CN1096554C - 控制至少一个容性执行元件的方法 - Google Patents

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Abstract

用于控制至少一个容性执行元件的方法，在此从输送给执行元件的电荷量(ΔQ)中和从结束在充电过程之后位于执行元件上的执行元件电压(Up)中计算执行元件电容量Cp＝ΔQ/Up，并且从这些值中计算在充电过程期间输送给执行元件的能量(Eist)＝0.5*Cp*Up2＝0.5*ΔQ*Up，并且如此调节充电电压(UL＝UC1+UC2)，使得输送的能量(Eist)相当于一个规定的额定值(Esoll)。

Description

控制至少一个容性执行元件的方法
本发明涉及用于控制至少一个容性执行元件的一种方法，即用于借助于一个充电电压(UL)控制至少一个容性执行元件(P1至Pn)的方法。
从DE 36 21 541 A1中公开了用于控制容性执行元件的，尤其是内燃机的压电运行的燃料喷射阀的一种方法，按此方法用恒定电压给这些执行元件充电。
压电执行元件由许多压电陶瓷的层制成，并且形成一种所谓的“堆栈”，此堆栈在施加有电压时改变它的尺寸，尤其是它的长度，或者在机械的压力或拉力情况下生成电压。
这样的压电堆栈的电性能随着它受到的温度而改变。随着上升的温度它的电容量增大，但是升程也增加。在对于汽车用途应考虑的约为-40℃至+150℃的温度情况下，在此可观察到直到倍数2的电容量变化。
如果在所有的作业点上例如用在低温时带来所需升程的恒定电压给压电执行元件充电，则在高温时获得明显大于必要的升程，(这在具有恒定燃料压力的燃料喷射阀上意味着一个过大的燃料喷射量)。由于在高温时压电堆栈的电容量同样是较大的，需要比必要的多很多的电荷和能量。
因此从DE 36 21 541 A1中公开的方法仅在完全不变的边界条件下(没有所使用构件的偏差，没有电性能的改变，恒定的温度)足够准确地工作。
从US 5,387,834中公开了容性执行元件用的一个控制电路，用一个恒定的充电电压和取决于用传感器测量的执行元件温度确定的一个充电持续时间控制此执行元件。
本发明的任务在于，给出用于控制至少一个容性执行元件的一种方法，此执行元件在边界条件改变时不使用温度传感器也足够准确地工作。
按本发明通过如下的特征解决此任务，从输送给执行元件(P1至Pn)的电荷量ΔQ中和从在充电过程结束之后位于执行元件上的执行元件电压Up中按公式Cp＝ΔQ/Up计算执行元件电容量，
从执行元件电容量Cp和执行元件电压Up这些值中，按公式Eist＝0.5*Cp*Up2＝0.5*ΔQ*Up计算在充电过程期间输送给执行元件的能量Eist，
将输送的能量数额Eist与一个规定的额定值Esoll比较，和
当输送的能量数额Eist小于额定值Esoll时，将下一个控制过程用的充电电压UL＝UC1+UC2提高一个规定的数额，或者当输送的能量数额Eist大于额定值Esoll时，减小一个规定的数额。
在从属权利要求中说明了本发明的有利的进一步发展。
分析研究已指出，输送给容性执行元件的能量比施加的电压对于升程ds是一个精确得很多的尺度，并且经越所需的温度范围具有恒定能量的充电带来一种从根本上更恒定的升程。在恒定的温度下升程大致线性地随着施加的电压而变化。如果温度变化的话，在保持不变的电压时升程则也变化。相反地升程与施加能量的平方成正比地变化，可是与温度无关。
为此从输送给执行元件的电荷ΔQ中和从在结束在执行元件上的，例如P1上的充电过程之后测量的电压Up中求出执行元件的电容量Cp＝ΔQ/Up，并且然后从ΔQ和Cp中求出输送给执行元件的能量。Eist＝0.5*Cp*U2p＝0.5*ΔQ*Up。将此值Eist与一个规定值Esoll比较，并且按照比较结果微调下一个控制过程用的充电电压UL(当Eist＜Esoll时，增大UL，而当Eist＞Esoll时，减小UL)。
在对于任意的控制电路可以采用的一种方法中，通过在充电过程期间流过执行元件的电流Ip的积分求出施加的电荷量ΔQ。那么
ΔQ＝∫IPdt →CP＝∫IPdt/UP→Eist＝0.5*∫IPdt*UP
对于如图中所示的，具有串联的充电电容器和放电电容器的电路，按本发明说明求取输送给执行元件的电荷量ΔQ用的一种较简易的方法，在此方法上积分是不必要的。在此方法上一次在充电过程之前和然后在充电过程结束之后测量位于放电电容器C2上的电压，并且形成差值ΔU＝Uvor-Unach，和从中计算出电荷量ΔQ＝C2*ΔU＝C2*(Uvor-Unach)；用在充电过程结束之后位于执行元件上的电压Up相似于上面说明的方法求出执行元件电容量Cp和输送给执行元件的能量Eist：ΔQ＝C2*(Uvor-Unach)→Cp＝C2*(Uvor-Unach)/Up→Eist＝0.5*C2(Uvor-Unach)*Up
如上面已说明的那样，将此值与一个规定的额定值Esoll比较，并且按照结果微调下一个控制过程用的充电电压UL。
由于执行元件电容量Cp大约与执行元件温度Tp成正比，可以按照公式Cp＝ΔQ/Up≈Tp采用计算的执行元件电容量Cp来确定执行元件温度Tp，并且必要时可以节省一个温度传感器。
用从图中可以看出的，用于控制至少一个容性执行元件P1至Pn的一个电路阐述按本发明的方法，此执行元件用于借助于控制电路ST控制至少一个未表示的燃料喷射阀，此控制电路是未表示的微处理器控制的一个其它发动机控制设备的部分。
在调节电源SNT的，尤其是开关电源设备的正极+USNT和负极GND之间，经一个二极管D1连接了一个充电电容器C1。平行于充电电容器C1布置了由一个充电开关Ta，两个其它的二极管D2和D3和与负极GND连接的一个放电开关Tb组成的一个串联电路。
由一个再充电电容器C2、一个旋转线圈L、一个第一执行元件P1和一个第一受控选择开关T1组成的一个串联电路位于两个二极管D2和D3的连接点和机壳接线GND之间。
对于每一个其它的执行元件P2至Pn来说，由此执行元件和一个其它的选择开关T2至Tn组成的一个串联电路是与由第一执行元件P1和第一选择开关T1组成的串联电路平行连接的。选择开关、放电开关Tb和以下提及的旁路开关Tc在本实施例中是通常含有反向二极管的N-电源-MOSFET开关。充电开关Ta在本实施例中是构成为P-电源-MOSFET开关的。
此外安排了一个已提及的旁路开关Tc，旁路开关的漏极引出线是与在旋转线圈L和执行元件P1至Pn之间的连接点连接的，而旁路开关的源极引出线是与至少选择开关T1的源极引出线连接的。所有的开关由控制电路ST的输出信号经这些开关的栅极引出线控制。
当执行元件电压超过一个规定的极限值时，或者当识别在一直到喷射阀的功率输出级的内燃机中出现的差错时，由控制电路ST控制平行于执行元件P1至Pn布置的旁路开关Tc，并且容性执行元件P1至Pn经选择开关T1至Tn的反向二极管短路方式地放电。也需要旁路开关Tc用于在第一次执行元件操作之前的放电电容器C2的充电，或者用于在两次时间上互相分开的执行元件操作之间的放电电容器的补充充电。也可以安排具有像旁路开关的反向二极管相同极性的一个二极管或齐纳二极管来代替旁路开关Tc，但是在此然后必须经过一次执行元件操作，在一个燃料喷射阀上尤其是无燃油压力地进行放电电容器C2的充电。
由控制电路ST取决于一个未表示的发动机控制设备的控制信号st地控制开关Ta，Tb，Tc和T1至Tn。可以将充电电容器C1看作为开关电源设备SNT的输出电容器。
以下阐述此电路用的控制方法。在电路运行期间充电电容器C1是充电到开关电源设备SNT的由控制电路ST确定的一个输出电压+USNT上的。在更后面阐述此电压+USNT的确定。
在运行开始时将充电电容器C1充电到+USNT上，而放电电容器C2是放电的，并且旋转线圈L是无电流的。为了在第一次执行元件操作之前也使电容器C2充电，首先导通地控制旁路开关Tc。C1因此经C2、L和Tc放电。之后又非导通地控制Tc，并且现在导通地控制放电开关Tb。因此电流在相反方向上流过L、C2、Tb和旁路开关Tc的反向二极管，由此C2充电并且如此极化，使得在一个或多个充电和放电循环之后充电电压UL＝UC1+UC2位于串联电路C1和C2上。
经在此实施例中构成为采样和保持电路S&H的一个测量电路将电容器C2上的电压UC2通知控制电路ST，此控制电路如此来调节开关电源设备SNT的输出电压+USNT≈UC1，使得一个规定的开始电压位于C1和C2的串联电路上。
由于在不操作时电容器C2上的电压UC2缓慢地衰减，甚至在运行期间，例如在低转速时的充电过程期间(意即，在时间上进一步互相分开的执行元件操作时)，或者在推车作业中，进行放电电容器C2的这样的补充充电。
如果应进行一次执行元件操作，则按第一方法借助于在最简单情况下可以由一个分流电阻组成的一个测量电路M测量在充电回路中流动的电流IP，并且在位于控制电路中的一个积分电路中积分此电流。由于测量电路M仅对于此方法是必要的，在图中此测量电路是用虚线框起来的，并且电流IP的标记号是放在括号中的。如在以下说明的第二方法上那样进行此方法的进一步的实施。
按照这个比较简单的第二方法，在执行元件充电之前测量放电电容器C2上的电压UC2＝Uvor和通知控制电路ST。随后导通地控制充电开关Ta和分配给相应的执行元件，例如P1，的选择开关T1。电流从SNT和C1经Ta，C2，L，P1和T1流向GND，直到执行元件充了电时为止。随后非导通地控制Ta和T1，执行元件是继续充电的。现在测量放电电容器C2上的电压UC2＝Unach和位于执行元件P1上的电压Up，并且通知控制电路ST。此控制电路按上述公式计算输送给执行元件的能量Eist和将此值与一个规定的额定值Esoll比较。与此相应地对于下一个控制过程求出必要的充电电压UL。如果Eist＜Esoll，则相对于以前有数的值例如逐步地将充电电压UL提高一步；如果Eist＞Esoll，则将充电电压减小一步。将充电电压UL调节到Eist＝Esoll上。
执行元件P1的充电状态保持不变，直到在控制信号st消失之后导通地控制放电开关Tb时为止。在导通的放电开关Tb上经线圈L将所有的执行元件P1至Pn放电到放电电容器C2中。
经采样和保持电路S&H将在执行元件放电之后位于放电电容器C2上的电压UC2通知控制电路ST，此控制电路如此微调开关电源设备SNT的输出电压+USNT，使得在下一次控制过程时达到以前求出的充电电压UL＝UC1+UC2。然后可以用此充电电压进行执行元件P1的下一个充电过程，或下一个执行元件P2的充电过程等等。

Claims (4)

1.用于借助于一个充电电压(UL)控制至少一个容性执行元件(P1至Pn)的方法，其特征在于，
从输送给执行元件(P1至Pn)的电荷量ΔQ中和从在充电过程结束之后位于执行元件上的执行元件电压Up中按公式Cp＝ΔQ/Up计算执行元件电容量，
从执行元件电容量Cp和执行元件电压Up这些值中，按公式Eist＝0.5*Cp*Up2＝0.5*ΔQ*Up计算在充电过程期间输送给执行元件的能量Eist，
将输送的能量数额Eist与一个规定的额定值Esoll比较，和
当输送的能量数额Eist小于额定值Esoll时，将下一个控制过程用的充电电压UL＝UC1+UC2提高一个规定的数额，或者当输送的能量数额Eist大于额定值Esoll时，减小一个规定的数额。
2.按权利要求1的方法，其特征在于，通过在一个充电过程期间流过执行元件的电流Ip的积分，按公式ΔQ＝∫Ipdt求出输送给执行元件(P1至Pn)的电荷量ΔQ。
3.按权利要求1的方法，其特征在于，在具有串联的充电和放电电容器(C1，C2)的电路上，其中是可以施加一个可调节的电压(+USNT)到充电电容器(C1)上的，经在充电过程之前和之后位于放电电容器(C2)上的电压Uvor和Unach的差值ΔU＝Uvor-Unach和经放电电容器的电容量C2，按公式ΔQ＝C2*ΔU＝C2*(Uvor-Unach)求出输送给执行元件(P1至Pn)的电荷量ΔQ。
4.按权利要求1的方法，其特征在于，采用计算的执行元件电容量Cp来确定执行元件温度Tp。
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