-
Die
Erfindung betrifft eine Stromquelle, eine Steuervorrichtung und
ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung, insbesondere
zum Einsatz für einen
Piezoaktuator.
-
Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
die die Schadstoff-Emissionen
gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die während des
Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches erzeugten Schadstoff-Emissionen
zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von
der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder
der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu
erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen.
Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis
zu 2000 bar. Für
derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch
mit einem Piezo-Aktuator als Stellantrieb. Piezo-Aktuatoren zeichnen sich aus durch sehr
kurze Ansprechzeiten. Derartige Einspritzventile sind so gegebenenfalls
geeignet mehrfach innerhalb eines Arbeitszyklusses eines Zylinders
der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzumessen.
-
Eine
besonders gute Gemischaufbereitung lässt sich erreichen, wenn vor
einer Haupteinspritzung eine oder mehrere Voreinspritzungen erfolgen, die
auch als Piloteinspritzung bezeichnet werden, wobei für die einzelne
Voreinspritzung gegebenenfalls eine sehr geringe Kraftstoffmasse
zugemessen werden soll. Ein präzises
Ansteuern des Einspritzventils ist insbesondere für diese
Fälle sehr
wichtig.
-
Eine
wichtige Rolle kommt im Zusammenhang mit dem präzisen Ansteuern des Einspritzventils
dem Laden und Entladen des Piezoaktuators zu. Zu diesem Zweck ist
regelmäßig eine
Leistungsendstufe vorgesehen, die jedoch während des Entladevorgangs den
Piezoaktuator nicht vollständig
entladen kann. Zum vollständigen
Entladen ist diesbezüglich
dann ein Schaltelement vorgesehen, das diese Aufgabe übernehmen
kann, dabei jedoch thermischen Belastungen unterliegt.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, gemäß eines ersten Aspekts eine
einfache Stromquelle zu schaffen, mittels der zwei unterschiedliche
Ausgangsströme
einstellbar sind. Gemäß eines
weiteren Aspekts ist die Aufgabe der Erfindung, eine Steuervorrichtung
und ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung zu schaffen,
mittels der bzw. dem einfach zwei unterschiedliche Ausgangsströme einstellbar
sind.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die
Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten
Aspekts aus durch eine Stromquelle mit einem ersten Schaltelement,
das einen Steuereingang hat und so ausgebildet ist, dass abhängig von
einem Steuersignal an seinem Steuereingang ein Ausgangsstrom ausgangsseitig
der Stromquelle einstellbar ist. Sie hat ferner einen Referenz-Widerstand,
der so mit dem ersten Schaltelement elektrisch gekoppelt ist, dass
der Ausgangsstrom durch den Referenz-Widerstand fließt. Der
Referenzwiderstand weist in Serie angeordnete erste und zweite Einzel-Referenz-Widerstände auf.
Weiter ist eine Diode parallel zu dem ersten Referenz-Widerstand
geschaltet und zwar in Durchlassrichtung entsprechend der bestimmungsgemäßen Stromrichtung
durch den Referenz-Widerstand. Der erste Einzel-Referenz-Widerstand ist hochohmiger
als der zweite Einzel-Referenz-Widerstand.
Die Stromquelle umfasst ferner ein Reglerelement, dem als Sollwert
ein vorgegebenes Referenzpotenzial zugeführt ist und dessen Stellsignal
das Steuersignal des ersten Schaltelements ist. Die Stromquelle
hat ferner ein zweites Schaltelement, das ausgebildet ist und angeordnet
ist zum Beaufschlagen des Reglerelements mit einer ersten Potenzialdifferenz
als Sollwert, die repräsentativ
ist für einen
Spannungsabfall über
dem ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstand in einer ersten Schaltstellung
und mit einer zweiten Potenzialdifferenz als Sollwert, die repräsentativ
ist für
einen Spannungsabfall über
dem zweiten Einzel-Referenz-Widerstand,
in einer zweiten Schaltstellung. Dies hat den Vorteil, dass lediglich
ein Referenzpotenzial notwendig ist zum Realisieren von zwei unterschiedlichen Ausgangsströmen der
Stromquelle. Damit geht ein geringer schaltungstechnischer Aufwand
einher, insbesondere im Vergleich zu dem Vorsehen entsprechender
Schaltungsanordnungen zum Realisieren von zwei verschiedenen Referenz-Potenzialen.
-
Darüber hinaus
zeichnet sich der Referenz-Widerstand dadurch aus, dass er je nach
dem Spannungsabfall über
dem ersten und zweiten Referenz-Widerstand unterschiedliche Widerstandswerte aufweist.
Dies ist besonders einfach durch das Parallelschalten der Diode
zu dem ersten Einzel-Referenz-Widerstand realisiert. Dadurch, dass
der erste Einzel-Referenz-Widerstand hochohmiger ist als der zweite
Einzel-Referenz-Widerstand, lassen sich so deutlich unterschiedliche
Ausgangsströme
bei der Stromquelle einstellen und zwar mit jeweils einer hohen
Genauigkeit, auch im Hinblick auf einen Offset des Stellsignals
des Reglerelements. Darüber
hinaus können
die ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstände jeweils mit der für den jeweiligen
Ausgangsstrom geeigneten geringen Toleranz ausgebildet sein.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist
das Reglerelement und das zweite Schaltelement in einem integrierten
Schaltkreis angeordnet und der Referenz-Widerstand und das erste
Schaltelement sind extern zu dem integrierten Schaltkreis angeordnet. Dies
hat den Vorteil, dass wenige Ein- oder Ausgänge des integrierten Schaltkreises
für die
Realisierung der Stromquelle benötigt
werden. Zum anderen kann der integrierte Schaltkreis auch unabhängig für die bei
der jeweiligen Applikation gewünschten
Ausgangsströme
eingesetzt werden und durch geeignete Einzel-Referenz-Widerstände und
ein entsprechend geeignetes erstes Schaltelement für die jeweilige
Applikation angepasst werden. So ist insgesamt eine kostengünstige Fertigung
der Stromquelle möglich.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung
koppelt ein erster Regelparameterpfad das Reglerelement ausgangsseitig
mit einem ersten Knotenpunkt elektrisch, der elektrisch zwischen
dem ersten Schaltelement und dem Referenz-Widerstand angeordnet
ist. Der erste Regelparameterpfad weist eine vorgebbare Impedanz
auf. So kann das Reglerverhalten einfach bezüglich eines ersten Ausgangsstroms
eingestellt werden, der der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements
zugeordnet ist.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung
ist ein zweiter Regelparameterpfad vorgesehen, der das Reglerelement
ausgangsseitig mit einem zweiten Knotenpunkt elektrisch koppelt,
der elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstand
angeordnet ist. Der zweite Regelparameterpfad hat eine vorgebbare
Impedanz. Auf diese Weise kann einfach das Reglerverhalten bezüglich eines zweiten
Ausgangsstroms eingestellt werden, der der zweiten Schaltstellung
des zweiten Schaltelements zugeordnet ist.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung
ist die vorgebbare Impedanz in dem ersten und/oder zweiten Regelparameterpfad
so ausgebildet, dass ein Proportional- und Integral-Regelverhalten
ausgebildet ist. Dies hat sich als besonders günstig erwiesen.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts ist die
vorgegebene Impedanz des zweiten Regelparameterpfads in etwa mindestens
eine Größenordnung
kleiner als die vorgebbare Impedanz des ersten Regelparameterpfads. Dies
hat den Vorteil, dass das Regelverhalten im Hinblick auf das Einstellen
der ersten bzw. der zweiten Ausgangsströme nahezu unabhängig voneinander eingestellt
werden kann.
-
Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Steuervorrichtung
mit der Stromquelle, die vorgesehen ist zum Steuern eines Piezoaktuators,
wobei die Stromquelle so mit dem Piezoaktuator koppelbar ist, dass
sie den Piezoaktuator entladen kann.
-
Die
Steuervorrichtung hat eine Leistungsendstufe zum Laden und Entladen
des Piezoaktuators, die elektrisch parallel zu der Stromquelle angeordnet
ist.
-
Die
Vorteile des ersten Aspekts der Erfindung und dessen vorteilhafte
Ausgestaltung korrespondieren mit denen des zweiten Aspekts der
Erfindung.
-
Gemäß eines
dritten Aspekts ist ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung
vorgesehen, bei dem die Leistungsendstufe zum Entladen des Piezoaktuators
angesteuert wird und anschließend
das zweite Schaltelement in seine zweite Schaltstellung gesteuert
wird zum weiteren Entladen der Leistungsendstufe, wodurch sich der
erste Ausgangsstroms einstellt. In einem Fehlerfall der Leistungsendstufe
wird das zweite Schaltelement in seine erste Schaltstellung gesteuert
zum Entladen des Piezoaktuators, wobei sich der zweite Ausgangsstrom
einstellt. Dies hat den Vorteil, dass der Ausgangsstrom, und zwar
der zweite Ausgangsstrom, geeignet hoch gewählt werden kann zum schnellen vollständigen Restentladen
des Piezoaktuators, ohne das erste Schaltelement thermisch zu beschädigen. Ferner
kann der Ausgangsstrom, und zwar der erste Ausgangsstrom, geeignet
niedrig eingestellt werden, um das erste Schaltelement thermisch
nicht zu überlasten
und gleichzeitig den Piezoaktuator auch vollständig entladen zu können, wenn
ein durch die Endstufe unterstütztes
Entladen nicht möglich oder
erschwert ist, insbesondere auch zur Herstellung eines sicheren
Zustandes im Falle bestimmter Fehlerzustände oder Defekte der Endstufe.
So können
Personen gut geschützt
werden, die die Regelvorrichtung austauschen wollen.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
-
1 ein
Einspritzventil mit einer Steuervorrichtung und
-
2 eine
detailliertere Darstellung von Teilen der Steuervorrichtung gemäß 1.
-
Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Ein
Einspritzventil (1) hat ein Injektorgehäuse 1 mit
einer Ausnehmung, in die ein Piezo-Aktuator PAKT1, also ein Piezo-Stellantrieb,
eingesetzt ist, der mit einem Übertrager 6 gekoppelt
ist. Der Übertrager 6 ist
in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10,
das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so angeordnet,
dass es abhängig von
seiner Schaltstellung ein Leckagefluid, das in dieser Ausführungsform
bevorzugt der Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit
dem Piezo-Aktuator PAKT1 gekoppelt und wird von ihm angetrieben,
das heißt
die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des
Piezo-Aktuators PAKT1
eingestellt. Gegebenenfalls kann der Piezo-Aktuator PAKT1 auch ohne Zwischenschaltung des Übertragers 6 auf
das Schaltventils 10 einwirken. Das Schaltventil 10 ist
in einer Ventilplatte 12 angeordnet. Es umfasst ein Ventilglied,
dessen Position mittels des Piezo-Aktuators PAKT1 einstellbar ist
und das in einer Schaltstellung in Anlage ist mit der Ventilplatte
und so das Absteuern von Kraftstoff in den Leckageraum verhindert.
In einer weiteren Schaltstellung ist es beabstandet zu einer Wandung
der Ventilplatte 12 und ermöglicht so das Absteuern des Kraftstoffs
in den Leckageraum 8. Der Piezo-Aktuator umfasst einen
Stapel von Piezoelementen. Der Stapel der Piezoelemente umfasst
zum Beispiel etwa 200 Piezoelemente, die aufeinander geschichtet sind.
Der Stapel der Piezoelemente ist bevorzugt von einer Rohrfeder umgeben,
die den Stapel der Piezoelemente zwischen den Übertrager 6 und einem
Abschlusselement einspannt.
-
Das
Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelführungskörper 14 und einen
Düsenkörper 16.
Die Ventilplatte 12, der Nadelführungskörper 14 und der Düsenkörper 16 bilden
eine Düsenbaugruppe,
die mittels einer Düsenspannmutter 18 an
dem Injektorgehäuse 1 befestigt
ist.
-
Der
Nadelführungskörper 14 hat
eine Ausnehmung, die als Ausnehmung des Düsenkörpers 16 in dem Düsenkörper 16 fortgesetzt
ist und in der eine Düsennadel 24 angeordnet
ist. Die Düsennadel 24 ist in
dem Nadelführungskörper 14 geführt. Eine
Düsenfeder 26 spannt
die Düsennadel 24 in
eine Schließposition
vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch ein Einspritzloch 28 unterbindet.
-
An
dem axialen Ende der Düsennadel 24, das
hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet,
der über
eine Zulaufdrossel 31 mit einer Hochdruckbohrung 32 hydraulisch
gekoppelt ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließposition,
so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem
Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem
Schließen
des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im
wesentlichen dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht.
Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Einsatz des Einspritzventils
in einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher
hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von
beispielsweise bis zu 2000 bar versorgt.
-
Über den
Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf
eine Stirnfläche
der Düsennadel 24 eine
Kraft in Schließrichtung der
Düsennadel 24 ausgeübt. Die
Düsennadel 24 weist
ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit
Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart
beaufschlagt wird, dass eine öffnend
wirkende Kraft auf die Düsennadel 24 wirkt,
also entgegen der Schließrichtung.
In ihrer Schließposition
unterbindet die Düsennadel 24 einen Kraftstofffluss
durch die Einspritzdüse 28.
Bewegt sich die Düsennadel 24 ausgehend
von ihrer Schließposition
hinein in den Steuerraum 30, so gibt sie den Kraftstofffluss
durch die Einspritzdüse 28 frei,
insbesondere in ihrer Offenposition, in der sie in Anlage mit dem
Bereich der Wandung des Steuerraums 30 ist, der durch die
Ventilplatte 12 gebildet wird.
-
Ob
die Düsennadel 24 sich
in ihrer Offensposition oder in ihrer Schließposition befindet hängt davon
ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch
den dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird, größer oder
kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den
auf die Stirnfläche
der Düsennadel 24 einwirkenden
Druck hervorgerufen wird.
-
Befindet
sich das Schaltventil 10 in seiner Offenposition, so strömt Fluid
von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein
in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der
Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30,
was schließlich
zu einer Bewegung der Düsennadel
in ihre Offenposition führt.
Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich
geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung.
-
Eine
Steuervorrichtung 38 ist dem Einspritzventil zugeordnet.
Die Steuervorrichtung 38 ist ausgebildet zum Erzeugen eines
Stellsignals SG für
den Piezo-Aktuator PAKT1 des Einspritzventils. Die Steuervorrichtung 38 ist
bevorzugt ferner ausgebildet zum Erzeugen von Stellsignalen für weitere
Piezo-Aktuatoren
PAKT2-4, die weiteren Einspritzventilen zugeordnet sind.
-
Das
Stellsignal SG ist bevorzugt ein Stromsignal, das bevorzugt pulshöhenmoduliert
ist. Ausgehend von einem Start eines Ladevorgangs LV wird bevorzugt
eine vorgegebene Anzahl Pulse, so zum Beispiel 20, mit einer vorgegebenen
zeitlichen Dauer und Periode erzeugt, bis der Ladevorgang abgeschlossen
ist.
-
Über die
Höhe des
jeweiligen Pulses wird die während
des Ladevorgangs dem Piezo-Aktuator PAKT1 zuzuführende elektrische Energie
eingestellt. Die dem Piezo-Aktuator PAKT1 während eines Ladevorgangs LV
zuzuführende
Energie wird abhängig von
Betriebsparametern ermittelt. Die dem Piezo-Aktuator PAKT1 zugeführte Energie
beeinflusst dessen axialen Hub und somit auch den Verlauf des Drucks in
dem Steuerraum 30.
-
Die
Steuervorrichtung 40 ist ferner ausgebildet zum Durchführen eines
Entladevorgangs des Piezo-Aktuators PAKT1. Bevorzugt wird dazu eine
vorgegebene Anzahl an Entladepulsen erzeugt, so z.B. 20, mit einer
vorgegebenen zeitlichen Dauer und Periode. Über die Höhe der jeweiligen Entladepulse wird
die während
des Entladevorgangs dem Piezo-Aktuator PAKT1 entnommene elektrische
Energie eingestellt. Die dem Aktuator entnommene Energie beeinflusst
dessen axiale Hub-Verringerung.
-
Ein
Teil der Steuervorrichtung 38 ist anhand der 2 dargestellt.
Die Steuervorrichtung 38 umfasst einen Spannungsverstärker, der
auch als DC/DC-Wandler bezeichnet ist, und der mit einem Bordnetz 40 elektrisch
gekoppelt ist, das ausgebildet ist zum Versorgen des Spannungsverstärkers 42 mit einer
vorgegebenen Spannung und so eine Spannungsquelle bildet. Das Bordnetz
umfasst beispielsweise eine Fahrzeugbatterie.
-
Der
Spannungsverstärker 42 ist
elektrisch mit einer Leistungsendstufe 46 gekoppelt. Bevorzugt ist
ein Kondensator 44 zwischengeschaltet und zwar derart,
dass in dem Kondensator 44 elektrische Energie bei dem
Entladevorgang der jeweiligen Piezoaktuatoren PAKT1 bis PAKT4 zwischengespeichert werden
kann und für
zukünftige
Ladevorgänge
eingesetzt werden kann.
-
Die
Leistungsendstufe 46 der Steuervorrichtung 38 ist
elektrisch gekoppelt mit den Piezoaktuatoren PAKT1 bis PAKT4, die
separat zu der Steuervorrichtung 38 ausgebildet sind und
zwar in den Einspritzventilen. Bevorzugt ist aus Kostengründen eine Leistungsendstufe 46 mehreren
Piezoaktuatoren PAKT1 bis PAKT4 zugeordnet. Die Auswahl des jeweils
zu ladenden oder entladenden Piezoaktuators PAKT1 bis PAKT4 erfolgt
bevorzugt über
Auswahlschaltelemente TSEL1 bis TSEL4.
-
Bei
einem Entladevorgang, der durch die Leistungsendstufe 46 gesteuert
ist, verbleibt nach der vorgegebenen Anzahl an Entladepulsen noch eine
Restladung in dem jeweiligen Piezoaktuator PAKT1 bis PAKT4. Soll
auch diese Restladung von dem jeweiligen Piezoaktuator PAKT1 bis
PAKT4 abgeführt
werden, so wird eine Stromquelle 48 der Steuervorrichtung 38 aktiviert,
die zu diesem Zweck vorgesehen ist.
-
Die
Stromquelle 48 umfasst einen anwenderspezifischen integrierten
Schaltkreis auf, der auch als ASIC bezeichnet wird. In dem ASIC 50 ist
ein Reglerelement 52 ausgebildet, das vorzugsweise einen
Operationsverstärker
umfasst. Das Reglerelement 52 ist ausgangsseitig mit einem
Steuereingang 54 eines ersten Schaltelements T1 elektrisch
leitend gekoppelt. Während
des Betriebs erzeugt das Reglerelement 52 an seinem Ausgang
ein Stellsignal, das ein Steuersignal des ersten Schaltelements
T1 ist.
-
Das
erste Schaltelement T1 ist so ausgebildet und angeordnet, dass abhängig von
dem Steuersignal ein Ausgangsstrom I_A ausgangsseitig der Stromquelle
einstellbar ist. Der Ausgangsstrom I_A stellt in der eingezeichneten
Stromrichtung einen Entladestrom für den jeweiligen Piezoaktuator PAKT1
bis PAKT4 dar.
-
Ferner
umfasst die Stromquelle 48 einen Referenz-Widerstand R_S,
der so mit dem ersten Schaltelement T1 elektrisch gekoppelt ist,
dass der Ausgangsstrom I_A durch den Referenz-Widerstand R_S fließt. Der Referenz-Widerstand
R_S hat in Serie angeordnete erste und zweite Einzel-Referenz-Widerstände R5,
R6 und eine Diode D1, die parallel geschaltet ist zu dem ersten
Einzel-Referenz-Widerstand R5 und zwar in Durchlassrichtung entsprechend
der bestimmungsgemäßen Stromrichtung
durch den Referenz-Widerstand R_S. Der erste Einzel-Referenz-Widerstand R5 ist
hochohmiger als der zweite Einzel-Referenz-Widerstand R6. Je nach einzustellenden
Eingangsströmen
I_A beträgt
das Verhältnis
zwischen dem ersten und dem zweiten Einzel-Referenz-Widerstand R5,
R6 beispielsweise in etwa 50.
-
Ferner
ist in dem ASIC 50 das zweite Schaltelement T2 ausgebildet,
das so ausgebildet und angeordnet ist, dass das Reglerelement 52 mit
einer ersten Potenzialdifferenz U1 als Istwert beaufschlagt wird,
die repräsentativ
ist für
einen Spannungsabfall über
dem ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstand R5 und R6, in einer ersten
Schaltstellung, und mit einer zweiten Potenzialdifferenz U2 als
Istwert, die repräsentativ
ist für
einen Spannungsabfall über dem
zweiten Referenz-Widerstand R6, in einer zweiten Schaltstellung
des zweiten Schaltelements. An einem weiteren Eingang des Reglerelements 52 kann
dieses mit einem Referenz-Potenzial U_REF beaufschlagt werden.
-
Ferner
weist die Stromquelle 48 bevorzugt einen ersten Regelparameterpfad 56 auf,
durch den ein erster Knotenpunkt 58 mit dem Reglerelement 52 ausgangsseitig
elektrisch gekoppelt ist. Der erste Knotenpunkt 58 ist
elektrisch zwischen dem ersten Schaltelement T1 und dem Referenz-Widerstand R_S
angeordnet. Der erste Regelparameterpfad 46 weist eine
vorgebbare Impedanz auf.
-
Ferner
ist bevorzugt ein zweiter Regelparameterpfad 60 vorgesehen,
der das Reglerelement 52 ausgangsseitig mit einem zweiten
Knotenpunkt 62 elektrisch koppelt. Der zweite Knotenpunkt 62 ist elektrisch
zwischen dem ersten und zweiten Referenz-Widerstand R5, R6 angeordnet.
Der zweite Regelparameterpfad 60 hat ebenfalls eine vorgebbare Impedanz.
-
Es
hat sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn der erste Regelparameterpfad 56 eine
erste Impedanz hat, die bevorzugt als Widerstand R1 in Serienschaltung
mit einer Kapazität
C1 ausgebildet ist. Ferner hat vorteilhaft der erste Regelparameterpfad 56 eine
zweite Impedanz, die bevorzugt als Widerstand R3 ausgebildet ist.
-
Ebenso
hat bevorzugt der zweite Regelparameterpfad 60 eine dritte
Impedanz, die bevorzugt als eine Serienschaltung aus einem Widerstand
R2 und einer Kapazität
C2 ausgebildet ist. Ferner ist in dem zweiten Regelparameterpfad 60 bevorzugt
eine vierte Impedanz vorgesehen, die bevorzugt als Widerstand R4
ausgebildet ist. Durch die ersten und zweiten Impedanzen werden
Regelparameter eingestellt, die in der ersten Schaltstellung des
zweiten Schaltelements T2 wirksam sind zum Einstellen des Ausgangsstroms
I_A, der für
diese Schaltstellung als erster Ausgangsstrom bezeichnet ist.
-
Durch
die dritten und vierten Impedanzen können Regelparameter eingestellt
werden, die relevant sind zum Einstellen des Ausgangsstroms I_A
in der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2. Für diesen
Fall wird der Ausgangsstrom I_A als zweiter Ausgangsstrom bezeichnet.
-
Durch
geeignete Wahl der ersten und zweiten bzw. der dritten und vierten
Impedanzen kann ein beliebiges Regelverhalten, so z. B. ein P-,
PI- oder PID-Regelverhalten zum Einstellen des Ausgangsstroms I_A
eingestellt werden. Als besonders geeignet hat sich erwiesen, die
ersten und zweiten Impedanzen bzw. die dritten und vierten Impedanzen
so auszubilden, dass sich ein Proportional-Integral-Regelverhalten
(PI) ergibt. Zu diesem Zweck sind dann die ersten und zweiten Impedanzen
bzw. die dritten und vierten Impedanzen entsprechend der in der 2 dargestellten
Schaltungsanordnung mit den Widerständen R2, R3, R4 und den Kapazitäten C1 und
C2 ausgebildet.
-
Ferner
hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, die Regelparameter, die
durch die Impedanzwerte der ersten und zweiten Impedanzen für den ersten
Regelparameterpfad bzw. durch die dritten und vierten Impedanzen
für den
zweiten Regelparameterpfad 60 festgelegt werden, deutlich
unterschiedlich auszubilden und zwar bevorzugt so, dass die dem
zweiten Regelparameterpfad 60 zugeordneten Regelparameter
bevorzugt mindestens eine Größenordnung
kleiner sind als diejenigen, die dem ersten Regelparameterpfad 56 zugeordnet
sind. Somit sind bevorzugt die dritten und vierten Impedanzen kleiner
als die ersten und zweiten Impedanzen. Auf diese Weise lässt sich
ein Einstellverhalten zum Einstellen des ersten bzw. zweiten Ausgangsstroms
nahezu unabhängig
voneinander einstellen.
-
Bei
einem Fehlerfall, so zum Beispiel bei einem Fehler in der Leistungsendstufe 46,
ist die Stromquelle geeignet zum Abführen der gesamten in dem jeweiligen
Piezoaktuator PAKT1 bis PAKT4 gespeicherten elektrischen Energie,
die beispielsweise zwischen 70 und 100 mJ liegen kann. Zu diesem Zweck
wird das Referenz-Potenzial U_REF dem Reglerelement 52 als
Sollwert zugeführt
und das zweite Schaltelement T2 in die erste Schaltstellung gesteuert,
in der dem Reglerelement 52 als Sollwert die erste Potenzialdifferenz
U1 zugeführt
wird. Das Stellsignal des Reglerelements hängt somit in diesem Fall ab von
der Differenz zwischen dem Referenzpotenzial U_REF und der ersten
Potenzialdifferenz U1. Das Referenz-Potenzial U_REF ist im Zusammenwirken
mit dem Referenz-Widerstand R_S, und hier insbesondere mit dem ersten
Einzel-Referenz-Widerstand
R5, geeignet so ausgebildet, dass der erste Ausgangsstrom den gewünschten
Wert einnimmt und in diesem Bereich die Diode D1 noch nicht in Durchlassrichtung
betrieben wird, d. h. der Spannungsabfall an dem ersten Einzel-Referenz-Widerstand
R5 noch geringer ist als die Durchlassspannung der Diode D1. Der
zweite Einzel-Referenz-Widerstand R6 ist deutlich niederohmiger
ausgebildet als der erste Einzel-Referenz-Widerstand R5. Dies hat
zur Folge, dass in der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements
T2 nur eine sehr geringe Spannung über dem zweiten Einzel-Referenz-Widerstand R6 abfällt. Die
Dimensionierung des ersten Einzel-Referenz-Widerstands R5, des Widerstands R3
und der Referenzpotentialdifferenz UREF beeinflussen den ersten
Ausgangsstrom.
-
So
kann dann der gewünschte
geringe Betrag des ersten Ausgangsstroms in der ersten Schaltstellung
des zweiten Schaltelements eingestellt werden und so beispielsweise
bei einem Fehler der Leistungsendstufe der jeweilige Piezoaktuator
PAKT1 bis PAKT4 vollständig
durch die Stromquelle 48 entladen werden, ohne das erste
Schaltelement T1 thermisch zu stark zu belasten.
-
Bevorzugt
sind die Regelparameter für
die erste Schaltstellung des zweiten Schaltelements so eingestellt,
dass auch ein relativ hartes Schalten des Ausgangsstroms I_A möglich ist.
-
In
einem Normalbetrieb der Steuervorrichtung wird zum Entladen des
jeweiligen Piezoaktuators PAKT1 bis PAKT4 zunächst die Leistungsendstufe 46 entsprechend
der bereits oben ausge führten Vorgehensweise
angesteuert. Im Anschluss daran wird zum Entnehmen der verbleibenden
Restentladung in dem jeweiligen Piezoaktuator PAKT1 bis PAKT4 das
Referenz-Potenzial U_REF dem Reglerelement 52 als Sollwert
zugeführt.
Das zweite Schaltelement wird in seine zweite Schaltstellung gesteuert,
in der das Reglerelement 52 mit der zweiten Potenzialdifferenz
U2 als Istwert eingangsseitig beaufschlagt wird. Dies hat dann zur
Folge, dass ausgangsseitig des Reglerelements 52 das Stellsignal derart
erzeugt wird, dass das erste Schaltelement T1 den Ausgangsstrom
I_A auf den zweiten Ausgangsstrom einstellt. Das erste Schaltelement
T1 ist bevorzugt als selbstsperrender N-MOSFET-Transistor ausgebildet
und wird im Abschnürbereich
betrieben. In diesem Bereich ist somit bei gleich bleibendem Steuersignal
an dem Steuereingang des ersten Schaltelements T1 ein nahezu konstanter
Ausgangsstrom I_A gewährleistet,
unabhängig
von der zu einem Bezugspotenzial abfallenden Potenzialdifferenz.
Durch die Rückkopplung
der ersten Potenzialdifferenz U1 bzw. in der zweiten Schaltstellung
des zweiten Schaltelements der zweiten Potenzialdifferenz U2 auf
das Reglerelement 52 können
jedoch auch Störeinflüsse, wie
beispielsweise eine temperaturabhängige Schaltcharakteristik
des ersten Schaltelements T1 oder Fertigungsstreuungen des ersten Schaltelements
T1 kompensiert werden. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft
erwiesen, die Regelparameter, die in der zweiten Schaltstellung
des zweiten Schaltelements T2 wirksam sind, so einzustellen, dass
der Ausgangsstrom I_A sich nicht zu sprunghaft ändert, also nicht zu hart geschaltet
wird. Die speziellen am geeignetsten Charakteristiken der Regelparameter
hängen
wesentlich ab von der jeweiligen Charakteristik des jeweiligen Piezoaktuators PAKT1
bis PAKT4.
-
Typischerweise
hat der zweite Ausgangsstrom einen deutlich höheren Betrag als der erste Ausgangsstrom.
Der zweite Aus gangsstrom kann beispielsweise in etwa 5 A betragen,
während
der erste Ausgangsstrom in etwa 100 mA betragen kann. Der erste
Einzel-Referenz-Widerstand R5 ist so hochohmig ausgebildet, dass
er bei dem zweiten Ausgangsstrom durch die Diode D1 überbrückt ist und
so der Spannungsabfall über
dem Widerstand R5 nahezu konstant ist, unabhängig von Abweichungen des zweiten
Ausgangsstroms.
-
Durch
das geeignete Dimensionieren der ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstände R5 und
R6 und des Widerstands R4 und der Referenzspannung U_REF kann in
der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2 sichergestellt
werden, dass die Diode D1 im Durchlassbereich betrieben wird und
die Widerstandscharakteristik in diesem Zustand des Referenz-Widerstands R_S maßgeblich durch
den zweiten Einzel-Referenz-Widerstand
R6 bestimmt wird, der geeignet niederohmig ausgebildet ist. So kann
dann der insbesondere recht hohe zweite Ausgangsstrom sehr präzise mit
dem gleichen Referenzpotenzial U_REF wie der erste Ausgangsstrom eingestellt
werden.
-
Die
insgesamt durch die Leistungsendstufe 46 und die Stromquelle 48 abzuführende elektrische Energie
aus dem jeweiligen Piezoaktuator PAKT1 bis PAKT4 beträgt beispielsweise
zwischen 70 und 100 mJ. Typischerweise wird lediglich in etwa das
letzte Zehntel der elektrischen Energie in dem Normalbetrieb durch
die Stromquelle dem jeweiligen Piezoaktuator 1 entnommen.
-
Aufgrund
des hohen zweiten Ausgangsstroms, der beispielsweise 5 A beträgt, kann
die Restentladung durch eine sehr kurze entsprechende Durchsteuerung
des ersten Schaltelements T1 erfolgen und geht somit zwar mit einer
hohen thermischen Belastung für
das erste Schaltelement einher, die jedoch nur sehr kurz andauert
und so bei geeigneter Wärmekapazität des ersten Schaltelements
zu keiner thermischen Zerstörung
des ersten Schaltelements führt.
Im Gegensatz dazu wäre
das Abführen in
dem Fehlerfall der gesamten in dem jeweiligen Piezoaktuator PAKT1
bis PAKT4 gespeicherten elektrischen Energie jedoch mit einer sehr
hohen thermischen Belastung für
das erste Schaltelement verbunden, wenn dies in der zweiten Schaltstellung
des zweiten Elements, also mit dem zweiten Ausgangsstrom erfolgen
würde und
könnte
so gegebenenfalls zu dessen thermischer Zerstörung führen oder würde andererseits bedingen,
dass das erste Schaltelement T1 sehr großzügig dimensioniert wird, was
einen hohen Platzbedarf und somit höhere Kosten zur Folge hat.
Durch die Möglichkeit
den zweiten Ausgangsstrom einzustellen ist ein kompaktes Dimensionieren des
ersten Schaltelements T1 möglich.