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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung, die einen
piezoelektrischen Aktor lädt und entlädt, um zu
bewirken, dass sich der piezoelektrische Aktor ausdehnt und zusammenzieht.
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Eine
herkömmliche Ansteuerschaltung, die einen piezoelektrischen
Aktor lädt und entlädt, um zu bewirken, dass sich
der piezoelektrische Aktor ausdehnt und zusammenzieht, weist einen
Ladepfad und einen Entladepfad auf. Das Laden dient dazu, eine Reihenschaltung
aus einer Spule und einem piezoelektrischen Aktor über
einen aus einem MOSFET aufgebauten Ladeschalter mit elektrischer
Energie von einer Gleichstromenergiequelle zu versorgen. Der Entladepfad
dient dazu, die die im piezoelektrischen Aktor gespeicherten elektrischen
Ladungen über einen aus einem MOSFET aufgebauten Entladeschalter
zu entladen. Der Entladepfad ist parallel zur Reihenschaltung geschaltet.
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Bei
dieser Ansteuerschaltung wird der Ladeschalter dann, wenn von außen
ein Ansteuersignal eingegeben wird, bei ausgeschaltetem Entladeschalter
wiederholt ein- und ausgeschaltet, so dass der piezoelektrische
Aktor geladen wird und sich ausdehnt. Wenn die Eingabe des Ansteuersignals
anschließend gestoppt wird, wird der Entladeschalter bei
ausgeschaltetem Ladeschalter wiederholt ein- und ausgeschaltet,
so dass der piezoelektrische Aktor entladen wird und sich zusammenzieht.
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Bei
einer Ansteuerschaltung dieser Bauart fließt dann, wenn
der Ladeschalter eingeschaltet ist und ein Freilaufstrom während
einer Ladeperiode durch den piezoelektrischen Aktor fließt,
ein elektrischer Strom in einer Rückwärtsrichtung
(Durchlassstrom) durch die parasitäre Diode des Entladeschalters,
bedingt durch die Sperrverzögerungszeit der parasitären
Diode.
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Zur
Lösung dieses Problems schlägt die
JP 2004-282988 A einen
in Reihe mit einem piezoelektrischen Aktor geschalteten Strommesswiderstand
zur Erfassung eines Freilaufstroms vor. Wenn ein Ansteuersignal
eingegeben wird, wird ein Ladeschalter eingeschaltet. Wenn anschließend
eine bestimmte Zeit verstrichen ist, wird der Ladeschalter ausgeschaltet.
Wenn der Wert des Freilaufstroms anschließend zu null wird, wird
der Ladeschalter eingeschaltet. Der piezoelektrische Aktor wird
geladen, indem die obige Ein-/Aus-Betrieb wiederholt wird. Bei diesem
Aufbau wird der Ladeschalter eingeschaltet, nachdem der Stromfluss
des Freilaufstroms durch den piezoelektrischen Aktor beendet ist.
Folglich kann verhindert werden, dass zu diesem Zeitpunkt ein Rückwärtsstrom
durch die parasitäre Diode eines Entladeschalters fließt.
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Die
Kapazität eines piezoelektrischen Aktors ändert
sich in Abhängigkeit der Temperatur. Folglich ändert
sich der Betrag des durch den piezoelektrischen Aktor fließenden
Ladestroms ebenso in einigen Einsatzumgebungen. Gemäß der
JP 2004-282988 A ändert
sich die in einer Spule gespeicherte Energie zu einem Zeitpunkt,
an dem sich der Betrag des von einer Gleichstromenergiequelle in
einen piezoelektrischen Aktor fließenden Stroms bei eingeschaltetem
Ladeschalter ändert, ebenso. Folglich ändert sich
ebenso eine Zeit, welche die Spule benötigt, um die Energieentladung
abzuschließen, wenn der Ladeschalter ausgeschaltet ist.
Aus diesem Grund ändert sich ein Timing, mit welchem der
Ladeschalter während einer Ladeperiode eingeschaltet wird,
in Abhängigkeit der Kapazität des piezoelektrischen
Aktors, so dass der Betrag der gespeicherten elektrischen Ladungen
variiert.
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Aus
diesem Grunde schlägt die
JP 2006-237335 A die
folgende Maßnahme vor, um zu verhindern, dass sich der
Grad der Ausdehnung eines piezoelektrischen Aktors in Abhängigkeit
der Kapazität des piezoelektrischen Aktors ändert.
Der Ladeschalter wird während einer Ladeperiode in einem
vorbestimmten Zyklus eingeschaltet. Wenn das Integral des bei eingeschaltetem
Ladeschalter durch den Ladepfad fließenden Stroms einen
Zielwert erreicht, wird der Ladeschalter ausgeschaltet.
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Gemäß der
JP 2006-237335 A wird
ein Strom mit Hilfe eines Widerstandes erfasst, der in Reihe mit einem
Pufferkondensator geschaltet ist, der eine Verstärkerschaltung
bildet, welche den piezoelektrischen Aktor mit elektrischer Energie
versorgt. Die Verstärkerschaltung und das Lade-Timing werden
auf der Grundlage eines dort erfassten Stroms gesteuert, um den
Schaltungsaufbau zu vereinfachen.
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Gemäß der
JP 2006-237335 A nimmt
jedoch ein Fehler während einer Zeitspanne, in welcher
der Gleichspannungswandler die Verstärkung vornimmt, zu,
da die Stromerfassung auf der Seite der Verstärkerschaltung
oder des Gleichspannungswandlers ausgeführt wird. Folglich
muss der Erfassungsbetrieb unterbunden und kann die momentane Steuerung
schwierig ausgeführt werden.
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Ein
piezoelektrischer Aktor wird, wie in
15 gezeigt,
auf Einspritzventile für eine Kraftstoffeinspritzung angewandt.
Mehrere Einspritzventile sind in Übereinstimmung mit mehreren
Zylindern angeordnet, und ein Gleichspannungswandler zum Zuführen
von Energie zu den Einspritzventilen wird von den Einspritzventilen
gemeinsam genutzt. In diesem Fall werden die Ströme gemäß der
JP 2006-237335 A gemeinsam
(an einem Punkt P) auf der Seite eines Gleichspannungswandlers überwacht.
Hierbei ist es nicht möglich, ein Laden/Entladen eines
Einspritzventils bezüglich jedes Zylinders zu steuern.
So sind bei einem Vierzylindermotor beispielsweise manchmal der
erste und der dritte Zylinder als Reihe-A und der zweite und der
vierte Zylinder als Reihe-B gruppiert. Wenn sich die Kraftstoffeinspritzperiode
für die Reihe-A mit der für die Reihe-B überlappt,
ist auch in diesem Fall eine einzelne Erfassung auf der Basis eine
Reihe nach der anderen nicht möglich.
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Es
ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ansteuerschaltung
für piezoelektrische Aktoren bereitzustellen, bei der eine
Lade-/Entlade-Steuerung flexibel und mit höherer Genauigkeit
ausgeführt werden kann.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung versorgt eine Ansteuerschaltung für
piezoelektrische Aktoren eine Reihenschaltung aus einer Spule und
einem piezoelektrischen Aktor über einen Ladeschalter mit
elektrischer Energie von einer Gleichstromenergiequelle, um so den
piezoelektrischen Aktor zu laden und auszudehnen, und entlädt
ebenso die elektrischen Ladungen des piezoelektrischen Aktors über
einen Entladeschalter, um so den piezoelektrischen Aktor zu entladen
und zusammenzuziehen. Die Ansteuerschaltung schätzt eine
Energie, die während einer Zeitspanne, für welche
der Ladeschalter auf Ein gesetzt ist, im piezoelektrischen Aktor geladen
wird, indem sie einen dem piezoelektrischen Aktor zugeführten
Ladestrom integriert, und differenziert das Ladestromsignal. Die
Ansteuerschaltung steuert das Timing der Integration des Ladestroms
auf der Grundlage eines Differenziersignals.
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Die
obigen und weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, näher
ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:
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1 ein
Funktionsblockdiagramm eines Schaltungsabschnitts zur Steuerung
eines Ladeschalters in einer Schaltsteuerschaltung gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 einen
Schaltplan mit einem detaillierten Aufbau einer Lade-/Entlade-Impulssteuerschaltung;
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3 ein
Ablaufdiagramm der von einer Steuereinheit ausgeführten
Steuerung;
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4 ein
Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs eines Logikschaltungsabschnitts
entsprechend der in der 3 gezeigten Steuerung;
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5 einen
Schaltplan eines Teils zur Erzeugung und Ausgabe eines Gesamtperiodenladesignals
S2 auf der Grundlage eines Ansteuersignals S1;
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6 einen
Schaltplan einer Ansteuerschaltung;
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7(a) ein Zeitdiagramm von Wellenformen
jedes Signals, das verwendet wird, wenn eine Ansteuerschaltung einen
piezoelektrischen Aktor lädt, (b) ein Zeitdiagramm zur
Veranschaulichung einer Aus-Timing-Korrektur für einen
Ladeschalter, und (c) eine Korrekturtabelle;
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8(a) ein Zustandsübergangsdiagramm
einer Hauptsequenz, (b) ein Zustandsübergangsdiagramm einer
normalen Betriebssequenz, (c) ein Ablaufdiagramm einer A/D-Wandlungsverarbeitung
für geladene elektrische Ladungen, und (d) ein Ablaufdiagramm
zur Veranschaulichung einer Aus-Zeit-Korrekturverarbeitung;
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9 einen
Schaltplan einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung entsprechend der 6;
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10 ein
Funktionsblockdiagramm entsprechend der 1;
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11 einen
Schaltplan zur Veranschaulichung einer Ein-Zeit-Trigger-Erzeugungsschaltung;
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12 ein
Ablaufdiagramm der von einer Ein-Zeit-Steuereinheit ausgeführten
Steuerung;
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13 ein
Zeitdiagramm des Betriebs einer Lade-/Entlade-Steuerschaltung;
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14 einen
Schaltplan zur Veranschaulichung eines Unterschieds zwischen der
ersten und der zweiten Ausführungsform;
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15 einen
Schaltplan zur Veranschaulichung einer verwandten Technik.
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(Erste Ausführungsform)
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Eine
Ansteuerschaltung 1 wird, wie in 6 gezeigt,
bereitgestellt, um den folgenden Betrieb auszuführen: ein
in einem Einspritzventil befestigter piezoelektrischer Aktor P für
eine Kraftstoffeinspritzung in beispielsweise einem Verbrennungsmotor
eines Fahrzeugs wird geladen und entladen und somit ausgedehnt und zusammengezogen,
um so zu bewirken, dass das Einspritzventil die Kraftstoffeinspritzung
startet oder stoppt. Die Ansteuerschaltung 1 weist eine
Energieversorgungsschaltung 10, eine Reihenschaltung 20,
einen Ladepfad (Lademittel) 30, einen Entladepfad (Entlademittel) 40 und
eine Schaltsteuerschaltung 50 auf.
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Die
Energieversorgungsschaltung 10 erzeugt eine Spannung, indem
sie eine Versorgungsspannung von einer Batterie (Gleichstromenergiequelle) 12 für
die Reihenschaltung 20 aus einer Spule L1, einem piezoelektrischen
Aktor P und einem Strommesswiderstand (Stromerfassungsmittel) R2
verstärkt. Der Ladepfad 30 liefert Energie von
der Energieversorgungsschaltung 10 über einen
Ladeschalter SW1. Der Entladepfad 40 ist parallel zur Reihenschaltung 20 geschaltet
und entlädt die elektrischen Ladungen, die im piezoelektrischen
Aktor P geladen sind, über einen Entladeschalter SW2. Die
Schaltsteuerschaltung 50 steuert ein Ein-/Ausschalten des
Ladeschalters SW1 und des Entladeschalters SW2.
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Bei
der Reihenschaltung 20 ist ein Ende der Spule L1 über
den Ladeschalter SW1 mit dem Pluspol der Energieversorgungsschaltung 10 verbunden;
und ein Ende des piezoelektrischen Aktors P über den Strommesswiderstand
R2 auf Masse gelegt oder mit dem Minuspol der Energieversorgungsschaltung 10 verbunden.
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Der
Ladeschalter SW1 ist beispielsweise aus einem n-Kanal-Leistungs-MOSFET
aufgebaut. Die Source des MOSFET ist mit dem einen Ende der Spule
L1 verbunden; der Drain des MOSFET ist mit dem Pluspol der Energieversorgungsschaltung 10 verbunden;
und das Gate des MOSFET ist mit einem Ausgangsanschluss S3 der Schaltsteuerschaltung 50 verbunden.
Der Ladeschalter SW1 weist eine parallel geschaltete Diode D1 (die
parasitäre Diode des FET) auf. Die Diode D1 wird dazu verwendet,
einen regenerativen Strom über die Energieversorgungsschaltung 10 zu
leiten, wenn der Entladeschalter SW2 während eines Entladens des
piezoelektrischen Aktors P ausgeschaltet wird. Der Entladeschalter
SW2 ist ebenso beispielsweise aus einem n-Kanal-Leistungs-MOSFET
aufgebaut. Die Source des MOSFET ist auf Masse gelegt; der Drain
des MOSFET ist mit einem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen dem Ladeschalter
SW1 und der Spule L1 verbunden; und das Gate des MOSFET ist mit
einem Ausgangsanschluss S14 der Schaltsteuerschaltung 50 verbunden.
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Der
Entladeschalter SW2 weist eine parallel geschaltete Diode D2 (die
parasitäre Diode des FET) auf. Die Diode D2 wird dazu verwendet,
einen Freilaufstrom zu leiten, wenn der Ladeschalter SW1 während
eines Ladens des piezoelektrischen Aktors P ausgeschaltet wird.
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Die
Energieversorgungsschaltung 10 ist aus der Batterie 12 und
einer Verstärkerschaltung 14 zur Verstärkung
der Batteriespannung (zum Beispiel 12 V) von der Batterie 12 aufgebaut.
Der Minuspol der Batterie 12 ist auf Masse gelegt.
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Die
Verstärkerschaltung 14 weist eine Verstärkerspule
L2, eine Diode D3, einen Verstärkerschalter SW3, eine Verstärkersteuerschaltung 16,
einen Pufferkondensator C1 und einen Widerstand R1 auf. Ein Ende der
Verstärkerspule L2 ist mit dem Pluspol der Batterie 12 verbunden.
Die Anode der Diode D3 ist mit dem anderen Ende der Verstärkerspule
L2 verbunden, und die Kathode der Diode D3 mit dem Drain des Ladeschalters
SW1 verbunden. Ein Ende des Verstärkerschalters SW3 ist
mit einem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen der Diode D3 und der
Verstärkerspule L2 verbunden. Das andere Ende des Verstärkerschalters
SW3 ist auf Masse gelegt. Die Verstärkersteuerschaltung 16 steuert
ein Ein-/Ausschalten des Verstärkerschalters SW3. Ein Ende
des Pufferkondensators C1 ist mit einem gemeinsamen Knotenpunkt
zwischen der Diode D3 und dem Ladeschalter SW1 verbunden. Das andere
Ende des Pufferkondensators C1 ist über den Widerstand R1
auf Masse gelegt. Die Diode D3 ist vorgesehen, um ein Entladen des
Pufferkondensators C1 zur Batterieseite zu verhindern.
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Die
Verstärkersteuerschaltung 16 schaltet den Verstärkerschalter
SW3 wiederholt ein und aus, um so den Pufferkondensator C1 über
die Diode D3 mit einer Spannung von einigen zehn bis einigen hundert
Volt zu laden. Zu diesem Zeitpunkt steuert die Verstärkersteuerschaltung 16 eine
Verstärkung auf der Grundlage eines Erfassungssignals mit
einem Spannungswert proportional zu einem am Strommesswiderstand
R1 erfassten Strom, obgleich dies nicht näher gezeigt ist.
Der Pufferkondensator C1 leitet einen Strom über den Ladepfad 30,
um den piezoelektrischen Aktor P zu laden, wenn der Ladeschalter
SW1 eingeschaltet ist. Der Pufferkondensator C1 weist eine verhältnismäßig
hohe Kapazität auf und hält selbst dann einen
im Wesentlichen konstanten Spannungswert aufrecht, wenn der piezoelektrische
Aktor P mit Energie versorgt wird.
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Die
Schaltsteuerschaltung 50 wird mit Signalen S12, S13 (Masse),
die über dem Strommesswiderstand R2 erfasst werden, und
einem Ansteuersignal S1, das von einer ECU (nicht gezeigt) ausgegeben
wird, welche den Motor des Fahrzeugs steuert, ver sorgt. Wenn das
Ansteuersignal S1 eingegeben wird, gibt die Schaltsteuerschaltung 50 bei
ausgeschaltetem Entladeschalter SW2 ein Schaltsignal S3 aus und
schaltet den Ladeschalter SW1 für eine vorbestimmte Zeit
wiederholt ein und aus.
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Zu
diesem Zeitpunkt schaltet die Schaltsteuerschaltung 50 den
Ladeschalter SW1 periodisch ein und integriert den Ladestrom des
piezoelektrischen Aktors P auf der Grundlage der Erfassungssignale
S12, S13 über die Zeit. Wenn die Eingabe des Ansteuersignals
S1 gestoppt wird, gibt die Schaltsteuerschaltung 50 das Schaltsignal
S14 bei ausgeschaltetem Ladeschalter SW1 aus und schaltet den Entladeschalter
SW2 für eine vorbestimmte Zeitspanne wiederholt ein und
aus.
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Ein
Abschnitt der Schaltsteuerschaltung 50, welcher den Ladeschalter
SW1 steuert, ist in der 1 gezeigt. Ein Schaltungsabschnitt,
welcher den Entladeschalter SW2 steuert, ist bekannt und für
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung nicht von so großer
Bedeutung, so dass er nachstehend nicht näher beschrieben
wird.
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Eine
invertierende Differenzverstärkerschaltung 60 ist
basierend auf einem Operationsverstärker A1 aufgebaut.
Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers
A1 wird über einen Widerstand R3 mit einem Erfassungssignal
S12 versorgt und ist über einen Rückkopplungswiderstand
R4 mit dem eigenen Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers
verbunden. Der nichtinvertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers
A1 wird über einen Widerstand R5 mit einem Erfassungssignal
S13 versorgt. Der nichtinvertierende Eingangsanschluss ist über
einen Widerstand R6 mit dem Ausgangsanschluss eines Operationsverstärkers
A2 verbunden, der eine Offsetschaltung 80 bildet. Die Spannungsverstärkung
der invertierenden Differenzverstärkerschaltung 60 wird
durch die Widerstandswerte der Widerstände R3 bis R6 bestimmt.
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In
Anbetracht der Tatsache, dass der durch den Widerstand R2 fließende
Strom bei einem Laden und Entladen in entgegengesetzte Richtungen
fließt, legt die Offsetschaltung 80 mit Hilfe
einer Referenzspannung Vref eine Offsetspannung an die invertierende
Differenzverstärkerschaltung 60.
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Ein
Integrator für geladene elektrische Ladung (Energieschätzmittel) 70 ist
basierend auf einem Operationsverstärker A3 aufgebaut.
Der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers
A3 ist über einen Widerstand R7 mit dem Ausgangsanschluss
des Operationsverstärkers A1 verbunden. Der invertierende
Eingangsanschluss ist über einen Schalter SW5, einen Kondensator
C2 und einen Schalter SW6 mit dem Ausgangsanschluss eines Operationsverstärkers
A3 verbunden. Der Kondensator C2 weist einen parallel geschalteten
Schalter SW4 auf.
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Dieser
Integrator für geladene elektrische Ladung 70 ist
eine Schaltung, welche die Ausgangsspannung der invertierenden Differenzverstärkerschaltung 60 invertiert
und die Spannung in einen Strom wandelt und eine Integration ausführt,
mit Hilfe des Kondensators C2. Die Integrationszeitkonstante des
Integrators 70 wird durch die Kapazität des Kondensators
C2 und des Widerstandswerts des Widerstands R7 bestimmt. Die Schalter
SW5, SW6 werden geschlossen, wenn der Kondensator C2 geladen wird,
um eine Integration auszuführen, und der Schalter SW4 wird
geschlossen, wenn der Kondensator C2 entladen wird, um ein Ergebnis der
Integration zu löschen. Ein Öffnen/Schließen
dieser Schalter wird von einer Steuereinheit (Integrier-Timing-Steuermittel) 110 einer
Lade-/Entlade-Steuerlogik (Ladesteuermittel, Entladesteuermittel) 100 gesteuert. Der
Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers A3 ist mit
einem Eingangsanschluss eines A/D-Wandlers 51 verbunden.
Der A/D-Wandler 51 unterzieht ein Integrierergebnis des
Ladeintegrators 70 einer Analog-Digital-Wandlung mit einer
Auflösung von beispielsweise 10 Bits und gibt die gewandelten
Daten S10 an die Steuereinheit 110.
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Ein
Differenzierer (Differenzierschaltung) 90 ist basierend
auf einem Operationsverstärker A4 aufgebaut. Der invertierende
Eingangsanschluss des Operationsverstärkers A4 ist über
einen Kondensator C3 mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers
A1 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluss ist über
einen Widerstand R8 mit dem eigenen Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers
A4 verbunden. Die Differenzierzeitkonstante des Differenzierers 90 wird
durch die Kapazität des Kondensators C3 und den Widerstandswert
des Widerstands R8 bestimmt. Der nichtinvertierende Eingangsanschluss
des Operationsverstärkers A4 ist mit dem Ausgangsanschluss
des Operationsverstärkers A2 der Offsetschaltung 80 verbunden. Der
Aus gangsanschluss des Operationsverstärkers A4 ist mit
dem nichtinvertierenden Eingangsanschluss eines eine Hysterese aufweisenden
Komparators 52 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluss
des Komparators 52 ist ebenso mit dem Ausgangsanschluss
des Operationsverstärkers A2 verbunden, und der Ausgangsanschluss
des Komparators 52 ist mit einem Eingangsanschluss eines
UND-Gatters 53 (Integrier-Timing-Steuermittel) verbunden.
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Die
Lade-/Entlade-Steuerlogik 100 ist aus einer Ablaufsteuerung
oder einem Mikrocomputer aufgebaut, und die Steuereinheit 110 wird
von außen mit dem Ansteuersignal S1 versorgt. Die Steuereinheit 110 gibt ein
Ladesteuersignal S2 an den anderen Eingangsanschluss des UND-Gatters 53 und
gibt ein Schaltsteuersignal S11 für den Schalter SW4 aus.
Ferner gibt die Steuereinheit ein A/D-Startsignal S9 an den A/D-Wandler 51 und
liest die vom A/D-Wandler 51 A/D-gewandelten Daten S10
ein.
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In
einem Speicher 190 werden Daten zur Schaltsteuerung des
Ladeschalters SW1 (und des Entladeschalters SW2) gespeichert. Diese
Steuerdaten werden an eine Lade-/Entlade-Impulssteuerschaltung 120 gegeben
und logisch verarbeitet, wodurch das Ladeschaltsignal S3 (und das
Entladeschaltsignal S14) erzeugt und ausgegeben wird.
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Die
Steuereinheit 110 speichert die vom A/D-Wandler 51 gewandelten
Daten S10 in einem Zwischenspeicher für geladene elektrische
Ladung 170. In einem Referenzzwischenspeicher 180 wird
ein Zielwert des Integrationswerts geladener elektrischer Ladungen
im piezoelektrischen Aktor P eingestellt. Eine Korrekturmaschine
(Korrekturmittel) 150 bestimmt Korrektur-(Abstimm-)-daten
ADJ auf der Grundlage eines von einem Subtrahierer (Korrekturmittel,
Differenzerfassungsmittel) 160 erhaltenen Differenzwertes ΔVQ
zwischen diesen und gibt die Korrekturdaten an die Lade-/Entlade-Impulssteuerschaltung 120.
Die Lade-/Entlade-Impulssteuerschaltung 120 korrigiert
ein Aus-Timing für den Ladeschalter SW1, das sie auf der
Grundlage von Steuerdaten bestimmt, mit Hilfe der Korrekturdaten
ADJ und gibt das Schaltsignal 83 aus.
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Die
Lade-/Entlade-Impulssteuerschaltung 120 ist in der 2 näher
gezeigt. Die Lade-/Entlade-Impulssteuerschaltung 120 weist
einen Logikschaltungsabschnitt 121, eine Steuereinheit 122 und
einen flüchtigen Speicher (zum Beispiel ein DRM, ein SRAM und
dergleichen) 123 auf. Im Logikschaltungsabschnitt 121 wird
ein Zeitgeber 124 aktiviert, wenn das Ladesteuersignal
S2 aktiv ist, und führt der Zeitgeber 124 eine
Freilaufzählung auf der Grundlage eines Taktsignals aus,
das nicht gezeigt ist. Die resultierenden Zähldaten werden
an einen ersten und einen zweiten Komparator 125, 126 gegeben.
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Diese
Komparatoren 125, 126 vergleichen die obigen Zähldaten
mit Datenwerten, die in einem ersten Ein-Zeit-Zwischenspeicher 127 und
in einem ersten Aus-Zeit-Zwischenspeicher 128 eingestellt
sind. Wenn die Daten und die Datenwerte übereinstimmen,
geben die Komparatoren Übereinstimmungssignale als Triggertaktsignal
bzw. als Rücksetzsignal an ein D-Flip-Flop 129.
Das Übereinstimmungssignal des Komparators 126 wird
ebenso über ein ODER-Gatter 130 als Löschungssignal
an den Zeitgeber 124 gegeben, und das andere Eingangssignal
(negative Logik) des ODER-Gatters 130 wird mit dem Gesamtperiodenladesignal
S2 zugeführt. Der D-Eingangsanschluss des D-Flip-Flops 129 wird
herauf auf die Energieversorgungsspannung VDD gesetzt, und das Ladeschaltsignal
S3 wird vom Q-Ausgangsanschluss ausgegeben.
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Die
Steuereinheit 122 gibt Daten für einen zweiten
Ein-/Aus-Zwischenspeicher 123a, die im flüchtigen Speicher 123 bereitgestellt
werden, an die Zwischenspeicher 127, 128. Der
flüchtige Speicher 123 weist ferner einen Zwischenspeicher 123b zum
Zählen der Anzahl von Malen eines Schaltens (Schaltzählwert
SWCNT) durch den Ladeschalter SW1 auf.
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5 zeigt
einen Aufbau zur Erzeugung und zum Ausgeben des Gesamtperiodenladesignals
S2 auf der Grundlage des Ansteuersignals S1. Eine Signalerzeugungseinheit 131 ist
als Vergleichszeitgeber aufgebaut, der aus einem Zeitgeber und einem
Komparator (nicht gezeigt) gleich dem in der 2 gezeigten
Komparator aufgebaut ist. Der Zeitgeber wird auf null gesetzt, wenn
das Ansteuersignal S1 (IN) den L-(low)-Pegel aufweist, und startet
einen Zählbetrieb, wenn das Ansteuersignal auf den H-(high)-Pegel
gesetzt wird. Das Gesamtperiodenladesignal S2 (OUT) wird durch die
ansteigende Flanke dieses Signals ebenso aktiviert (auf den H-Pegel
gesetzt) und wechselt in einen inaktiven Zustand, wenn eine vorbestimmte
Zeit verstrichen ist und der Zeitgeberwert einen Vergleichswert
erreicht, der an den Komparator gegeben wird.
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Nachstehend
wird der Betrieb der obigen Konfiguration unter Bezugnahme auf die 7(a) beschrieben, die eine Wellenform
jedes Signals zeigt, wenn die Ansteuerschaltung 1 den piezoelektrischen
Aktor P lädt.
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Wenn
das Ansteuersignal S1 von außen zugeführt wird,
gibt die Steuereinheit 110 das Gesamtperiodenladesignal
S2 an das UND-Gatter 53. Während dieses Vorgangs
gibt die Steuereinheit 110 das Ladeschaltsignal S3 mehr
als einmal in Form eines Impulses an den Ladeschalter SW1.
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Die
vom Ladeschalter SW1 auf der Grundlage des Ladeschaltsignals S3
ausgeführte Schaltoperation ist leicht verzögert
(U). Folglich ist ebenso der durch den piezoelektrischen Aktor P
fließende Strom S6 verzögert und wird ein Differenziersignal
S5 zu einem Impulssignal, das sich synchron zu einer Änderung
in Richtung der Zunahme und Abnahme des Stroms S6 ändert.
Das Differenziersignal S5 wird vom eine Hysterese aufweisenden Komparator 52 verglichen.
Dies führt dazu, dass das Ladeschaltsignal S4 über
das UND-Gatter 53 an den Ladeintegrator 70 gegeben
wird. Im Ladeintegrator 70 werden die Schalter SW5 und
SW6 geschlossen und wird das Ausgangssignal der invertierenden Differenzverstärkerschaltung 60 einzig
während einer Periode integriert, in welcher das Ladeschaltsignal
S4 den H-Pegel aufweist. Das heißt, das Ausgangssignal
wird einzig während einer Zeitspanne integriert, in welcher
der Ladeschalter SW1 tatsächlich eingeschaltet ist.
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Dies
führt dazu, dass ein Integriersignal S8 oder das Ausgangssignal
des Ladeintegrators 70 durch ein Laden mit im Wesentlichen
der gleichen Wellenform wie der der im piezoelektrischen Aktor P
gespeicherten Energie S7 ansteigt. Die Steuereinheit 110 deaktiviert
(L-Pegel) das Gesamtperiodenladesignal S2 und gibt gleichzeitig
das A/D-Wandlungsstartsignal S9 an den A/D-Wandler 51.
Anschließend unterzieht der A/D-Wandler 51 das
aktuelle Integriersignal S8 einer A/D-Wandlung und gibt die aktuellen
Wandlungsergebnisdaten S10 aus. Die Steuereinheit 110 schreibt
und speichert diese Daten S10 im Zwischenspeicher 170 und gibt
anschließend das Integratorlöschsignal S11 aus,
um das Integrierergebnis S8 im Ladeintegrator 70 zu löschen.
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Die
Lade-/Entlade-Impulssteuerschaltung 120 erzeugt das Ladeschaltsignal
S3 und gibt es aus, unter Anwendung der in der 3 gezeigten
von der Steuereinheit 122 ausgeführten Verarbeitung. 4 zeigt
ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs des Logikschaltungsabschnitts 121 entsprechend
der in der 3 gezeigten Steuerung. Der Zwischenspeicher 123a des
flüchtigen Speichers 123 weist, wie in 2 gezeigt,
Ein-Zeit-Daten Ton0 bis Tonn und Aus-Zeit-Daten Toff0 bis Toffn
entsprechend der Anzahl 0 bis n von Malen eines Schaltens (SWCNT)
auf, die aus dem Speicher 190 übertragen werden.
Im Anfangszustand ist der Zwischenspeicher 123b auf null
gesetzt.
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Wenn
die Steuereinheit 122 die ansteigende Flanke des Gesamtperiodenladesignal
S2 erkennt (Schritt P1: JA), überprüft die Steuereinheit 122,
ob der Schaltzählwert SWCNT des Zwischenspeichers 123b auf
null gesetzt ist oder nicht (Schritt P2). Wenn der Zwischenspeicher 123b auf
null gesetzt ist (JA), liest die Steuereinheit 122 Ein-Zeit-Daten
Ton und Aus-Zeit-Daten Toff entsprechend dem vom Zwischenspeicher 123b zu
diesem Zeitpunkt angezeigten Wert (SWCNT) aus dem Zwischenspeicher 123a.
Anschließend speichert die Steuereinheit 122 diese
Datenteile jeweils in den Zwischenspeichern 127, 128 (Schritt
P3). Anschließend inkrementiert die Steuereinheit 122 den
Datenwert SWCNT des Zwischenspeichers 123b (Schritt P4).
Wenn der Wert "n + 1" noch nicht erreicht hat (Schritt P5: NEIN),
wiederholt die Steuereinheit 122 den Schritt P2.
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Bei
dem nächsten Mal und den folgenden Malen trifft die Steuereinheit 122 in
Schritt P2 eine negative Bestimmung „NEIN" und schreitet
zu Schritt P6 voran und wartet, bis das Übereinstimmungssignal
des Komparators 126 ausgegeben wird. Wenn das Übereinstimmungssignal
ausgegeben wird (JA), schreitet die Steuereinheit zu Schritt P3
voran.
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In
Verbindung mit der obigen Verarbeitung zeigt das Ladeschaltsignal
83 im Logikschaltungsabschnitt 121 im Anfangszustand den
L-Pegel an. Wenn der Zählwert T des Zeitgebers 124 mit
den Ein-Zeit-Daten Ton0 des Komparators 125 (4(c)) übereinstimmt, wird das
D-Flip-Flop 129 mit einem Triggertakt versorgt und wechselt
das Ladeschaltsignal S3 zum H-Pegel. Wenn der Zählwert
T des Zeitgebers 124 anschlie ßend mit den Aus-Zeit-Daten
Toff0 des Komparators 126 (4(d)) übereinstimmt,
wird das D-Flipflop 129 gelöscht und wechselt
das Ladeschaltsignal S3 zum L-Pegel. Anschließend werden
in Schritt P3 die nächsten Datenteile Ton1, Toff1, die
vom Zwischenspeicher 123b angezeigt werden (SWCNT), in
den Zwischenspeichern 127, 128 eingestellt. Wenn
die obige Verarbeitung wiederholt wird, wird das Ladeschaltsignal
S3 gemäß der 4(e) ausgegeben.
-
Die
Ladesteuerlogik 100 führt ebenso die in der 8 gezeigte
Verarbeitung aus. 8(a) zeigt ein Zustandsübergangsdiagramm
einer Hauptsequenz. Wenn die Sequenz von "Stand-by" oder einem Rücksetzzustand
zu "Initialisierungszustand" voranschreitet, wohin die Sequenz voranschreitet,
wenn eine Rücksetzung ausgelöst wird, werden eine
Initialisierung und eine Datenübertragung vom Speicher 190 zum
Zwischenspeicher 123a und ähnliche Operationen
ausgeführt. Wenn die Initialisierung abgeschlossen ist,
schreitet die Sequenz zu "normaler Betrieb" in der 8(b) voran
und wird eine Lade-/Entlade-Steuerung bezüglich des piezoelektrischen
Aktors P ausgeführt.
-
8(b) zeigt ein Zustandsübergangsdiagramm
einer Sequenz des normalen Betriebs (jedoch auf eine Ladesteuerung
beschränkt), auf den in der 8(a) Bezug
genommen wird. Bei "Ladeschaltung" wird die in der 3 gezeigte
Verarbeitung ausgeführt und das Ladeschaltsignal S3 ausgegeben.
Während dieses Vorgangs bleibt das A/D-Startsignal S9 inaktiv.
Wenn das Gesamtperiodenladesignal 82 zum L-Pegel wechselt und
der Ladeschaltbetrieb abgeschlossen ist und das A/D-Startsignal
S9 einen aktiven Zustand annimmt, schreitet die Sequenz zu "A/D-Wandlung
geladener elektrischer Ladungen" voran.
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Bei
"A/D-Wandlung geladener elektrischer Ladungen" wird das in der 8(c) gezeigte Ablaufdiagramm ausgeführt.
Wenn das Ausgangssignal S8 des Ladeintegrators 70 vom A/D-Wandler 51 A/D-gewandelt wird
(Schritt P11), wird das Ergebnis S10 dieser A/D-Wandlung im Ladezwischenspeicher 170 gespeichert (Schritt
P12). Wenn die A/D-Wandlung abgeschlossen ist, schreitet die Sequenz
zu "Korrektur der Aus-Zeit (Toff)" in der 8(b) voran.
-
Bei
"Aus-Zeit-Korrektur" wird das in der 8(d) gezeigte
Ablaufdiagramm ausgeführt. 7(b) zeigt ein
Zeitdiagramm entsprechend dieser Korrekturverarbeitung. Es werden
im Ladezwischenspeicher 170 und Referenzzwischenspeicher 180 gespeicherte
Datenwerte gelesen, und es wird mit Hilfe des Subtrahierers 160 eine
Differenz ΔVQ bestimmt (Schritt P13). Anschließend
werden zuzuführende Korrekturbeträge ADJ1 bis ADJn
bezüglich jedes der n-Male eines Schaltens in Übereinstimmung
mit der in der 7(c) gezeigten Korrekturtabelle
gemäß der Differenz ΔVQ bestimmt (Schritt
P14).
-
Die
in der 7(c) gezeigte Korrekturtabelle
ist im Speicher 190 gespeichert, wobei in der Tabelle beliebige
Werte gespeichert sind. Die Korrekturbeträge ADJ1 bis ADJn,
die bezüglich einer Differenz ΔVQ angezeigt werden,
können alle identisch oder alle verschieden voneinander
sein. Wenn die Differenz ΔVQ einen positiven Wert annimmt,
nehmen die Korrekturbeträge ADJ1 bis ADJn jedoch einen
negativen Wert an. Wenn die Differenz ΔVQ einen negativen
Wert annimmt, nehmen die Korrekturbeträge ADJ1 bis ADJn
einen positiven Wert an.
-
Die
Korrekturmaschine 150 liest Aus-Zeiten Toff1 bis Toffn,
die im Zwischenspeicher 123a der Impulserzeugungsschaltung 120 gespeichert
sind, aus und bestimmt anschließend Differenzen zwischen
diesen und den Korrekturbeträgen ADJ1 bis ADJn des Subtrahierers 160.
Anschließend aktualisiert die Korrekturmaschine sämtliche
Werte im Zwischenspeicher 123a (Schritt P15). Dies führt
dazu, dass das Aus-Timing des Ladeschaltsignals S3, wie durch die
gestrichelte Linie in der 7(b) gezeigt,
durch schrittweises Schalten (switching-by-switching) korrigiert
wird. Bei diesem Beispiel wird das Aus-Timing derart korrigiert,
dass es vorrückt. Der durch den piezoelektrischen Aktor
P fließende Strom S6 wird verringert und das Ladeschaltsignal S4
des Ladeintegrators 70 folglich korrigiert. Die Korrektur
wird derart ausgeführt, dass sich der Pegel des Integriersignals
S8 verringert und die Pegeldifferenz gleich ΔVQ wird.
-
Gemäß dieser
Ausführungsform erfasst und integriert die Lade-/Entlade-Steuerlogik 100 der
Ansteuerschaltung 1 einen Ladestrom auf der Seite der Reihenschaltung 20 mit
Hilfe des Ladeintegrators 70. Dieser Ladestrom wird von
der Batterie 12 in die Reihenschaltung 20 gespeist,
wenn der Ladeschalter SW1 eingeschaltet ist. Auf diese Weise schätzt
die Lade-/Entlade-Steuerlogik die Energie, die während
einer Periode, in welcher der Ladeschalter SW1 eingeschaltet ist,
im piezoelektrischen Aktor P geladen wird. In diesem Fall steuert
die Steuereinheit 110 ein Timing, mit welchem der Ladeintegrator 70 die
Integration ausführt. Diese Steuerung wird auf der Grundlage
eines Signals ausgeführt, das erhalten wird, indem ein
vom Strommesswiderstand R2 erfasstes Ladestromsignal im Differenzierer 90 differenziert
wird.
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Folglich
müssen der Ladestromerfassungsperiode keine Beschränkungen
auferlegt werden, so wie es bei dem in der
JP 2006-237335 A offenbarten
Verfahren erforderlich ist. Selbst bei einem System, das mehrere piezoelektrische
Aktoren P ansteuert, kann eine Erfassung einzeln ausgeführt
werden. Selbst dann, wenn der Ladeschalter SW1 aus einem Leistungs-MOSFET
aufgebaut ist und ein Ein- und Ausschalten des Leistungs-MOSFET
im Ansprechen auf ein Steuersignal verzögert ist, kann
das tatsächliche Ein-/Aus-Timing sicher erfasst werden.
Folglich kann die im piezoelektrischen Aktor P geladene Energie
genau ausgewertet bzw. geschätzt und der piezoelektrische
Aktor genau gesteuert werden.
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Die
Lade-/Entlade-Steuerlogik 100 speichert Steuerdaten im
Speicher 190, die bewirken, dass der Ladeschalter SW1 eine
Schaltoperation ausführt. Der Zeitgeber 124 erzeugt
das Schaltsignal S3 für den Ladeschalter SW1 auf der Grundlage
von aus dem Speicher 190 gelesenen Steuerdaten. In diesem
Fall vergleicht der Subtrahierer 160 einen Integrationswert
des Ladestroms vom Ladeintegrator 70 mit einem Referenzwert, um
die Differenz zwischen diesen zu erfassen. Die Korrekturmaschine 150 korrigiert
ein Timing des vom Zeitgeber 124 erzeugten Schaltsignals
S3 gemäß diesem Differenzwert. Auf diese Weise
kann eine Variation in der Beständigkeit bzw. Lebensdauer
analoger Schaltungskomponenten bestmöglich beseitigt und
ein erforderliches passives Element außerhalb des IC verbunden
werden.
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Die
Anschlussspannung des Widerstands R2, durch welchen der Ladestrom
des piezoelektrischen Aktors P fließt, wird von der invertierenden
Differenzverstärkerschaltung 60 einer Differenzverstärkung
unterzogen. Die Ausgangsspannung der invertierenden Differenzverstärkerschaltung 60 wird
mit Hilfe des Ladeintegrators 70 in einen Strom gewandelt
und integriert. Der Differenzierer 90 gibt ein Signal aus,
das erhalten wird, indem die Ausgangsspannung der invertierenden
Differenzverstärkerschaltung 60 differenziert
wird. Folglich wird das Timing, mit welchem der Ladeintegrator 70 die
Integration ausführt, um die geladene Energie zu schätzen,
gemäß dem Timing gesteuert, das auf einer Flanke
eines Differenziersignals basiert, in das ein Änderungszustand
des Ladestroms mit eingebunden ist. Dies führt dazu, dass
die im piezoelektrischen Aktor P geladene Energie genau geschätzt
werden kann.
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(Zweite Ausführungsform)
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Die 9 bis 13 zeigen
eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform sind gleiche
oder ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen
und werden diese Teile nachstehend nicht näher beschrieben.
In einer in der 9 gezeigten Ansteuerschaltung 1 ist
eine Schaltsteuerschaltung 50 mit einer Lade-/Entlade-Steuerlogik
(Ladesteuermittel, Entladesteuermittel) 100 aufgebaut.
Die Lade-/Entlade-Steuerschaltung 120 der ersten Ausführungsform
ist leicht modifiziert. Der Schaltungsabschnitt des Logikabschnitts 121,
welcher das Aus-Timing erzeugt, ist durch eine analoge Schaltung
ersetzt.
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Bei
einem in der 10 gezeigten Schaltungsabschnitt 121 wird
ein Triggertaktsignal von einer Ein-Zeit-Triggererzeugungsschaltung 123 an
den Takteingangsanschluss des D-Flip-Flops 129 gegeben.
Die Ein-Zeit-Triggererzeugungsschaltung 132 wird, wie in 11 gezeigt,
aufgebaut, indem der Komparator 126 und der Zwischenspeicher 128 aus
dem Logikabschnitt 121 der ersten Ausführungsform
(2) entfernt werden. Der Zwischenspeicher 127 ist
als erster Ein-Zeit-Zwischenspeicher vorgesehen. Ferner ist der
Zwischenspeicher 123a im flüchtigen Speicher 123 als
zweiter Ein-Zeit-Zwischenspeicher vorgesehen. Zum zweiten Ein-Zeit-Zwischenspeicher 123a werden
nur Ein-Zeiten Ton0 bis Tonn entsprechend jeder Anzahl von Malen eines
Schaltens (SWCNT) übertragen.
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Der
Schaltungsabschnitt 121 weist einen Integrator 133 und
einen Komparator 134 auf. Gleich dem Ladeintegrator 70 wird
der Integrator 133 mit dem Ausgangssignal der invertierenden
Verstärkerschaltung 60 und einer Offsetspannung
von der Offsetschaltung 80 versorgt und invertiert und
integriert ein Eingangssignal. Das Ausgangssignal des Integrators 133 wird
an den nichtinvertierenden Eingangsanschluss des Komparators 134 gegeben.
Das Ausgangssignal des Komparators 134 wird als Rücksetzsignal
für das D-Flipflop 129 zugeführt.
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In
der Lade-/Entlade-Steuerlogik 100 ist der Subtrahierer 160 durch
einen Teiler 200 ersetzt und wird das Ausgangssignal des
Timers 200 als Teiler an einen Teiler 135 gegeben.
Der Teiler 135 wird mit den Ausgangsdaten eines Schwellenwertregisters 136 als
Dividend versorgt, und die Teilungsergebnisdaten des Teilers 135 werden
an eine Widerstandskettenschaltung 137 gegeben. Die Ausgangsspannung
(durch Widerstand geteiltes Potential) der Widerstandskettenschaltung 137 wird
an den invertierenden Eingangsanschluss des Komparators 134 gegeben.
Ein Öffnen/Schließen eines Schalters 133S,
welcher den Integrator 133 bildet, wird durch ein Signal
gesteuert, das erhalten wird, indem das Ausgangssignal der Ein-Zeit-Triggererzeugungsschaltung 132 an
einem Invertierer 138 invertiert wird.
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Nachstehend
wird der Betrieb der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die 12 und 13 beschrieben. 12 zeigt
ein Ablaufdiagramm der Steuerung der Ein-Zeit-Steuereinheit 122 in
der Lade-/Entlade-Steuerschaltung 120. Die ein Einstellen
der Aus-Zeit Toff betreffende Verarbeitung ist aus der in der 3 gezeigten
Verarbeitung der ersten Ausführungsform entfernt. Bei der
in der 12 gezeigten Verarbeitung wird
einzig das Einstellen der Ein-Zeit Ton vorgenommen.
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Im
Schaltungsabschnitt 121 führt der Integrator 133 nur
dann einen Ladebetrieb aus, wenn ein Triggertaktsignal von der Ein-Zeit-Triggererzeugungsschaltung 132 zugeführt
wird und das Ladeschaltsignal S3 den H-Pegel aufweist. Während
dieser Periode verringert sich der Pegel des nichtinvertierenden
Eingangsanschlusses des Komparators 134 gemäß der 13(d). So wird beispielsweise ein Dividend
von "1" im Schwellenwertregister 136 eingestellt und dieser
Wert durch das Teilungsergebnis des Teilers 200 geteilt.
Das heißt, wenn das Verhältnis des vorherigen
Integrationswerts zum Referenzwert gleich ist, muss die Aus-Zeit
nicht korrigiert werden und wird ein Teilungsergebnis von "1" vom
Teiler 135 ausgegeben.
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In
der Widerstandskettenschaltung 137 ist eine Widerstandsschaltung
derart aufgebaut, dass sie ein geteiltes Potenzial entsprechend
dem obigen Teilungsergebnis ausgibt, wie durch die Spannung am Punkt
B (10) in der 13(e) gezeigt.
Wenn der Referenzwert beispielsweise geringer als der vorherige
Integrationswert ist, ist das Teilungsergebnis geringer als "1".
Folglich wird das Spannungsteilungsverhältnis verringert,
um die Aus-Zeit entsprechen nach vorne zu setzen. Anschließend
wird der Spannungspegel auf der Seite des invertierenden Eingangsanschlusses
des Komparators 134 verringert und gibt der Komparator 134 ein
Löschungssignal früher aus.
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Der
Integrator 133 integriert das Ausgangssignal der invertierenden
Verstärkerschaltung 60 während einer
Zeitspanne, in welcher das Ausgangssignal der Ein-Zeit-Triggererzeugungsschaltung 132 den
H-Pegel aufweist. Wenn das Ausgangssignal der Ein-Zeit-Triggererzeugungsschaltung 132 zum
L-Pegel wechselt, wird der Schalter 133S eingeschaltet
und das Ergebnis der Integration gelöscht. Der Ausgangspegel
wird auf die Offsetspannung Vref gebracht, wie durch die Spannung
am Punkt A (12) in der 13(e) gezeigt.
Wenn eine Situation, in welcher die Spannung am Punkt A über
der Spannung am Punkt B liegt, auftritt, während der Ausgangspegel
des Integrators 133 steigt, wechselt das Ladeschaltsignal
S3 zum L-Pegel. Dies führt dazu, dass das Ladeschaltsignal
S3 gemäß dem in der 13(f) gezeigten
Muster ausgegeben wird.
-
Gemäß der
zweiten Ausführungsform ist der Abschnitt des Schaltungsabschnitts 121 in
der Lade-/Entlade-Steuerschaltung 120, welcher das Aus-Timing
erzeugt, aus einer Analogschaltung aufgebaut. Folglich kann die
Aus-Zeit Toff leichter korrigiert werden.
-
Nachstehend
wird ein Unterschied zwischen den folgenden Fällen unter
Bezugnahme auf die 14A bis 14C beschrieben, sowie ein Fall, bei welchem
die Aus-Zeit Toff des Ladeschaltsignals S3, wie bei der ersten Ausführungsform,
digital verarbeitet wird; und ein Fall, bei welchem die Aus-Zeit,
wie bei der zweiten Ausführungsform, analog verarbeitet
wird. Wenn der durch den Strommesswiderstand R2 fließende
Strom, wie in 14(a) gezeigt, durch
Is beschrieben wird, wird die Anschlussspannung Vs des Widerstands
R2 durch die folgende Gleichung beschrieben: Vs = R2·Is (1)
-
Im
Allgemeinen werden die Widerstandswerte der Widerstände
R3 bis R6 in der invertierenden Differenzverstärkerschaltung 60 derart
bestimmt, dass die folgenden Verhältnisse gelten: R3 = R5, R4 = R6, R4 = k·R3, R6 = k·R5
(k ist ein vorbestimmter Koeffizient)
-
Wenn
der Widerstand R3 = Rdiff ist, können alle Widerstandswerte
entsprechend der 14(a) beschrieben
werden.
-
Die
Potenziale des nichtinvertierenden Eingangsanschlusses und des invertierenden
Eingangsanschlusses eines Verstärkers A1 werden durch Vp
bzw. Vn und die durch diese Anschlüsse zum Widerstand R2 fließenden
Ströme durch Ip bzw. In beschrieben. Ip
= Vref/{(1 + k)·Rdiff}
-
Folglich
wird das Potenzial Vp wie folgt beschrieben: Vp = Rdiff·Ip = Vref/(1 + k) (2)
-
Da
beide Eingangsanschlüsse des Verstärkers A1 als
virtuell kurzgeschlossen betrachtet werden können, gilt
die folgende Gleichung: In = (Vn – Vs)/Rdiff
= (Vp – Vs)/Rdiff
= {Vref/(1 + k) – Vs)}/Rdiff
=
Vref/{(1 + k)·Rdiff} – Vs/Rdiff (3)
-
Wenn
die Ausgangsspannung der invertierenden Differenzverstärkerschaltung 60 durch
Vdiff beschrieben wird, gilt die folgende Gleichung: Vdiff
= (1 + k)·Rdiff·In + Vs
-
Bei
einer Substitution der Gleichung (3) wird die folgende Gleichung
erhalten: Vdiff = (1 + k)·Rdiff·[Vref/{(1
+ k)·Rdiff} – Vs/Rdiff] + Vs
= Vref – k·Vs (4)
-
Nachstehend
wird der in der 14(b) gezeigte Schaltungsabschnitt 121A der
Lade-/Entlade-Steuerschaltung 120A näher betrachtet.
Es werden die folgenden Einstellungen getroffen: Der Widerstandswert
des den Integrator 133 bildenden Widerstands ist Rint;
die Kapazität des Kondensators ist Cint; die Ausgangsspannung
des Integrators 133 ist Vint; und der durch den invertierenden
Eingangsanschluss des Verstärkers zum Ausgangsanschluss
der invertierenden Differenzverstärkerschaltung 60 fließende
Strom ist lint. Folglich wird unter Verwendung der Gleichung (4)
die folgende Gleichung erhalten: Iint
= (Vref – Vdiff)/Rint
= Vref/Rint – (Vref – k·Vs)/R
int
= k·Vs/Rint (5)
-
Die
Ausgangsspannung Vint des Integrators
133 wird durch die
folgende Gleichung beschrieben:
-
Bei
Einsetzen der Gleichung (5) in die Gleichung (6) wird die folgende
Gleichung erhalten:
-
Das
heißt, die Gleichung (7) zeigt Folgendes: Der Integrationswert
der Spannung Vs, die erhalten wird, indem ein Strom Is, der durch
den in Reihe mit dem piezoelektrischen Aktor P geschalteten Widerstand
R2 fließt, gewandelt wird, wird um die Offsetspannung Vref
erhöht; und die Spannung Vint, die erhalten wird, indem
dieser Integrati onswert mit {k/(Rint·Cint)} multipliziert
wird, wird an den Komparator 134 des Schaltungsabschnitts 121A gegeben.
-
Bei
dem Aufbau der zweiten Ausführungsform wird das Ergebnis
der Integration des Ladestroms Is des piezoelektrischen Aktors P
folglich direkt als Schwellenwert zur Bestimmung der Aus-Zeit Toff
eingestellt. Aus diesem Grunde kann das Verhältnis des
Datenwerts des Ladezwischenspeichers 170 zum Datenwert
des Referenzzwischenspeichers 180 direkt verwendet werden,
um eine Proportionalregelung auszuführen.
-
Bei
der digitalen Steuerung der ersten Ausführungsform wird
dann, wenn angenommen wird, dass die Anschlussspannung Vs des Widerstands
R2 mit einem Gradienten a über einer Ladezeit t linear
erhöht wird, so wie es in der 14(c) gezeigt
ist, die folgende Gleichung erhalten: Vs
= a·t (8)
-
Geladene
elektrische Ladung Q wird anhand der eine zeitliche Integration
beschreibenden Gleichung (8) erhalten. Das heißt, die folgende
Gleichung gilt: Q = a·t2/2 (9)
-
Folglich
muss eine Ladezeit um 21/2 (Quadratwurzel
von 2) erhöht werden, um eine Ladezeit zu doppelten elektrischen
Ladungen Q entsprechend der im piezoelektrischen Aktor P geladenen
Energie zu steuern. Folglich muss eine exponentielle Berechnung
ausgeführt werden, was dazu führt, dass der Rechenaufwand zunimmt
bzw. komplexer wird. Folglich weist der Aufbau der zweiten Ausführungsform
dahingehend einen Vorteil auf, dass er besser als der der ersten
Ausführungsform steuerbar ist.
-
Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen
beschränkt, die unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben wurden, sondern kann auf verschiedene Weise
modifiziert werden. Es kann beispielsweise eine Abtast- und Halteschaltung
anstelle des A/D-Wandlers 51 verwendet werden, um das Ergebnis einer
Integration durch eine analoge Schaltung zu halten. Für
den Ladeschalter und den Entladeschalter kann ein Bipolartransistor
oder ein IGBT verwendet werden.
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Die
Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf eine Kraftstoffeinspritzung
in einem Verbrennungsmotor bei Fahrzeugen beschränkt, sondern
kann in einem breiten Bereich auf andere Vorrichtungen angewandt
werden, die einen piezoelektrischen Aktor einsetzen.
-
Vorstehend
wurde eine Ansteuerschaltung für piezoelektrische Aktoren
offenbart.
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In
einer Ansteuerschaltung 1 für piezoelektrische
Aktoren P wird ein Ladestrom von einer Batterie 12 in eine
Reihenschaltung 20 gespeist, wenn ein Ladeschalter SW1
auf Ein gesetzt ist. Eine Lade-/Entlade-Steuerlogik 120 der
Ansteuerschaltung 1 erfasst und integriert diesen Ladestrom
mit Hilfe eines Ladeintegrators 70. Die Steuerlogik 120 schätzt
hierdurch eine Energie, die während einer Zeitspanne, in
welcher der Ladeschalter SW1 auf Ein gesetzt ist, im piezoelektrischen
Aktor P geladen wird. Zu diesem Zeitpunkt steuert eine Steuereinheit 110 ein
Timing, mit welchem der Ladeintegrator 70 die Integration
ausführt, auf der Grundlage eines Signals, das erzeugt
wird, indem das Ladestromsignal mit Hilfe eines Differenzierers 90 differenziert wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2004-282988
A [0005, 0006]
- - JP 2006-237335 A [0007, 0008, 0009, 0010, 0067]
