DE10122137A1

DE10122137A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer piezoelektrischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE10122137A1
Application number: DE10122137A
Authority: DE
Inventors: Christopher F Gallmeyer; Larry G Waterfield
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2002-02-14
Also published as: GB0112137D0; GB2368923A; US6376966B1; JP2002017093A

Abstract

Ein System zur Steuerung des Betriebes einer piezoelektrischen Vorrichtung, die ein Steuersystem aufweist, das betreibbar ist, um ein erstes Steuersignal zu erzeugen, das eine erwünschte Veränderung der piezoelektrischen Vorrichtung darstellt und einer erwünschten Position einer piezoelektrischen Vorrichtung entspricht, wird offenbart. Das Steuersystem weist weiter eine Ladungssteuerschaltung auf, die auf das erste Steuersignal anspricht, um ein Ladungssteuersignal zu einer Vorrichtungssteuerschaltung zu liefern. Die Vorrichtungssteuerschaltung liefert ein Befehlssignal, das bewirkt, dass sich die piezoelektrische Vorrichtung zur erwünschten Position bewegt.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf pie zoelektrische Vorrichtungen und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur genauen Steuerung der Bewegung einer piezoelektrischen Vorrichtung.

Technischer Hintergrund

Piezoelektrische Vorrichtungen verändern ihre Form an sprechend auf ein angelegtes elektrisches Feld. Ein elek trisches Feld, das in Richtung der Polarisation angelegt wird, bewirkt eine Ausdehnung des piezoelektrischen Mate rials in der gleichen Richtung, während eine Spannung, die in entgegengesetzter Richtung zur Polarisation ange legt wird, eine Kontraktion des Materials in der gleichen Richtung bewirken wird. Bei manchen Anwendungen verwenden piezoelektrische Biegevorrichtungen, wie beispielsweise thermisch vorgespannte Biegevorrichtungen, die "Biege wirkung" der Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Bei solchen Anwendungen können die piezoelektrischen Biegevorrichtungen als eine Betätigungsvorrichtung verwendet werden. Bei anderen An wendungen kann eine äußere Kraft eine Biegewirkung auf die Vorrichtung aufprägen; und die Vorrichtung wandelt dann diese mechanische Energie, die von der äußeren Kraft herrührt, in elektrische Energie um. Bei solchen Anwen dungen können die piezoelektrischen Biegevorrichtungen als Sensor verwendet werden.

Bei vielen Anwendungen wird ein Spannungsbefehlssignal normalerweise an die piezoelektrische Vorrichtung ange legt, um zu bewirken, daß sich die Vorrichtung in eine erwünschte Position bewegt. Während ein solches Steuersy stem gut funktioniert gibt es nicht lineares Verhalten beim Betrieb der piezoelektrischen Vorrichtung, das zum Steuersystem zurückreflektiert wird. Beispielsweise kön nen nicht lineare Verhaltensweisen bewirken, daß sich die Betätigungsvorrichtung nicht vollständig zu einer er wünschten Position ansprechend auf das Spannungssteuersi gnal bewegt. Weiterhin kann das Steuersignal bewirken, daß die Betätigungsvorrichtung sich in langsamer bzw. un vorhersagbarer Weise bewegt oder seine Position abrupt verändert, was nicht zu dem erwünschten Betätigungsvor richtungsbewegungsprofil für eine spezielle Anwendung paßt.

Somit ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, ei nes oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu über winden.

Offenbarung der Erfindung

Während die Erfindung in Verbindung mit gewissen Ausfüh rungsbeispielen beschrieben wird, wird klar sein, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Im Gegensatz dazu weist die Erfindung alle Alterna tiven, Modifikationen und äquivalente Ausführungen auf, wie sie im Kern und Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sind.

Gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist ein Steuersystem betriebsmäßig mit der piezoelektrischen Vor richtung verbunden und spricht auf ein Steuersignal an, das eine erwünschte Position der piezoelektrischen Vor richtung darstellt. Das Steuersystem liefert ein Befehls signal als eine Funktion der Ladung auf der piezoelektri schen Vorrichtung, was bewirkt, daß die piezoelektrische Vorrichtung sich in die erwünschte Position bewegt. Somit treibt die vorliegende Erfindung die piezoelektrische Vorrichtung als eine Funktion der Ladung der piezoelek trischen Vorrichtung an. Durch Verwendung der Ladung als den Steuerparameter ist das Steuersystem der vorliegenden Erfindung frei von einigen der nicht linearen Verhaltens weisen eines herkömmlichen Steuersystems, das die piezo elektrische Vorrichtung mit einem Spannungsbefehlssignal steuert.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung weist das Steuersystem eine Ladungssteuerschaltung auf, die auf das Steuersignal anspricht, um ein Ausgangssignal zu liefern, das eine erwünschte Veränderung der Ladung der piezoelek trischen Vorrichtung darstellt. Das Steuersystem weist weiter eine Vorrichtungssteuerschaltung auf, die auf das Ausgangssignal der Ladungssteuerschaltung anspricht, um ein Befehlssignal entsprechend der erwünschten Verände rung der Ladung der Vorrichtung zu liefern.

Gemäß eines weiteres Aspektes der vorliegenden Erfindung weist die Ladungssteuerschaltung eine Integratorschaltung bzw. integrierende Schaltung auf, die auf einen detek tierten Strom in der piezoelektrischen Vorrichtung an spricht und ein Ladungsrückkoppelungssignal als eine Funktion der Integration des detektierten Stroms über die Zeit liefert. Die Ladungssteuerschaltung weist weiter ei nen Komparator auf, der auf das erste Befehlssignal und das Ladungsrückkoppelungssignal anspricht, um ein La dungssteuersignal zur Steuerschaltung der piezoelektri schen Vorrichtung zu liefern.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel sieht die vorlie gende Erfindung ein Verfahren vor, um zu bewirken, daß sich eine piezoelektrische Vorrichtung zu einer erwünsch ten Position bewegt, und zwar zuerst durch Bestimmung ei ner erwünschten Ladung bzw. Soll-Ladung der piezoelektri schen Vorrichtung. Als nächstes wird eine Ladungsrückkop pelung bestimmt; und ein Steuersignal wird an der piezo elektrischen Vorrichtung als eine Funktion der erwünsch ten Rückkoppelungsladungen angelegt. Das Steuersignal be wirkt, daß sich die piezoelektrische Vorrichtung zur er wünschten Position bewegt.

Gemäß eines Aspektes dieses Ausführungsbeispiels der Er findung wird das Ladungsrückkoppelungssignal bestimmt durch Integrieren eines detektierten Stromflusses durch die piezoelektrische Vorrichtung.

Die obigen und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen aus den beigefügten Zeichnungen und ih rer Beschreibung offensichtlich werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen, die in dieser Beschreibung eingeschlossen sind und einen Teil davon bilden, veran schaulichen Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen zusammen mit einer allgemeinen oben dargelegten Beschrei bung der Erfindung und der unten dargelegten detaillier ten Beschreibung der Ausführungsbeispiele dazu, die Prin zipien der Erfindung zu erklären.

Die Figur ist ein Blockdiagramm eines Steuersystems zur Steuerung einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf die Figur ist ein Steuersystem 10 gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung gezeigt, um eine piezoelektrische Vorrichtung 12 zu steuern, wie bei spielsweise eine thermisch vorgespannte Biegevorrichtung, die mit dem Steuersystem 10 durch ein Paar von Leitungen 14a, 14b gekoppelt ist. Wie unten im Detail beschrieben nimmt das Steuersystem 10 ein Steuersignal auf der Lei tung 16 von einer (nicht gezeigten) Steuersignalquelle auf, die einer erwünschten Position der Vorrichtung 12 entspricht. Ansprechend auf das Steuersignal auf der Lei tung 16 verwendet das Steuersystem 10 eine Ladungssteuer schaltung 13, die bewirkt, daß ein Antriebssignal auf der Leitung 14a an der Vorrichtung 12 angelegt wird, und zwar gemäß einer erwünschten und gemessenen Ladung der piezo elektrischen Vorrichtung. Auf diese Weise steuert das Steuersystem 10 genau die Verschiebung der Vorrichtung 12 ansprechend auf den Empfang des Steuersignals auf der Leitung 16 von der (nicht gezeigten) Steuersignalquelle.

Während das obige die piezoelektrische Vorrichtung 12 derart beschreibt, daß sie als eine Betätigungsvorrich tung verwendet wird, wird der Fachmann erkennen, daß das Steuersystem 10 leicht zur Anwendung in einem großen Be reich von Anwendungen von piezoelektrischen Vorrichtungen anzupassen ist, ohne vom Kern und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Die Ladungssteuerschaltung 13 weist eine eindimensionale empirische Karte oder Datenstruktur 18 auf, die das er wünschte Vorrichtungspositionssteuersignal auf der Lei tung 16 von der (nicht gezeigten) Steuersignalquelle als eine Eingangsgröße in die Karte bzw. Datenstruktur 18 aufnimmt. Die Datenstruktur 18 erzeugt auf der Ausgangs leitung 20 ein erwünschtes Ladungssignal mit einem Wert, der eine erwünschte Veränderung bei der piezoelektrischen Vorrichtung 12 darstellt, die elektrisch mit einer Vor richtungssteuerschaltung 22 kompatibel ist. Die Daten struktur 18 wandelt das erwünschte Vorrichtungspositions steuersignal auf der Eingangsleitung 16 in den erwünsch ten Ladungswert um. Die Datenstruktur 18 kann eine Nach schautabelle sein, die im RAM bzw. Arbeitsspeicher oder im ROM bzw. Lesespeicher gespeichert sein kann, weiter einen Programmalgorhythmus oder eine verkabelte Schal tung, wie dem Fachmann leicht offensichtlich sein wird.

Die Vorrichtungssteuerschaltung 22 ist anders als schon bekannte Vorrichtungssteuerschaltungen, und zwar dahinge hend, daß sie ein Befehlssignal liefert, das einen Strom steuert oder verändert, der vom Ausgang 14a durch die Vorrichtung 12 fließt. Weiterhin mißt die Vorrichtungs steuerschaltung 22 dann eine Spannung, die von dem Strom erzeugt wird, der durch die piezoelektrische Vorrichtung 12 fließt, und zwar ansprechend auf das Befehlssignal. Die gemessene Spannung sieht eine Rückkoppelung vor, die verwendet wird, um die Ladungstransferrate zu mäßigen, d. h. die Stromtransferrate von der Vorrichtungssteuer schaltung 22 zur piezoelektrischen Vorrichtung 12. Eine herkömmlichere Vorrichtungssteuerschaltung liefert ein Befehlssignal, das eine Spannung verändert, die an einer piezoelektrischen Vorrichtung angelegt ist, und mißt ei nen Stromfluß durch die Vorrichtung ansprechend auf die angewiesene Spannung. Der gemessene Strom wird dann ver wendet, um die angelegte Spannung zu mäßigen bzw. zu mo derieren. Die Modifikation einer herkömmlichen Vorrich tungssteuerschaltung, um ein Befehlssignal zu liefern, was den Strom variiert und eine Spannung als eine Rück koppelung mißt, ist leicht innerhalb der Fähigkeiten ei nes Fachmanns.

Die Ladungssteuerschaltung 13 weist weiter eine Kompara tor- oder Additionsverbindung 24 auf, die zusätzlich zu einem ersten Eingang, der mit der Signalleitung 20 zusam menfällt, einen zweiten Eingang 26, der mit einer Inte gratorschaltung 28 verbunden ist. Die Integratorschaltung 28 hat einen Eingang 30, auf dem ein detektiertes oder gemessenes Vorrichtungsstromsignal von der Vorrichtungs steuerschaltung 22 aufgenommen wird. Das Vorrich tungsstromsignal stellt eine Stromgröße dar, die zu der Vorrichtung 12 über das Strombefehlssignal auf dem Aus gang 14a geliefert wird. Die Integratorschaltung 28 inte griert das Vorrichtungsstromsignal über die Zeit, um ein Ladungsrückkoppelungssignal zu liefern, das eine Ladung der Vorrichtung 12 darstellt.

Die Additionsverbindung 24 vergleicht die gewünschte La dung der Vorrichtung 12, wie von dem Ladungssignal auf der Leitung 20 dargestellt, mit der detektierten Ladung der Vorrichtung 12, die von dem Ladungsrückkoppelungs signal auf der Leitung 26 dargestellt wird. Die Summie rungs- bzw. Additionsverbindung 24 liefert ein Ladungs steuersignal zu einem Eingang 32 der Vorrichtungssteuer schaltung. Das Ladungssteuersignal ist ein Fehlersignal, das die Differenz zwischen den erwünschten und den gegen wärtig bestimmten Ladungswerten darstellt. Somit stellt das Ladungssteuersignal eine erwünschte Veränderung der Ladung der Vorrichtung 12 dar, die nötig ist, um zu be wirken, daß die gegenwärtig bestimmte Ladung auf der pie zoelektrischen Vorrichtung der erwünschten Ladung ent spricht oder gleich ist, die erforderlich ist, um die Vorrichtung 12 zur erwünschten Position zu bewegen. Das Ladungssteuersignal wird von der Vorrichtungssteuerschal tung 22 verwendet, um das entsprechende Strombefehls signal auf dem Ausgang 14a an die Vorrichtung 12 zu lie fern, so daß die Vorrichtung sich zu der erwünschten Po sition bewegt, wie von dem erwünschten Vorrichtungsposi tionssignal auf der Leitung 16 dargestellt.

Industrielle Anwendbarkeit

Die vorliegende Erfindung sieht eine verbesserte Steue rung für eine piezoelektrische Vorrichtung vor, die weni ger empfindlich auf nicht lineares Verhalten im Betrieb der piezoelektrischen Vorrichtung ist. Im Gebrauch wird klar sein, daß das Steuersystem 10 betreibbar ist, um ein verbessertes Steuersystem für die piezoelektrische Vor richtung 12 vorzusehen, um die Vorrichtung 12 zu einer erwünschten Position oder Verschiebung zu treiben. Die vorliegende Erfindung sieht ein Steuersystem für eine piezoelektrische Vorrichtung vor, die die Ladung der pie zoelektrischen Vorrichtung detektiert und überwacht. Durch Verwendung der Ladung als den Steuerparameter eli miniert das Steuersystem der vorliegenden Erfindung eini ge der nicht linearen Verhaltensweisen eines herkömmli chen Steuersystems, das die piezoelektrische Vorrichtung mit einem Spannungsbefehlssignal steuert. Das Steuersy stem 10 der vorliegenden Erfindung ist wirksam, um eine genaue Bewegungsteuerung der Vorrichtung 12 vorzusehen.

Während die vorliegende Erfindung durch eine Beschreibung von verschiedenen Ausführungsbeispielen veranschaulicht worden ist, und während diese Ausführungsbeispiele sehr genau beschrieben worden sind, besteht nicht die Absicht der Anmelder, den Umfang der beigefügten Ansprüche auf eine solche detaillierte Beschreibung in irgendeiner Wei se einzuschränken. Zusätzliche Vorteile und Modifikatio nen werden dem Fachmann leicht offensichtlich werden. Die Erfindung in ihren breiteren Aspekten ist daher nicht auf die spezifischen Details, die entsprechende Vorrichtung und das Verfahren und das gezeigte und beschriebene ver anschaulichende Beispiel eingeschränkt. Entsprechend kön nen Abweichungen von solchen Details vorgenommen werden, ohne vom Kern oder Umfang des allgemeinen erfindungsgemä ßen Konzeptes der Anmelder abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung zur Steuerung des Betriebes einer piezo elektrischen Vorrichtung, die ein Steuersystem auf weist, das betriebsmäßig mit der piezoelektrischen Vorrichtung verbunden ist und auf ein Steuersignal anspricht, das eine erwünschte Position der piezo elektrischen Vorrichtung darstellt, wobei das Steu ersystem ein Befehlssignal als eine Funktion der La dung der piezoelektrischen Vorrichtung vorsieht, um zu bewirken, daß sich die piezoelektrische Vorrich tung zu der erwünschten Position bewegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem weiter folgendes aufweist:
eine Ladungssteuerschaltung, die auf das Steuersi gnal anspricht, um ein Ausgangssignal vorzusehen, das eine erwünschte Veränderung der Ladung der pie zoelektrischen Vorrichtung darstellt; und
eine Vorrichtungssteuerschaltung, die auf das Aus gangssignal anspricht, um das Befehlssignal zu lie fern.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ladungssteu erschaltung eine Datenstruktur aufweist, die be treibbar bzw. wirksam ist, um ein erwünschtes La dungssignal ansprechend auf das Steuersignal zu er zeugen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ladungssteu erschaltung weiterhin eine Integratorschaltung auf weist, die betreibbar ist, um ein detektiertes La dungssignal als eine Funktion eines Integrals des Stroms zu liefern, der in der piezoelektrischen Vor richtung mit der Zeit fließt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Ladungssteu erschaltung weiter einen Komparator bzw. eine Ver gleichsvorrichtung aufweist, die auf das erwünschte Ladungssignal und das detektierte Ladungssignal an spricht, um ein Ladungssteuersignal an die Vorrich tungssteuerschaltung zu liefern, das eine erwünschte Veränderung der Ladung der piezoelektrischen Vor richtung darstellt.

6. Verfahren um zu bewirken, daß eine piezoelektrische Vorrichtung sich zu einer erwünschten Position be wegt, das folgendes aufweist:
Bestimmung einer erwünschten Ladung auf der piezo elektrischen Vorrichtung;
Bestimmung einer detektierten Ladung auf der piezo elektrischen Vorrichtung;
Anlegen eines Steuersignals an der piezoelektrischen Vorrichtung als eine Funktion der erwünschten und der detektierten Ladung, wobei das Steuersignal be wirkt, daß sich die piezoelektrische Vorrichtung zu der erwünschten Position bewegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, das weiter die Bestimmung einer erwünschten Ladung auf der piezoelektrischen Vorrichtung aufweist, und zwar als eine Funktion der erwünschten Position der piezoelektrischen Vorrich tung.

8. Verfahren nach Anspruch 7, das weiter folgendes auf weist:
detektieren eines Stroms in der piezoelektrischen Vorrichtung ansprechend auf das Anlegen des Steuer signals; und
Bestimmung der detektierten Ladung als eine Funktion des Stroms in der piezoelektrischen Vorrichtung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das weiter die Integrati on des Stroms in der piezoelektrischen Vorrichtung über die Zeit aufweist, um die detektierte Ladung zu bestimmen.

10. Verfahren zum Betrieb einer piezoelektrischen Vor richtung, das die Erzeugung eines Befehlssignals als eine Funktion der Ladung der piezoelektrischen Vor richtung aufweist, um zu bewirken, daß sich die pie zoelektrische Vorrichtung zu einer erwünschten Posi tion bewegt, die von einem Steuersignal dargestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, das weiter folgendes aufweist:
Erzeugung eines Ladungssignals, das eine Veränderung der Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung dar stellt; und
Erzeugung des Befehlssignals als eine Funktion des Ladungssignals.

12. Verfahren nach Anspruch 11, das weiter die Erzeugung eines erwünschten Ladungssignals aufweist, das eine erwünschte Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung darstellt, die der erwünschten Position der piezo elektrischen Vorrichtung entspricht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, das weiter die Erzeugung eines Ladungsrückkoppelungssignals aufweist, das ei ne Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung dar stellt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, das weiter folgendes aufweist:
Erzeugung eines detektierten Stromsignals, das den Stromfluß durch die piezoelektrische Vorrichtung darstellt; und
Erzeugung eines Ladungsrückkoppelungssignals anspre chend auf das detektierte Stromsignal.

15. Verfahren nach Anspruch 14, das weiter folgendes aufweist:
Vergleich des erwünschten Ladungssignals mit dem La dungsrückkoppelungssignal, um ein Ladungssteuersi gnal zu liefern, das eine erwünschte Veränderung der Ladung der piezoelektrischen Vorrichtung darstellt; und
Erzeugung des Befehlssignals als eine Funktion des Ladungssteuersignals.