DE10392758T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufsatzdetektion und zum weichen Aufsetzen in einem durch eine piezoelektrische Einheit angetriebenen Ventilsystem - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Aufsatzdetektion und zum weichen Aufsetzen in einem durch eine piezoelektrische Einheit angetriebenen Ventilsystem Download PDF

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Christopher F. Peoria Gallmeyer
L. Glenn Peoria Waterfield
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means
    • F16K31/005Piezoelectric benders

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Abstract

Ein Ventil (10), umfassend:
– einen Betätiger (16), umfassend eine piezoelektrische Einheit, welche einen oder mehrere vorgespannte elektroaktive Bieger umfasst;
– ein Element (18), welches mit dem Betätiger (16) wirkend verbunden ist;
– eine Kontaktoberfläche (12), wobei das Element (18) betreibbar ist, um sich relativ zur Kontaktoberfläche (12) zu bewegen und um die Kontaktoberfläche (12) zu kontaktieren; und
– ein Steuersystem (20), das wirkend mit dem Betätiger (16) zur Bestimmung einer Position des Elements (18) relativ zur Kontaktoberfläche (12) verbunden ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Ventile und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufsatzdetektion und zum weichen Aufsetzen in einem Ventil, welches ein Element aufweist, welches mittels einer piezoelektrischen Einheit angetrieben wird.
  • Hintergrund
  • Piezoelektrische Materialien ändern ihre Form als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld. Ein elektrisches Feld, das in Richtung der Polarisation des Materials angelegt wird, bewirkt eine Expansion des Materials in der gleichen Richtung, während eine Spannung, welche in der der Polarisation entgegengesetzten Richtung angelegt wird, eine Kontraktion des Materials in der gleichen Richtung bewirkt. Piezoelektrische Biegeeinrichtungen oder Bieger, welche thermisch, mechanisch oder auf andere Weise vorgespannt sein können wie vorgespannte Bieger, wie sie in den US-Patenten Nr. 5,471,721 und 5,632,841 offenbart sind, nutzen die "Biege"-Wirkung des piezoelektrischen Materials, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. In solchen Anwendungen kann der Bieger als ein Betätiger oder Aktuator verwendet werden. Bei anderen Anwendungen kann eine äußere Kraft einen Biegevorgang oder eine mechanische Energie auf den Bieger ausüben, und der Bieger konvertiert dann mechanische Energie in elektrische Energie. Bei solchen Anwendungen kann der Bieger als Sensor verwendet werden.
  • Bei elektrohydraulischen Ventilen, welche ein Ventilelement und eine Kontaktoberfläche aufweisen, sind piezoelektrische Einheiten dazu benutzt worden, das Ventilelement relativ zur Kontaktoberfläche zu aktivieren, so wie bei einem Stopp oder einem Aufsitz. Im Betrieb verformt sich die piezoelektrische Einheit in Reaktion auf ein Steuersignal, wie beispielsweise ein Spannungseingangssignal, welches an die piezoelektrische Einheit angelegt wird, um das Element entweder zur Kontaktoberfläche hin oder von ihr weg zu bewegen. Typischerweise ist es vorteilhaft zu wissen, wann das Element die Kontaktoberfläche erreicht hat, d.h. eine Aufsatzdetektion. Dies ist insbesondere wichtig bei Proportionalventilen, bei denen die Position des Elementes relativ zur Kontaktoberfläche bestimmt und gesteuert werden sollte, um den gewünschten Durchfluss von Flüssigkeit durch das Ventil bereitzustellen.
  • Die Detektion des Ventilsitzes ist auch wünschenswert bei der Anwendung von Techniken zum weichen Aufsetzen. Die piezoelektrische Einheit muss so angetrieben werden, dass das Element eine ausreichende Distanz bewegt wird, um die Kontaktoberfläche zu berühren und abzudichten, um den Flüssigkeitsdurchfluss zu steuern, aber, vorzugsweise, ohne das Element hart auf der Kontaktoberfläche aufzusetzen. Wenn das Element mit übergroßer Geschwindigkeit und Kraft zur Kontaktoberfläche hin bewegt wird, können vergleichsweise harte Aufstöße vorkommen, und die Kontaktoberfläche und/oder die Spitze des Elementes können sich im Laufe der Zeit abnutzen. Solch ein Aufprallen auf die Kontaktoberfläche kann auch dazu führen, dass das Element von der Kontaktoberfläche zurückspringt, so dass ein geeignetes Steuern des Flüssigkeitsdurchflusses nicht erreicht wird. Weiterhin kann eine ungeeignete Steuerung oder Kontrolle der Ventilposition und Ventilgeschwindigkeit die Lebensdauer des Betätigers reduzieren und zu einem unerwünschten Kontrollverlust über den Flüssigkeitsdurchfluss durch das Ventil führen.
  • In der Vergangenheit haben Ventile Positions- oder Kraftsensoren aufgewiesen, welche unabhängig vom Betätiger betrieben wurden, um ein weiches Aufsitzen des Elementes auf der Kontaktoberfläche zu gewährleisten. Typischerweise wird beim weichen Aufsetzen ein elektronischer Ventilcontroller verwendet, um das Aufsetzen des Ventilelementes auf der Kontaktoberfläche durch eine Verminderung der Geschwindigkeit des Elementes zu steuern, während es aufsetzt und die Kontaktoberfläche berührt. Positionssensoren überwachen die Position des Elementes relativ zur Kontaktoberfläche und leiten diese Information zum Controller weiter, welcher dann die Geschwindigkeit des Elementes steuert, während dieses sich in Richtung der Kontaktoberfläche bewegt. Lastsensoren überwachen die durch das Element auf die Kontaktoberfläche aufgebrachte Last und leiten diese Information an den Controller weiter, welcher sodann die Last, d.h. die Kontaktkraft, welche auf die Kontaktoberfläche aufgebracht wird, steuert, um eine Abnutzung zu reduzieren. Jedoch sind die bekannten Positions- und Lastsensoren relativ groß, komplex und/oder teuer und sind nicht gut für viele elektrohydraulische Ventilanwendungen geeignet, welche eine akkurate und verlässliche Ventilposition und Ventilgeschwindigkeit benötigen.
  • Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine oder mehrere der oben ausgeführten Probleme zu lösen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In einer ersten Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Ventilelements relativ zu einer Kontaktoberfläche des Ventils offenbart. Das Element ist wirkend mit einem Betätiger oder Aktuator verbunden. Die Vorrichtung umfasst eine Betätiger-Steuerschaltung, welche wirkend mit dem Betätiger verbunden ist und welche so betreibbar ist, dass sie ein Steuersignal an den Betätiger senden kann, um das Element relativ zur Kontaktoberfläche zu bewegen und so betreibbar, dass ein Ausgangssignal vom Betätiger produziert wird, und eine Schaltung zur Aufsatzdetektion, welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung verbunden ist und welche so betreibbar ist, dass sie den Kontakt des Elements mit der Kontaktoberfläche aus dem Ausgangssignal bestimmen kann, wobei der Betätiger eine piezoelektrische Einheit ist.
  • In einer zweiten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zum Steuern der Geschwindigkeit eines Ventilelements relativ zur Kontaktoberfläche des Ventils offenbart. Das Element ist wirkend mit einem Betätiger verbunden. Die Vorrichtung umfasst eine Betätiger-Steuerschaltung, welche wirkend mit dem Betätiger verbunden ist und so betreibbar ist, dass sie ein Steuersignal an den Betätiger anlegen kann, um das Element relativ zur Kontaktoberfläche zu bewegen und auch so, dass ein Ausgangssignal vom Betätiger produzierbar ist; eine Schaltung zur Aufsatzdetektion, welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung verbunden ist und welche so betreibbar ist, dass ein Kontakt des Elements mit der Kontaktoberfläche aus dem Ausgangssignal bestimmbar ist; und eine Geschwindigkeitssteuerschaltung, welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung gekoppelt ist und welche so betreibbar ist, dass eine Eingabe oder ein Input an die Betätiger-Steuerschaltung gesendet werden kann, wobei die Betätiger-Steuerschaltung die Geschwindigkeit des Elements aus dem Eingangssignal steuert, wobei der Betätiger eine piezoelektrische Einheit ist.
  • In einer dritten Ausführungsform wird ein Ventil offenbart. Das Ventil umfasst einen Betätiger, welcher eine piezoelektrische Einheit umfasst, welche wiederum ein oder mehrere vorgespannte elektroaktive Bieger aufweist; ein mit dem Betätiger wirkend verbundenes Element; eine Kontaktoberfläche, wobei das Element so betreibbar ist, dass es relativ zur Kontaktoberfläche bewegt werden kann und die Kontaktoberfläche kontaktieren kann; und ein Steuersystem, das wirkend mit dem Betätiger zur Bestimmung einer Position des Elementes relativ zur Kontaktoberfläche verbunden ist.
  • In einer vierten Ausführungsform ist ein Ventil offenbart. Das Ventil umfasst einen Betätiger, welcher eine piezoelektrische Einheit aufweist, die eine oder mehrere vorgespannte elektroaktive Bieger aufweist; ein mit dem Betätiger wirkend verbundenes Element; eine Kontaktoberfläche, wobei das Element betreibbar ist, um sich relativ zur Kontaktoberfläche zu bewegen und um die Kontaktoberfläche zu kontaktieren; und ein Steuersystem, welches wirkend mit dem Betätiger zum Steuern der Geschwindigkeit des Elements relativ zur Kontaktoberfläche verbunden ist.
  • In einer fünften Ausführungsform ist ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Ventilelements relativ zu einer Ventilkontaktoberfläche, wobei das Element wirkend mit einem Betätiger verbunden ist, offenbart. Das Verfahren umfasst ein Anlegen eines Steuersignals an den Betätiger, um das Element dazu zu führen, sich relativ zur Kontaktoberfläche zu bewegen; Bestimmen eines Ausgangssignals des Betätigers; und Bestimmen des Kontakts des Elements mit der Kontaktoberfläche aus dem Ausgangssignal.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften, mittels einer piezoelektrischen Einheit angetriebenen Ventils, einschließlich eines Steuersystems in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Blockschaltdiagramm des Steuersystems, welches in 1 gezeigt ist, welches eine Aufsatzdetektion in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet;
  • 3(a) und 3(b) sind Graphen, welche die ausgegebene Spannung der piezoelektrischen Einheit, aufgetragen gegen die Zeit, für eine freie bzw. eine blockierte Bewegung der piezoelektrischen Einheit in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung illustrieren; und
  • 4 ist ein Blockdiagramm des Steuersystems aus 1, welches einen weichen Aufsatz in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitstellt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung der besten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit ausreichenden Details, um dem Fachmann zu erlauben, die vorliegende Erfindung herzustellen und zu nutzen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die hierin offenbarten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Im Gegenteil kann die vorliegende Erfindung all solche alternativen Ausführungsformen und Äquivalente umfassen, welche in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen, so wie diese in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
  • 1 illustriert ein elektrohydraulisches Ventil 10 in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Ventil 10 ist dargestellt als ein Absperrventil, aber es könnte auch jeder andere bekannte Stand der Technik sein, einschließlich beispielsweise eines Kugelventils, eines Kolbenventils oder eines Tellerventils. Zusätzlich könnte das Ventil 10 ein Zweiwegeventil oder Mehrwegeventil sein, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das Ventil 10 umfasst mindestens eine Kontaktoberfläche 12. Die Kontaktoberfläche 12 kann aus einem Sitz an einem Ende einer Flüssigkeitsdurchführung 14 bestehen; alternativ kann die Kontaktoberfläche 12 aus einem Stopper bestehen. Das Ventil 10 umfasst weiterhin einen Betätiger 16, welcher vorzugsweise eine piezoelektrische Einheit ist, ein Ventilelement 18, welches mit dem Betätiger 16 verbunden ist, und ein Betätiger-Steuersystem 20, welches mit dem Betätiger 16 zur Bewegung des Elements 18 relativ zur Kontaktoberfläche 12 gekoppelt ist.
  • Die als Betätiger 16 verwendete piezoelektrische Einheit umfasst vorzugsweise ein oder mehrere vorgespannte elektroaktive Bieger, welche thermisch, mechanisch oder durch andere Arten vorgespannt sind, welche ihre Form dadurch ändern, dass sie in entgegengesetzten axialen Richtungen als Reaktion auf ein vom Steuersystem 20 ausgesandtes Signal deformieren. Einzelne Bieger können in ein einzelnes viellagiges Element gestapelt oder zusammengefügt sein. Das Steuersignal kann ein Spannungssignal sein, welches vom Steuersystem 20 zum Betätiger 16 durch ein Paar elektrischer Leitungen 22a und 22b (wie in 2 gezeigt) geleitet wird. Alternativ kann der Betätiger 16 mittels eines vom Steuersystem 20 ausgehenden Stromsignals gesteuert werden.
  • Die piezoelektrische Einheit kann rund, rechteckig, quadratisch oder von irdendeiner anderen regulären oder irregulären Form sein, obwohl eine runde Form bevorzugt wird, und umfasst mindestens eine elektroaktive Schicht (nicht gezeigt), welche zwischen einem Elektrodenpaar (nicht gezeigt) oder zwischen anderen Vorrichtungen zur Spannungslieferung an die elektroaktive Schicht, positioniert ist. Andere Konfigurationen sind ebenfalls möglich, ohne vom Erfindungshorizont abzuweichen. In einem entladenen oder statischen Zustand ist die piezoelektrische Einheit vorzugsweise so vorgespannt, dass sie eine, wie gestrichelt in 1 gezeigt, gewölbte Konfiguration aufweist. Wenn die Elektroden geladen werden, um die piezoelektrische Einheit in einen angesteuerten Zustand zu versetzen, wie beispielsweise dann, wenn ein Spannungs- oder Strom-Steuersignal durch das Steuersystem 20 angelegt wird, verschiebt sich die piezoelektrische Einheit axial in Bezug auf ihren statistischen Zustand durch Abflachung oder weitere Wölbung, jeweils abhängig vom Vorzeichen der angelegten Ladung.
  • Wie in 1 gezeigt, ist das Element 18 vorzugsweise von der Kontaktoberfläche 12 entfernt positioniert, wenn die piezoelektrische Einheit oder der Betätiger 16 in der gewölbten Konfiguration ist. Während der Betätiger 16 in Reaktion auf das vom Steuersystem 20 angelegte Steuersignal verflacht, wird das Element 18 in Richtung und in Kontakt mit der Kontaktoberfläche bewegt, um den Flüssigkeitsdurchgang 14 abzudichten.
  • Wie in 2 gezeigt, kann das Steuersystem 20 den Aufsatz des Elements 18, d.h. den Kontakt des Elements 18 mit der Kontaktoberfläche 12, detektieren. Das Steuersystem 20 umfasst vorzugsweise eine Betätiger-Steuerschaltung 24 und eine Aufsatz-Detektionsschaltung 26. Die Betätiger-Steuerschaltung 24 ist vorzugsweise mit dem Betätiger 16 über elektrische Leitungen 22a und 22b verbunden, über welche die Betätiger-Steuerschaltung 24 ein Spannungs- oder Stromsignal an den Betätiger 16 anlegt, um die Bewegung der piezoelektrischen Einheit zu steuern. Die Betätiger-Steuerschaltung 24 erhält ein Ladungssignal am Anschluss 28 und ein Entladungssignal am Anschluss 30, so wie es vom Steuersystem 20 bestimmt wird, wodurch die Schaltung 24 das aktuelle, an den Betätiger 16 anzulegende Signal bestimmt. Die Betätiger-Steuerschaltung 24 gibt eine Betätigerspannung am Anschluss 32 aus, welche die tatsächliche Echtzeitspannung, welche vom Betätiger 16 erzeugt wird, anzeigt.
  • Die in den 3(a) und 3(b) gezeigten Figuren illustrieren die Spannungsausgabe des Betätigers am Anschluss 32 von der Betätiger-Steuerschaltung 24. 3(a) zeigt einen Spannungsverlauf 34, welcher die freie Bewegung der piezoelektrischen Einheit repräsentiert, d.h., wenn der Betätiger 16 aufgeladen wird, um eine Position im freien Raum zu erreichen. Der Betätiger 16 spricht wie ein Feder/Massen-System an, schießt über seine Position hinaus und oszilliert für eine gewisse Zeit. Während der Betätiger 16 oszilliert und seine Form ändert, oszilliert auch der Spannungsein- und -ausgang der piezoelektrischen Einheit, bis der Betätiger einen Gleichgewichtszustand erreicht. 3(b) zeigt einen Spannungsverlauf 36, der eine blockierte Bewegung der piezoelektrischen Einheit zeigt, d.h., wenn das Element 18 auf die Kontaktoberfläche 12 trifft. Wenn der Aufprall geschieht, ändert sich die Amplitude der Betätigerspannung abrupt, wie gezeigt durch die Amplitudenspitzen bei 38a und 38b. Wenn das Element 18 von der Kontaktoberfläche 12 zurückprallt und wieder aufspringt, ändert sich die Amplitude der Spannung wiederum abrupt wie bei 42a und 42b gezeigt, und die Oszillationen verschwinden mit der Zeit, wenn der Betätiger 16 einen Gleichgewichtszustand in Kontakt mit der Kontaktoberfläche 12 erreicht.
  • Die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion erhält die Betätigerspannung am Anschluss 32, d.h. den Spannungsverlauf 34 oder 36, wie in 3 gezeigt, und gibt eine Detektion des Aufsatzes an den Anschluss 48 weiter, anzeigend, dass das Element 18 auf die Kontaktoberfläche 12 aufgetroffen ist. Die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion umfasst vorzugsweise einen Differenzierer 44 und einen Schwellwertdetektor 46.
  • Der Differenzierer 44, der dem Fachmann bekannt ist, ist betreibbar zum Messen der augenblicklichen Änderungsrate der Betätigerspannung, welche am Anschluss 32 empfangen wird. Alternativ kann der Differenzierer 44 eine Änderungsrate im Frequenzbereich oder jedes andere Merkmal der Betätigerspannung 32, welche den Aufprall des Elements 18 mit der Kontaktoberfläche 12 repräsentiert, messen. Der Schwellwertdetektor 46, der dem Fachmann bekannt ist, empfängt die Änderungsrate vom Differenzierer 44 und wertet das Signal auf abrupte Änderungen 38a oder 38b aus, welche einen Hinweis auf den anfänglichen Aufprall des Elementes 18 auf der Kontaktoberfläche 12 liefern. Vorzugsweise filtert der Schwellwertdetektor 46 das vom Differenzierer 44 empfangene Signal und vergleicht das gefilterte Signal mit einem vorbestimmten Wert, wobei der vorbestimmte Wert eine Änderung in der Spannungsamplitude ist, welche einen Hinweis auf den Aufprall liefert. Wenn die vom Differenzierer 44 empfangene Änderungsrate ausreichend groß ist und den vorbestimmten Wert überschreitet, wird der Aufprall des Elements 18 und der Kontaktoberfläche 12 als erfolgt angenommen. Die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion gibt dann die Detektion des Aufsatzes am Anschluss 48 weiter, anzeigend, bei welcher Betätigerspannung das Element 18 und die Kontaktoberfläche 12 aufprallten. Natürlich wird auch anerkannt, dass andere Ausgabe-Merkmale des Betätigers 16, so wie eine Spannung oder Ladung, ausgewertet werden können, um den Aufprall des Elements 18 auf der Kontaktoberfläche 12 zu detektieren, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Nun in Bezug auf 4, wird eine zweite Ausführungsform des Steuersystems, identifiziert als Steuersystem 200, gezeigt, wobei gleiche Ziffern gleiche Teile des Steuersystems 20 aus 2 repräsentieren. In dieser Ausführungsform ermöglicht das Steuersystem 200 sowohl eine Aufsatzdetektion als auch ein weiches Aufsetzen des Elementes 18. Das Steuersystem 200 verwendet die Betätigerladung bzw. -ladungsmenge, welche in dem vorhergehenden Betätigungszyklus bestimmt worden ist, um die Geschwindigkeit oder die Ladung bzw. Ladungsmenge des Betätigers 16 im jetzigen Zyklus zu steuern.
  • Das Steuersystem 200 umfasst eine Schaltung 202 zur Positionssteuerung, welche mit der Betätiger-Steuerschaltung 24 und mit der Schaltung zur Detektion des Ventilsitzes 26 verbunden ist, um die Position des Elements 18 relativ zur Steueroberfläche 12 zu bestimmen. Das Steuersystem 200 umfasst weiterhin eine Geschwindigkeits-Steuerschaltung 203, welche mit der Positions-Steuerschaltung 202 und mit der Betätiger-Steuerschaltung 24 verbunden ist. Die Positionssteuerschaltung 202 umfasst einen Stromintegrator 204, der betreibbar ist, um den Betätigerstrom am Anschluss 205 zu empfangen und zu integrieren, was den durch den Betätiger oder die piezoelektrische Einheit fließenden Strom anzeigt, um eine an der piezoelektrischen Einheit anliegende Ladung zu bestimmen und um eine Betätigerladung am Anschluss 208 auszugeben. Die Positions-Steuerschaltung 202 umfasst weiterhin einen Datenspeicher oder eine andere Speichereinheit 206, welche die Betätigerladung am Anschluss 208 vom Stromintegrator 204 empfängt und einen Wert speichert, der die an der piezoelektrischen Einheit vorhandene Ladung repräsentiert, wenn das Element 18 auf der Kontaktoberfläche 12 aufgeprallt ist.
  • Weiterhin ist die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion, wie in Verbindung mit 2 beschrieben, betreibbar, um eine Aufsatzdetektion am Anschluss 48 auszugeben, welche von der Speichereinheit 206 empfangen wird. In Reaktion auf das Empfangen der Ausgabe bezüglich der Aufsatzdetektion am Anschluss 48 durch die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion, speichert die Speichereinheit 206 die gleichzeitige Betätigerladung vom Anschluss 208, d.h. den Wert, der die auf der piezoelektrischen Einheit 16 existierende Ladung repräsentiert, wenn die Aufsatzdetektion aufgetreten ist. Daher wird die Ladung, welche an der piezoelektrischen Einheit vorhanden ist, wenn die Position des Elements 18 bekannt ist, gespeichert, so dass die Ladung beim nächsten Betätigungszyklus verwendet werden kann, um die Position des Elementes 18 zu bestimmen.
  • Die Positions-Steuerschaltung 202 umfasst weiterhin einen Komparator 216, der betreibbar ist, um eine gewünschte Ladung am Anschluss 218 von der Speichereinheit 206 zu empfangen, welche äquivalent zu der während des vorhergehenden Zyklus gespeicherten Ladung ist und mit der gewünschten Position des Elements 18 korrespondiert, d.h. bei der das Element 18 und die Kontaktoberfläche 12 in Kontakt sind. Der Komparator 216 ist weiter so betreibbar, dass er die Betätigerladung am Anschluss 220 empfängt, d.h. die an der piezoelektrischen Einheit während des jetzigen Zyklus vorhandene Ladung. Der Komparator 216 ist betreibbar, um die gewünschte Ladung vom Anschluss 218 mit der Betätigerladung vom Anschluss 220 zu vergleichen. Der Komparator 216 gibt einen Betätigerladungsfehler am Anschluss 222 aus, welcher den Unterschied zwischen der gewünschten Ladung an der piezoelektrischen Einheit, d.h. der Position des Elements 18, an der dieses zuletzt die Kontaktoberfläche 12 kontaktiert hat, und der aktuellen Ladung an der piezoelektrischen Einheit, d.h. der jetzigen Position des Elements 18, aus. Somit repräsentiert der Betätigerladungsfehler, welcher von der Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 empfangen wird, die jetzige Position des Elements 18 relativ zur Kontaktoberfläche 12.
  • Die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 ist vorzugsweise eine eindimensionale Abbildung, wie beispielsweise eine Suchtabelle, ein Polynom oder eine andere Funktion, und nutzt den Betätigerladungsfehler, um die geeignete Geschwindigkeit des Elements 18 basierend auf der relativen Position des Elements 18 zu bestimmen. Die Schaltung 203 gibt eine Betätigerladungsrate am Anschluss 224 an die Betätiger-Steuerschaltung 24 aus, um die Ladungsrate der piezoelektrischen Einheit und damit ihre Geschwindigkeit und die des Elements 18 zu steuern. Die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 umfasst ein vorbestimmtes Geschwindigkeitsprofil, welches in Bezug gesetzt ist zum Betätigerladungsfehler oder zu der relativen gegenwärtigen Position des Elements 18 in Bezug auf die gewünschte Geschwindigkeit des Elements 18. Die Geschwindigkeitssteuereinheit 203 bestimmt die gewünschte Geschwindigkeit und gibt eine Betätigerladungsrate an den Anschluss 224 aus. Während die Geschwindigkeit des Elements 18 proportional zur Ladungsrate an der piezoelektrischen Einheit ist, kann die Betätigerladungsrate von der Betätiger-Steuerschaltung 24 dazu benutzt werden, um die Ladungsrate an der piezoelektrischen Einheit zu verringern, während das Element 18 sich der Kontaktoberfläche 12 nähert, wodurch die Aufprallkraft verringert wird.
  • Beim Betrieb des Steuersystems 200 aus 4 empfängt die Betätiger-Steuerschaltung 24 das Aufladungskommando am Anschluss 26. In Reaktion auf das Aufladekommando lädt die Betätiger-Steuerschaltung 24 die piezoelektrische Einheit kontinuierlich auf, um das Element 18 relativ zur Kontaktoberfläche 12 zu bewegen. In einer Ausführungsform bewegt die Betätiger-Steuerschaltung 24 das Element 18 in Reaktion auf das Aufladekommando in Richtung der Kontaktoberfläche 12. Während eines ersten Betätigungszyklus' wird die Ausgangsspannung, oder die Betätigerspannung am Anschluss 32, der piezoelektrischen Einheit an die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion ausgegeben. Das Element 18 bewegt sich kontinuierlich in Richtung der Kontaktoberfläche, bis die Schaltung zur Aufsatzdetektion 26 den Aufprall des Elements 18 auf der Kontaktoberfläche 12 durch eine abrupte Änderung in der Amplitude der Ausgangsspannung, wie beispielsweise in 38a und 38b in 3 gesehen, detektiert. Nach dem Bestimmen, dass die abrupte Änderung ausreichend groß ist, um einen Aufprall zwischen dem Element 18 und der Kontaktoberfläche 12 anzuzeigen, gibt die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion auch die Aufsatzdetektion am Anschluss 48 an die Speichereinheit 206 aus, welches die Speichereinheit 206 dazu führt, die Betätigerladung vom Anschluss 208 abzuspeichern, d.h. den Wert, welcher die an der piezoelektrischen Einheit 16 vorhandene Lage repräsentiert, wenn das Element 18 auf der Kontaktoberfläche 12 aufprallt. Die Speicherung dieser Ladung 208 beendet den ersten Ventil-Betätigungszyklus.
  • Während eines zweiten Ventilbetätigungszyklus' wird die in der Speichereinheit 206 aus dem vorhergegangenen Zyklus gespeicherte Ladung an den Komparator 216 als die am Anschluss 218 gewünschte Ladung ausgegeben. Der Komparator 216 vergleicht dieses Signal mit der am Anschluss 220 anliegenden Betätigerladung, welche die am Betätiger 16 während des aktuellen Zyklus' anliegende Ladung repräsentiert. Der Komparator 216 gibt die Differenz der gewünschten und der Betätigerladungen an die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 am Anschluss 222 als den Betätigerladungsfehler aus. Von der die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 umfassenden Darstellung wird eine Betätigeränderungsrate, welche mit dem ermittelten Betätigerladungsfehler korrespondiert, bestimmt und am Anschluss 224 an die Betätiger-Steuerschaltung 24 ausgegeben. Die Betätigerladungsrate wird von der Betätiger-Steuerschaltung 24 verwendet, um die Ladungsrate an der elektrischen Einheit zu steuern und somit die Geschwindigkeit des Elements 18. Dadurch kann die Geschwindigkeit des Elements 18 justiert werden, um das Element 18 abzubremsen, während es sich der Kontaktoberfläche 12 nähert und auf diese aufprallt, und erlaubt somit ein weiches Aufsetzen des Elements 18. Wenn das Element 18 die Kontaktoberfläche 12 kontaktiert, sendet die Schaltung 26 zur Aufsatzdetektion eine Aufsatzdetektion an den Anschluss 48, eine neue Betätigerladung wird in der Speichereinheit 206 gespeichert, und der Zyklus beginnt von neuem.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Im Gebrauch ist es günstig, dass das Steuersystem 20 oder 200 in der Lage ist, das Element 18 in Kontakt mit der Kontaktoberfläche 12 in Reaktion auf das Aufladekommando 26 zu bewegen. Das Steuersystem 20 ist weiterhin betreibbar, um zu bestimmen, wann das Ventilelement 18 auf die Kontaktoberfläche 12 aufprallt. Das Steuersystem 200 ist weiterhin betreibbar, um die Position des Elements 18 relativ zur Kontaktoberfläche zu bestimmen. Der Komparator 216 der Positionssteuerschaltung 202 vergleicht die gewünschte Ladung, welche aus dem vorhergehenden Betätigungszyklus bestimmt worden ist, mit der zur Zeit an der piezoelektrischen Einheit anliegenden Ladung und gibt die Differenz als den Betätigerladungsfehler an die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 aus. Die Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 ist so betreibbar, dass sie die geeignete Betätigerladungsrate aus dem Betätigerladungsfehler bestimmt und diese Rate an die Betätigersteuereinheit 24 ausgibt. Diese Schaltung 24 steuert dann die Ladungsrate der piezoelektrischen Einheit. Da die Geschwindigkeit des Elements 18 proportional zur Ladungsrate an der piezoelektrischen Einheit ist, kann man eine genauere und zuverlässigere Steuerung der Geschwindigkeit des Elements 18 aufgrund der Positionssteuerschaltung 202 und der Geschwindigkeitssteuerschaltung 203 des Steuersystems 200 erhalten.
  • Zusammenfassung
  • Verfahren und Vorrichtung zur Aufsatzdetektion und zum weichen Aufsetzen in einem durch eine piezoelektrische Einheit angetriebenen Ventilsystem Ein Steuersystem zum Bestimmen und Steuern einer Position und einer Geschwindigkeit eines Ventilelements relativ zu einer Kontaktoberfläche des Ventils in einem Ventilsystem, welches vorzugsweise einen eine piezoelektrische Einheit aufweisenden Betätiger umfasst. Das Steuersystem schließt eine Betätiger-Steuerschaltung zum Anlegen eines Steuersignals an den Betätiger zum Bewegen des Elements relativ zur Kontaktoberfläche ein. Das Steuersystem schließt weiterhin eine Schaltung zur Detektion eines Aufsatzes zum Bestimmen, wann das Element auf die Kontaktoberfläche aufprallt, ein. Das Steuersystem schließt weiterhin eine Geschwindigkeitssteuerschaltung ein, welche die Ausgabe der Schaltung zur Aufsatzdetektion aus einem vorhergehenden Betätigungszyklus nutzt, um die Position und Geschwindigkeit des Elements relativ zur Kontaktoberfläche in einem folgenden Betätigungszyklus zu steuern.

Claims (26)

  1. Ein Ventil (10), umfassend: – einen Betätiger (16), umfassend eine piezoelektrische Einheit, welche einen oder mehrere vorgespannte elektroaktive Bieger umfasst; – ein Element (18), welches mit dem Betätiger (16) wirkend verbunden ist; – eine Kontaktoberfläche (12), wobei das Element (18) betreibbar ist, um sich relativ zur Kontaktoberfläche (12) zu bewegen und um die Kontaktoberfläche (12) zu kontaktieren; und – ein Steuersystem (20), das wirkend mit dem Betätiger (16) zur Bestimmung einer Position des Elements (18) relativ zur Kontaktoberfläche (12) verbunden ist.
  2. Das Ventil (10) nach Anspruch 1, wobei das Steuersystem (20) umfasst: – eine Betätiger-Steuerschaltung (24), die wirkend mit dem Betätiger (16) verbunden ist, und die betreibbar ist, um ein Steuersignal an den Betätiger (16) anzulegen, wobei das Steuersignal die Bewegung des Elements (18) relativ zur Kontaktoberfläche (12) steuert und die weiterhin so betreibbar ist, dass sie eine Ausgabe vom Betätiger (16) empfangen kann; und – eine Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion, welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung (24) verbunden ist, und welche betreibbar ist, um aus der Ausgabe einen Kontakt des Elements (18) mit der Kontaktoberfläche (12) zu bestimmen.
  3. Das Ventil (10) nach Anspruch 2, wobei die Ausgabe eine vom Betätiger (16) erzeugte Spannung umfasst.
  4. Das Ventil (10) nach Anspruch 3, wobei die Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion eine Änderungsrate der Ausgabe bestimmt.
  5. Das Ventil (10) nach Anspruch 4, wobei die Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion einen Kontakt des Elements (18) mit der Kontaktoberfläche (12) aus einem Vergleich der Änderungsrate der Ausgabe mit einem vorbestimmten Wert bestimmt.
  6. Ein Ventil (10), umfassend: – einen Betätiger (16), umfassend eine piezoelektrische Einheit, welche einen oder mehrere vorgespannte elektroaktive Bieger umfasst; – ein mit dem Betätiger (16) wirkend verbundenes Element (18); – eine Kontaktoberfläche (12), wobei das Element (18) betreibbar ist, um sich relativ zur Kontaktoberfläche (12) zu bewegen und um diese zu kontaktieren; und – ein Steuersystem (20), welches wirkend mit dem Betätiger (16) zum Steuern der Geschwindigkeit des Elements (18) relativ zur Steueroberfläche (12) verbunden ist.
  7. Das Ventil (10) nach Anspruch 6, wobei das Steuersystem (20) umfasst: – eine Betätiger-Steuerschaltung (24), welche wirkend mit dem Betätiger (16) verbunden ist, und welche betreibbar ist, um ein Steuersignal an den Betätiger (16) anzulegen, wobei das Steuersignal eine Bewegung des Elements (16) relativ zur Kontaktoberfläche (12) steuert, und welche betreibbar ist, um eine Ausgabe vom Betätiger (16) zu empfangen; – eine Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion, welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung (24) verbunden ist, und welche betreibbar ist, um einen Kontakt des Elements (18) mit der Kontaktoberfläche (12) aus der Ausgabe zu bestimmen; und – eine Geschwindigkeitssteuerschaltung (203), welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung (24) und mit der Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion verbunden ist, und welche betreibbar ist, um eine Eingabe an die Betätiger-Steuerschaltung (24) zum Steuern der Geschwindigkeit des Elements (18) zu geben.
  8. Das Ventil (10) nach Anspruch 7, zusätzlich umfassend: eine Positionssteuerschaltung (202), welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung (24), der Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion und der Geschwindigkeitssteuerschaltung (203) verbunden ist, wobei die Positionssteuerschaltung (202) einen gespeicherten Ladungswert und einen aktuellen Ladungswert aufweist.
  9. Das Ventil (10) nach Anspruch 8, wobei die Positionssteuerschaltung (202) einen Ladungsfehler als eine Funktion des gespeicherten Ladungswerts und des aktuellen Ladungswert bestimmt.
  10. Das Ventil (10) nach Anspruch 9, wobei die Geschwindigkeitssteuerschaltung (203) der Eingabe als eine Funktion des Ladungsfehlers bestimmt.
  11. Das Ventil (10) nach Anspruch 8, wobei die Positionssteuerschaltung (202) einen Integrator (204) umfasst, welcher betreibbar ist, um den Stromfluss durch den Betätiger (16) während eines aktuellen Betätigungszyklus zu integrieren, um den aktuellen Ladungswert zu bestimmen.
  12. Das Ventil (10) nach Anspruch 11, wobei der gespeicherte Ladungswert während eines vorhergehenden Betätigungszyklus' durch die Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion bestimmt wird.
  13. Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Ventilelements (18) relativ zu einer Kontaktoberfläche (12) des Ventils, bei der das Element (18) mit einem Betätiger (16) wirkend verbunden ist, umfassend: – eine mit dem Betätiger (16) wirkend verbundene Betätiger-Steuerschaltung (24), welche zum Anlegen eines Steuersignals an den Betätiger (16) ausgelegt ist, wobei das Steuersignal eine Bewegung des Elements (18) relativ zur Kontaktoberfläche (12) steuert, und welche betreibbar ist, um eine Ausgabe vom Betätiger (16) zu empfangen; – eine Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion, welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung (24) verbunden ist, und welche betreibbar ist, um einen Kontakt des Elements (18) mit der Kontaktoberfläche (12) aus der Ausgabe zu bestimmen; – wobei der Betätiger (16) eine piezoelektrische Einheit ist.
  14. Die Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Ausgabe eine vom Betätiger (16) produzierte Spannung umfasst.
  15. Die Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion eine Änderungsrate der Ausgabe bestimmt.
  16. Die Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion den Kontakt des Elements (18) mit der Kontaktoberfläche (12) aus einem Vergleich der Änderungsrate der Ausgabe mit einem vorbestimmten Wert bestimmt.
  17. Eine Vorrichtung zum Steuern der Geschwindigkeit eines Ventilelements (18) relativ zu einer Kontaktoberfläche (12) des Ventils, bei der das Element (18) mit einem Betätiger (16) wirkend verbunden ist, umfassend: – eine mit dem Betätiger (16) wirkend verbundene Betätiger-Steuerschaltung (24), welche zum Anlegen eines Steuersignals an den Betätiger (16) betreibbar ist, wobei das Steuersignal eine Bewegung des Elements (18) relativ zur Kontaktoberfläche (12) steuert, und die zum Empfang einer Ausgabe vom Betätiger (16) betreibbar ist; – eine mit der Betätiger-Steuerschaltung (24) wirkend verbundene Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion, welche zum Bestimmen eines Kontakts des Elements (18) mit der Kontaktoberfläche (12) aus der Ausgabe betreibbar ist; und – eine Geschwindigkeitssteuerschaltung (203), welche wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung (24) und der Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion wirkend verbunden ist, und welche betreibbar ist, um eine Eingabe an die Betätiger-Steuerschaltung (24) zum Steuern der Geschwindigkeit des Elements (18) zu geben; – wobei der Betätiger (16) eine piezoelektrische Einheit ist.
  18. Die Vorrichtung nach Anspruch 17, zusätzlich umfassend: eine Positionssteuerschaltung (202), die wirkend mit der Betätiger-Steuerschaltung (24), der Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion und der Geschwindigkeitssteuerschaltung (203) wirkend verbunden ist, wobei die Positionssteuerschaltung (202) einen gespeicherten Ladungswert und einen aktuellen Ladungswert aufweist.
  19. Die Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Positionssteuerschaltung (202) einen Ladungsfehler als Funktion des gespeicherten Ladungswerts und des aktuellen Ladungswerts bestimmt.
  20. Die Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Geschwindigkeitssteuerschaltung (203) die Eingabe als eine Funktion des Ladungsfehlers bestimmt.
  21. Die Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Positionssteuerschaltung (202) einen Integrator (204) einschließt, welcher betreibbar ist, um den Stromfluss durch den Betätiger (16) während eines aktuellen Betätigungszyklus zu integrieren, um den aktuellen Ladungswert zu bestimmen.
  22. Die Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der gespeicherte Ladungswert mittels der Schaltung (26) zur Aufsatzdetektion während einer früheren Betätigungsschaltung bestimmt wird.
  23. Ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Ventilelements (18) relativ zur Kontaktoberfläche (12) des Ventils, bei dem das Element (18) wirkend verbunden ist mit einem Betätiger (16), welcher einen vorgespannten elektroaktiven Bieger umfasst, umfassend: – Anlegen eines Steuersignals an den Betätiger (16), um zu bewirken, dass das Element (18) sich relativ zur Kontaktoberfläche (12) bewegt; – Bestimmen einer Ausgabe des Betätigers (16); und – Bestimmen eines Kontakts des Elements (18) mit der Kontaktoberfläche (12) von der Ausgabe.
  24. Das Verfahren nach Anspruch 23, zusätzlich umfassend: Vergleichen der Ausgabe mit einem vorbestimmten Wert, um den Kontakt des Elements (18) mit der Kontaktoberfläche (12) zu bestimmen.
  25. Ein Verfahren zum Steuern einer Geschwindigkeit eines Ventilelements (18) relativ zur Kontaktoberfläche (12) des Ventils, bei dem das Element (18) wirkend mit einem Betätiger (16) verbunden ist, welcher einen vorgespannten elektroaktiven Bieger umfasst, umfassend: – Speichern einer Ausgabe des Betätigers (16) in einem früheren Betätigungszyklus; – Bestimmen einer Ausgabe des Betätigers (16) während des jetzigen Betätigungszyklus; und – Modifizieren der Geschwindigkeit des Elements (18) als eine Funktion der gespeicherten und aktuellen Ausgabe.
  26. Das Verfahren nach Anspruch 25, bei dem der Modifizierungsschritt weiterhin umfasst: – Vergleichen der aktuellen Ausgabe und der gespeicherten Ausgabe, um ein Steuersignal zu generieren, welches eine gewünschte Ladungsänderung am Betätiger (16) repräsentiert; und – Anlegen des Steuersignals an den Betätiger (16), um die Geschwindigkeit des Elements (18) zu steuern, – wobei die gespeicherte Ausgabe eine aufgesetzte Position des Elements (18) während des vorangegangenen Betätigungszyklus anzeigt.
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