该第一电势差检测装置高的幅度分辨率。
另外，根据本发明的用于检测至少一个待检测的电势差的时间上变化的幅度的方法主要具有以下的步骤：
a)借助第一电势差检测装置来检测至少一个电势差；
b)由该第一电势差检测装置来输出第一电势差信号；
c)借助第二电势差检测装置来检测至少一个电势差；以及
d)由该第二电势差检测装置来输出第二电势差信号，其中该第一电势差检测装置利用比该第二电势差检测装置高的时间分辨率来检测该电势差，并且该第二电势差检测装置利用比该第一电势差检测装置高的幅度分辨率来检测该电势差。
在从属权利要求中是本发明的相应主题的有利改进和改善。
根据本发明的一个优选改进方案，该第一电势差检测装置被构造为使得该第一电势差信号模拟地被确定。
根据本发明的另一优选改进方案，该第二电势差检测装置被构造为使得该第二电势差信号数字地被确定。
优选地在该第一电势差检测装置后连接模拟-数字转换器。
根据本发明的另一优选改进方案，提供有一种处理装置用于处理该第一电势差信号和该第二电势差信号，其中该处理装置输出控制信号，该控制信号具有高的幅度分辨率和/或高的时间分辨率。
附图
在附图中示出了本发明的一个实施例，并在下文中详细解释。
其中：
图1示出了根据本发明一个优选实施例的用于利用第一和第二电势差检测装置来检测至少一个待检测的电势差的时间上变化的幅度的一种电路装置的框图。
实施例的说明
图1示出了根据本发明一个优选实施例的用于检测至少一个待检测的电势差200的时间上变化的幅度的一种电路装置的框图。在图1中所示的电路装置100具有用于提供开关控制信号409-412的一个控制装置400，其中所述控制信号可以根据电势差信号来生成。
根据在图1中所示的本发明的优选实施例，该电路装置100用于对在执行器单元301上的电压差提供监控。该执行器单元301通过执行器控制单元302被控制，其中该执行器控制单元302接收外部预给定的执行器控制信号207a、207b、207c。为了运行该执行器单元301，在第一供电电压端子303上施加了相对于地电势204的第一执行器供电电压205，并在第二供电电压端子304上施加了相对于地电势204的第二执行器供电电压206。
该执行器单元301由单独的执行器单元301a-301n组成(在图1中示出了三个单独的执行器单元)，其中所述执行器单元优选地作为压电执行元件来构造。这种压电执行元件或压电执行器可以由薄的压电晶体薄片组成，其中这些压电晶体薄片在电场中延伸。与电磁驱动的阀相比，压电执行元件可以在向内燃机的燃烧室中进行一次燃料喷射时提供直至五次的更快速的开关速度。在此，所述压电执行元件作用于喷射阀的针阀，以影响至该内燃机的燃烧室中的燃料喷射。
参照图1，现在来解释在一个相应执行器单元301a-301n的端子单元(未示出)之间施加于该执行器单元301a-301n上的电压差的检测。为了能够利用压电执行器单元301a-301n向内燃机的燃烧室中注入燃料，该压电执行器单元301a-301n必须被充电到相对于地电势直至200V的一个电压。这种压电执行器单元301a-301n的充电/放电利用一种脉动(gepulsten)电流来进行。执行器单元301a-301n在较早的时期已经被开发，其中该压电执行器单元的一个极(一个端子单元)没有处于地电势204。从而如参照现有技术所述，施加于该压电执行器单元上的电压的测量不能通过在该压电执行器单元301a-301n的传导电压的极(传导电压的端子单元)上的测量来进行。
相反，根据本发明提供了在该压电执行器单元301的两个极(端子单元)上的测量。为此提供了用于检测该第一执行器供电电压205的第一分压器单元305以及用于测量该第二执行器供电电压206的第二分压器单元306。在下文中该第一执行器供电电压205也称作HS电压(High-Side-Spannung，高侧电压)，而该第二执行器供电电压206也被称作LS电压(Low-Side-Spannung，低侧电压)。
从而存在执行器单元301，其不仅可以被充电到一个正的电压(相对于地电势)，而且可以被充电到一个稍微(leicht)负的电压。为此，该执行器单元的端子单元被施加了相对于地电势204约45V的LS电压。那么如果该HS电压(第一执行器供电电压205)被下降到低于45V，那么在该执行器单元301的端子单元上的电压差为负。
因为该LS电压(第二执行器供电电压)206在一个驱动单元的运行中在幅度上轻微地波动，所以，为了确定施加于该执行器单元301上的电压，不仅必须测量该HS电压、也即该第一执行器供电电压206，而且还必须测量该LS电压、也即该第二执行器供电电压。最后由这两个被测量的电压来进行电势差200的确定。
为此，设有高电压幅度的第一和第二执行器供电电压205、206被部分地输送给该第一和第二分压器单元305、306。该第一和第二分压器单元305、306提供了分压和滤波的组合。在此，分压通过两个欧姆电阻的串联电路来进行，而低通滤波通过欧姆电阻和电容的串联电路来进行。
在图1中所示的第一分压器单元305从而具有欧姆电阻R1和欧姆电阻R2的串联电路，该串联电路连接在该第一供电电压端子303和地电势204之间。与该欧姆电阻R2并联连接了电容C1。经分压和滤波的第一执行器供电电压205一方面被输送给该控制装置400第一输入端子A1，并另一方面被输送给一个第二电势差检测装置的第一输入端子D1。
该第二分压器单元306具有三个电阻R3、R4和R5的一个串联电路，其连接在该第二供电电压端子304与地电势204之间。与该电阻R4和R5的串联电路并联连接了一个电容器C2(平滑电容)，使得提供了由该电阻R3和该电容C2组成的滤波器单元。通过该第二分压器单元306被分压并被滤波的该第二执行器供电电压206一方面被输送至该控制装置400的第二输入端子A2，其中该输入端子A2与电阻R4和R5间的连接点相连接，另一方面被输送至该第二电势差检测装置102的一个第二输入端子D2，其中该第二输入端子D2与该电阻R3和R4间的连接点相连接。
这样，电势差200就施加在控制装置400的输入端子A1和A2之间，而与之不同的一个电势差200`就施加在该第二电势差检测装置102的输入端子D1和D2之间。两个电势差被用于确定施加在该执行器单元301a-301n上的电势差。该第二电势差检测装置102在此被构造用于数字地确定第二电势差信号202。由该数字的第二电势差检测装置102所输出的、数字地被确定的第二电势差信号202从而反映了该电势差200`的数字值。该第二电势差信号202被输送给一个处理装置104，该处理装置104处理该第二电势差信号202连同第一电势差信号201，其中该第一电势差信号的生成在下文中详细描述。
该处理装置104具有控制端子S，作为所输送的第一和第二电势差信号201、202的函数从该控制端子S中输出一个控制信号203。从而如在下文中所详细阐述的，利用该处理装置104可以对该第一电势差信号201和第二电势差信号202进行处理以提供一个控制信号203，其中该控制信号具有特定地预给定的幅度分辨率和/或特定地预给定的时间分辨率。
施加在该控制装置400的输入端子A1和A2上的电势差200以模拟的方式在第一电势差检测装置101中被测量。为此，一个差分放大器的输入(+，-)通过相应的耦合单元413与该控制装置400的输入A1和A2相连接。由该第一电势差检测装置101所输出的输出信号体现为一个模拟的第一电势差信号201，其通过另一耦合单元413通过一个输出端子A3由该控制装置400输出。该控制装置400的输出A3通过一个电阻R6与一个模拟-数字转换器103相连接。
在该第一电势差检测装置101后连接的该模拟-数字转换器103把由该第一电势差检测装置101所输出的第一电势差信号201以高的速度变换为数字的第一电势差信号201`。被数字变换的该第一电势差信号201`同样被输送给该处理装置104。在该模拟-数字转换器103的输入端子与地电势204之间设置有电容器C5，该电容器连同该电阻R6一起构成了滤波单元307(低通滤波器)。该处理装置104在此对该第一电势差信号201`和第二电势差信号202实施处理，使得在该处理装置104的输出端子S上提供了控制信号203，该控制信号具有高的幅度分辨率和/或高的时间分辨率。
下面将阐述该控制装置400的用于生成关断控制信号的那些部件。如果所测量的电压或电压差处于一个预给定的范围之外，那么这种关断控制信号用于关闭整个电路装置。
由该第一电势差检测装置101所输出的第一电势差信号201同时被输送给四个比较器单元，即第一比较器单元405、第二比较器单元406、第三比较器单元407以及第四比较器单元408。另外，在该控制装置400中还设置有四个参考电压调节单元，即第一参考电压调节单元401、第二参考电压调节单元402、第三参考电压调节单元403以及第四参考电压调节单元404。该参考电压调节单元用于调节可特定地预给定的参考电压，以对由该第一电压差检测装置101所输出的第一电势差信号201关于其电压值进行监控。该第一参考电压调节单元401输出一个阈值电压信号，该阈值电压信号相应于在正输入(HS电压信号，见前文)上的最大电压。如果该第一电势差信号201超过典型地处于在150至300V之间的范围中的该最大电压，那么就输出一个第一关断控制信号。优选地该第一参考电压调节单元401作为具有4比特分辨率的数字-模拟转换器来提供，使得能够以10V的分辨率来调节在从150至300V的范围内的模拟电压。
该第二参考电压调节单元402与该第一参考电压调节单元401相类似地运行，其中该第二参考电压调节单元402定义了一个低的、不允许低于该执行器单元301的LS电压信号端子的阈值电压。这样的阈值在从-100V至50V的范围内以10V的分辨率而被提供，其中该阈值信号被输送给该第二比较器单元406。如果超过了这样的阈值，那么就输出第二关断信号410。
该第三参考电压调节单元403用于确定一个端子电压。为此该第一电势差信号201与该第三参考电压调节单元403所输出的参考端子电压相比较。如果超过了这样的阈值，那么由该第三比较器单元407输出一个第三关断信号411。
该第四参考电压调节单元404同样如同前面的参考电压调节单元401-403一样作为数字-模拟转换器来构造，该数字-模拟转换器与前述的数字-模拟转换器401-403不同而具有8比特的分辨率。由此相应地输出——在1V分辨率的情况下40至215V的阈值信号，其中该信号被输送给该第四比较器单元408。在该第四比较器单元408中，该信号与该第一电势差信号201相比较，以便如果该第一电势差信号201处于一个可预给定的范围之外，那么就由该第四比较器单元408输出一个第四关断控制信号412。
借助该第一和第二电势差检测装置101及102所测量的第一和第二电势差信号201及202被提供给不能独立地检测电压差的电路部件。
优选地通过两个分压器单元305和306来进行电压差的测量，所述分压器单元在本发明的一个优选实施方案中具有相同的分压比例。如果应该通过该第一电势差检测装置101来确定电压差，那么优选地采用相同的分压比例，而在该第二电势差检测装置102中也可以在该第一和第二分压器单元305及306中提供不同的分压比例。本实施方案的优点尤其是，以不同的方式来检测电压差，使得能够采用相应最精确的测量。尤其利用该第一电势差检测装置101达到了比利用该第二电势差检测装置102高的时间分辨率，使得如果需要较高的时间分辨率来测量电势差，那么就可以采用该第一电势差检测装置101。
另一方面，该第二电势差检测装置102具有比该第一电势差检测装置101高的幅度分辨率。尤其是，如果需要特别精确地确定该电压差的幅度，那么从而采用该第二电势差检测装置102来确定该执行器单元30上的电压差。
通过本发明的电路装置，从而能够不仅关于时间分辨率而且关于幅度分辨率而以高的精确度来检测施加于执行器单元301a-301n上的待检测的电势差200。通过利用不同的组件对这种电压差进行同时的检测，可以相应采用具有最大精确度的测量。其他的测量可以补偿该具有最大精确度的测量。在上面的说明中所解释的电压差测量可以尤其有利地应用在具有带直接针阀控制的喷射器的压电共轨柴油系统的控制设备中。
虽然本发明在前文中借助优选的实施例已经进行了描述，但其并不局限于此，而是可以以多种方式来变化。
本发明也并不局限于所述的应用可能性。
Claims (9)
1.用于检测至少一个待检测的电势差(200)的时间上变化的幅度的电路装置(100)，其具有：
a)第一电势差检测装置(101)，该第一电势差检测装置(101)用于检测所述至少一个电势差(200)并用于输出第一电势差信号(201)；以及
b)第二电势差检测装置(102)，该第二电势差检测装置(102)用于检测所述至少一个电势差(200)并用于输出第二电势差信号(202)，
其特征在于，
c)该第一电势差检测装置(101)具有比该第二电势差检测装置(102)高的时间分辨率；以及
d)该第二电势差检测装置(102)具有比该第一电势差检测装置(101)高的幅度分辨率。
2.根据权利要求1所述的电路装置(100)，
其特征在于，
该第一电势差检测装置(101)被构造用于模拟地确定该第一电势差信号(201)。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置(100)，
其特征在于，
该第二电势差检测装置(102)被构造用于数字地确定该第二电势差信号(202)。
4.根据权利要求2所述的电路装置(100)，
其特征在于，
在该第一电势差检测装置(101)后连接了模拟-数字转换器(103)。
5.根据权利要求1所述的电路装置(100)，
其特征在于
用于处理该第一电势差信号(201)和该第二电势差信号(202)以提供控制信号(203)的处理装置(104)，其中该控制信号具有高的幅度分辨率和/或高的时间分辨率。
6.用于检测至少一个待检测的电势差(200)的时间上变化的幅度的方法，具有以下的步骤：
a)借助第一电势差检测装置(101)来检测所述至少一个电势差(200)；
b)由该第一电势差检测装置(101)输出第一电势差信号(201)；
c)借助第二电势差检测装置(102)来检测所述至少一个电势差(200)；以及
d)由该第二电势差检测装置(102)输出第二电势差信号(202)，
其特征在于，
e)该第一电势差检测装置(101)以比该第二电势差检测装置(102)高的时间分辨率来检测该电势差(200)；以及
f)该第二电势差检测装置(102)以比该第一电势差检测装置(101)高的幅度分辨率来检测该电势差(200)。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征在于，
利用该第一电势差检测装置(101)模拟地确定该第一电势差信号(201)。
8.根据权利要求6或7所述的方法，
其特征在于，
利用该第二电势差检测装置(102)数字地确定该第二电势差信号(202)。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
借助处理装置(104)将该第一电势差信号(201)和该第二电势差信号(202)处理为控制信号(203)，该控制信号具有高的幅度分辨率和/或高的时间分辨率。
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