DE19529667A1 - Anordnung zur Ansteuerung eines ersten und eines zweiten piezoelektrischen Aktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ansteuerung eines ersten und eines zweiten piezoelektrischen Aktors. Die Akto­ ren können beispielsweise die Stellelemente für Einspritzven­ tile sein.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Ansteue­ rung eines ersten und eines zweiten piezoelektrischen Aktors anzugeben, bei der die Energieverluste minimiert sind und bei der ein sinusförmiges Signal zur Ansteuerung der piezoelek­ trischen Aktoren vorliegt.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

So hat die Anordnung gemäß Anspruch 2 den Vorteil, daß die Schwingfrequenz des piezoelektrischen Aktors variiert werden kann.

Die Anordnung gemäß Anspruch 5 hat den Vorteil, daß die ma­ gnetischen Verluste weiter verringert werden können.

Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Permeabilität in Abhängigkeit vom äußeren Magnetfeld.

Die erfindungsgemäße Anordnung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, weist zwei piezoelektrische Aktoren P1 und P2 auf. Diese können auch als Piezoaktoren oder Piezoelemente bezeichnet werden. Sowohl der piezoelektrische Aktor P1 als auch der piezoelektrische Aktor P2 sind einseitig mit Masse verbunden. Der piezoelektrische Aktor P1 bildet mit einer ersten Spule SP1, die eine Induktivität L1 aufweist, einen ersten LC-Serienschwingkreis. Der zweite piezoelektrische Aktor P2 bil­ det mit einer zweiten Spule SP2, die eine Induktivität L2 aufweist, einen zweiten LC-Serienschwingkreis. Die beiden In­ duktivitäten L1 und L2 sind vorzugsweise wertemäßig gleich groß zu wählen. Die beiden Spulen SP1 und SP2 sind über ein gemeinsames Joch, welches aus einem hocheffizienten Ferrit bestehen kann, magnetisch gekoppelt. Weiterhin sind die bei­ den Spulen SP1 und SP2 einseitig mit einer Versorgungsspan­ nung V_ss verbunden. Mittels einer Synchronisierschaltung SYN, welche eingangsseitig mit dem ersten und dem zweiten LC-Schwingkreis verbunden ist, sorgt man dafür, daß die an den piezoelektrischen Aktoren P1 und P2 anliegenden Spannungen im Gleichtakt schwingen. Dazu ist die Synchronisierschaltung SYN, vorzugsweise über einen ersten und einen zweiten Ver­ stärker V1 und V2 mit dem ersten bzw. dem zweiten LC-Schwingkreis verbunden. Da die beiden Spulen SP1 und SP2, de­ ren Induktivität L1 bzw. L2 wertemäßig gleich groß ist, ma­ gnetisch antiparallel geschaltet sind, was beispielsweise durch gegensinnige Wicklungen erreicht werden kann, überla­ gern sich die Magnetfelder der beiden Spulen SP1 und SP2 so, daß das Joch feldfrei ist. Dies hat den Vorteil, daß hochef­ fiziente Ferrite als Jochmaterial verwendet werden können. Dadurch wird eine erhebliche Verringerung der magnetischen Energieverluste erreicht.

Zusätzlich weist die Ansteuerschaltung eine Gleichfeldspulen­ ansteuerung GSA auf. Der Gleichfeldspulenansteuerung GSA wird die Sollschwingfrequenz der piezoelektrischen Aktoren P1 und P2 digital oder analog zugeführt. Die Gleichfeldspulenan­ steuerung GSA setzt die Sollschwingfrequenz in eine Gleich­ spannung um, die einer Gleichfeldspule GFSP mit der Indukti­ vität L3 zugeführt wird. Die Gleichfeldspule GFSP ist mit den beiden Spulen SP1 und SP2 gekoppelt. Sie befindet sich eben­ falls auf dem Joch. Durch diese Gleichfeldspule GFSP ist die feldabhängige magnetische Permeabilität µ(H) beeinflußbar. Die an die Gleichfeldspule GFSP angelegte Gleichspannung baut innerhalb des Jochs ein statisches magnetisches Feld H auf, so daß sich die Permeabilität µ(H) ändert. Da die Induktivi­ täten L1 und L2 der beiden Spulen SP1 und SP2, welche bei­ spielsweise die Geometrie einer langen Zylinderspule aufwei­ sen, auch von der Permeabilität µ(H) abhängen, gilt für die Induktivitäten L1 und L2:

wobei
N = Anzahl der Wicklungen
A = Fläche
l = Länge der Spule.

Für die Schwingungsfrequenz ω des LC-Oszillators gilt:

Die Schwingungsfrequenz ω der beiden gekoppelten LC-Schwingkreise hängt, wie folgt, von der magnetischen Permea­ bilität µ(H) ab:

wobei
C = Kapazität des piezoelektrischen Aktors.

Aus den drei obengenannten Gleichungen (1) bis (3) ist er­ sichtlich, daß mittels eines statischen Magnetfelds, das im Joch über die Gleichfeldspule GFSP eingeprägt wird, die In­ duktivitäten L1 und L2 der beiden Spulen SP1 und SP2 und da­ mit die Schwingungsfrequenz ω der LC-Schwingkreise beein­ flußbar sind.

Dadurch, daß sich die Magnetfelder der beiden Spulen SP1 und SP2 ganz oder bis auf geringe Restfelder kompensieren, wird der magnetische Arbeitspunkt ausschließlich über das Feld der Gleichfeldspule GFSP bestimmt. Dadurch sind die Induktivitä­ ten L1 und L2 der beiden Spulen SP1 und SP2 nur von der Per­ meabilität µ(H) abhängig. Das heißt, die beiden Induktivitä­ ten L1 und L2 sind bis auf kleine Störungen frequenzunabhän­ gig, so daß die Schwingungsfrequenz ω nicht nennenswert modu­ liert wird. Dies hat zur Folge, daß auch beim Anlegen der Gleichspannung an die Gleichfeldspule GFSP das Spannungs­ signal an den Piezoelementen P1 und P2 nahezu ideal sinusför­ mig bleibt.

Die Synchronisiereinheit SYN ist zusätzlich mit der Gleich­ feldspulenansteuerung GSA verbunden.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Permeabilität µ(H) eines typi­ schen Ferritmaterials dargestellt. Auf der Abszisse ist das äußere Magnetfeld H und auf der Ordinate die Permeabilität µ aufgetragen. Im linken Bereich bis zum Maximum der Kurve liegt der ungesättigte Zustand und im rechten Bereich, begin­ nend beim Maximum, liegt der Sättigungsbereich vor. Wie der Kurve zu entnehmen ist, hat die Permeabilität µ im rechten Bereich des Sättigungsbereichs einen nahezu linearen Verlauf. Für den praktischen Einsatz ist die Permeabilität µ etwa um einen Faktor 4 variierbar. Dementsprechend läßt sich die Schwingungsfrequenz w der LC-Schwingkreise und damit der pie­ zoelektrischen Aktoren P1 und P2 um etwa den Faktor 2 (±50%) ändern. Dies ist zur Kompensation von Temperatur- und Alte­ rungseffekten, wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugkompo­ nenten während der Lebensdauer auftreten, völlig ausreichend.

Die beschriebene Ansteuerschaltung für piezoelektrische Stellelemente ist beispielsweise zum Antrieb der Zerstäu­ bereinheiten von Kraftfahrzeugventilen geeignet.

Claims (7)

1. Anordnung zur Ansteuerung eines ersten und eines zweiten piezoelektrischen Aktors,

• - bei der der erste piezoelektrische Aktor (P1) mit einer ersten Induktivität (L1) einen ersten LC-Schwingkreis bil­ det,
• - bei der der zweite piezoelektrische Aktor (P2) mit einer zweiten Induktivität (L2) einen zweiten LC-Schwingkreis bildet,
• - bei der die erste und die zweite Induktivität (L1, L2) miteinander gekoppelt sind,
• - bei der eine dritte Induktivität (L3) vorgesehen ist, die mit der ersten und der zweiten Induktivität (L1, L2) gekop­ pelt ist,
• - bei der eine Synchronisiereinheit (SYN) vorgesehen ist, die eingangsseitig mit der ersten und der zweiten Indukti­ vität (L1, L2) verbunden ist und die ausgangsseitig mit den piezoelektrischen Aktoren (P1, P2) verbunden ist,
• - bei der eine Ansteuereinheit (GSA) zur Ansteuerung der dritten Induktivität (L3) mit einem konstanten Signal vor­ gesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Ansteuereinheit (GSA) einen Eingang zur Vorgabe der Piezoaktorfrequenz aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der zwischen der Synchronisiereinheit (SYN) und den piezoelektrischen Aktoren (P1, P2) jeweils ein Verstärker (V1, V2) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, bei der das konstante Signal eine Gleichspannung ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, bei der die Kopplung der ersten, der zweiten und der drit­ ten Induktivität (L1, L2, L3) über ein ferromagnetisches Material erfolgt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, bei der die Kopplung der ersten, der zweiten und der drit­ ten Induktivität (L1, L2, L3) über ein gemeinsames Joch er­ folgt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, bei der die Synchronisiereinheit (SYN) mit der Ansteuerein­ heit (GSA) verbunden ist.