DE19529667C2 - 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 EP-0 426 042 A1 beschreibt eine Ansteuerelektronik für einen Vibrations- oder Ultraschallmotor, dessen Vibrator ein ringförmiges Piezoelement enthält. Auf der Oberfläche des Piezoelements befinden sich zwei Elektroden, die jeweils über eine Induktivität und einen Verstärker mit einem der beiden Ausgänge eines von einem Signalgenerator angesteuerten Pha­ senschiebers verbunden sind. Eine Auswerteelektronik mißt die Phasenverschiebung zwischen den am Eingang und am Ausgang ei­ ner der beiden Induktivitäten abgegriffenen Signalen. Da eine den Wert der gemessenen Phasenverschiebung repräsentierende Spannung am Eingang des Signalgenerators anliegt, wird dieser veranlaßt, die die Drehzahl des Motors bestimmende Frequenz des dem Piezoelement zugeführten Ansteuersignals entsprechend zu ändern.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur An­ steuerung zweier piezoelektrischer Aktoren mit Signalen, de­ ren Frequenz sich in einfacher Weise einstellen und/oder än­ dern läßt. Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiter­ bildungen der Anordnung gemäß Patentanspruch 1.

Die Erfindung ermöglicht es, die beispielsweise in piezoelek­ trisch angetriebenen Einspritzventilen oder Zerstäubereinhei­ ten auftretenden Temperatur- und Alterungseffekte elektro­ nisch zu kompensieren. Dies verbessert die Dosiergenauigkeit bzw. die Zerstäubereigenschaften und verlängert die Verwend­ barkeit der jeweiligen Komponente.

Die Erfindung wird anhand der beiden Fig. näher erläutert, wobei

Fig. 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Anord­ nung und

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

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 Ansteuereinheit (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 ω 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 (6)

1. Anordnung zur Ansteuerung eines ersten und eines zweiten piezoelektrischen Aktors, wobei die Anordnung die folgenden Merkmale aufweist:

• - eine erste Induktivität (L1) bildet mit dem ersten piezo­ elektrischen Aktor (P1) einen ersten LC-Schwingkreis,
• - eine zweite Induktivität (L2) bildet mit dem zweiten piezo­ elektrischen Aktor (P2) einen zweiten LC-Schwingkreis,
• - eine dritte Induktivität (L3) ist über ein gemeinsames Joch mit der ersten und mit der zweiten Induktivität (L1, L2) ma­ gnetisch gekoppelt,
• - eine Synchronisiereinheit (SYN) ist eingangsseitig mit der ersten und zweiten Induktivität (L1, L2) und ausgangsseitig mit den piezoelektrischen Aktoren (P1, P2) verbunden und
• - eine Ansteuereinheit (GSA) speist einen konstanten Strom in die dritte Induktivität (L3) ein.

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

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Synchronisiereinheit (SYN) und den piezo­ elektrischen Aktoren (P1, P2) jeweils ein Verstärker (V1, V2) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Induktivität (L1, L2) magnetisch an­ tiparallel geschaltet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch aus einem ferromagnetischen Material besteht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisiereinheit (SYN) mit der Ansteuereinheit (GSA) verbunden ist.