DE102017214697A1 - Schaltungsanordnung und Ansteuerungsverfahren für einen piezohydraulischen Aktor - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung (110) zum Betreiben eines piezohydraulischen Aktors (10) angegeben, umfassend
- einen ersten Versorgungsanschluss (E1) und einen zweiten Versorgungsanschluss (E2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung,
- einen ersten Ausgangsanschluss (A1) und einen zweiten Ausgangsanschluss (A2) zum Anschluss des piezohydraulischen Aktors, wobei der erste Ausgangsanschluss (A1) mit dem ersten Versorgungsanschluss (E1) verbunden ist
- eine zwischen einem ersten Schaltungsknoten (K1) und einem zweiten Schaltungsknoten (K2) angeordneten ersten Schaltungsbereich (B1), welcher insgesamt zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss (E2) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordnet ist,
- eine Induktivität (L1), welche zwischen dem zweiten Schaltungsknoten (K2) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordnet ist,
- wobei der erste Schaltungsbereich (B1) eine Parallelschaltung von einem ersten Strompfad (P1) und einem zweiten Strompfad (P2) umfasst,
- wobei der erste Strompfad (P1) eine Serienschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Schalter (S1) und einer ersten Diode (D1) umfasst und der zweite Strompfad (P2) eine Serienschaltung aus einem zweiten ansteuerbaren Schalter (S2) und einer zweiten Diode (D2) umfasst. Weiterhin wird eine Aktoreinrichtung mit einer derartigen Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum ansteuern eines piezohydraulischen Aktors mit einer solchen Schaltungsanordnung angegeben

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines piezohydraulischen Aktors, umfassend zwei Versorgungsanschlüsse zum Anlegen einer Versorgungsspannung sowie zwei Ausgangsanschlüsse zum Anschluss des piezohydraulischen Aktors. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Aktoreinrichtung mit einem piezohydraulischen Aktor und einer solchen Schaltungsanordnung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines piezohydraulischen Aktors mittels einer solchen Schaltungsanordnung.
• Aus dem Stand der Technik sind piezohydraulische Aktoren bekannt, die typischerweise einen Piezoaktor und eine Hydraulikeinheit umfassen, wobei der Piezoaktor als Antrieb (genauer: als Pumpantrieb) für die Hydraulikeinheit wirkt. Derartige piezohydraulische Aktoren benötigen eine Ansteuerelektronik für den Piezoaktor, um diesen mit einer zeitlich variierenden Spannung zu versorgen, welche geeignet ist, in der Hydraulikeinheit einen Pumpeffekt zu bewirken. Dies ist in vielen Fällen ein sich periodisch wiederholendes Spannungsprofil. Ein derartiges Spannungsprofil kann aus einer Serie von einander abwechselnden ansteigenden und abfallenden Flanken zusammengesetzt sein, wobei beispielsweise während der ansteigenden Flanken die durch den Piezoaktor gebildete Kapazität geladen wird und während der abfallenden Flanken diese Kapazität wieder entladen wird.
• Durch ein derartiges Spannungsprofil kann eine periodische Hin- und Her-Bewegung des Piezoaktors bewirkt werden, welche dann einen Pumpeffekt in der Hydraulikeinheit zur Folge hat. Um ein solches vorgegebenes Spannungsprofil zu erzeugen, wird nach dem Stand der Technik eine komplexe Ansteuerungselektronik eingesetzt, welche typischerweise einen oder mehrere integrierte Schaltkreise umfasst. Mit einer solchen integrierten Elektronik können Form und Dauer der ansteigenden und abfallenden Flanken des Spannungsprofils relativ variabel eingestellt werden. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch einerseits, dass eine solche Ansteuerungselektronik vergleichsweise komplex ist. Ein weiterer möglicher Nachteil ist, dass sich mit einer solchen Elektronik relativ leicht unerwünschte Oberwellen auf dem Spannungsprofil ausbilden. Hierdurch werden dann im piezohydraulischen Aktor mechanische Schwingungen mit unerwünschten Frequenzen induziert, und es werden insgesamt höhere elektrische und/oder mechanische Verluste verursacht.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine Schaltungsanordnung zur Verfügung gestellt werden, welche möglichst einfach aufgebaut ist. Sie soll also eine geringe Komplexität aufweisen und somit auch einfach herzustellen sein, kostengünstig sein, einen geringen Bauraum aufweisen und/oder wenig fehleranfällig sein. Weiterhin soll sie eine geringe Anfälligkeit für die Ausbildung von Oberwellen aufweisen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Aktoreinrichtung mit einem piezohydraulischen Aktor und einer derartigen Schaltungsanordnung anzugeben. Weiterhin soll ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezohydraulischen Aktors angegeben werden.
• Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Schaltungsanordnung, die in Anspruch 6 beschriebene Aktoreinrichtung sowie das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren gelöst.
• Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zum Betreiben eines piezohydraulischen Aktors ausgelegt. Sie umfasst
• - einen ersten Versorgungsanschluss und einen zweiten Versorgungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung,
• - einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss zum Anschluss des piezohydraulischen Aktors, wobei der erste Ausgangsanschluss mit dem ersten Versorgungsanschluss verbunden ist,
• - eine zwischen einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten angeordneten ersten Schaltungsbereich, welcher insgesamt zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet ist,
• - eine Induktivität, welche zwischen dem zweiten Schaltungsknoten und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet ist,
• - wobei der erste Schaltungsbereich eine Parallelschaltung von einem ersten Strompfad und einem zweiten Strompfad umfasst,
• - wobei der erste Strompfad eine Serienschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Schalter und einer ersten Diode umfasst und der zweite Strompfad eine Serienschaltung aus einem zweiten ansteuerbaren Schalter und einer zweiten Diode umfasst.
• Unter dem Wort „verbunden“ soll dabei im vorliegenden Zusammenhang jeweils eine elektrisch leitende Verbindung verstanden werden. Entsprechend soll unter der beschriebenen „Anordnung“ eines Elements „zwischen“ zwischen zwei anderen Elementen eine entsprechende dazwischen liegende Anordnung in einem derart elektrisch verbundenen Strompfad verstanden werden (im Gegensatz zu „geometrisch zwischen“). Die beschriebene elektrische Parallelschaltung von dem ersten und dem zweiten Strompfad soll entsprechend eine elektrische Parallelschaltung in der elektrischen Verbindung zwischen zweitem Versorgungsanschluss und zweiten Ausgangsanschluss sein.
• Insbesondere soll unter der genannten Verbindung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Versorgungsanschluss eine direkte Verbindung verstanden werden. Eine solche „direkte“ Verbindung soll allgemein eine solche elektrische Verbindung sein, die der Schaltungsanordnung mit Ausnahme des Leiters, der die Verbindung ausbildet, keine(n) weiteren Widerstand, Induktivität oder Kapazität hinzufügt.
• Der genannte piezohydraulische Aktor, für den die Schaltung konzipiert ist, kann beispielsweise ein aus dem Stand der Technik bekannter piezohydraulischer Aktor sein, welcher insbesondere einen Piezoaktor und eine Hydraulikeinheit umfasst. Solche piezohydraulischen Aktoren sind dem Fachmann hinreichend bekannt und werden auch weiter unten noch im Zusammenhang mit den Ansprüchen 6 bis 12 beispielhaft detaillierter beschrieben. Zweckmäßig wird beim Betrieb der Schaltungsanordnung der Piezoaktor des piezohydraulischen Aktors mit den beiden Ausgangsanschlüssen verbunden, sodass er mit einem bei angeschlossener Spannungsquelle durch die Schaltungsanordnung generierten Spannungsprofil beaufschlagt werden kann. Dabei wirkt dann der zwischen den Ausgangsanschlüssen angeordnete Piezoaktor im Wesentlichen als Kapazität, deren Größe die Geschwindigkeit des Aufladens und Entladens mit beeinflusst.
• Zweckmäßig sind die beiden Dioden in den beiden zueinander parallelen Stromfaden so ausgestaltet, dass ihre Sperrrichtungen einander entgegengesetzt sind. Bei einer solchen Konfiguration kann dann jeweils ein Strompfad (durch Schließen des entsprechenden Schalters) zum Laden des Aktors und wechselweise der jeweils andere Strompfad (durch Schließen des dortigen Schalters) zum Entladen des Aktors verwendet werden. Mit anderen Worten kann durch ein alternierendes Öffnen und Schließen der beiden Schalter eine wechselnde Abfolge von Ladezeiten und Entladezeiten eingestellt werden. Hierzu können die beiden Schalter zweckmäßig mit entsprechend zeitlich getakteten (insbesondere periodischen) Schaltsignalen versorgt werden.
• Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Schaltungsanordnung ist, dass sie entsprechend der beschriebenen Topologie ein sehr einfaches Grundprinzip aufweist. Es können zwar optional noch weitere Komponenten in der Schaltungsanordnung vorgesehen sein (parallel und/oder in Serie zu den beschriebenen Komponenten). Die Grundfunktion wird jedoch durch die wenigen beschriebenen Komponenten schon erreicht: So kann ein abwechselndes Laden und Entladen des Aktors bewirkt werden, wobei nur ein passender externer Taktgeber in Form der Schaltsignale benötigt wird. Die beschriebene Primärschaltung (also die Schaltungsanordnung mit den beschriebenen Komponenten, aber ohne eine Elektronik, welche die Taktgeber für die Schalter generiert) kann damit sehr einfach und insbesondere ohne integrierte Schaltkreise realisiert werden.
• Die Geschwindigkeit der Lade- und Entladevorgänge wird entscheidend durch den Wert der Induktivität sowie der Kapazität der an die Schaltungsanordnung angeschlossenen Piezoaktors bestimmt. Diese beiden Größen sollten zweckmäßig so gewählt werden, dass die hierdurch gegebene minimale Ladezeit und Entladezeit kleiner ist (oder höchstens so groß ist) wie die durch die Taktgeber für das Laden und Entladen vorgegebenen Zeitspannen. Mit anderen Worten ist durch die minimale Ladezeit und Entladezeit eine untere Grenze für die Wiederholungsfrequenz eines durch die Schaltungsanordnung generierten periodischen Spannungsprofils bestimmt. Bei typischen Kapazitäten von verfügbaren Piezoaktoren lassen sich jedoch bei geeigneter Wahl der Größe der Induktivität Wiederholungsfrequenzen beispielsweise im Bereich von mehreren 100 Hz erreichen.
• Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt also darin, die Form (insbesondere die Steigung) der Ladeflanken und Entladeflanken nicht durch eine komplexe Schaltung zu generieren, sondern durch einen LC-Schwingkreis als Teil einer sehr einfachen Schaltung vorzugeben. Hierdurch werden die oben erwähnten Vorteile einer sehr einfachen Primärschaltung erreicht, die insbesondere klein und günstig ausgeführt werden kann. Durch die beschriebene feste Einstellung der Lade- und Entlade-Geschwindigkeit wird weiterhin die Ausbildung von störenden Oberwellen vorteilhaft vermieden.
• Die erfindungsgemäße Aktoreinrichtung umfasst eine derartige erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie einen piezohydraulischen Aktor. Zweckmäßig ist der piezohydraulische Aktor (und insbesondere dessen Piezoaktor) elektrisch an die beiden Ausgangsanschlüsse der Schaltungsanordnung angeschlossen. Die Vorteile einer solchen Aktoreinrichtung ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zum Ansteuern eines piezohydraulischen Aktors mittels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
1. (a) Schließen des ersten ansteuerbaren Schalters,
2. (b) Aufladen des Piezoaktors,
3. (c) Öffnen des ersten ansteuerbaren Schalter,
4. (d) Schließen des zweiten ansteuerbaren Schalters,
5. (e) zumindest teilweises Entladen des Piezoaktors,
6. (f) Öffnen des zweiten ansteuerbaren Schalters.
Auch die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1, 6 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung, der Aktoreinrichtung und des Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung zusätzlich einen zwischen der Induktivität und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordneten dritten Schaltungsknoten und einen zwischen erstem Versorgungsanschluss und erstem Ausgangsanschluss angeordneten vierten Schaltungsknoten, wobei zwischen drittem Schaltungsknoten und viertem Schaltungsknoten ein zweiter Schaltungsbereich angeordnet ist, welcher eine Serienschaltung aus einem dritten ansteuerbaren Schalter und einem Entladewiderstand aufweist. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist, dass durch ein Schließen des dritten Schalters eine noch weitergehende (und insbesondere nahezu vollständige) Entladung des Piezoaktors ermöglicht wird, als dies allein durch ein Entladen über den ersten Schaltungsbereich der Fall wäre. Durch dieses nahezu vollständige Entladen über den zweiten Schaltungsbereich - welcher insbesondere dem Piezoaktor parallel geschaltet ist - wird vorteilhaft eine allmähliche Verschiebung in der Basislinie des Spannungsprofils vermieden. Mit anderen Worten wird ein schleichendes Aufladen der Kapazität des Piezoaktors vermieden, wodurch das entstehende Spannungsprofil mehr einem symmetrischen und periodisch wiederkehrenden Profil entspricht, so wie es zur Ansteuerung eines piezohydraulischen Aktors gewünscht wird. Durch den zusätzlichen Entladungspfad wird also die Spannung zwischen zwei vollständigen Lade- und Entladezyklen insbesondere näher an die Nulllinie herangeführt. Besonders vorteilhaft kann der Entladewiderstand als ohmscher Widerstand mit einer Größe zwischen 10 Ohm und 500 Ohm ausgebildet sein. Mit einem derartigen Widerstand kann für typische Piezoaktoren eine nahezu vollständige Entladung bewirkt werden.
• Grundsätzlich ist der oben beschriebene zusätzliche geschaltete Entladungspfad jedoch nicht unbedingt nötig, um mit der Schaltungsanordnung ein geeignetes Spannungsprofil für den piezohydraulischen Aktor zu generieren. Alternativ kann beispielsweise entweder ein geringes schleichendes Aufladen des Piezoaktors toleriert werden oder aber es ist auch möglich, einen parallelen Entladewiderstand vorzusehen, welcher nicht durch einen ansteuerbaren Schalter geschaltet wird, sondern welcher permanent zu einer Entladung des Aktors beiträgt.
• Allgemein vorteilhaft kann die Induktivität der Schaltungsanordnung einen Wert im Bereich zwischen 1 mH und 50 mH aufweisen. Besonders vorteilhaft kann dieser Wert zwischen 5 mH und 10 mH liegen. Mit einer Induktivität in einem der genannten Bereiche kann vorteilhaft im Zusammenspiel mit der Kapazität eines typischen angeschlossenen Piezoaktors (als Teil eines piezohydraulischen Aktors) eine geeignete Ladedauer beziehungsweise Entladedauer erreicht werden, welche jeweils beispielsweise im Bereich von wenigen 100 µs liegt.
• Die genannte Induktivität kann beispielsweise durch eine elektrische Spule mit einem magnetischen Kern realisiert sein. In dieser Ausführungsform kann die Induktivität besonders kompakt ausgeführt sein. Alternativ ist jedoch grundsätzlich auch beispielsweise die Ausführung als Luftspule möglich.
• Der erste ansteuerbare Schalter und/oder der zweite ansteuerbare Schalter und/oder der optionale dritte ansteuerbare Schalter können vorteilhaft jeweils als Transistor ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft können sie jeweils als Feldeffekt-Transistor, insbesondere als Leistungs-MOSFET, ausgebildet sein. Alternativ können ein oder mehrere dieser Schalter jedoch auch als IGBT (englisch für „insulated-gate bipolar transistor“) ausgebildet sein. Diese Ausführungsformen sind besonders vorteilhaft, um auf einfache Weise eine vorgegebene zeitliche Taktung mit ausreichend schnellem Ansprechverhalten des jeweiligen Schalters zu erreichen. Eine besonders bevorzugte Variante für den dritten ansteuerbaren Schalter ist es, diesen als stromgeregelten Entlader mit einem vergleichsweise kleinen Operationsverstärker auszuführen.
• Vorteilhaft kann die Schaltungsanordnung zusätzlich zu den beschriebenen Komponenten eine Spannungsquelle umfassen welche zwischen erstem Versorgungsanschluss und zweitem Versorgungsanschluss angeordnet ist. Diese Spannungsquelle ist zweckmäßig als Gleichspannungsquelle ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist sie zumindest für eine Ausgabespannung ausgelegt, welche in einem Bereich zwischen 30 V und 300 V liegt. Zusätzlich zu dieser einen besonders vorteilhaften vorgegebenen Ausgabespannung können selbstverständlich optional auch weitere Spannungswerte eingestellt werden, welche entweder ebenfalls in dem genannten Bereich oder aber auch außerhalb des Bereichs liegen können. Eine mögliche Ausgabespannung innerhalb des genannten Bereiches ist jedenfalls besonders geeignet, um den Piezoaktor eines piezohydraulischen Aktors mit der Schaltungsanordnung betreiben zu können. Durch die beschriebene Schaltungstopologie wird erreicht, dass nach einer Ladephase über den LC-Schwingkreis aus Induktivität und Aktor sogar eine höhere Spannung als die Ausgabespannung über dem Aktor anliegt. Aufgrund der ohmschen Verluste im System ist jedoch der Faktor zwischen der über dem Aktor anliegenden Spannung und der Ausgabespannung geringer als 2.
• Der piezohydraulische Aktor der Aktoreinrichtung umfasst vorteilhaft wenigstens einen Piezoaktor und eine Hydraulikeinheit. Dabei weist die Hydraulikeinheit insbesondere wenigstens eine Antriebskammer, wenigstens eine Abtriebskammer und wenigstens eine diese beiden Kammern verbindende hydraulische Leitung auf. Die Hydraulikeinheit ist dabei insgesamt mit einer hydraulischen Flüssigkeit befüllbar. Derartige piezohydraulische Aktoren eignen sich besonders gut, über den elektrisch angesteuerten Piezoaktor einen Pumpeffekt innerhalb der Hydraulikeinheit zu bewirken und somit beispielsweise auch bei geringem Hub des Piezoaktors einen vergleichsweise großen Hub im Bereich der Abtriebskammer der Hydraulikeinheit zu bewirken. Mit anderen Worten lässt sich durch das Zusammenspiel zwischen Piezoaktor und Hydraulikeinheit ein für viele Anwendungen günstiges Übersetzungsverhältnis für die Bewegung erreichen.
• Bei dieser Ausführungsvariante ist es besonders bevorzugt, wenn die Hydraulikeinheit der Aktoreinrichtung wenigstens ein Antriebskolbenelement aufweist, welches die Antriebskammer teilweise begrenzt und welches mittels des Piezoaktors bewegbar ist. Dabei ist durch Bewegen des Antriebskolbenelements eine Strömung der hydraulischen Flüssigkeit zwischen Antriebskammer und Abtriebskammer bewirkbar. Bevorzugt weist die Hydraulikeinheit ferner in der Leitung zwischen Antriebskammer und Abtriebskammer wenigstens ein Rückschlagventil auf. Mit einer solchen Ausgestaltung ist auf besonders einfache Weise ein Pumpeffekt innerhalb der Hydraulikeinheit erreichbar, welcher durch den Piezoaktor ausgelöst werden kann. Das Antriebskolbenelement vermittelt dabei die mechanische Kraftübertragung zwischen dem Piezoaktor (da es durch diesen bewegbar ist) und den übrigen Bereichen der Hydraulikeinheit. Durch die fluidische Kopplung von Antriebskammer und Abtriebskammer mittels der hydraulischen Flüssigkeit wird erreicht, dass eine Übertragung dieser Bewegung von der Antriebskammer in die Abtriebskammer möglich ist. Abhängig von der Ausgestaltung der Kammern und der Kolbenelemente ist schon bei einer einmaligen Bewegung die Einstellung eines Übersetzungsverhältnisses ungleich 1 möglich. Ein noch stärkeres Übersetzungsverhältnis wird jedoch durch den Pumpeffekt erreicht: durch das wenigstens ein Rückschlagventil, dass fluidisch zwischen Antriebskammer und Abtriebskammer angeordnet ist, ist für eine Flussrichtung der Hydraulikflüssigkeit eine fluidische Sperre gegeben. Da der Rückfluss auf diese Weise unterbunden ist, kann durch eine wiederholt ausgeführte Bewegung des Antriebskolbenelements in der Antriebskammer eine Gesamtbewegung mit größerer Amplitude für ein entsprechendes in der Abtriebskammer angeordnetes Abtriebskolbenelement erreicht werden. Über dieses Abtriebskolbenelement kann dann insgesamt eine mechanische Bewegung eines äußeren zu bewegenden Elements erreicht werden. Diese Bewegung kann durch den beschriebenen Pumpeffekt eine wesentlich höhere Amplitude aufweisen, als es durch die direkte Bewegung mittels des Piezoaktors möglich wäre. Die für den Pumpeffekt nötige wiederholt ausgeführte Bewegung des Antriebskolbenelements wird wiederum über den Piezoaktor vermittelt und von der Schaltungsanordnung durch das beschriebene sich periodisch wiederholende Spannungsprofil eingeleitet.
• Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor der Aktoreinrichtung als Piezostapelaktor ausgebildet. Ein Piezostapelaktor ist eine aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Serienschaltung aus mehreren einzelnen Piezoelementen, welche als Schichtstapel angeordnet sind. Ein solcher Stapelaktor ist besonders vorteilhaft, um auch schon mit den Piezoaktor eine höhere Bewegungsamplitude zu erreichen als dies mit einem einzelnen Piezoelement möglich wäre.
• Allgemein bevorzugt weist der Piezoaktor der Aktoreinrichtung eine elektrische Kapazität im Bereich zwischen 1 µF und 20 µF auf. Besonders bevorzugt liegt diese Kapazität im Bereich zwischen 2 µF und 8 µF, insbesondere zwischen 4 µF und 6 µF. Derartige Kapazitäten sind typisch für Piezoaktoren, wie sie in piezohydraulischen Aktoren - insbesondere für die Robotik - eingesetzt werden. Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung, und insbesondere deren besonders vorteilhaften Ausgestaltungen, was die Dimensionierung der Induktivität angeht, kann im Zusammenspiel mit einem solchen Piezoaktor vorteilhaft eine Ladezeit und eine Entladezeit in einem günstigen Bereich eingestellt werden.
• Gemäß einer allgemein besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Aktoreinrichtung eine Beladezeit für den Aktor und/oder eine Entladezeit für den Aktor auf, welche im Wesentlichen durch die Zeit $$t=\frac{\pi }{2}\sqrt{L1\times C1}$$

  

  gegeben ist, wobei L1 der Wert der Induktivität ist und C1 die Kapazität des Aktors ist.
• Unter der genannten Beladezeit für den Aktor soll im vorliegenden Zusammenhang eine intrinsische Beladezeit verstanden werden, welche durch die „Ladegeschwindigkeit“ des gesamten Schaltkreises (Schaltungsanordnung und Piezoaktor) und nicht durch die Taktung der ansteuerbaren Schalter gegeben ist. Entsprechendes gilt für die genannte Entladezeit. Insbesondere soll unter der Beladezeit eine intrinsische Beladezeit verstanden werden, welche benötigt wird, um von einem im Wesentlichen entladenen Zustand des Aktors in einen im Wesentlichen vollständig geladenen Zustand des Aktors zu gelangen. Ein im Wesentlichen entladener Zustand soll hier ein Zustand sein, in dem der Aktor zu höchstens 3% seines bei der gegebenen Schaltanordnung und der gegebenen Eingangsspannung maximal beladenen Zustands geladen ist. Ein im Wesentlichen vollständig geladener Zustand soll ein Zustand sein, in dem der Aktor zu wenigstens 97% seines bei der gegebenen Schaltanordnung und der gegebenen Eingangsspannung maximal beladenen Zustands geladen ist.
• Die Angabe, dass die Beladezeit und/oder die Entladezeit für den Aktor „im Wesentlichen“ durch die Zeit nach der angegebenen Formel gegeben ist, soll bedeuten, dass die genannte Beladezeit und/oder Entladezeit nicht um mehr als 20% von dem Ergebnis der Formel abweicht. Eine derartige geringe Abweichung kann sich beispielsweise aus dem Effekt von zusätzlichen parasitären Kapazitäten, Induktivitäten beziehungsweise Widerständen aus dem Schaltkreis ergeben.
• Ein wesentlicher Vorteil davon, dass bei der genannten Ausführungsform die Beladezeit und/oder die Entladezeit im Wesentlichen die genannte Bedingung erfüllt, ergibt sich darin, dass so über die Wahl der Werte von L1 und C1 feste Ladezeiten einstellbar sind. Dies ist insbesondere möglich, ohne dass hierfür eine komplexe elektronische Schaltung erforderlich ist.
• Der Piezoaktor weist vorteilhaft einen effektiven ohmschen Widerstand im Bereich zwischen 0,1 Ohm und 10 Ohm auf. Ein Gesamtwiderstand des Piezoaktors im genannten Bereich ist typisch für die Piezoaktoren, welche in piezohydraulischen Aktor Einrichtungen zum Einsatz kommen. Unter dem genannten „effektiven ohmschen Widerstand“ soll dabei ein Widerstandswert verstanden werden, der in einem Ersatzschaltbild das Verhalten des Piezoaktors am besten wiedergibt.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die genannten Schritte (a) bis (f) in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. So leitet insbesondere das Schließen des ersten ansteuerbaren Schalters die Aufladephase für den Piezoaktor ein, und das Öffnen des ersten Schalters beendet diese. Analog leitet danach das Schließen des zweiten ansteuerbaren Schalters die Entladephase für den Piezoaktor ein, und das Öffnen des zweiten Schalters beendet diese. Wie allgemein üblich, soll im vorliegenden Zusammenhang unter einem geschlossenen Schalter ein Schalter verstanden werden, durch den ein Stromtransport möglich ist, und unter einem offenen Schalter ein Schalter verstanden werden, bei dem der Stromtransport unterbrochen ist.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Schritte (a) bis (f) in periodischer Abfolge mehrfach hintereinander ausgeführt. Durch diese Art der wiederholten Durchführung dieser Schritte wird auf einfache Weise ein periodisches Spannungsprofil zur Ansteuerung des Piezoaktors in dem piezohydraulischen Aktor erzeugt. Hiermit kann wie weiter oben beschrieben vorteilhaft ein Pumpeffekt in dem piezohydraulischen Aktor bewirkt werden. Bei dieser Ausführungsvariante ist es vorteilhaft, wenn die Wiederholfrequenz der periodischen Abfolge wenigstens 100 Hz, insbesondere wenigstens 200 Hz oder sogar wenigstens 500 Hz beträgt. Mit einer derart hohen Wiederholfrequenz ist es besonders vorteilhaft möglich, auf der Abtriebsseite des piezohydraulischen Aktors eine relativ gleichmäßige und zügige Bewegung zu erzeugen. Beispielsweise kann die Wiederholfrequenz in einem Bereich zwischen 100 Hz und 2 kHz liegen, um ein Antriebskolbenelement des piezohydraulischen Aktors mit einer für die Fluidik geeigneten Geschwindigkeit und Frequenz bewegen zu können.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann jeweils zwischen Schritt (e) und Schritt (f) zusätzlich der folgende Schritt ausgeführt werden:
• - Schließen des dritten ansteuerbaren Schalters. Durch das Schließen dieses dritten Schalters kann vorteilhaft eine noch weitergehende Entladung des Aktors über den Strompfad des Entladewiderstand erreicht werden. Zweckmäßig wird dann vor dem Aufladen, also vor dem Ausführen des nächsten Schritts (a), der dritte ansteuerbare Schalter wieder geöffnet. Dieses öffnen kann prinzipiell vor, nach oder auch gleichzeitig mit dem Öffnen des zweiten ansteuerbaren Schalters erfolgen. Wesentlich ist nur dass sowohl der zweite Schalter als auch der dritte Schalter geöffnet sind, bevor die nächste Aufladephase eingeleitet wird.
• Allgemein bevorzugte Anwendungen der beschriebenen Aktoreinrichtung liegen vor allem im Bereich der Robotik. Insbesondere kann mit der beschriebenen Aktoreinrichtung eine Muskelbewegung nachgeahmt werden, beispielsweise zur Nachbildung der Funktion menschlicher Körperteile, insbesondere für eine Roboterhand oder einen Roboterarm.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Schaltbilds eines piezohydraulischen Aktors für ein erstes Ausführungsbeispiel zeigt,
• 2 ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild für eine Schaltungsanordnung nach einem Beispiel der Erfindung zeigt,
• 3 eine beispielhafte Darstellung für eine Signalabfolge der Steuersignale Q1, Q2 und Q3 zeigt,
• 4 eine beispielhafte Darstellung eines sich aus den Signalen der 3 ergebenden Spannungsverlaufs zeigt,
• 5 eine beispielhafte Darstellung von zwei sich aus den Signalen der 3 ergebenden Stromverläufen zeigt und
• 6 eine beispielhafte Darstellung von zwei sich aus den Signalen der 3 ergebenden Energieverläufen zeigt.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines hydraulischen Schaltbilds für einen piezohydraulischen Aktor 10. Ein solcher piezohydraulische Aktor 10 kann mit einer hier nicht dargestellten Schaltungsanordnung nach einem Beispiel der Erfindung angesteuert werden. Entsprechend kann er zusammen mit einer solchen Schaltungsanordnung Teil einer Aktoreinrichtung nach einem Beispiel Erfindung sein.
• Der gezeigte piezohydraulische Aktor 10 umfasst einen Piezoaktor 12 und eine Hydraulikeinheit 13. Im Folgenden wird das Wirkungsprinzip für dieses Beispiel eines piezohydraulischen Aktors 10 genauer erklärt. Es sind jedoch zahlreiche alternative Konstellationen für die Wirkungsweise der Hydraulikeinheit 13 möglich (siehe beispielsweise das in DE102013219759A1 beschriebene Prinzip) und die Erfindung soll nicht auf die hier dargestellte Wirkungsweise beschränkt sein.
• Der Piezoaktor 12 ist in diesem Beispiel als Piezostapelaktor ausgebildet. Die Hydraulikeinheit 13 ist mechanisch an eine Seite des Piezoaktors 12 angekoppelt und kann zum Betrieb mit einer hydraulischen Flüssigkeit befüllt werden. Sie umfasst eine Antriebskammer 16, in welcher die hydraulische Flüssigkeit aufnehmbar ist. Ein Antriebskolbenelement 18, welches eine Antriebsfläche 37 aufweist, begrenzt teilweise die Antriebskammer 16. Des Weiteren wird die Antriebskammer 16 teilweise von einem Antriebszylinder 54 begrenzt. Die Antriebskammer 16 und das Antriebskolbenelement sowie der Antriebszylinder 54 sind beispielsweise Bestandteile eines Antriebs, welcher auch den Piezoaktor 12 umfassen kann.
• Das Antriebskolbenelement 18 ist mittels des Piezoaktors 12 antreibbar und dadurch relativ zu dem Antriebszylinder 54 translatorisch bewegbar. Mittels des Antriebskolbenelements 18, welches zumindest mittelbar über eine Antriebskolbenstange 20 durch den Piezoaktor 12 antreibbar ist, ist eine Strömung der Hydraulikflüssigkeit bewirkbar. Mit anderen Worten kann das Antriebskolbenelement 18 über die Antriebskolbenstange 20 mittels des Piezoaktors 12 translatorisch hin- und herbewegt werden, wodurch eine jeweilige Strömung der Hydraulikflüssigkeit, insbesondere in der Leitung 14, bewirkt wird. Ferner umfasst der piezohydraulische Aktor 10 im gezeigten Beispiel zwei Rückschlagventile 22, 24, welche in der Leitung 14 angeordnet sind.
• Dabei umfasst die Leitung 14 mehrere Leitungsteile, welche fluidleitend miteinander über eine Kupplung 26 verbunden sind. Ein erster der Leitungsteile ist mit 28 bezeichnet und verbindet eine Reservoirkammer 30 fluidisch mit der Kupplung 26. Dabei ist das Rückschlagventil 24 in dem ersten Leitungsteil 28 und - bezogen auf eine Strömungsrichtung der von der Reservoirkammer 30 in die Antriebskammer 16 strömenden Hydraulikflüssigkeit - stromauf, das heißt von der Kupplung 26 angeordnet. Dabei sperrt das Rückschlagventil 24 in Richtung der Reservoirkammer 30 und öffnet in Richtung der Kupplung 26 beziehungsweise der Antriebskammer 16. Ein zweiter der Leitungsteile ist mit 32 bezeichnet und verbindet die Kupplung 26 fluidisch mit einer Abtriebskammer 34. Dabei ist das Rückschlagventil 22 in dem Leitungsteil 32 und - bezogen auf eine Strömungsrichtung der aus der Antriebskammer 16 in die Abtriebskammer 34 strömenden Hydraulikflüssigkeit - stromab, das heißt nach der Kupplung 26 angeordnet. Dabei sperrt das Rückschlagventil 22 in Richtung der Kupplung 26 beziehungsweise Antriebskammer 16 und öffnet in Richtung der Abtriebskammer 34. Somit verhindert das Rückschlagventil 22 einen Rückfluss der Hydraulikflüssigkeit von der Abtriebskammer 34 zur Kupplung 26 hin und in die Antriebskammer 16. Ein dritter der Leitungsteile ist mit 36 bezeichnet und verbindet die Antriebskammer 16 mit der Kupplung 26, sodass der dritte Leitungsteil 36 über die Kupplung 26 fluidisch mit den Leitungsteilen 28 und 32 verbunden ist. Die Kupplung 26 bildet somit eine Verbindungsstelle, an welcher die Leitungsteile 28, 32 und 36 fluidisch miteinander verbunden sind. Dabei ist das Rückschlagventil 22 stromab der Verbindungsstelle und stromauf der Abtriebskammer 34 in der Leitung 14 angeordnet, während das Rückschlagventil 24 stromab der Reservoirkammer und stromauf der Verbindungsstelle in der Leitung 14 angeordnet ist.
• Ferner weist der in 1 schematisch dargestellte piezohydraulische Aktor 10 ein Abtriebskolbenelement 38 auf, welches die fluidisch über die Leitung 14 mit der Antriebskammer 16 verbundene Abtriebskammer 34 teilweise begrenzt. Das Abtriebskolbenelement 38 ist mit der über die Leitung 14 in die Abtriebskammer 34 eingeleiteten Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar und kann dadurch, insbesondere translatorisch, bewegt werden. Die Leitungsteile 36 und 32 verbinden die Antriebskammer 16 und die Abtriebskammer 34 fluidisch über die Kupplung 26, wobei das Rückschlagventil 22 im Leitungsteil 32 in Richtung der Abtriebskammer 34 öffnet und in Richtung der Antriebskammer 16 sperrt.
• Die Antriebskammer 16 und die Reservoirkammer 30 sind mittels der Leitungsteile 36 und 28 fluidisch über die Kupplung 26 miteinander verbunden, wobei das Rückschlagventil 24 in Richtung der Antriebskammer 16 öffnet und in Richtung der Reservoirkammer 30 sperrt. Der piezohydraulische Aktor 10 weist ferner einen Reservoirkolbenelement 40 auf, welches die Reservoirkammer 30 zumindest teilweise begrenzt.
• Wird der Piezoaktor 12 mit einem periodisch steigenden und fallenden Spannungsprofil betrieben, arbeitet der piezohydraulische Aktor 10 in besonders vorteilhafter Weise als hydraulische Pumpe. Dabei dehnt sich beispielsweise der Piezoaktor 12 mittels einer ansteigenden Flanke des periodischen Spannungsprofils aus. Dabei wird ein Druck mittelbar oder unmittelbar auf die Antriebskolbenstange 20 ausgeübt. Die Antriebskolbenstange 20 ist mit dem Antriebskolbenelement 18 hier fest verbunden. Das Antriebskolbenelement 18 und die Antriebskolbenstange 20 können entlang einer Bewegungsrichtung 42 translatorisch relativ zu dem Antriebszylinder 54 bewegt werden. Entlang der Bewegungsrichtung 42 ist das Antriebskolbenelement 18 in eine erste Richtung und in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegbar. Mittels des Drucks des Piezoaktors 12 auf die Antriebskolbenstange 20 wird das Antriebskolbenelement 18 in der Antriebskammer 16 entlang der Bewegungsrichtung in die erste Richtung derart bewegt, dass sich das Volumen der Antriebskammer 16 verkleinert, das heißt es findet eine Kompression der Antriebskammer 16 statt. Durch eine fluidische Verbindung 44 strömt dabei die Hydraulikflüssigkeit aus der Antriebskammer 16. Mit anderen Worten wird durch das Verkleinern des Volumens der Antriebskammer 16 eine erste Strömung der Hydraulikflüssigkeit in der Leitung 14 bewirkt. Da das Rückschlagventil 24 in Richtung der Reservoirkammer 30 sperrt und das Rückschlagventil 22 in Richtung der Abtriebskammer 34 öffnet, strömt die Hydraulikflüssigkeit im Rahmen der ersten Strömung über die Verbindung 44 aus der Antriebskammer 16 aus und durch die Leitungsteile 36 und 32 und in die Abtriebskammer 34.
• Das jeweilige Rückschlagventil 22 beziehungsweise 24 öffnet insbesondere dann, wenn die auf das jeweilige Rückschlagventil 22 beziehungsweise 24 wirkende Hydraulikflüssigkeit einen jeweiligen Öffnungsdruck des jeweiligen Rückschlagventils 22 beziehungsweise 24 erreicht oder überschreitet. Dies ist bei der ersten Strömung der Fall, sodass das Rückschlagventil 22 öffnet, während das Rückschlagventil 24 geschlossen bleibt.
• Somit wird die Hydraulikflüssigkeit im Zuge der ersten Strömung in die Abtriebskammer 34 eingeleitet, wodurch das Abtriebskolbenelement 38 mit der Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt wird. Dadurch wird das Abtriebskolbenelement 38 translatorisch relativ zu einem die Abtriebskammer 34 teilweise begrenzenden Abtriebszylinder 52 entlang einer zweiten Bewegungsrichtung 46 in eine dritte Richtung bewegt. Das Abtriebskolbenelement 38 kann zusätzlich zu einer der dritten Richtung entgegengesetzten vierten Richtung entlang der zweiten Bewegungsrichtung 46 translatorisch relativ zu dem Abtriebszylinder 52 bewegt werden. Das Abtriebskolbenelement 38 weist dabei eine die Abtriebskammer 34 teilweise begrenzende Abtriebsfläche 48 auf, auf welche die in die Abtriebskammer 34 eingeleitete Hydraulikflüssigkeit, insbesondere deren Druck, wirkt. Durch das Einleiten der Hydraulikflüssigkeit in die Abtriebskammer 34 wird deren Volumen vergrößert, und das Abtriebskolbenelement 38 wird durch den auf die Abtriebsfläche 48 wirkenden Druck entlang der zweiten Bewegungsrichtung 46 in die dritte Richtung translatorisch relativ zu dem Abtriebszylinder 52 bewegt.
• Dabei ist in 1 mit S_out ein Weg beziehungsweise eine Stre- cke bezeichnet, um den beziehungsweise die das Abtriebskolbenelement 38 und mit diesem eine mit dem Abtriebskolbenelement 38 verbundene Abtriebskolbenstange 50 infolge der genannten Volumenvergrößerung der Abtriebskammer 34 translatorisch bewegt werden.
• Das Abtriebskolbenelement 38 weist dabei die hydraulisch wirksame Abtriebsfläche 48 auf, welche mit der in die Abtriebskammer 34 eingeleiteten Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist. Die in die Abtriebskammer 34 eingeleitete Hydraulikflüssigkeit kommt somit in Kontakt mit der Abtriebsfläche 48 und wirkt auf die Abtriebsfläche 48, woraus in Kombination mit dem zuvor genannten Druck der Hydraulikflüssigkeit eine auf den Abtriebskolbenelement 38 wirkende Kraft resultiert. Mittels dieser Kraft kann das Abtriebskolbenelement 38 entlang der zweiten Bewegungsrichtung 46 in die dritte Richtung translatorisch bewegt werden, um dadurch insbesondere eine Volumenvergrößerung der Abtriebskammer 34 zu bewirken und demzufolge die Abtriebskolbenstange 50 zumindest teilweise aus dem Abtriebszylinder 52, welcher teilweise die Abtriebskammer 34 begrenzt, auszufahren. Somit ist das Abtriebskolbenelement 38 durch Beaufschlagen der Abtriebsfläche 48 mit der in die Abtriebskammer 34 eingeleiteten Hydraulikflüssigkeit antreibbar und dadurch relativ zu dem Abtriebszylinder 52 translatorisch bewegbar.
• Nach dem Spannungsimpuls verringert beispielsweise der Piezoaktor 12 seine Längenausdehnung entlang der Bewegungsrichtung 42. Dadurch werden die Antriebskolbenstange 20 und somit das Antriebskolbenelement 18 entlang der ersten Bewegungsrichtung 42 in die der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt, wodurch sich das Volumen der Antriebskammer 16 vergrößert. Proportional zur Größe der Antriebsfläche 37 verringert sich dadurch der Druck in der Antriebskammer 16.
• Da das Rückschlagventil 22 in Richtung der Antriebskammer 16 schließt, und da das Rückschlagventil 24 in Richtung der Antriebskammer 16 öffnet, resultiert aus der Vergrößerung des Volumens der Antriebskammer 16 eine zweite Strömung der Hydraulikflüssigkeit, die im Zuge der zweiten Strömung aus der Reservoirkammer 30 ausströmt, die Leitungsteile 28 und 36 durchströmt und in die Antriebskammer 16 einströmt. Da das Rückschlagventil 22 dabei geschlossen bleibt, können die Vergrößerung des Volumens der Antriebskammer 16 und somit ein in der Antriebskammer 16 entstehender Unterdruck nicht durch Hydraulikflüssigkeit aus der Abtriebskammer 34 ausgeglichen werden, sodass das Volumen der Abtriebskammer 34 unverändert bleibt beziehungsweise sodass das Abtriebskolbenelement 38 nicht zurückbewegt.
• Insgesamt ist erkennbar, dass sich das Volumen der Antriebskammer 16 durch die angelegte periodisch steigende und fallende Spannung am Piezoaktor 12 abwechselnd vergrößert und verkleinert mit der Frequenz des periodischen Spannungsprofils, wodurch ein Pumpen der Hydraulikflüssigkeit aus der Reservoirkammer 30 in die Abtriebskammer 34 bewirkt wird. Wird beispielsweise zumindest ein Teil der Hydraulikflüssigkeit aus der Reservoirkammer 30 abgeführt, so kommt es zu einer Volumenverkleinerung der Reservoirkammer 30, wodurch das Reservoirkolbenelement 40 translatorisch relativ einem, die Reservoirkammer 30 teilweise begrenzenden Reservoirzylinder 58 um einen Weg beziehungsweise um eine Strecke S_res bewegt wird.
• 2 zeigt ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild für eine Schaltungsanordnung 110 in einer Aktoreinrichtung 100 nach einem Beispiel der Erfindung. Die Aktoreinrichtung 100 umfasst hier sowohl die Schaltungsanordnung 110 als auch einen piezohydraulischen Aktor 10. Der piezohydraulische Aktor 10 kann beispielsweise ähnlich wie in 1 gezeigt ausgestaltet sein und umfasst jedenfalls einen Piezoaktor 12 sowie eine hier nur sehr schematisch angedeutete Hydraulikeinheit 13. Der Piezoaktor 12 ist elektrisch mit dem ersten Ausgangsanschluss A1 und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 der Schaltungsanordnung 110 verbunden. Wie auf der linken Seite der 2 zu erkennen, umfasst die Schaltungsanordnung 110 einen ersten Versorgungsanschluss E1 und einen zweiten Versorgungsanschluss E2, wobei diese Versorgungsanschluss sich hier mit einer Gleichspannungsquelle U1 verbunden sind. In diesem Beispiel ist die Spannungsquelle U1 zur Erzeugung einer Gleichspannung von +100 V konfiguriert. Im Strompfad zwischen dem zweiten Eingangsanschluss E2 und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 ist eine Serienschaltung aus einer Induktivität L1 und einem ersten Schaltungsbereich B1 angeordnet. Der erste Schaltungsbereich B1 weist wiederum eine Parallelschaltung aus einem ersten Strompfad P1 und einem zweiten Strompfad P2 auf. Dabei umfasst der Pfad P1 eine Serienschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Schalter S1 und einer ersten Diode D1. Diese erste Diode ist so geschaltet, dass über den ersten Strompfad ein zwischen den Ausgangsanschlüssen angeordneter Piezoaktor 12 mit einer positiven Spannung beladen werden kann, wenn der erste Schalter S1 geschlossen ist. In diesem Zustand wird ein Rückfluss der Ladung durch das Sperren der Diode D1 verhindert.
• In ähnlicher Weise umfasst der Pfad P2 ebenfalls eine Serienschaltung aus einem zweiten ansteuerbaren Schalter S2 und einer zweiten Diode D2. Diese zweite Diode D2 ist so geschaltet, dass eine am Piezoaktor 12 anliegende positive Spannung über den zweiten Strompfad entladen werden kann, wenn der zweite Schalter S2 geschlossen ist. In diesem Zustand wird ein Rückfluss der Ladung (im Sinne eines erneuten Beladens) durch das Sperren der Diode D2 verhindert.
• Aufgrund der beschriebenen Schaltungsanordnung kann durch periodisches Anlegen geeigneter Steuersignale Q1 und Q2 an den beiden Schalter S1 und S2 ein Zyklus aus periodisch wechselnden Ladeflanken und Entladeflanken im Spannungsprofil, welches am Piezoaktor 12 wirksam ist, erzeugt werden. Die Breite der entsprechenden Flanken - also die Ladezeit und/oder die Entladezeit - wird dabei im wesentlichen nach der weiter oben angegebenen Formel durch das Zusammenwirken der Induktivität und der Kapazität C1 des Piezoaktors 12 bestimmt. Um ein noch vollständigeres Entladen des Piezoaktors 12 zu bewirken, als es allein über den Strompfad PII möglich wäre, ist zusätzlich zu den bisher beschriebenen Schaltelementen noch ein zweiter Schaltungsbereich B2 vorgesehen, welcher zwischen einem zusätzlichen dritten Schaltungsknoten K3 und einem vierten Schaltungsknoten K4 angeordnet ist. Dieser zweite Schaltungsbereich umfasst eine Serienschaltung aus einem dritten Schalter S3 und einem Entladewiderstand R1, welche insgesamt dem Piezoaktor 12 parallel geschaltet sind. Bei geschlossenem Schalter S3 wird durch diesen zusätzlichen Pfad eine noch weitergehende Entladung des Piezoaktors im entsprechenden Teil des Spannungsprofils erreicht.
• Die 3 bis 6 zeigen zeitliche Verläufe für die Steuersignale Q1, Q2, Q3 und die sich daraus ergebenden Spannungsverläufe, Stromverläufe und Energieverläufe. So zeigt 3 die Signalhöhen 120 für die Steuersignale Q1, Q2 und Q3 als Funktion der Zeit 200 in ms. Diese Signale sind Logiksignale welche den Wert 0 oder 1 annehmen können, wobei 0 jeweils einem geöffneten Schalter und 1 einem geschlossenen Schalter entspricht. So ist während einer ersten Zeitspanne t1 das erste Steuersignal Q1 auf 1 und entsprechend der erste Schalter geschlossen, während die anderen Schalter geöffnet sind. Dies entspricht einer Ladephase für den Piezoaktor. In 4 ist der entsprechende zeitliche Verlauf 132 der Spannung am Piezoaktor gezeigt, welcher als Spannung 130 in Volt aufgetragen ist. Dieser Spannungsverlauf weist während der ersten Zeitspanne t1 entsprechend einen Anstieg in Form einer Ladeflanke 135 auf. In 5 ist der entsprechende zeitliche Verlauf für den Strom 140 in Ampere an zwei unterschiedlichen Stellen gezeigt: So zeigt die Kurve 142 den Strom durch die Induktivität L1 und die Kurve 144 zeigt den Strom durch den Entladewiderstand R1. Während der ersten Zeitspanne t1 ist hier ein positiver Strom durch die Induktivität mit einem Maximum zu erkennen. In 6 ist der entsprechende zeitliche Verlauf für die Energie 150 in Joule gezeigt: So zeigt die Kurve 152 die Energie im Piezoaktor 12 und die Kurve 154 zeigt die Energie in der Induktivität L1. Während der ersten Zeitspanne T1 ergibt sich ein kurzzeitiger, niedriger Energiepeak in der Induktivität sowie ein flankenartiger kontinuierlicher Anstieg der Energie 152 im Piezoaktor.
• Auf die erste Zeitspanne t1 folgt eine zweite Zeitspanne t2, in welcher alle Steuersignale auf Null gesetzt sind und entsprechend alle Schalter geöffnet sind. Während dieser Phase ergeben sich entsprechend keine Stromflüsse und keine nennenswerten Änderungen in den Spannungen und Energien.
• Auf die zweite Zeitspanne t2 folgt eine dritte Zeitspanne t3, in welcher das zweite Steuersignal Q2 auf 1 gesetzt ist und entsprechend der zweite Schalter geschlossen ist. Dies entspricht einer Entladephase für den Piezoaktor. Entsprechend weist der Spannungsverlauf 132 in der 4 hier eine abfallende Entladeflanke 136 auf. In 5 weist die Kurve 142 für den Strom durch die Induktivität einen negativen Stromfluss auf. In der 6 weist die Kurve 152 für die Energie im Piezoaktor ebenfalls eine abfallende Flanke auf und die Kurve 154 für die Energie in der Induktivität weist ein kurzzeitiges Maximum auf, ähnlich wie innerhalb der ersten Zeitspanne t1.
• Im späteren Teil der dritten Zeitspanne t3 ist als Teil dieser eine vierte Zeitspanne t4 enthalten, in welcher zusätzlich zum zweiten Schalter ebenfalls der dritte Schalter S3 geöffnet ist. Dies ist in 3 dadurch erkennbar, dass das zugehörige an Steuersignal Q3 ebenfalls auf 1 gesetzt ist. Hierdurch wird eine zusätzliche Entladung des Piezoaktors über den parallelen Strompfad B2 bewirkt. Diese zusätzliche Entladung äußert sich in 4 durch einen Knick in der Entladeflanke 136. In 5 ist sie in Form eines negativen Strompeaks in der Kurve 144 erkennbar.
• Auf die vierte Zeitspanne t4 folgt anschließend eine fünfte Zeitspanne t5, in welcher ähnlich wie beim Zeitpunkt 0 ms alle Schalter geöffnet sind. Nach Ablauf der fünften Zeitspanne t5 kann die beschriebene Signalfolge in periodisch wiederkehrender Weise wiederholt werden, wodurch sich ein periodisches Spannungsprofil aus Ladeflanken und Entladeflanken ergibt. Auf diese Weise kann ein Piezoaktor 12, welcher insbesondere Teil eines piezohydraulischen Aktors 10 ist, mit einer geeigneten Spannungsamplitude und einer geeigneten Wiederholfrequenz angesteuert werden. Dies ist gemäß der Erfindung mit einer vergleichsweise sehr einfachen Schaltung realisierbar.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102013219759 A1 [0038]

Claims (15)

1. Schaltungsanordnung (110) zum Betreiben eines piezohydraulischen Aktors (10), umfassend - einen ersten Versorgungsanschluss (E1) und einen zweiten Versorgungsanschluss (E2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung, - einen ersten Ausgangsanschluss (A1) und einen zweiten Ausgangsanschluss (A2) zum Anschluss des piezohydraulischen Aktors, wobei der erste Ausgangsanschluss (A1) mit dem ersten Versorgungsanschluss (E1) verbunden ist - eine zwischen einem ersten Schaltungsknoten (K1) und einem zweiten Schaltungsknoten (K2) angeordneten ersten Schaltungsbereich (B1), welcher insgesamt zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss (E2) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordnet ist, - eine Induktivität (L1), welche zwischen dem zweiten Schaltungsknoten (K2) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordnet ist, - wobei der erste Schaltungsbereich (B1) eine Parallelschaltung von einem ersten Strompfad (P1) und einem zweiten Strompfad (P2) umfasst, - wobei der erste Strompfad (P1) eine Serienschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Schalter (S1) und einer ersten Diode (D1) umfasst und der zweite Strompfad (P2) eine Serienschaltung aus einem zweiten ansteuerbaren Schalter (S2) und einer zweiten Diode (D2) umfasst.
2. Schaltungsanordnung (110) nach Anspruch 1, welche ferner - einen zwischen der Induktivität (L1) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordneten dritten Schaltungsknoten (K3) und einen zwischen erstem Versorgungsanschluss (E1) und erstem Ausgangsanschluss (A1) angeordneten vierten Schaltungsknoten (K4) aufweist, - wobei zwischen drittem Schaltungsknoten (K3) und viertem Schaltungsknoten (K4) ein zweiter Schaltungsbereich (B2) angeordnet ist, welcher eine Serienschaltung aus einem dritten ansteuerbaren Schalter (S3) und einem Entladewiderstand (R1) aufweist.
3. Schaltungsanordnung (110) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher die Induktivität (L1) einen Wert im Bereich zwischen 1 mH und 50 mH, insbesondere zwischen 5 mH und 10 mH aufweist.
4. Schaltungsanordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste ansteuerbare Schalter (S1) und/oder der zweite ansteuerbare Schalter (S2) als Transistor, insbesondere als Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist.
5. Schaltungsanordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zusätzlich eine Spannungsquelle (U1) zwischen erstem Versorgungsanschluss (E1) und zweitem Versorgungsanschluss (E2) umfasst, welche als Gleichspannungsquelle ausgebildet ist und zumindest für eine Ausgabespannung ausgelegt ist, die in einem Bereich zwischen 30 V und 300 V liegt.
6. Aktoreinrichtung mit einem piezohydraulischen Aktor und einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
7. Aktoreinrichtung nach Anspruch 6, deren piezohydraulischer Aktor - wenigstens einen Piezoaktor und - eine Hydraulikeinheit umfasst, welche wenigstens eine Antriebskammer, eine Abtriebskammer und eine diese beiden Kammern verbindende hydraulische Leitung aufweist, und welche insgesamt mit einer hydraulischen Flüssigkeit befüllbar ist.
8. Aktoreinrichtung nach Anspruch 7, - welche wenigstens ein die Antriebskammer teilweise begrenzendes Antriebskolbenelement aufweist, welches mittels des Piezoaktors bewegbar ist, wobei durch Bewegen des Antriebskolbenelements eine Strömung der hydraulischen Flüssigkeit zwischen Antriebskammer und Abtriebskammer bewirkbar ist, - und welche in der Leitung zwischen Antriebskammer und Abtriebskammer wenigstens ein Rückschlagventil aufweist.
9. Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem der Piezoaktor als Piezostapelaktor ausgebildet ist.
10. Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei welcher der Piezoaktor eine elektrische Kapazität im Bereich zwischen 1 µF und 20 µF, insbesondere zwischen 4 µF und 6 µF, aufweist.
11. Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei welcher eine Beladezeit (Tc) für den Aktor und/oder eine Entladezeit (Td) für den Aktor im Wesentlichen durch die Zeit $$t=\frac{\pi }{2}\sqrt{L1\times C1}$$

    

    gegeben ist, wobei L1 der Wert der Induktivität ist und C1 die Kapazität des Aktors ist.
12. Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei welcher der Piezoaktor einen effektiven ohmschen Gesamtwiderstand im Bereich zwischen 0,1 Ohm und 10 Ohm aufweist.
13. Verfahren zum Ansteuern eines piezohydraulischen Aktors mittels einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches wenigstens die folgenden Schritte umfasst: (a) Schließen des ersten ansteuerbaren Schalters (S1), (b) Aufladen des Piezoaktors, (c) Öffnen des ersten ansteuerbaren Schalter (S1), (d) Schließen des zweiten ansteuerbaren Schalters (S2), (e) zumindest teilweises Entladen des Piezoaktors, (f) Öffnen des zweiten ansteuerbaren Schalters (S2).
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Schritte (a) bis (f) in periodischer Abfolge mehrfach hintereinander ausgeführt werden, wobei die Wiederholfrequenz wenigstens 10 Hz, insbesondere wenigstens 100 Hz beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der zwischen Schritt (e) und Schritt (f) zusätzlich der folgende Schritt ausgeführt wird: - Schließen des dritten ansteuerbaren Schalters (S3).

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