DE102015216848A1 - Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Steuergerät-Programm und Steuergerät-Programmprodukt - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Steuergerät-Programm und Steuergerät-Programmprodukt Download PDF

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/067Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements (18), das mittels eines Ladeschalters (24) geladen und mittels eines Entladeschalters (26) entladen wird, bei dem der Ladeschalter (24) und/oder Entladeschalter (26) während des Ladevorgangs/Entladevorgangs getaktet betrieben wird, wobei der Ladeschalter/Entladeschalter (24, 26) in zeitlicher Folge einund ausgeschaltet wird, bei dem der Ladestrom (34) und Entladestrom (60) über ein induktives Bauelement (32) geführt und der Ladestrom/Entladestrom (34, 60) bei abgeschaltetem Ladeschalter/Entladeschalter (24, 26) während des Ladevorgangs/Entladevorgangs über einen Freilauf (28, 30) geführt wird und bei dem die am piezoelektrischen Element (18) anliegende Spannung (u) oder die auf dem piezoelektrischen Element (18) befindliche Ladung (c) während des Ladevorgangs/Entladevorgangs erfasst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Ermittlung der am piezoelektrischen Element (18) anliegenden Spannung (u) oder die Ermittlung der auf dem piezoelektrischen Element (18) befindlichen Ladung (c) während des Ladevorgangs/Entladevorgangs synchron mit dem Schaltsignal (S1, S2) des getakteten Betriebs vorgenommen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements, das vorzugsweise in einem Kraftstoff-Einspritzventil eingesetzt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerät-Programm, mit dessen Hilfe das piezoelektrische Element betrieben wird, sowie ein Steuergerät-Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens.
  • Stand der Technik
  • In der Patentschrift DE 600 18 549 T2 sind ein Kraftstoffeinspritzsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzsystems beschrieben, wobei das Kraftstoffeinspritzsystem ein piezoelektrisches Element enthält. Vorgesehen ist eine Diagnose, bei welcher der in das piezoelektrische Element fließende Ladestrom und der aus dem piezoelektrischen Element herausfließende Entladestrom jeweils direkt bewertet werden. Die Diagnose ermöglicht eine Aussage darüber, welche Spannung am piezoelektrischen Element anliegt, welche die Abmessungen des piezoelektrischen Elements bestimmt. Wenn das piezoelektrische Element die Positionierung eines Stellelements in einem Ventil, beispielsweise einem Kraftstoff- Einspritzventil festgelegt, kann anhand der Diagnose die Position des Stellelements im Ventil erkannt werden, die für eine exakte Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmenge wesentlich ist. Die beschriebene Diagnose ermöglicht insbesondere eine Detektion eines Kurzschlusses zu einer elektrischen Schaltungsmasse. Ein Kurzschluss zur elektrischen Schaltungsmasse kann je nach der Position des Kurzschlusses in der Schaltung dazu führen, dass das piezoelektrische Element nicht mehr aufgeladen und/oder nicht mehr definiert entladen werden kann.
  • Die Patentschrift DE 198 41 002 C1 beschreibt ein Verfahren zur Diagnose eines Kurzschlusses an einem piezoelektrischen Element. Vorgesehen ist eine Berechnung einer aus einem Pufferkondensator abfließende Ladungsmenge, die mit einem integral des während des Ladevorgangs fließenden Stroms verglichen wird. Wenn bei einem anschließenden Vergleich der Ladungsmengen Abweichungen festgestellt werden, wird von einem fehlerhaften Betriebszustand, wie beispielsweise einem Kurzschluss ausgegangen.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 198 14 594 A1 angegeben, bei dem anstelle eines kontinuierlichen Lade- bzw. Entladevorgangs ein getakteter Betrieb vorgesehen ist, bei welchem ein Pufferkondensator während des Ladevorgangs bzw. während des Entladevorgangs jeweils in schneller zeitlicher Folge mit dem piezoelektrischen Element verbunden wird. Als Energiezwischenspeicher ist ein induktives Bauelement vorgesehen. Der Stromfluss durch das induktive Bauelement wird während der Abschaltphasen des Ladevorgangs bzw. des Entladevorgangs jeweils über einen Freilaufkreis aufrechterhalten. Das beschriebene Verfahren ermöglicht ein Aufladen bzw. Entladen des piezoelektrischen Elements mit einer vorgegebenen Anzahl, vorgegebenen Größe und vorgegebenen zeitlichen Abständen von aufeinanderfolgenden Stufen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Ladevorgang bzw. der Entladevorgang bereits eine gewisse
  • Zeit vor dem Erreichen der gewünschten Spannung am piezoelektrischen Element beendet wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass das piezoelektrische Element weiter als gewünscht geladen oder entladen wird. Dieser Fall kann auftreten, da das piezoelektrische Element aufgrund des nicht sprungartig auf null zurückgehenden Lade- bzw. Entladestroms auch noch eine gewisse Zeit nach der Beendigung des Lade- bzw. Entladevorgangs weiter geladen bzw. entladen wird. Das beschriebene Verfahren ermöglicht daher das Einstellen der Spannung am piezoelektrischen Element mit hoher Genauigkeit.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements bereitzustellen, welche einen präzisen Ladevorgang bzw. Entladevorgang des piezoelektrischen Elements ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Verfahrensanspruch sowie im nebengeordneten Vorrichtungsanspruch angegebenen Merkmale jeweils gelöst.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements, das mittels eines Ladeschalters geladen und mittels eines Entladeschalters entladen wird, bei dem der Ladeschalter und/oder Entladeschalter während des Ladevorgangs/Entladevorgangs getaktet betrieben wird, wobei der Ladeschalter/Entladeschalter in zeitlicher Folge ein- und ausgeschaltet wird, bei dem der Ladestrom und Entladestrom über ein induktives Bauelement geführt und der Ladestrom/Entladestrom bei abgeschaltetem Ladeschalter/Entladeschalter während des Ladevorgangs/Entladevorgangs über einen Freilaufkreis geführt wird und bei dem die am piezoelektrischen Element anliegende Spannung oder die auf dem piezoelektrischen Element befindliche Ladung während des Ladevorgangs/Entladevorgangs erfasst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Ermittlung der am piezoelektrischen Element anliegenden Spannung oder die Ermittlung der auf dem piezoelektrischen Element befindlichen Ladung während des Ladevorgangs/Entladevorgangs synchron mit dem Schaltsignal des getakteten Betriebs vorgenommen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Spannung am piezoelektrischen Element bzw. die auf dem piezoelektrischen Element befindliche Ladung immer zur gleichen Phasenlage des Ladestroms bzw. des Entladestroms zu messen, sodass die Beeinflussungen durch den Ladestrom bzw. den Entladestrom bei der Ermittlung der Spannung bzw. der Ladung eliminiert sind. Eine gegebenenfalls vorgesehene überlagerte Regelung des Ladestroms bzw. des Entladestroms in Abhängigkeit von der Spannung zu bestimmten Zeitpunkten kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren präziser in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert durchgeführt werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind jeweils Gegenstände von abhängigen Verfahrensansprüchen.
  • Eine Ausgestaltung, die im Rahmen einer Stromregelung vorgesehen werden kann, sieht vor, dass ein Ladestrom-Schwellenwert und/oder ein Entladestrom- Schwellenwert vorgegeben werden und dass die Spannung am piezoelektrischen Element und/oder die Ladung auf dem piezoelektrischen Element zu den Zeitpunkten ermittelt werden, zu welchem der Ladestrom/Entladestrom den Strom- Schwellenwert erreicht. Die Schwellenwerte können verschieden festgelegt sein und beispielsweise in einem Bereich von 2-15 Ampère liegen. Auch bei dieser Ausgestaltung wird die am piezoelektrischen Element anliegende Spannung bzw. die auf dem piezoelektrischen Element befindliche Ladung während des Ladevorgangs/Entladevorgangs synchron mit dem Schaltsignal des getakteten Betriebs dadurch erfasst, dass der Ladestrom-Schwellenwert bzw. Entladestrom- Schwellenwert während jeder Periodendauer des Taktsignals des getakteten Betriebs überschritten wird. Wesentlich ist auch hier, dass die Ermittlung der Spannung beziehungsweise der Ladung taktsynchron zum Schaltsignal erfolgt. Im Falle der Stromregelung wird das Erreichen der Schwellenwerte verwendet, während im Falle bei nicht vorgesehener Stromregelung direkt das im allgemeinen impulsbreitenmodulierte Schaltsignals herangezogen wird.
  • Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass das Schaltsignal des getakteten Betriebs in Abhängigkeit von der ermittelten Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt und/oder in Abhängigkeit von der ermittelten Ladung zu einem bestimmten Zeitpunkt festgelegt wird. Mit dieser Ausgestaltung kann eine Regelung der Spannung/Ladung nach dem Ladevorgang bzw. der Entladezeit erfolgen, wobei der Sollwert einer bestimmten Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. einer bestimmten Ladung zu einem bestimmten Zeitpunkt entspricht, der mit den ermittelten Istwertpaaren in einem Regler verglichen wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht ein speziell ausgestaltetes Steuergerät vor, welches in der Lage ist, die einzelnen Verfahrensschritte durchzuführen und die erforderlichen Aktionen zu veranlassen.
  • Das erfindungsgemäße Steuergerät-Programm sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn es in einem Steuergerät abläuft.
  • Das erfindungsgemäße Steuergerät-Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode führt das erfindungsgemäße Verfahren aus, wenn das Programm in einem Steuergerät ausgeführt wird.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Zeichnung
  • 1 zeigt eine Piezo-Endstufe während eines Ladevorgangs eines piezoelektrischen Elements bei eingeschaltetem Ladeschalter,
  • 2 zeigt die Piezo-Endstufe während des Ladevorgangs bei geöffnetem Ladeschalter,
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuergeräts, mittels welchem das Verfahren durchgeführt wird,
  • 4 zeigt die Piezo-Endstufe während eines Entladevorgangs des piezoelektrischen Elements bei eingeschaltetem Entladeschalter,
  • 5 zeigt die Piezo-Endstufe während des Entladevorgangs bei geöffnetem Entladeschalter,
  • 6 zeigt ein Schaltsignal, das den Ladeschalter ansteuert,
  • 7 zeigt ein Schaltsignal, das den Entladeschalter ansteuert,
  • 8 zeigt einen zeitlichen Stromverlauf am piezoelektrischen Element,
  • 9 zeigt einen zeitlichen Spannungsverlauf am piezoelektrischen Element,
  • 10 zeigt einen zeitlichen Ladungsverlauf am piezoelektrischen Element,
  • 11 zeigt den zeitlichen Stromverlauf am piezoelektrischen Element während des Entladevorgangs mit einem eingetragenen Strom-Schwellenwert,
  • 12 zeigt das Schaltsignal, das den Entladeschalter ansteuert,
  • 13 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf am piezoelektrischen Element während des Entladevorgangs mit hervorgehobenen Spannungs-Messpunkten und
  • 14 zeigt den zeitlichen Ladungsverlauf am piezoelektrischen Element während des Entladevorgangs mit hervorgehobenen Ladungs-Messpunkten.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 zeigt eine Piezo-Endstufe 10 während des Ladevorgangs. Die von einer Spannungsquelle 12 bereitgestellte Spannung wird mittels eines DC/DC-Wandlers 14 auf eine Versorgungsspannung 16 gebracht, die zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements 18 ausreichend hoch bemessen ist. Zur Pufferung der Versorgungsspannung 16 ist ein Pufferkondensator 20 vorgesehen.
  • Das piezoelektrische Element 18 ist beispielsweise in einem Ventil, insbesondere einem Kraftstoff-Einspritzventil vorgesehen und dient zum Betätigen eines Ventilelements. Das piezoelektrische Element 18 dehnt sich aus bzw. zieht sich in Abhängigkeit von der am piezoelektrischen Element 18 anliegenden Spannung u zusammen.
  • Vorgesehen ist beispielsweise eine Zweiquadranten-Endstufe, die an Ihrem Ausgang 22 eine unipolare Spannung und einen bipolaren Strom bereitstellen kann. Die Piezo-Endstufe 10 enthält einen ersten Schalter 24, der im Folgenden als Ladeschalter 24 bezeichnet wird. Die Piezo-Endstufe 10 enthält weiterhin einen zweiten Schalter 26, der im Folgenden als Entladeschalter 26 bezeichnet wird. Der Ladeschalter 24 wird von einem ersten Schaltsignal S1 und der Entladeschalter 26 von einem zweiten Schaltsignal S2 angesteuert. Dem Ladeschalter 24 ist ein erster Freilauf 28 zugeordnet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel als Freilaufdiode realisiert ist. Vorgesehen kann gleichermaßen ein aktiv geschalteter Freilauf sein. Dem Entladeschalter 26 ist ein zweiter Freilauf 30 zugeordnet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Freilaufdiode realisiert ist. Auch der zweite Freilauf 30 kann alternativ ein aktiv geschalteter Freilauf sein.
  • Da das piezoelektrische Element 18 eine kapazitive Last bildet, wird üblicherweise mindestens ein induktives Bauelement 32 in Serie zum piezoelektrischen Element 18 geschaltet.
  • Während des Ladevorgangs wird der Ladeschalter 24 in schneller zeitlicher Folge mittels des ersten Schaltsignals S1 ein- und ausgeschaltet. In 1 sind die Verhältnisse bei eingeschaltetem Ladeschalter 24 dargestellt. Der Ladestrom 34 fließt über den Ladeschalter 24, das induktive Bauelement 32, das piezoelektrische Element 18 zurück zum Pufferkondensator 20. In 2 sind die Verhältnisse bei abgeschaltetem Ladeschalter 24 dargestellt.
  • Die in 2 gezeigten Teile, die mit den in 1 gezeigten Teilen übereinstimmen, sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Diese Vereinbarung gilt auch für die folgenden Figuren.
  • Bei abgeschaltetem Ladeschalter 24 fließt der Ladestrom 34 weiterhin über das induktive Bauelement 32, das piezoelektrische Element 18 und über den zweiten Freilauf 30.
  • Das erste Schaltsignal S1 wird im Rahmen eines getakteten Betriebs vorgegeben, sodass das erste Schaltsignal S1 einem Taktsignal des getakteten Betriebs entspricht. Das Taktsignal bzw. das erste Schaltsignal S1 kann entweder im gesteuerten Betrieb oder im Rahmen einer Stromregelung festgelegt werden. Zur Erfassung des Stroms i ist ein Stromsensor 36 vorgesehen, der beispielsweise als ein niederohmiger Shuntwiderstand oder als ein induktiver Stromsensor realisiert sein kann.
  • Ein Steuergerät 40, welches das erste Schaltsignal S1 und auch das später beschriebene zweite Schaltsignal S2 bereitstellt, ist in 3 dargestellt. Das Steuergerät 40 enthält einen Stromregler 42, der wenigstens einen Sollwert 44, welcher von einem Sollwertgeber 46 bereitgestellt wird, in einem Vergleicher 48 mit einem Istwert 50 vergleicht, der von einem Istwertgeber 52 bereitgestellt wird. Rein prinzipiell sind unterschiedliche Schwellenwerte für den Ladestrom und den Entladestrom vorgebbar, die exemplarisch in einem Bereich von 2–15 Ampère liegen können. Das resultierende Differenzsignal 54 ist eine Stellgröße, welche eine Regeleinheit 56 des Stromreglers 42 zur Festlegung der Impulsdauer und/oder der Impulspause des Schaltsignals S1, S2 heranzieht und somit das Taktsignal des getakteten Betriebs festlegt.
  • 4 zeigt die Piezo-Endstufe 10 während des Entladevorgangs des piezoelektrischen Elements 18 bei eingeschaltetem Entladeschalter 26 und 5 zeigt die Piezo-Endstufe 10 während des Entladevorgangs bei ausgeschaltetem Entladeschalter 26. Während des Entladens wird der Entladeschalter 26 im Rahmen des getakteten Betriebs mit dem zweiten Schaltsignal S2 angesteuert.
  • Gemäß 4 fließt bei geschlossenem Entladeschalter 26 der Entladestrom 60 vom piezoelektrischen Element 18 über das induktive Bauelement 32 und über den Entladeschalter 26 zurück zum piezoelektrischen Element 18. 4 zeigt die Verhältnisse bei abgeschaltetem Entladeschalter 26. In diesem Fall fließt der Entladestrom 60 anstelle über den Entladeschalter 26 über den ersten Freilauf 28 zurück zum Pufferkondensator 20.
  • 6 zeigt das erste Schaltsignal erste Ansteuersignal S1 und 7 zeigt das zweite Schaltsignal S2 jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t.
  • 8 zeigt den resultierenden Strom i, der durch das piezoelektrische Element 18 fließt. Zunächst findet der mit dem ersten Schaltsignal S1 vorgegebene Ladevorgang statt, bei dem der Ladestrom 34 fließt. Anschließend folgt der vom zweiten Schaltsignal S2 vorgegebene Entladevorgang, bei welchem der Entladestrom 60 fließt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass Spitzenströme bis beispielsweise +15 und –15 Ampère auftreten. Weiterhin wird exemplarisch davon ausgegangen, dass der Ladevorgang beispielsweise 100 µs und der Entladevorgang ungefähr 150 µs dauern soll.
  • In 9 ist der aus dem Strom i resultierende zeitliche Spannungsverlauf am piezoelektrischen Element 18 dargestellt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Spannung auf einen Spitzenwert von ungefähr 150 V ansteigt, deren zeitlicher Verlauf in 10 dargestellt ist. Die Ladung c auf dem piezoelektrischen Element 18 kann weiterhin mittels einer Integration des Ladestroms 34 bzw. des Entladestroms 60 ermittelt werden.
  • In der Regel soll eine vorgegebene Spannung u bzw. eine vorgegebene Ladung c zu vorgegebenen Zeitpunkten auf das piezoelektrische Element 18 aufgebracht bzw. wieder abgebaut werden. Da die Komponenten der Piezo-Endstufe 10 und das piezoelektrische Element 18 Toleranzen aufweisen, ist es in diesem Fall erforderlich, die Spannung u am piezoelektrischen Element 18 bzw. die Ladung c und zusätzlich die Ladezeit/Entladezeitpunkte bzw. die Entladezeit/Entladezeitpunkte zu erfassen und dem Stromregler 42 als Istwert 50 zur Verfügung zu stellen.
  • Die Vorgehensweise wird im Folgenden anhand eines Entladevorgangs näher beschrieben. Der zeitliche Verlauf des Stroms i während des Entladevorgangs ist in 11 dargestellt. Das zweite Schaltsignal S2, welches den Entladeschalter 26 ansteuert, ist in 12 gezeigt. Der Entladestrom 60 ist nicht linear, sondern tritt gestuft auf. Weiterhin weist der Stromverlauf eine Schwingung auf, die im Wesentlichen durch den Spannungsabfall an einem nicht näher gezeigten Kabelbaum sowie einem Schwingkreis besteht, dessen kapazitive Komponente die aktuell vorliegende spannungsabhängige Kapazität des piezoelektrischen Elements 18 und dessen induktive Komponente die Induktivität des Kabelbaums ist.
  • Eine Messung der Spannung u bzw. eine Bestimmung der Ladung c während des Ladevorgangs/Entladevorgangs wird durch den getaktet vorliegenden Strom i gestört. Würde die Spannung u zu einem festen Zeitpunkt erfasst, so würde sich bei einer linearen Variation des Entladestroms 60 kein linearer Verlauf der gemessenen Spannung u ergeben. Gleiches gilt auch für eine Zeitmessung, wobei die Entladezeit vom Beginn des Entladevorgangs bis vorzugsweise zum Unterschreiten einer vorgegebenen unteren Spannungsschwelle gemessen wird. Bei einer linearen Variation des Entladestroms 60 würde sich kein linearer Verlauf der ermittelten Zeitpunkte ergeben.
  • Erfindungsgemäß ist eine taktsynchrone Erfassung der Spannung u bzw. der Ladung c während des Ladens bzw. Entladens des piezoelektrischen Elements 18 vorgesehen. Somit ist es möglich, die Spannung u am piezoelektrischen Element 18 bzw. die auf dem piezoelektrischen Element 18 befindliche Ladung c immer zur gleichen Phasenlage des Stroms i zu messen, wodurch die Störung durch den Strom i eliminiert wird. Die Spannung u bzw. die Ladung c kann beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der Abschaltphase oder der Einschaltphase des Schaltsignals S1, S2 erfasst werden.
  • Die taktsynchrone Spannung 78 wird dem Stromregler 42 ebenso wie ein Zeitsignal 80 zur Verfügung gestellt. Das Zeitsignal 80 wird von einer zweiten Torschaltung 82 bereitgestellt, welche jeweils einen konkreten Zeitpunkt ausgibt, wenn das Triggersignal 74 auftritt. Die Zeitpunkte werden ausgehend vom Start des Ladevorgangs/Entladevorgangs gerechnet. Die taktsynchrone Spannung 78 und das Zeitsignal 80 bilden Wertepaare, welche mit ihrem Auftreten im Istwertgeber 52 hinterlegt und als Istwert 50 dem Vergleicher 48 des Stromreglers 42 zur Verfügung gestellt werden. Der Vergleicher 48 vergleicht den Istwert 50 mit dem wenigstens einen Sollwert 44, der im Sollwertgeber 46 hinterlegt ist, wobei der wenigstens eine Sollwert 44 ebenfalls vorgegebenen Wertepaaren der Spannung u und bestimmten Zeitpunkten entspricht.
  • Dies gilt für den Fall der Ausgestaltung als Zeitsteuerung mit dem impulsbreitenmodulierten Schalsignal. In dem Fall mit Stromregelung ist eine zusätzlich Regelschleife erforderlich. Der untere Regelkreis wäre dann der Stromregler, welcher den Strom-Istwert mit dem Strom-Schwellenwert vergleicht, wobei der Lade/Entladeschalter entsprechend geöffnet oder geschlossen wird und somit das Signal S1, S2 bereitstellt. Darüber ist dann eine zweite Regelschleife überlagert. Hier ist ein Soll-Spannungsverlauf/Ladungsverlauf über der Zeit hinterlegt. Der Ist- Verlauf ergibt sich aus den Wertepaaren von gemessener Spannung/Ladung und den Zeitpunkten. Dieser Regler greift dann auf die Strom-Sollwerte der Stromregelung ein. Hierbei können die Strom-Sollwerte während eines laufenden Lade/Entladevorgangs beeinflusst werden oder aber unbeeinflusst bleiben und erst für die nächste Ansteuerung verändert werden.
  • Zum Betreiben des Stromreglers 42 ist weiterhin ein erstes Startsignal 83, welches den Ladevorgang auslöst, und ein zweites Startsignal 84 vorgesehen, welches den Entladevorgang des piezoelektrischen Elements 18 auslöst.
  • 13 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf am piezoelektrischen Element 18 während des Entladevorgangs, wobei zu denjenigen Zeitpunkten, zu denen der Strom-Schwellenwert 70 durchschritten wird, die Spannung u am piezoelektrischen Element 18 gemessen wird. Die diskreten Spannungswerte sind durch eingetragene Spannungs-Messpunkte hervorgehoben.
  • 14 zeigt den zeitlichen Ladungsverlauf auf dem piezoelektrischen Element 18 während des Entladevorgangs, wobei zu denjenigen Zeitpunkten, zu denen der Strom-Schwellenwert durchschritten wird, die Ladung c auf dem piezoelektrischen Element 18 ermittelt wird. Die diskreten Ladungswerte sind durch eingetragene Ladungs-Messpunkte hervorgehoben.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Entladevorgang dann beendet wird, wenn die Spannung u am piezoelektrischen Element 18 oder die Ladung c auf dem piezoelektrischen Element 18 einen Entlade-Schwellenwert 86 unterschreitet. Die Spannung u bzw. die Ladung c wird in einem zweiten Vergleicher 88 mit dem Entlade-Schwellenwert 86 verglichen. Wenn der Entlade-Schwellenwert 86 erreicht wird, stellt der zweite Vergleicher 88 ein Abschaltsignal 90 bereit, das dem Stromregler 42 zur Verfügung gestellt wird, welches den Stromregler 42 veranlasst, den Entladevorgang zu beenden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 60018549 T2 [0003]
    • DE 19841002 C1 [0004]
    • DE 19814594 A1 [0005]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements (18), das mittels eines Ladeschalters (24) geladen und mittels eines Entladeschalters (26) entladen wird, bei dem der Ladeschalter (24) und/oder Entladeschalter (26) während des Ladevorgangs/Entladevorgangs getaktet betrieben wird, wobei der Ladeschalter/Entladeschalter (24, 26) in zeitlicher Folge ein- und ausgeschaltet wird, bei dem der Ladestrom (34) und Entladestrom (60) über ein induktives Bauelement (32) geführt und der Ladestrom/Entladestrom (34, 60) bei abgeschaltetem Ladeschalter/Entladeschalter (24, 26) während des Ladevorgangs/Entladevorgangs über einen Freilauf (28, 30) geführt wird und bei dem die am piezoelektrischen Element (18) anliegende Spannung (u) oder die auf dem piezoelektrischen Element (18) befindliche Ladung (c) während des Ladevorgangs/Entladevorgangs erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der am piezoelektrischen Element (18) anliegenden Spannung (u) oder die Ermittlung der auf dem piezoelektrischen Element (18) befindlichen Ladung (c) während des Ladevorgangs/Entladevorgangs synchron mit dem Schaltsignal (S1, S2) des getakteten Betriebs vorgenommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ladestrom- Schwellenwert und/oder ein Entladestrom-Schwellenwert (70) vorgegeben werden und dass die Spannung (u) am piezoelektrischen Element (18) und/oder die Ladung (c) auf dem piezoelektrischen Element (18) zu den Zeitpunkten ermittelt werden, zu welchem der Ladestrom/Entladestrom (34, 60) den Strom-Schwellenwert (70) erreicht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom- Schwellenwert/Entladestrom-Schwellenwert (70) auf einen Wert zwischen 2 Ampère–15 Ampère festgelegt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal (S1, S2) des getakteten Betriebs in Abhängigkeit von der ermittelten Spannung (u) zu einem bestimmten Zeitpunkt und/oder in Abhängigkeit von der ermittelten Ladung (c) zu einem bestimmten Zeitpunkt festgelegt werden.
  5. Vorrichtung zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements (18), dadurch gekennzeichnet, dass ein speziell ausgestaltetes Steuergerät (40) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist.
  6. Steuergerät-Programm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt, wenn es in einem Steuergerät (40) abläuft.
  7. Steuergerät-Programmprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wenn das Programm in einem Steuergerät (40) ausgeführt wird.
DE102015216848.4A 2015-09-03 2015-09-03 Verfahren zum Betreiben eines piezoelektrischen Elements, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, Steuergerät-Programm und Steuergerät-Programmprodukt Pending DE102015216848A1 (de)

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