DE102016201435A1

DE102016201435A1 - Verfahren zum Laden und Entladen eines Piezo-Aktors

Info

Publication number: DE102016201435A1
Application number: DE102016201435.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Götzenberger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-02-02
Also published as: CN107026584B; DE102016201435B4; CN107026584A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Piezo-Aktors, bei dem die am Piezo-Aktor anliegende Piezo-Spannung (UPiezo) gemessen wird, die gemessene Piezo-Spannung (UPiezo) mit zwei einstellbaren Lade-(Usk, Uk) bzw. Entlade-Grenzwerten (Usg, Ug) verglichen wird, bei einem Wert der Piezo-Spannung (UPiezo), der kleiner oder gleich einem ersten Lade-Grenzwert (Usk) ist, ein Ladepuls mit einstellbarer erster Amplitude und erster Dauer (t_glp) und bei einem Wert der Piezo-Spannung (UPiezo), der größer als der erste Lade-Grenzwert (Usk) und kleiner als ein zweiter größerer Lade-Grenzwert (Uk) ist, ein Ladepuls mit einstellbarer zweiter Amplitude und zweiter Dauer (t_klp) an den Piezo-Aktor angelegt wird, wobei die zweite Ladepulsamplitude und/ oder die zweite Ladepulsdauer (t_klp) kleiner als die erste Ladepulsamplitude bzw. kürzer als die erste Ladepulsdauer (t_glp) sind, bzw. bei einem Wert der Piezo-Spannung (UPiezo), der größer oder gleich einem ersten Entlade-Grenzwert (Usg) ist, ein Entladepuls mit einstellbarer erster Amplitude und erster Dauer (t_gelp) und bei einem Wert der Piezo-Spannung, der kleiner als der erste Entlade-Grenzwert (Usg) und größer als ein zweiter Entlade-Grenzwert (Ug) ist, ein Entladepuls mit einstellbarer zweiter Amplitude und zweiter Dauer (t_kelp) an den Piezo-Aktor angelegt wird, wobei die zweite Entladepulsamplitude und/ oder die zweite Entladepulsdauer (t_kelp) kleiner als die erste Entladepulsamplitude bzw. kürzer als die erste Entladepulsdauer (t_gelp) sind.

Description

Piezo-Aktoren werden unter Anderem in Ventilen wie Kraftstoffeinspritzventilen eingesetzt, da sie sehr schnell ansprechen und eine große Kraft ausüben können. Sie finden aber auch Anwendung in Druckminderern im Rahmen einer Druckregelung für gasbetriebene Kraftfahrzeuge, wie dies in der DE 10 2005 019 404 A1 beschrieben ist.
Bei der Anwendung in einem Piezo-geregelten CNG-Druckminderer (compressed natural gas) müssen Spannungen an Piezo-Aktoren in weiten Spannungsbereichen genau und mit gleichbleibendem Zeitverhalten eingestellt werden können. Da sich der Piezo-Aktor in erster Näherung wie ein Kondensator verhält, führen bei kleinen Spannungen am Piezo-Aktor schon kleine auf den Piezo-Aktor übertragene Energiemengen zu einer großen Spannungsänderung, während bei hohen Spannungen am Piezo-Aktor große auf den Piezo-Aktor zu übertragende Energiemengen benötigt werden, um eine nennenswerte Spannungsänderung am Piezo-Aktor hervorzurufen. Erschwerend kommt hinzu, dass das Eigenverhalten geschalteter Leistungsendstufen tendenziell gegensinnig ist.
Werden die Energiepakete klein genug für niedrige Piezo-Spannungen gewählt, so dauert der Ladevorgang bei höheren Spannungen ungeeignet lange oder die Energiepakete reichen nicht einmal mehr, um die EMV-Maßnahmen zu überwinden und der Ladestrom verebbt ab einer gewissen Spannung. Wählt man die Energiepakete groß genug für hohe Spannungen, so sind sie für eine ausreichende Auflösung bei kleiner Spannung zu groß.
Die Größe der Energiepakete kann zwar mit einer analogen Elektronik an die Spannung des Piezo-Aktors angepasst werden, so dass sich spannungsunabhängig ein annähernd konstanter Ladestrom einstellt. Allerdings erfordert dies einen nicht unerheblichen Bauteileaufwand. Gleiches kann auch erreicht werden, wenn ein Mikrocontroller jeden einzelnen Puls berechnet. Da in der Regel relativ hohe Schaltfrequenzen zur Ladung und Entladung der Piezo-Aktoren für die Druck- oder Kraftstoffmengenregelung verwendet werden, bedeutet dies für den Mikrocontroller jedoch eine erhebliche Last.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine möglichst genaue Druckregelung bei Verwendung eines Piezo-Aktors ohne großen Aufwand zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Laden und Entladen eines Piezo-Aktors gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach wird bei einem Verfahren zum Laden und Entladen eines Piezo-Aktors zunächst die am Piezo-Aktor anliegende Piezo-Spannung gemessen und anschließend die gemessene Piezo-Spannung mit zwei einstellbaren Lade- bzw. Entlade-Grenzwerten verglichen. Zum Laden des Piezo-Aktors wird bei einem Wert der Piezo-Spannung, der kleiner oder gleich einem ersten Lade-Grenzwert ist, ein Ladepuls mit einstellbarer erster Amplitude und erster Dauer und bei einem Wert der Piezospannung, der größer als der erste Lade-Grenzwert und kleiner als ein zweiter größerer Lade-Grenzwert ist, ein Ladepuls mit einstellbarer zweiter Amplitude und zweiter Dauer an den Piezo-Aktor angelegt, wobei die zweite Ladepulsamplitude und/ oder die zweite Ladepulsdauer kleiner als die erste Ladepulsamplitude bzw. kürzer als die erste Ladepulsdauer sind.
Zum Entladen wird bei einem Wert der Piezo-Spannung, der größer oder gleich einem ersten Entlade-Grenzwert ist, ein Entladepuls mit einstellbarer erster Amplitude und erster Dauer und bei einem Wert der Piezospannung, der kleiner als der erste Entlade-Grenzwert und größer als ein zweiter kleinerer Entlade-Grenzwert ist, ein Entladepuls mit einstellbarer zweiter Amplitude und zweiter Dauer an den Piezo-Aktor angelegt, wobei die zweite Entladepulsamplitude und/ oder die zweite Entladepulsdauer kleiner als die erste Entladepulsamplitude bzw. kürzer als die erste Entladepulsdauer sind.
Da in einer solchen schaltfrequent ablaufenden Routine sehr wenig Rechenaufwand steckt, kann ein sehr leistungsschwacher und damit preiswerter Mikrocontroller verwendet werden. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitender Regler bietet darüber hinaus den Vorteil, dass bis nahe an die Zielspannung noch mit relativ großen Pulsen gearbeitet werden kann und zum spätest möglichen Zeitpunkt auf die zur Erreichung der Zielspannungsauflösung notwendigen kleineren Pulsgröße umgeschaltet werden kann, ohne dass hierfür ein erheblicher Rechenaufwand notwendig wäre.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nach vorgegebenen zeitlichen Abständen die Lade- und Entlade-Grenzwerte und /oder die Lade- und Entladepulsamplituden und/oder die Lade- und Entladepulsdauern als Funktionen der gemessenen Piezo-Spannung und der Zielspannung bestimmt.
In einer weiteren Weiterbildung werden die Lade- und Entlade-Grenzwerte und /oder die Lade- und Entladepulsamplituden und/oder die Lade- und Entladepulsdauern als Funktionen weiterer Parameter bestimmt, wobei ein weiterer Parameter die Temperatur sein kann.
Durch die Bestimmung der Pulsgrößen und Grenzen und damit der einem Piezo-Aktor zugeführten Energiemenge kann der Leistungsbedarf optimal an die Spannungssituation angepasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders vorteilhafter Weise zum Laden und Entladen eines Piezo-Aktors zur Betätigung eines Ventils eines Druckminderers dienen.
Die Figuren zeigen in übersichtlicher Weise die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Weiterbildungen. Dabei zeigt
1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Laden eines Piezo-Aktors
2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Entladen eines Piezo-Aktors
3 ein Verfahren zum Berechnen von Lade- und Entladepulsen aus der gemessenen Piezospannung und ggf. weiterer Parameter.
In der 1 bedeutet dabei ein kleiner bzw. ein großer Ladepuls, dass eine kleine oder eine große Energiemenge aus einer Energiequelle, die beispielsweise über einen DC-DC-Wandler mit einer Ansteuerschaltung für zu versorgende Piezo-Aktoren verbunden ist, an die Piezo-Aktoren übertragen wird. Die Energiemenge kann dabei über die Ladepulsamplitude und/oder die Ladepulsdauer t_glp, t_klp eingestellt werden.
In der 2 ist dieses Verfahren für die Entladung eines Piezoaktors dargestellt. Die Energiemenge kann hier über die Entladepulsamplitude und/oder die Entladepulsdauer t_kelp, t_gelp eingestellt werden. Die Entladeenergiemenge kann
In der 3 ist schematisch dargestellt, dass der erste Ladegrenzwert Usk und der zweite Ladegrenzwert Uk, der erste Entladegrenzwert Usg und der zweite Entladegrenzwert Ug sowie die Ladepulsdauern t_glp, t_klp und die Entladepulsdauern t_kelp, t_gelp abhängig von der an einem Piezo-Aktor anliegenden und zu messenden Piezo-Spannung UPiezo und der Sollspannung Usollwert an einem Piezo-Aktor sowie von weiteren möglichen Parametern wie beispielsweise der Temperatur abhängig bestimmt werden.
Diese Bestimmung erfolgt in einer relativ selten (etwas alle 2ms) ablaufenden Routine, wobei die Werte einer Kennwerttabelle entnommen oder mittels einer programmierten Funktion berechnet werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005019404 A1 [0001]

Claims

Verfahren zum Laden und Entladen eines Piezo-Aktors, bei dem die am Piezo-Aktor anliegende Piezo-Spannung (UPiezo) gemessen wird, die gemessene Piezo-Spannung (UPiezo) mit zwei einstellbaren Lade-(Usk, Uk) bzw. Entlade-Grenzwerten (Usg, Ug) verglichen wird, bei einem Wert der Piezo-Spannung (UPiezo), der kleiner oder gleich einem ersten Lade-Grenzwert (Usk) ist, ein Ladepuls mit einstellbarer erster Amplitude und erster Dauer (t_glp) und bei einem Wert der Piezo-Spannung (UPiezo), der größer als der erste Lade-Grenzwert (Usk) und kleiner als ein zweiter größerer Lade-Grenzwert (Uk) ist, ein Ladepuls mit einstellbarer zweiter Amplitude und zweiter Dauer (t_klp) an den Piezo-Aktor angelegt wird, wobei die zweite Ladepulsamplitude und/ oder die zweite Ladepulsdauer (t_klp) kleiner als die erste Ladepulsamplitude bzw. kürzer als die erste Ladepulsdauer (t_glp) sind, bzw. bei einem Wert der Piezo-Spannung (UPiezo), der größer oder gleich einem ersten Entlade-Grenzwert (Usg) ist, ein Entladepuls mit einstellbarer erster Amplitude und erster Dauer (t_gelp) und bei einem Wert der Piezo-Spannung, der kleiner als der erste Entlade-Grenzwert (Usg) und größer als ein zweiter kleinerer Entlade-Grenzwert (Ug) ist, ein Entladepuls mit einstellbarer zweiter Amplitude und zweiter Dauer (t_kelp) an den Piezo-Aktor angelegt wird, wobei die zweite Entladepulsamplitude und/ oder die zweite Entladepulsdauer (t_kelp) kleiner als die erste Entladepulsamplitude bzw. kürzer als die erste Entladepulsdauer (t_gelp) sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach vorgegebenen zeitlichen Abständen die Lade- und Entlade-Grenzwerte (Usk, Uk, Usg, Usg) und /oder die Lade- und Entladepulsamplituden und/oder die Lade- und Entladepulsdauern (t_glp, t_klp, t_gelp, t_kelp) als Funktionen der gemessenen Piezo-Spannung (UPiezo) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Lade- und Entlade-Grenzwerte (Usk, Uk, Usg, Usg) und /oder die Lade- und Entladepulsamplituden und/oder die Lade- und Entladepulsdauern (t_glp, t_klp, t_gelp, t_kelp) als Funktionen weiterer Parameter bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein weiterer Parameter die Temperatur ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Laden und Entladen des Piezo-Aktors zur Betätigung eines Ventils eines Druckminderers dient.