Die
Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschaltung für piezoelektrische
Stellglieder bzw. Piezoaktoren.The
The invention relates to a drive circuit for piezoelectric
Actuators or piezo actuators.
Bei
einem piezoelektrischen Stellglied bzw. Piezoaktor wird der bei
Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT) oder einem anderen piezoelektrischen
Material auftretende piezoelektrische Effekt ausgenutzt. Ein solcher
Piezoaktor dient z. B. bei einer Brennkraftmaschine zum Schalten
des Schaltventils eines Kraftstoffinjektors. Hierbei besitzt ein
Piezoaktor im wesentlichen einen Kondensatoraufbau, der im Prinzip
eine Schicht mit piezoelektrischen Eigenschaften und zwei Elektrodenschichten
umfasst, wobei die piezoelektrische Schicht aus einem piezoelektrischen
Material besteht und zwischen den Elektrodenschichten angeordnet
ist. Bei der Aufladung eines Piezoaktors erfolgt eine Expansion,
während
bei der Entladung eines Piezoaktors eine Kontraktion erfolgt. Ein
Piezoaktor umfasst meist einen Piezoelementstapel (vereinfacht als
Piezostapel bezeichnet), über
den nur bei seiner Expansion oder Kontraktion ein elektrischer Strom
fließt.at
a piezoelectric actuator or piezoelectric actuator is at
Lead zirconate titanate ceramic (PZT) or another piezoelectric
Material occurring piezoelectric effect exploited. Such a
Piezo actuator is used for. B. in an internal combustion engine for switching
the switching valve of a fuel injector. This has a
Piezoelectric actuator essentially a capacitor structure, in principle
a layer with piezoelectric properties and two electrode layers
comprising, wherein the piezoelectric layer of a piezoelectric
Material exists and arranged between the electrode layers
is. When charging a piezoelectric actuator, an expansion takes place,
while
during the discharge of a piezoelectric actuator, a contraction occurs. One
Piezoelectric actuator usually comprises a piezoelectric element stack (simplified as
Piezo stack referred to), over
an electric current only during its expansion or contraction
flows.
Eine
Piezoaktor-Ansteuerschaltung steuert einen Piezoaktor zur Aufladung
oder Entladung derart an, dass ein Expansion oder Kontraktion des
Piezoaktors erfolgen kann. Eine typische Piezoaktor-Ansteuerschaltung
umfasst einen ersten Stromkreis, einen zweiten Stromkreis, einen
Ladeschalter und einen Entladeschalter. Der erste Stromkreis verbindet eine
Stromversorgungseinrichtung und einen Piezoaktor über eine
Induktivität
bzw. Induktionsspule, während
der zweite Stromkreis die Induktionsspule und den Piezoaktor unter
Umgehung der Stromversorgungseinrichtung miteinander verbindet.
Der Ladeschalter wird von einem Stromregler gebildet, der den ersten
Stromkreis herstellt oder unterbricht, während der Entladeschalter den
zweiten Stromkreis herstellt oder unterbricht.A
Piezo actuator drive circuit controls a piezo actuator for charging
or discharge such that expansion or contraction of the
Piezoactors can be done. A typical piezo actuator drive circuit
includes a first circuit, a second circuit, a
Charging switch and a discharge switch. The first circuit connects one
Power supply device and a piezoelectric actuator via a
inductance
or induction coil while
the second circuit under the induction coil and the piezoelectric actuator
Bypass of the power supply device connects to each other.
The charging switch is formed by a current regulator, which is the first
Circuit establishes or interrupts, while the discharge switch the
second circuit or interrupts.
Wenn
der Piezoaktor zur Aufladung angesteuert wird, wird der Ladeschalter
wiederholt derart eingeschaltet und abgeschaltet, dass im Einschaltzustand
des Ladeschalters ein ansteigender Ladestrom über den ersten Stromkreis fließt und im
Abschaltzustand des Ladeschalters ein in Bezug auf den Spitzenstrom
abnehmender Ladestrom über
den zweiten Stromkreis fließt.
Der Piezoaktor wird hierbei mit Hilfe eines Abwärts-Zerhackersystems (Spannungsverringerungs-Zerhackersystems)
aufgeladen. Wenn der Piezoaktor zur Entladung angesteuert wird,
wird der Entladeschalter wiederholt derart eingeschaltet und abgeschaltet,
dass im Einschaltzustand des Entladeschalters ein ansteigender Entladestrom über den zweiten
Stromkreis fließt
und im Abschaltzustand des Entladeschalters ein in Bezug auf den
Spitzenstrom abnehmender Entladestrom über den ersten Stromkreis fließt.If
the piezoelectric actuator is driven to charge, the charging switch
repeatedly turned on and off, that in the on state
the charging switch an increasing charging current flows through the first circuit and in the
Shutdown state of the charging switch on with respect to the peak current
decreasing charging current over
the second circuit flows.
The piezo actuator is hereby controlled by means of a down-chopper system (stress reduction chopper system)
charged. When the piezo actuator is driven to discharge,
the discharge switch is repeatedly turned on and off in this way,
in the on state of the discharge switch, an increasing discharge current across the second
Circuit is flowing
and in the off state of the discharge switch with respect to the
Peak current decreasing discharge current flows through the first circuit.
Aus
der JP 2002-136
156 A ist eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung bekannt, die einen
Ladeschalter und eine Schalter-Steuereinrichtung zur Steuerung dieses
Schalters usw. umfasst. Wenn bei dieser Ansteuerschaltung die Ansteuerung
eines Piezoaktors zur Aufladung erfolgt, wird im Piezoaktor Energie gespeichert.
Die Schalter-Steuereinrichtung
ist hierbei derart eingestellt, dass die Einschaltperioden des Ladeschalters
gleichförmig
sind und dass die Aufladung endet, wenn nach dem Beginn der Ansteuerung eine
vorgegebene Zeitdauer vergangen ist. Auf diese Weise werden bei
der bekannten Ansteuerschaltung Schwankungen der in dem Piezoaktor
gespeicherten Energie verhindert, wenn sich die elektrostatische Kapazität des Piezoaktors
temperaturabhängig
verändert.From the JP 2002-136 156 A For example, a piezoactuator driving circuit is known which comprises a charging switch and a switch control means for controlling this switch and so forth. If the drive of a piezoelectric actuator for charging occurs in this drive circuit, energy is stored in the piezoelectric actuator. The switch control device is in this case set such that the switch-on of the charging switch are uniform and that the charging ends when a predetermined period of time has passed after the start of the control. In this way, fluctuations in the stored energy in the piezoelectric actuator are prevented in the known drive circuit when the electrostatic capacitance of the piezoelectric actuator changes temperature-dependent.
Diese
aus der JP 2002-136
156 A bekannte Piezoaktor-Ansteuerschaltung erweist sich jedoch als
unzureichend, wenn ein mit einer solchen Schaltungsanordnung ausgestattetes
Kraftfahrzeug bei derart extremen Temperaturen eingesetzt wird,
dass eine übermäßige Änderung
der Kapazität
des Piezoaktors auftritt. Bei der Schaltungsanordnung des Abwärts-Zerhackersystems
wird die Ladegeschwindigkeit von der Differenz zwischen der von
der Spannungsquelle abgegebenen Spannung und der am Piezoaktor abfallenden
Spannung bestimmt. Wenn somit die Kapazität des Piezoaktors z. B. zu
niedrig ist, steigt die Spannung am Piezoaktor bereits im Anfangsabschnitt
der Aufladungsperiode beträchtlich an,
sodass dem Piezoaktor kein ausreichender Strom mehr zugeführt werden
kann.This from the JP 2002-136 156 A However, known piezoelectric actuator drive circuit proves to be insufficient when a motor vehicle equipped with such a circuit arrangement is used at such extreme temperatures that an excessive change in the capacity of the piezoelectric actuator occurs. In the circuitry of the bucking down system, the charging speed is determined by the difference between the voltage delivered by the voltage source and the voltage dropped across the piezoelectric actuator. Thus, if the capacity of the piezoelectric actuator z. B. is too low, the voltage at the piezoelectric actuator increases considerably already in the initial portion of the charging period, so that the piezoelectric actuator no longer sufficient power can be supplied.
Die
Druckschrift DE 101
14 421 A1 beschreibt, dass ein kapazitives Stellglied,
insbesondere ein piezoelektrischer Aktuator, üblicherweise mit einem auf
einen konstanten mittleren Wert geregelten Steuerstrom solange geladen
bzw. entladen wird, bis am Stellglied eine vorgegebene Spannung
anliegt. Aus diesem Lade- bzw. Entladevorgang resultiert eine Hubbewegung
um einen vom Steuerstrom abhängigen
Hub. Dieses Verfahren soll die freie Vorgabe des Hubverlaufs ermöglichen.
Dies wird gemäß der Druckschrift
erreicht, indem eine von der Ladung des Stellglieds abhängige Größe als Regelgröße erfasst
wird, die vorzugsweise zusätzlich
auch vom Steuerstrom abhängig
ist, und indem die Regelgröße durch
Steuerung des Steuerstroms einer Führungsgröße nachgeregelt wird, deren
zeitlicher Verlauf derart vorgegeben wird, daß aus der Regelung der Regelgröße ein vorgegebener
zeitlicher Verlauf des Hubs resultiert.The publication DE 101 14 421 A1 describes that a capacitive actuator, in particular a piezoelectric actuator, is usually charged or discharged with a control current regulated to a constant average value until a predetermined voltage is applied to the actuator. For this loading or unloading results in a lifting movement to a dependent of the control current stroke. This method should allow the free specification of the stroke course. This is achieved according to the document in that a dependent of the charge of the actuator size is detected as a controlled variable, which is preferably additionally dependent on the control current, and by the controlled variable is adjusted by controlling the control current of a reference variable whose timing is set in such a way that from the regulation of the controlled variable results in a predetermined time course of the stroke.
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Ansteuerschaltung
für Piezoaktoren anzugeben,
durch die eine zweckmäßige und
zuverlässige
Steuerung der Energiespeicherung in einem Piezoaktor gewährleistet
ist.The invention is therefore based on the object to provide a drive circuit for piezoelectric actuators, by a convenient and reliable control of energy storage in a Piezoaktor is guaranteed.
Diese
Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.These
The object is achieved by the means specified in the claims.
Bei
der erfindungsgemäßen Piezoaktor-Ansteuerschaltung
wird eine von einer Stromversorgungseinrichtung gespeiste Entladung
je Zeiteinheit erfasst, die über
einen Bereich eines ersten Stromkreises erfolgt, der keinen Teil
eines zweiten Stromkreises bildet. Die Ansteuerschaltung setzt hierbei
einen Sollwert für
die Entladung fest. Bei der Ansteuerung eines Piezoaktors zu dessen
Aufladung wird ein Ladeschalter derart gesteuert, dass die erfasste
Entladung dem Sollwert entspricht. Der Ladeschalter wird dann abgeschaltet,
wenn nach dem Beginn der Ansteuerung des Piezoaktors eine vorgegebene Zeitdauer
vergangen ist.at
the piezoelectric actuator drive circuit according to the invention
becomes a discharge powered by a power supply
per unit of time recorded, over
a portion of a first circuit is made, no part
forms a second circuit. The drive circuit is set here
a setpoint for
the discharge. When controlling a piezoelectric actuator to its
Charging, a charging switch is controlled so that the detected
Discharge corresponds to the setpoint. The charging switch is then switched off,
if after the start of the control of the piezoelectric actuator a predetermined period of time
has passed.
Die
Einschaltdauer des Ladeschalters wird hierbei derart eingestellt,
dass die von der Stromversorgungseinrichtung gespeiste Entladung
je Zeiteinheit dem Sollwert entspricht. Auch bei Änderungen bzw.
Schwankungen der Kapazität
des Piezoaktors wird somit dem Piezoaktor ein ausreichender Strom zugeführt, sodass
eine korrekte Aufladung des Piezoaktors gewährleistet ist.The
Duty cycle of the charging switch is set in this case,
that the supply powered by the power supply discharge
per time unit corresponds to the setpoint. Even with changes or
Fluctuations in capacity
the piezoelectric actuator is thus supplied to the piezoelectric actuator sufficient current, so
a correct charge of the piezoelectric actuator is guaranteed.
Da
sich bei der Aufladung die Spannung am Piezoaktor ändert, ist
eine genaue Ermittlung der Änderung
der im Piezoaktor gespeicherten Energie auf der Basis einer Entladung
je Zeiteinheit, die über
die gemeinsamen Bereiche der über
den Piezoaktor und zum Piezoaktor führenden beiden Stromkreise
erfolgt, mit Schwierigkeiten verbunden. Da jedoch die Ausgangsspannung
der Stromversorgungseinrichtung weitgehend konstant ist, kann die
Energieänderung
relativ einfach und genau auf der Basis der von der Stromversorgungseinrichtung
gespeisten Entladung je Zeiteinheit ermittelt werden. Auf diese
Weise kann der Piezoaktor genau auf einen Energie-Sollwert aufgeladen
werden, indem lediglich die Aufladungsansteuerung nach Ablauf der
vorgegebenen Zeitdauer beendet wird.There
is when charging the voltage at the piezoelectric actuator changes is
an accurate determination of the change
the energy stored in the piezoelectric actuator based on a discharge
per unit time, over
the common areas of over
the piezoelectric actuator and the piezoelectric actuator leading two circuits
takes place, fraught with difficulties. However, because the output voltage
the power supply device is largely constant, the
energy change
Relatively simple and accurate on the basis of the power supply device
fed discharge per unit time to be determined. To this
Way, the piezo actuator can be charged exactly to an energy setpoint
only by the charging drive after expiration of the
predetermined period of time is terminated.
Die
Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:The
Invention will be described below with reference to preferred embodiments
with reference to the associated
Drawings closer
described. Show it:
1 ein
Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, 1 5 is a circuit diagram of a piezoactuator drive circuit according to a first embodiment of the invention,
2 ein
Steuerdiagramm, das Betrieb und Wirkungsweise der Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht, 2 FIG. 16 is a control diagram illustrating operation and operation of the piezoactuator drive circuit according to the first embodiment; FIG.
3 ein
Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, 3 a circuit diagram of a piezoelectric actuator drive circuit according to a second embodiment of the invention,
4 eine
erste grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel, 4 FIG. 4 is a first diagram for illustrating the operation of the piezoactuator drive circuit according to the second embodiment; FIG.
5 eine
zweite grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel, 5 2 is a graph showing the operation of the piezoelectric actuator drive circuit according to the second embodiment;
6 eine
dritte grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel, 6 3 is a graph showing the operation of the piezoelectric actuator drive circuit according to the second embodiment;
7 eine
grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der
Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einer
Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels, 7 FIG. 4 is a diagram for illustrating the operation of the piezoactuator drive circuit according to a modification of the second embodiment; FIG.
8 eine
grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der
Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einer
weiteren Modifikation des zweiten Ausführungsbeispiels, 8th FIG. 4 is a diagram for illustrating the operation of the piezoactuator drive circuit according to another modification of the second embodiment; FIG.
9 ein
Schaltbild einer Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und 9 a circuit diagram of a piezoelectric actuator drive circuit according to a third embodiment of the invention, and
10 ein
Steuerdiagramm, das Betrieb und Wirkungsweise der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
veranschaulicht. 10 a control diagram illustrating the operation and operation of the piezoelectric actuator drive circuit according to the third embodiment.
Erstes AusführungsbeispielFirst embodiment
1 zeigt
eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung zur Ansteuerung eines Piezoaktors 2,
der in jeweilige Kraftstoffinjektoren einer Brennkraftmaschine eingebaut
ist. Hierbei kann jedem Zylinder der Brennkraftmaschine ein solcher
Kraftstoffinjektor zugeordnet sein, wobei eine der Anzahl der Zylinder
entsprechende Anzahl von Piezoaktoren 2 in Parallelschaltung
vorgesehen ist. Die Brennkraftmaschine umfasst außerdem in
Reihenschaltung angeordnete Zylinderwählschalter, die jeweils einem
der Piezoaktoren 2 zugeordnet sind. Beim Einschalten eines
der Wählschalter
erfolgt eine selektive Ansteuerung des zugehörigen Piezoaktors, sodass über den
zugehörigen
Kraftstoffinjektor eine Kraftstoffeinspritzung in den entsprechenden
Zylinder erfolgen kann. Der Piezoaktor-Ansteuerschaltung wird ein
externes Ansteuersignal zur Bestimmung des Zeitpunkts des Beginns der
Aufladungsansteuerung und des Zeitpunkts des Beginns der Entladungsansteuerung
für den
Piezoaktor 2 zugeführt.
Dieses Ansteuersignal bestimmt die Ventil-Öffnungszeit
und die Ventil-Schließzeit
für den
Kraftstoffinjektor bzw. die Kraftstoffinjektoren. Die Zeitdauer
von der Ventil-Öffnungszeit
bis zu der Ventil-Schließzeit bestimmt
hierbei eine Kraftstoff-Einspritzperiode. 1 shows a piezoelectric actuator drive circuit for controlling a piezoelectric actuator 2 , which is installed in respective fuel injectors of an internal combustion engine. In this case, each cylinder of the internal combustion engine may be assigned such a fuel injector, wherein one of the number of cylinders corresponding number of piezoelectric actuators 2 is provided in parallel. The internal combustion engine also includes cylinder selectors arranged in series, each one of the piezoactuators 2 assigned. When one of the selector switch is turned on, a selective actuation of the associated piezoactuator takes place so that a fuel injection into the corresponding cylinder can take place via the associated fuel injector. The piezoactuator drive circuit becomes an external drive signal for determining the timing of the start of the charge drive and the timing of the start of the discharge drive for the piezoactuator 2 fed. This drive signal determines the valve opening time and the valve closing time for the fuel injector or the fuel injectors. The time period from the valve opening time to the valve closing time determines a fuel injection period.
Eine
Stromversorgungseinrichtung 1 wird von einem Gleichspannungswandler
gebildet, der die Ausgangsspannung einer Fahrzeugbatterie 11 erhöht. Die
Batteriespannung kann hierbei 12 V betragen. Ein Pufferkondensator 12 mit
einer ausreichenden elektrostatischen Kapazität wird mit der erhöhten Spannung
aufgeladen und gibt eine Spannung ab, mit der die Aufladung des
Piezoaktors 2 erfolgen kann. Die Fahrzeugbatterie 11 und
der Pufferkondensator 12 sind über eine Verstärkungs-Induktionsspule 13 (Verstärkungsinduktivität) und eine
Diode 14 miteinander verbunden. Dem Pufferkondensator 12 und der
Diode 14 ist ein Schalter 15 parallel geschaltet, der
zur Aufladung des Pufferkondensators 12 ein- und abgeschaltet
werden kann. Die Diode 14 verhindert eine Entladung des
Pufferkondensators 12.A power supply device 1 is formed by a DC-DC converter, which is the output voltage of a vehicle battery 11 elevated. The battery voltage can be 12V. A buffer capacitor 12 with a sufficient electrostatic capacity is charged with the increased voltage and outputs a voltage with which the charging of the piezoelectric actuator 2 can be done. The vehicle battery 11 and the buffer capacitor 12 are via a gain induction coil 13 (Gain inductance) and a diode 14 connected with each other. The buffer capacitor 12 and the diode 14 is a switch 15 connected in parallel, to charge the buffer capacitor 12 can be switched on and off. The diode 14 prevents discharge of the buffer capacitor 12 ,
Ein
erster Stromkreis 31 verbindet den Pufferkondensator 12 über eine
Induktionsspule (Induktivität) 301 mit
dem Piezoaktor 2. Der Stromkreis 31 umfasst ein
erstes Schaltelement 4a, das in Reihe zwischen den Pufferkondensator 12 und
die Induktionsspule 301 geschaltet ist. Dieses Schaltelement 4a wird
von einem MOS-Feldeffekttransistor
gebildet, der eine erste parasitäre
Diode 41a umfasst. Die parasitäre Diode 41a ist hierbei
derart geschaltet, dass sie durch die am Pufferkondensator 12 anstehende Pufferkondensatorspannung
in Sperrrichtung vorgespannt wird.A first circuit 31 connects the buffer capacitor 12 via an induction coil (inductance) 301 with the piezoelectric actuator 2 , The circuit 31 includes a first switching element 4a placed in series between the buffer capacitor 12 and the induction coil 301 is switched. This switching element 4a is formed by a MOS field effect transistor, which is a first parasitic diode 41a includes. The parasitic diode 41a is in this case switched so that they pass through the buffer capacitor 12 pending buffer capacitor voltage is biased in the reverse direction.
Die
Induktionsspule 301 und der Piezoaktor 2 sind
miteinander über
einen zweiten Stromkreis 32 verbunden, der ein zweites
Schaltelement 4b aufweist, das mit einem zwischen der Induktionsspule 301 und
der ersten Schalteinrichtung 4a liegenden Verbindungspunkt
verbunden ist. Der zweite Stromkreis 32 bildet einen geschlossenen
Stromkreis, der die Stromversorgungseinrichtung 1 und das
erste Schaltelement 4a umgeht und über die Induktionsspule 301,
den Piezoaktor 2 und das zweite Schaltelement 4b führt. Das
zweite Schaltelement 4b wird hierbei von einem MOS-Feldeffekttransistor
gebildet, der eine zweite parasitäre Diode 41b aufweist.
Diese parasitäre
Diode 41b ist derart geschaltet, dass sie von der Pufferkondensatorspannung
in Sperrrichtung vorgespannt wird.The induction coil 301 and the piezo actuator 2 are connected to each other via a second circuit 32 connected, the second switching element 4b having one between the induction coil 301 and the first switching device 4a lying connection point is connected. The second circuit 32 forms a closed circuit, which is the power supply device 1 and the first switching element 4a bypasses and over the induction coil 301 , the piezoelectric actuator 2 and the second switching element 4b leads. The second switching element 4b is formed here by a MOS field effect transistor, which is a second parasitic diode 41b having. This parasitic diode 41b is switched so that it is biased by the buffer capacitor voltage in the reverse direction.
Den
Gate-Elektroden der Schaltelemente 4a und 4b werden
Steuersignale zugeführt,
durch die die Schaltelemente 4a und 4b zur Regelung
des dem Piezoaktor 2 zugeführten oder vom Piezoaktor 2 abgegebenen
Piezoaktorstroms durchgeschaltet und gesperrt werden. Das erste
Schaltelement 4a bildet hierbei einen Ladeschalter zur
Aufladungsansteuerung des Piezoaktors 2, während das
zweite Schaltelement 4b einen Entladeschalter zur Entladungsansteuerung
des Piezoaktors 2 bildet.The gate electrodes of the switching elements 4a and 4b Control signals are supplied, through which the switching elements 4a and 4b for controlling the piezoelectric actuator 2 supplied or from the piezoelectric actuator 2 passed through piezoelectric actuator current and locked. The first switching element 4a in this case forms a charging switch for charging control of the piezoelectric actuator 2 while the second switching element 4b a discharge switch for discharge control of the piezoelectric actuator 2 forms.
Ein
Widerstand 51 ist als Entladestromdetektor zwischen den
Pufferkondensator 12 und Masse geschaltet. Der Widerstand 51 besitzt
einen geringen Widerstandswert, der z. B. 0,01 Ω betragen kann. Der vom Pufferkondensator 12 abgegebene
und über den
ersten Stromkreis 31 fließende Pufferkondensatorstrom
wird auf der Basis der am Widerstand 51 abfallenden Spannung
ermittelt. Der Pufferkondensatorstrom stellt hierbei eine Entladung
je Zeiteinheit dar.A resistance 51 is as a discharge current detector between the buffer capacitor 12 and ground switched. The resistance 51 has a low resistance, the z. B. 0.01 Ω may be. The from the buffer capacitor 12 delivered and over the first circuit 31 flowing buffer capacitor current is based on the resistance 51 declining voltage determined. The buffer capacitor current represents a discharge per unit time.
Eine
Mittelwertbildungsschaltung 52 umfasst einen Operationsverstärker 521,
einen Widerstand 522 und einen Kondensator 523.
Die am Widerstand 51 abfallende Spannung, die das Pufferkondensatorstrom-Messsignal
darstellt, wird dem Operationsverstärker 521 zugeführt. Der
Widerstand 522 und der Kondensator 523 bilden
Elemente eines Integrators zur Integration des Ausgangssignals des
Operationsverstärkers 521,
das dem Pufferkondensatorstrom proportional ist. Die sich als Ausgangssignal
des Integrators ergebende Spannung am Kondensator 523 stellt
dann das von der Mittelwertbildungsschaltung 52 abgegebene
Mittelwertsignal dar.An averaging circuit 52 includes an operational amplifier 521 , a resistance 522 and a capacitor 523 , The resistance 51 dropping voltage representing the buffer capacitor current measurement signal becomes the operational amplifier 521 fed. The resistance 522 and the capacitor 523 form elements of an integrator for integrating the output signal of the operational amplifier 521 that is proportional to the buffer capacitor current. The voltage resulting from the output of the integrator on the capacitor 523 then provides that from the averaging circuit 52 delivered average signal.
Dieses
Mittelwertsignal wird von einer Schalter-Steuerschaltung 7 zur Steuerung
des Ladeschalters 4a verwendet. Die Schalter-Steuerschaltung 7 steuert
sowohl den Ladeschalter 4a als auch den Entladeschalter 4b,
jedoch ist zur Vereinfachung der Beschreibung der zur Steuerung
des Entladeschalters 4b dienende Teil der Schalter-Steuerschaltung 7 nicht
dargestellt.This average signal is provided by a switch control circuit 7 for controlling the charging switch 4a used. The switch control circuit 7 controls both the charging switch 4a as well as the discharge switch 4b however, for convenience of description, the description is for controlling the discharge switch 4b serving part of the switch control circuit 7 not shown.
Der
zur Steuerung des Ladeschalters 4a dienende Teil der Schalter-Steuerschaltung 7 umfasst einen
Vergleicher 71, Widerstände 72 und 73,
ein UND-Glied 74 sowie eine monostabile Kippstufe 75. Das
Mittelwertsignal wird hierbei dem negativen Eingang des Vergleichers 71 zugeführt. Dem
positiven Eingang des Vergleichers 71 wird über den
Widerstand 72 das Ausgangssignal eines Bezugsspannungsgenerators 61 zugeführt, der
eine Sollwert-Ausgabeeinrichtung
darstellt. Der Bezugsspannungsgenerator 61 erzeugt hierbei
eine konstante Bezugsspannung. Der Widerstand 73 ist zwischen den
positiven Eingang und den Ausgang des Vergleichers 71 geschaltet.
Die Spannungseingabe in den positiven Eingang erfolgt durch die
Widerstände 72 und 73 mit
einer Hysterese.The for controlling the charging switch 4a serving part of the switch control circuit 7 includes a comparator 71 , Resistors 72 and 73 , an AND member 74 and a monostable multivibrator 75 , The mean value signal becomes the negative input of the comparator 71 fed. The positive input of the comparator 71 is about the resistance 72 the output of a reference voltage generator 61 supplied, which represents a setpoint output device. The reference voltage generator 61 generates a constant reference voltage. The resistance 73 is between the positive input and the output of the comparator 71 connected. The voltage input to the positive input is made by the resistors 72 and 73 with a hysteresis.
Wenn
das Mittelwertsignal ausreichend niedrig ist, wird vom Vergleicher 71 ein
Ausgangssignal mit dem logischen Pegel 1 abgegeben. Überschreitet das
Mittelwertsignal jedoch einen oberen Schwellenwert, nimmt der logische
Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 71 den Wert
0 an und die dem positiven Eingang zugeführte Spannung fällt auf
einen niedrigeren Schwellenwert ab, wodurch sich eine Hysterese
ergibt. Der obere Schwellenwert stellt die Summe aus der Bezugsspannung
und dem Hystereseverlust dar. Der untere Schwellenwert ist durch
die Subtraktion des Hystereseverlustes von der Bezugsspannung gegeben.
Wenn das Mittelwertsignal von einem über dem oberen Schwellenwert
liegenden Wert auf einen unter dem unteren Schwellenwert liegenden
Wert abfällt,
geht der logische Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 71 auf
den Wert 1 über
und die dem positiven Eingang zugeführte Spannung steigt auf den
oberen Schwellenwert an.If the mean value signal is sufficiently low, the comparator will 71 an output signal with the logic level 1 issued. However, when the average signal exceeds an upper threshold, the logic level of the output of the comparator decreases 71 the value 0 and the posi tive input drops to a lower threshold, resulting in hysteresis. The upper threshold represents the sum of the reference voltage and the hysteresis loss. The lower threshold is given by the subtraction of the hysteresis loss from the reference voltage. When the average signal falls from a value above the upper threshold value to below the lower threshold value, the logic level of the output signal of the comparator goes 71 to the value 1 above and the voltage applied to the positive input rises to the upper threshold.
Die
vom Vergleicher 71 und der monostabilen Kippstufe 75 abgegebenen
Signale werden dem UND-Glied 74 zugeführt, das ein Ausgangssignal
erzeugt, das einer Ansteuerschaltung 8 für den Ladeschalter 4a zugeführt wird.
Bei dem logischen Pegel 1 des Ausgangssignals des UND-Glieds 74 schaltet die
Ansteuerschaltung 8 den Ladeschalter 4a durch. Wenn
die monostabile Kippstufe 75 von der Anstiegsflanke des
externen Ansteuersignals gekippt wird, gibt sie einen Impuls mit
einer Dauer von 150 Mikrosekunden ab. Wenn somit das Ansteuersignal auf
den logischen Pegel 1 übergeht,
wird der Ladeschalter 4a in Abhängigkeit von dem Betrag des
Mittelwertsignals direkt nach dem Signalanstieg für 150 Mikrosekunden
durchgeschaltet und sodann gesperrt. Wenn die monostabile Kippstufe 75 keinen Impuls
abgibt, wird der Ladeschalter 4a im Sperrzustand gehalten.
Der von der monostabilen Kippstufe 75 abgegebene Impuls
bestimmt somit eine Ladeperiode, während der eine Aufladung des
Piezoaktors 2 erfolgt.The one from the comparator 71 and the monostable multivibrator 75 output signals are the AND gate 74 which generates an output signal to a drive circuit 8th for the charging switch 4a is supplied. At the logical level 1 the output signal of the AND gate 74 switches the drive circuit 8th the charging switch 4a by. When the monostable multivibrator 75 is tilted from the rising edge of the external drive signal, it outputs a pulse with a duration of 150 microseconds. Thus, if the drive signal to the logic level 1 goes over, the charging switch 4a in response to the amount of the average signal immediately after the signal rise for 150 microseconds and then disabled. When the monostable multivibrator 75 does not give off any impulse, becomes the charging switch 4a kept in the locked state. That of the monostable multivibrator 75 delivered pulse thus determines a charging period during the charging of the piezoelectric actuator 2 he follows.
2 zeigt
ein Steuerdiagramm, das die Wirkungsweise der Piezoaktor-Ansteuerschaltung bei
der Aufladung des Piezoaktors 2 zur Expansion ausgehend
von einem Zustand veranschaulicht, bei dem der Ladeschalter 4a und
der Entladeschalter 4b abgeschaltet bzw. gesperrt sind,
die Piezoaktorspannung 0 Volt beträgt und im Piezoaktor 2 keine
Energie gespeichert ist. Beim Anstieg des Ansteuersignals auf den
logischen Pegel 1 wird die monostabile Kippstufe 75 gekippt,
die sodann einen Impuls zur Bestimmung der Ladeperiode abgibt, während der die
Aufladung des Piezoaktors 2 erfolgt. Das von der Mittelwertbildungsschaltung 52 abgegebene
Mittelwertsignal beträgt
zu diesem Zeitpunkt 0 Volt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 71 besitzt
daher den logischen Pegel 1. Demzufolge wird der Ladeschalter 4a durchgeschaltet,
sodass die Aufladung des Piezoaktors 2 über den ersten Stromkreis 31 einsetzt.
Hierbei steigen der Pufferkondensatorstrom und der Piezoaktorstrom
beide an. Mit fortschreitender Aufladung steigt die Piezoaktorspannung
an, sodass die Ansteuerleistung ansteigt. 2 shows a control diagram, the operation of the piezoelectric actuator drive circuit during the charging of the piezoelectric actuator 2 for expansion starting from a state where the charging switch 4a and the discharge switch 4b are switched off or locked, the piezoelectric actuator voltage is 0 volts and in the piezoelectric actuator 2 no energy is stored. When the drive signal rises to the logic level 1 becomes the monostable multivibrator 75 tilted, which then emits a pulse to determine the charging period, during the charging of the piezoelectric actuator 2 he follows. That of the averaging circuit 52 delivered average value at this time is 0 volts. The output signal of the comparator 71 therefore has the logical level 1 , As a result, the charging switch becomes 4a switched through, so that the charge of the piezoelectric actuator 2 over the first circuit 31 starts. In this case, the buffer capacitor current and the piezoelectric actuator current rise both. As the charging progresses, the piezoactuator voltage increases, so that the driving power increases.
Hierbei
führt der über den
Widerstand 51 fließende
Pufferkondensatorstrom zu einem Anstieg des von der Mittelwertbildungsschaltung 52 erzeugten Mittelwertsignals.
Wenn das Mittelwertsignal dann den oberen Schwellenwert überschreitet,
geht der logische Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 71 auf
den Wert 0 über,
sodass der Ladeschalter 4a abgeschaltet bzw. gesperrt wird.
Auf Grund der in der Induktionsspule 301 gespeicherten
Energie fließt
jedoch ein allmählich
abfallender ungesteuerter Strom (sogenannter Schwungradstrom) zum
Piezoaktor 2 über
den zweiten Stromkreis 32, der über die zweite parasitäre Diode 41b führt. Während dieser Schwungradstrom
zum Piezoaktor 2 fließt,
verringert sich allmählich
die Ansteuerleistung, sodass über den
Pufferkondensator 12 kein Strom mehr fließt. Der Pufferkondensator 12 ist
in einem Bereich des ersten Stromkreises 31 angeordnet,
der keinen Teil des zweiten Stromkreises 32 bildet. Auf
diese Weise setzt eine Entladung des Kondensators 523 der
Mittelwertbildungsschaltung 52 ein, sodass das Mittelwertsignal
allmählich
mit einer der Zeitkonstanten des Integrators entsprechenden Geschwindigkeit
abfällt.This leads over the resistance 51 flowing buffer capacitor current to a rise of the averaging circuit 52 generated average signal. If the average signal then exceeds the upper threshold, the logic level of the output of the comparator goes 71 to the value 0 above, so the charging switch 4a is switched off or disabled. Because of in the induction coil 301 stored energy flows, however, a gradually declining uncontrolled flow (so-called flywheel) to the piezoelectric actuator 2 over the second circuit 32 passing the second parasitic diode 41b leads. While this flywheel current to the piezoelectric actuator 2 flows, gradually reduces the drive power, so over the buffer capacitor 12 no electricity flows anymore. The buffer capacitor 12 is in an area of the first circuit 31 arranged that does not form part of the second circuit 32 forms. In this way sets a discharge of the capacitor 523 the averaging circuit 52 a, so that the average signal gradually decreases with a speed corresponding to the time constant of the integrator.
Wenn
das Mittelwertsignal unter den unteren Schwellenwert abfällt, geht
der logische Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 71 wieder
auf den Wert 1 über,
sodass der Ladeschalter 4a wieder durchgeschaltet wird.
Dieser Vorgang wiederholt sich, sodass das Mittelwertsignal im wesentlichen konstant
gehalten wird. Hierbei wird der mittlere Pufferkondensatorstrom
von der von dem Bezugsspannungsgenerator 61 abgegebenen
Bezugsspannung bestimmt, wobei der Bezugsspannungsgenerator 61 einen
Sollwert für
den mittleren Pufferkondensatorstrom während der Einschaltperioden
des Ladeschalters 4a abgibt.When the average signal falls below the lower threshold, the logic level of the output of the comparator goes high 71 back to the value 1, so the charging switch 4a is switched through again. This process repeats so that the average signal is kept substantially constant. At this time, the average buffer capacitor current becomes that of the reference voltage generator 61 outputted reference voltage, wherein the reference voltage generator 61 a setpoint for the average buffer capacitor current during the switch-on of the charging switch 4a emits.
Der
Pufferkondensatorstrom verändert
sich zwar während
des Einschaltzustands des Ladeschalters 4a, jedoch stellt
das Mittelwertsignal den mittleren Pufferkondensatorstrom dar. Wenn
somit das Mittelwertsignal im Bereich zwischen dem oberen und dem
unteren Schwellenwert liegt, ist der Pufferkondensatorstrom im wesentlichen
konstant. Die vom Pufferkondensator 12 zugeführte Ladung
steigt somit im wesentlichen direkt proportional zu der Zeit an,
die seit dem Beginn der Aufladung vergangen ist. Da die Pufferkondensatorspannung
relativ stabil ist, steigt somit die im Piezoaktor 2 gespeicherte
Energie im wesentlichen direkt proportional zu der Zeit an, die seit
dem mit der Zuführung
des Ansteuersignals einsetzenden Beginn der Aufladung verstrichen
ist. Die gespeicherte Energie ergibt sich hierbei aus dem Integrationswert
der vom Pufferkondensator 12 zugeführten Leistung.Although the buffer capacitor current changes during the on state of the charging switch 4a However, if the average signal is in the range between the upper and lower thresholds, the buffer capacitor current is substantially constant. The from the buffer capacitor 12 supplied charge thus increases substantially directly proportional to the time that has elapsed since the start of charging. Since the buffer capacitor voltage is relatively stable, thus increases in the piezoelectric actuator 2 stored energy substantially in direct proportion to the time that has elapsed since the onset of charging with the start of the drive signal. The stored energy results from the integration value of the buffer capacitor 12 supplied power.
Wenn
der von der monostabilen Kippstufe 75 abgegebene Impuls
endet, geht der logische Pegel des dem UND-Glied 74 zugeführten Signals
auf den Wert 0 über,
wodurch der Ladeschalter 4a abgeschaltet bzw. gesperrt
und die Aufladung des Piezoaktors 2 beendet wird.If that of the monostable multivibrator 75 emitted pulse ends, the logic level of the AND gate goes 74 supplied signal to the value 0 above, causing the charging switch 4a abge switches or locks and the charging of the piezo actuator 2 is ended.
Wie
vorstehend beschrieben, steigt die in dem Piezoaktor 2 gespeicherte
Energie direkt proportional zu der Einschaltdauer des Ansteuersignals an,
d. h., proportional zu der Zeit, die nach dem Beginn der Aufladung
vergeht.As described above, the increases in the piezoelectric actuator 2 stored energy directly proportional to the duty cycle of the drive signal, ie, proportional to the time that elapses after the start of charging.
Auch
wenn sich die Kapazität
des Piezoaktors 2 verändert,
erfolgt somit ein gleichmäßiger Aufladungsvorgang
zur Speicherung von Energie. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit
nach dem Beginn der Aufladung wird der Ladeschalter 4a abgeschaltet bzw.
gesperrt. Die zum Zeitpunkt der Abschaltung des Ladeschalters 4a und
damit bei Beendigung der Aufladung gespeicherte Energie kann somit
konstant gehalten werden.Even if the capacity of the piezoelectric actuator 2 changed, thus takes place a uniform charging process for storing energy. After a predetermined time after the start of charging is the charging switch 4a switched off or locked. The time of the shutdown of the charging switch 4a and thus stored energy at the completion of charging can thus be kept constant.
Auf
diese Weise wird ein gleichmäßiger Aufladungsvorgang
des Piezoaktors 2 in Verbindung mit einem konstanten Wert
der abschließend
gespeicherten Energie erhalten. Hierdurch lassen sich Abweichungen
des Ausdehnungsverhaltens des Piezoaktors 2 gering halten,
sodass die Kraftstoff-Einspritzzeit,
die Kraftstoff-Einspritzmenge usw. konstant gehalten werden können.In this way, a uniform charging process of the piezoelectric actuator 2 obtained in conjunction with a constant value of the final stored energy. This allows deviations of the expansion behavior of the piezoelectric actuator 2 keep the fuel injection time, the fuel injection amount, etc. constant.
Die
Einschaltperioden des Ladeschalters 4a sind derart vorgegeben,
dass der mittlere Pufferkondensatorstrom während dieser Perioden dem durch die
Bezugsspannung bestimmten Sollwert entspricht. Auch bei Änderungen
bzw. Schwankungen der Kapazität
des Piezoaktors 2 wird somit dem Piezoaktor 2 ein
ausreichender Strom zugeführt,
sodass eine korrekte Aufladung erfolgt.The switch-on periods of the charging switch 4a are set such that the average buffer capacitor current during these periods corresponds to the setpoint determined by the reference voltage. Even with changes or fluctuations in the capacity of the piezoelectric actuator 2 thus becomes the piezoelectric actuator 2 a sufficient current is supplied, so that a correct charging takes place.
Die Änderung
der im Piezoaktor 2 gespeicherten Energie lässt sich
als Produkt der Piezoaktorspannung und des Piezoaktorstroms ausdrücken, der über die
gemeinsamen Teile der Stromkreise 31 und 32 fließt, die über den
Piezoaktor 2 führen.
Eine genaue Ermittlung dieses Produkts ist allerdings mit Schwierigkeiten
verbunden, da sich die Piezoaktorspannung durch die Aufladung verändert. Die Änderung
der im Piezoaktor 2 gespeicherten Energie lässt sich
jedoch auch als Produkt des Pufferkondensatorstroms und der im wesentlichen
konstanten Pufferkondensatorspannung ausdrücken. Die Energieänderung
kann somit relativ leicht und genau ermittelt werden, indem diese Änderung
mit Hilfe der Entladung pro Zeiteinheit des Pufferkondensators 12 bestimmt
wird. Durch Ausnutzen des Umstands, dass die die Ansteuerleistung
bestimmende Pufferkondensatorspannung im wesentlichen konstant ist,
kann somit die Energieänderung
einfacher als Entladung pro Zeiteinheit mit Hilfe des Pufferkondensatorstroms bestimmt
werden.The change in the piezoelectric actuator 2 stored energy can be expressed as a product of the piezoelectric actuator voltage and the Piezoaktorstroms, the common parts of the circuits 31 and 32 flowing through the piezoelectric actuator 2 to lead. However, a precise determination of this product is associated with difficulties because the piezoactuator voltage changes due to the charging. The change in the piezoelectric actuator 2 However, stored energy can also be expressed as a product of the buffer capacitor current and the substantially constant buffer capacitor voltage. The energy change can thus be determined relatively easily and accurately by making this change with the aid of the discharge per unit time of the buffer capacitor 12 is determined. By taking advantage of the fact that the buffer capacitor voltage determining the drive power is substantially constant, the energy change can thus be determined more simply as a discharge per unit time with the aid of the buffer capacitor current.
Die
Entladungsansteuerung des Piezoaktors 2 umfasst das Durchschalten
und Sperren des Entladeschalters 4b. Im durchgeschalteten
Zustand des Entladeschalters 4b steigt der Entladestrom
allmählich
an und fließt über den
zweiten Stromkreis 32. Im Sperrzustand des Entladeschalters 4b fällt der
Entladestrom allmählich
vom Spitzenstromwert ab und fließt auf Grund des sogenannten
Schwungradeffektes über
den ersten Stromkreis 31. Dieser Vorgang wiederholt sich,
sodass die im Piezoaktor 2 gespeicherte Energie im Pufferkondensator 12 wiedergewonnen
wird.The discharge control of the piezoelectric actuator 2 includes switching on and off the discharge switch 4b , In the switched state of the discharge switch 4b the discharge current gradually increases and flows through the second circuit 32 , In the locked state of the discharge switch 4b The discharge current gradually decreases from the peak current value and flows due to the so-called flywheel effect on the first circuit 31 , This process is repeated, so that in the piezoelectric actuator 2 stored energy in the buffer capacitor 12 is recovered.
Der
Entladeschalter 4b wird abgeschaltet bzw. gesperrt, wenn
der über
den Piezoaktor 2 fließende
Strom einen dem Spitzenstrom entsprechenden oberen Schwellenwert
erreicht. Der Entladeschalter 4b wird durchgeschaltet,
wenn der über
den Piezoaktor 2 fließende
Strom einen unteren Schwellenwert erreicht. In ähnlicher Weise wie bei der
Steuerung des Ladeschalters 4a kann somit der Entladeschalter 4b durchgeschaltet
und gesperrt werden, indem ein Messsignal des Entladestroms mit
der Bezugsspannung ± dem
Hystereseverlust mit Hilfe eines eine Hysterese aufweisenden Vergleichers
verglichen wird. Die Entladeperiode kann durch verschiedene bekannte
Maßnahmen
beendet werden. So kann z. B. die Piezoaktorspannung erfasst und das
Ende der Entladungsperiode auf den Zeitpunkt festgelegt werden,
bei dem die gemessene Spannung im wesentlichen auf den Wert 0 abgefallen
ist.The discharge switch 4b is switched off or disabled when the via the piezoelectric actuator 2 flowing current reaches an upper threshold value corresponding to the peak current. The discharge switch 4b is switched through when the via the piezoelectric actuator 2 flowing electricity reaches a lower threshold. Similar to the control of the charging switch 4a can thus the discharge switch 4b be switched on and off by comparing a measurement signal of the discharge with the reference voltage ± the hysteresis loss using a hysteresis Comparator. The discharge period can be terminated by various known measures. So z. B. the piezoelectric actuator voltage detected and the end of the discharge period are set to the time at which the measured voltage has dropped substantially to the value 0.
Zweites AusführungsbeispielSecond embodiment
3 zeigt
eine Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Diese Piezoaktor-Ansteuerschaltung weist einen ähnlichen
Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel
auf, wobei gleiche Bezugszahlen in den 1 und 3 Bauelemente
mit gleicher Wirkungsweise bezeichnen. 3 shows a piezoelectric actuator drive circuit according to a second embodiment of the invention. This piezoelectric actuator drive circuit has a similar structure to the first embodiment, wherein like reference numerals in the 1 and 3 Designate components with the same effect.
Die
Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
umfasst zusätzlich
eine Spannungsdetektorschaltung 62 zur Ermittlung der Pufferkondensatorspannung,
die zwei Widerstände 621 und 622 sowie
einen Pufferverstärker 623 umfasst.
Die Widerstände 621 und 622 sind
zur Teilung der Pufferkondensatorspannung in Reihe zwischen den
positiven Anschluss des Pufferkondensators 12 und Masse
geschaltet. Hierbei weisen die Widerstände 621 und 622 jeweils
einen hohen Widerstandswert von z. B. 900 kΩ bzw. 100 kΩ auf. Die geteilte Spannung
wird dem Pufferverstärker 623 zugeführt, der ein
Spannungsmesssignal abgibt. Die Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß 3 umfasst
außerdem
eine Bezugsspannungs-Korrekturschaltung 63 zur Sollwertkorrektur,
die das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 623 zur Korrektur
der Bezugsspannung verwendet.The piezoactuator driving circuit according to this embodiment additionally includes a voltage detecting circuit 62 to determine the buffer capacitor voltage, the two resistors 621 and 622 and a buffer amplifier 623 includes. The resistors 621 and 622 are used to divide the buffer capacitor voltage in series between the positive terminal of the buffer capacitor 12 and ground switched. Here are the resistors 621 and 622 each have a high resistance value of z. B. 900 kΩ or 100 kΩ. The divided voltage becomes the buffer amplifier 623 supplied, which outputs a voltage measurement signal. The piezoelectric actuator drive circuit according to 3 also includes a reference voltage correction circuit 63 for setpoint correction, which is the output signal of the buffer amplifier 623 used to correct the reference voltage.
Die
Bezugsspannungs-Korrekturschaltung 63 umfasst einen Operationsverstärker 631 und
drei Widerstände 632, 633 und 634,
wobei die vom Bezugsspannungsgenerator 61 abgegebene Bezugsspannung über den
ersten Widerstand 632 dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 631 zugeführt wird.
Das von der Spannungsdetektorschaltung 62 abgegebene Spannungsmesssignal
wird über den
zweiten Widerstand 633 dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 631 zugeführt. Der
dritte Widerstand 634 ist zur Erzielung einer Gegenkopplung
zwischen den negativen Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers 631 geschaltet.
Der Operationsverstärker 631 gibt
ein Stromsteuersignal ab, das als Bezugsspannungs-Eingangssignal über den
Widerstand 72 dem positiven Eingang des Vergleichers 71 zugeführt wird.
Dieses Stromsteuersignal wird dahingehend korrigiert, dass es entsprechend
dem Spannungsmesssignal kleiner als die vom Bezugsspannungsgenerator 61 abgegebene Bezugsspannung
ist. Die Empfindlichkeit der Gegenkopplung wird hierbei vom Widerstandsverhältnis zwischen
den Widerständen 633 und 634 bestimmt.The reference voltage correction circuit 63 includes an operational amplifier 631 and three resistors 632 . 633 and 634 , the voltage from the reference voltage generator 61 delivered reference voltage across the first resistor 632 the positive input of the operational amplifier 631 is supplied. That of the voltage detector circuit 62 delivered voltage measurement signal is via the second resistor 633 the negative input of the operational amplifier 631 fed. The third resistance 634 is to provide a negative feedback between the negative input and the output of the operational amplifier 631 connected. The operational amplifier 631 outputs a current control signal which is the reference voltage input through the resistor 72 the positive input of the comparator 71 is supplied. This current control signal is corrected to be smaller than that of the reference voltage generator in accordance with the voltage measurement signal 61 output reference voltage is. The sensitivity of the negative feedback is determined by the resistance ratio between the resistors 633 and 634 certainly.
Beim
Anstieg der Pufferkondensatorspannung steigt auch der Gegenkopplungsbetrag
des Operationsverstärkers 631 an,
sodass das Stromsteuersignal, das der Vergleicher 71 mit
dem Mittelwertsignal vergleicht, abfällt und sich der über den Pufferkondensator 12 fließende mittlere
Strom verringert. Wenn die Pufferkondensatorspannung abfällt, verringert
sich der Gegenkopplungsbetrag, sodass sich das Stromsteuersignal
der vom Bezugsspannungsgenerator 61 abgegebenen Bezugsspannung annähert und
der über
den Pufferkondensator 12 fließende mittlere Strom ein wenig
höher eingestellt wird.As the buffer capacitor voltage increases, the negative feedback amount of the operational amplifier also increases 631 so that the current control signal, that of the comparator 71 compares with the average signal, drops and the across the buffer capacitor 12 flowing medium flow decreases. When the buffer capacitor voltage drops, the negative feedback amount decreases so that the current control signal becomes that of the reference voltage generator 61 outputted reference voltage and the over the buffer capacitor 12 flowing average current is set a little higher.
Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung ändert sich
die bis zum Ende der Aufladungsperiode gespeicherte Energie (der
Sollenergiewert) mit der Pufferkondensatorspannung. Die gemessene Änderung
der gespeicherten Energie ist in 4 veranschaulicht.
Der Sollenergiewert steigt und fällt
mit der Pufferkondensatorspannung, da die vom Pufferkondensator 12 abgegebene
Ansteuerleistung der Pufferkondensatorspannung proportional ist.
Die in Abhängigkeit
von der Bezugsspannung erfolgende und gemessene Änderung der gespeicherten Energie
ist in 5 veranschaulicht, der zu entnehmen ist, dass
die gespeicherte Energie mit fallender Bezugsspannung abnimmt. Dies
beruht auf dem Umstand, dass sich bei abfallender Bezugsspannung
der Abschaltzeitpunkt des Ladeschalters 4a derart verändert, dass
das Mittelwertsignal abfällt
und der mittlere Pufferkondensatorstrom abnimmt.In the first embodiment of the piezoactuator driving circuit, the energy stored (the target power value) until the end of the charging period changes with the buffer capacitor voltage. The measured change of stored energy is in 4 illustrated. The nominal energy value rises and falls with the buffer capacitor voltage, since that of the buffer capacitor 12 output driving power of the buffer capacitor voltage is proportional. The change in the stored energy taking place in dependence on the reference voltage and measured is in 5 illustrates that it can be seen that the stored energy decreases with decreasing reference voltage. This is due to the fact that with decreasing reference voltage of the switch-off of the charging switch 4a changed so that the average signal decreases and the average buffer capacitor current decreases.
Bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Piezoaktor-Ansteuerschaltung
wird durch die Spannungsdetektorschaltung 62 und die Bezugsspannungs-Korrekturschaltung 63 eine
Gegenkopplungscharakteristik erhalten, durch die sich beim Anstieg der
Pufferkondensatorspannung (Stromversorgungsspannung) der vom Betrag
des Stromsteuersignals bestimmte Stromsteuerwert in der in 6 veranschaulichten
Weise verringert. Auf diese Weise wird der Stromsteuerwert automatisch
in Abhängigkeit von
der Pufferkondensatorspannung gesteuert, was einen weiteren Ausgleich
des Aufladungsvorgangs und damit eine Verringerung der Energieverluste
bei der Beendigung der Aufladung ermöglicht.In the second embodiment of the piezoactuator driving circuit, the voltage detecting circuit is provided by the voltage detecting circuit 62 and the reference voltage correction circuit 63 receive a negative feedback characteristic, by which, when the buffer capacitor voltage (power supply voltage) rises, the current control value determined by the amount of the current control signal in the in 6 illustrated manner. In this way, the current control value is automatically controlled as a function of the buffer capacitor voltage, which allows a further compensation of the charging process and thus a reduction of the energy losses at the end of the charging.
Wie
vorstehend beschrieben, kann der mittlere Pufferkondensatorstrom
durch Änderung
des Stromsteuerwertes verändert
werden. Die Energiespeicherung kann somit mit Hilfe der Bezugsspannungsvariablen
eingestellt werden. Bei einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem übt z. B.
der Injektor einen Common-Rail-(Kraftstoff-)Druck in einer Richtung
auf das Ventilelement und/oder das Bauteil zum Schalten des Injektors
aus. Bei diesem System ist der Piezoaktor derart angeordnet, dass
er bei seiner Aufladungsansteuerung in der entgegengesetzten Richtung wirkt.
Das Ventilelement usw. wird durch Umschaltung zwischen der Aufladungsansteuerung und
Entladungsansteuerung des Piezoaktors hin- und herbewegt. Der Common-Rail-Druck
wird in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen eingestellt, sodass der Kraftstoff-Einspritzdruck eingestellt
werden kann. Durch den Common-Rail-Druck
verändern sich
jedoch die Betriebseigenschaften des Piezoaktors. Durch Änderung
der Bezugsspannung in Abhängigkeit
von dem Common-Rail-Druck kann daher der Einfluss dieses Drucks
zur Erzielung einer gleichmäßigen Bewegung
des Ventilelements aufgehoben werden. 7 zeigt
ein Beispiel für
die Beziehung zwischen der Bezugsspannung und der gespeicherten
Energie.As described above, the average buffer capacitor current can be changed by changing the current control value. The energy storage can thus be adjusted by means of the reference voltage variables. In a common rail fuel injection system z. As the injector from a common rail (fuel) pressure in one direction to the valve element and / or the component for switching the injector. In this system, the piezoactuator is arranged to operate in its opposite direction in its charging drive. The valve element, etc. is reciprocated by switching between the charge drive and the discharge drive of the piezo actuator. The common rail pressure is adjusted depending on the operating conditions, so that the fuel injection pressure can be adjusted. However, the common rail pressure changes the operating characteristics of the piezoelectric actuator. By changing the reference voltage as a function of the common rail pressure, therefore, the influence of this pressure to achieve a uniform movement of the valve element can be canceled. 7 shows an example of the relationship between the reference voltage and the stored energy.
Da
die Bezugsspannung und die Dauer des von der monostabilen Kippstufe 75 abgegebenen
Impulses variabel sind, kann der Aufladungsvorgang dahingehend verändert werden,
dass die gespeicherte Energie im wesentlichen konstant ist. 8 zeigt
ein Beispiel für
einen Aufladungsvorgang, bei dem die Bezugsspannung und die Impulsdauer
(Aufladungsperiode) verändert
werden. In Bezug auf die gespeicherte Energie ist in 8 über der
Abszisse die Zeit nach dem Beginn der Aufladung aufgetragen, wobei
die jeweiligen Kurven Profile der gespeicherten Energie innerhalb
der Aufladungsperiode darstellen. In Bezug auf die Bezugsspannung
ist über
der Abszisse die Aufladungsperiode aufgetragen, wobei die Kurve
die Beziehung zwischen der Aufladungsperiode und der Bezugsspannung
darstellt. Die Bezugsspannung und die Aufladungsperiode sind derart
vorgegeben, dass ihr Produkt im wesentlichen konstant ist. Demzufolge
kann die während
der Aufladungsperiode gespeicherte Energie konstant sein und sich
der Aufladungsvorgang verändern.
Wenn hierbei die Referenzspannung niedrig und die Aufladungsperiode
lang sind, erfolgt die Energiespeicherung mit geringer Geschwindigkeit,
sodass eine langsame Expansion des Piezoaktors 2 erfolgt.
Dies ermöglicht
eine Steuerung der Einspritzrate eines Kraftstoff-Einspritzsystems
und damit eine dem jeweiligen Betriebszustand entsprechende optimale Kraftstoff-Einspritzung.As the reference voltage and the duration of the monostable multivibrator 75 given pulse are variable, the charging process can be changed so that the stored energy is substantially constant. 8th shows an example of a charging operation in which the reference voltage and the pulse duration (charging period) are changed. In terms of stored energy is in 8th plotted over the abscissa the time after the start of the charging, the respective curves representing profiles of the stored energy within the charging period. With respect to the reference voltage, the charging period is plotted over the abscissa, the curve representing the relationship between the charging period and the reference voltage. The reference voltage and the charging period are set such that their product is substantially constant. As a result, the energy stored during the charging period can be constant and change the charging process. When the reference voltage is low and the charging period is long, energy storage is slow, resulting in slow expansion of the piezo actuator 2 he follows. This allows control of the injection rate of a fuel injection system and thus an optimum fuel injection corresponding to the respective operating state.
Die
Bezugsspannung und die Impulsdauer können entweder schrittweise
oder kontinuierlich verändert
werden. Wenn die Bezugsspannung und die Aufladungsperiode derart
eingestellt bzw. vorgegeben werden, dass ihr Produkt im wesentlichen
konstant ist, kann auch das Alterungsprofil (alterungsbedingte bzw.
alterungsabhängige
Profil) der Energie dahingehend verändert werden, dass die gespeicherte
Energie konstant bleibt.The
Reference voltage and pulse duration can be either step by step
or continuously changed
become. When the reference voltage and the charging period are so
set or pretend that their product is essentially
is constant, the aging profile (age-related or
age-dependent
Profile) of the energy to be changed so that the stored
Energy remains constant.
Drittes AusführungsbeispielThird embodiment
9 zeigt
eine weitere Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die ebenfalls einen ähnlichen Aufbau wie das erste
Ausführungsbeispiel
aufweist, wobei gleiche Bezugszahlen in den 1 und 9 Bauelemente
mit der gleichen Wirkungsweise bezeichnen. 9 shows a further piezoelectric actuator drive circuit according to a third embodiment of the invention, which also has a similar construction as the first embodiment, wherein like reference numerals in the 1 and 9 Designate components with the same mode of action.
Die
Piezoaktor-Ansteuerschaltung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
umfasst anstelle der Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61 gemäß 1 eine
variable bzw. einstellbare Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61A,
die durch den Übergang
des Ansteuersignals auf den logischen Pegel 1 angesteuert
wird. Durch diese Ansteuerung leitet die Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61A eine erste
(Anfangs-)Aufladungsperiode ein, der eine mittlere Aufladungsperiode
folgt, an die sich sodann eine letzte End-Aufladungsperiode anschließt. Die
Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61A gibt
hierbei eine erste Bezugsspannung und eine über der ersten Bezugsspannung
liegende zweite Bezugsspannung ab. Die erste Bezugsspannung wird
während
der ersten und der letzten Aufladungsperiode abgegeben, während die
zweite Bezugsspannung während
der mittleren Aufladungsperiode abgegeben wird.The piezoactuator driving circuit according to this embodiment includes, instead of the reference voltage generating circuit 61 according to 1 a variable reference voltage generator circuit 61A caused by the transition of the drive signal to the logic level 1 is controlled. By this driving directs the reference voltage generator circuit 61A a first (initial) charging period following a medium charging period, followed by a final final charging period. The reference voltage generator circuit 61A In this case, a first reference voltage and a second reference voltage lying above the first reference voltage are output. The first reference voltage is delivered during the first and last charging periods, while the second reference voltage is delivered during the medium charging period.
10 zeigt
ein Steuerdiagramm, das die Wirkungsweise dieser Piezoaktor-Ansteuerschaltung während der
Aufladung und Expansion des Piezoaktors 2 veranschaulicht.
Diese Wirkungsweise entspricht im Prinzip der Wirkungsweise des
ersten Ausführungsbeispiels.
Während
der Anfangsaufladungsperiode wird der Pufferkondensatorstrom mit
Hilfe der ersten Bezugsspannung gesteuert, sodass die im Piezoaktor 2 gespeicherte
Energie langsam ansteigt. Während
der mittleren Aufladungsperiode wird mit Hilfe der zweiten Bezugsspannung
ein schnellerer Anstieg der im Piezoaktor 2 gespeicherten
Energie herbeigeführt.
Während
der letzten Aufladungsperiode wird mit Hilfe der ersten Bezugsspannung
wieder ein langsamer Anstieg der im Piezoaktor 2 gespeicherten
Energie bis zum Erreichen einer Konvergenz mit dem Sollenergiewert
herbeigeführt. 10 shows a control diagram illustrating the operation of this piezoelectric actuator drive circuit during the charging and expansion of the piezoelectric actuator 2 illustrated. This mode of operation corresponds in principle to the operation of the first embodiment. During the initial charging period, the buffer capacitor current is controlled by means of the first reference voltage, so that in the piezoelectric actuator 2 stored energy slowly rises. During the medium charging period, the second reference voltage causes a faster increase in the piezo actuator 2 stored energy brought about. During the last charging period, the first reference voltage again causes a slow increase in the piezo actuator 2 stored energy until it reaches a convergence with the target energy value.
Die
Referenzspannungs-Generatorschaltung 61A gibt bei diesem
Ausführungsbeispiel
zwar nur zwei verschiedene Bezugsspannungen ab, jedoch kann auch
die Abgabe von drei oder mehr verschiedenen Bezugsspannungen oder
die Abgabe einer kontinuierlich variablen Bezugsspannung in Betracht
gezogen werden. Die Bezugsspannungs-Generatorschaltung 61A gibt
die höhere
Bezugsspannung zwar nur während
der mittleren Aufladungsperiode ab, jedoch kann auch die Abgabe
von geeigneten Bezugsspannungsmustern je nach den geforderten Betriebseigenschaften
in Betracht gezogen werden.The reference voltage generator circuit 61A Although only two different reference voltages are output in this embodiment, the output of three or more different reference voltages or the output of a continuously variable reference voltage may be considered. The reference voltage generator circuit 61A Although it outputs the higher reference voltage only during the medium charging period, it is also possible to consider the output of suitable reference voltage patterns according to the required operating characteristics.
Obwohl
bei den vorstehend beschriebenen drei Piezoaktor-Ansteuerschaltungen das Messsignal des
Pufferkondensatorstroms jeweils in die Mittelwertbildungsschaltung 52 eingegeben
wird, kann bei jeder dieser Ansteuerschaltungen auch ein Multiplizierglied
zur Berechnung der Ansteuerleistung durch Multiplikation des Strommesssignals
des Pufferkondensatorstroms mit dem Spannungsmesssignal der Pufferkondensatorspannung
vorgesehen werden. Das die berechnete Ansteuerleistung bezeichnende Ausgangssignal
kann dann als die Entladung je Zeiteinheit des zugehörigen Pufferkondensators 12 in
die zugehörige
Mittelwertbildungsschaltung 52 eingegeben werden. Auf diese
Weise lassen sich wie im Falle des zweiten Ausführungsbeispiels die Auswirkungen von
Schwankungen der Pufferkondensatorspannung unterdrücken, sodass
die in dem zugehörigen
Piezoaktor 2 gespeicherte Energie mit höherer Genauigkeit konstant
gehalten werden kann.Although, in the above-described three piezoactuator drive circuits, the measurement signal of the buffer capacitor current is respectively input to the averaging circuit 52 is inputted, in each of these drive circuits, a multiplier for calculating the drive power by multiplying the current measurement signal of the buffer capacitor current with the voltage measurement signal of the buffer capacitor voltage can be provided. The output signal indicative of the calculated drive power may then be referred to as the discharge per unit time of the associated buffer capacitor 12 into the associated averaging circuit 52 be entered. In this way, as in the case of the second embodiment, the effects of fluctuations in the buffer capacitor voltage can be suppressed, so that in the associated piezoelectric actuator 2 stored energy can be kept constant with higher accuracy.
Bei
den drei vorstehend beschriebenen Piezoaktor-Ansteuerschaltungen wird die Batteriespannung
jeweils von dem Gleichspannungswandler erhöht und der zugehörige Pufferkondensator 12 von der
erhöhten
Spannung aufgeladen. Alternativ kann der zugehörige Piezoaktor 2 jedoch
auch direkt von dem mit der Batteriespannung aufgeladenen Pufferkondensator 12 angesteuert
werden.In the three piezoactuator drive circuits described above, the battery voltage is respectively increased by the DC-DC converter and the associated buffer capacitor 12 charged by the increased voltage. Alternatively, the associated piezoelectric actuator 2 but also directly from the charged with the battery voltage buffer capacitor 12 be controlled.
Wie
vorstehend beschrieben, umfasst die erfindungsgemäße Piezoaktor-Ansteuerschaltung
einen ersten Stromkreis (31) und einen zweiten Stromkreis
(32). Im Einschaltzustand eines Schalters (4a) wird
ein Piezoaktor (2) von einem Kondensator (12) über den
ersten Stromkreis (31) aufgeladen. Im Abschaltzustand des
Schalters (4a) wird der Piezoaktor (2) über den
zweiten Stromkreis (32) aufgeladen. Ein Stromdetektor (51)
erfasst den Strom, der vom Kondensator (12) über einen
Bereich des ersten Stromkreises (31) fließt, der
keinen Teil des zweiten Stromkreises (32) bildet. Eine
Schalter-Steuereinrichtung (7) steuert den Schalter (4a)
derart, dass der erfasste Strom einen Sollwert für eine vorgegebene Aufladungsperiode
darstellt. Auf diese Weise kann eine einfache und genaue Energieeinstellung
durch Ermittlung der Entladung des Kondensators (12) erfolgen,
bei der nur geringe Spannungsschwankungen auftreten.As described above, the piezoactuator drive circuit according to the invention comprises a first circuit ( 31 ) and a second circuit ( 32 ). In the on state of a switch ( 4a ) is a piezoelectric actuator ( 2 ) of a capacitor ( 12 ) over the first circuit ( 31 ) charged. In the switch-off state of the switch ( 4a ) the piezo actuator ( 2 ) via the second circuit ( 32 ) charged. A current detector ( 51 ) detects the current flowing from the capacitor ( 12 ) over an area of the first stream circle ( 31 ), which does not form part of the second circuit ( 32 ). A switch control device ( 7 ) controls the switch ( 4a ) such that the sensed current represents a setpoint for a given charging period. In this way, a simple and accurate energy adjustment by determining the discharge of the capacitor ( 12 ), in which only small voltage fluctuations occur.
