DE19653666A1

DE19653666A1 - Verfahren zum schnellen Ansteuern kapazitiver Lasten

Info

Publication number: DE19653666A1
Application number: DE19653666A
Authority: DE
Inventors: Roland Prof Dr Ing Kasper; Joachim Dipl Ing Heinrich; Wolfgang Dr Ing Heinemann
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-07-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen Ansteuern kapazitiver Lasten mittels schnellen Auf- und Entladen dieser kapazitiver Lasten entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die schnelle Ansteuerung piezoelektrischer Aktoren.

Es ist bekannt kapazitive Lasten aus einer Gleichspannungsquelle mittels Aufwärts- bzw. Abwärtsregler mit einer im Regler einstellbaren Lastspannung anzusteuern.

Derartige Regler erzeugen aus einer Spannung am Eingang des Reglers durch hochfrequentes Ansteuern eines Schaltelementes eine höhere bzw. niedrigere Spannung am Ausgang, deren Wert durch Verändern des Tastverhältnisses und/oder der Frequenz des Schaltsignals eingestellt werden kann. Der prinzipielle Aufbau derartiger Regler ist z. B. in SEIFERT, M. Analoge Schaltungen; Verlag Technik Berlin, 1988 beschrieben.

Es ist weiterhin bekannt, daß piezoelektrische Aktoren elektrische Ladung in mechanische Dehnung (Aktorhub) umsetzen können. Elektrisch können sie annähernd als kapazitive Last betrachtet werden. Je nach Bauart des Piezoaktors und je nach mechanischer Belastung können mechanische Zeitkonstanten von wenigen Millisekunden erreicht werden. Voraussetzung dafür ist eine Ansteuerschaltung, die das Auf- und Entladen des Piezoaktors genügend schnell ermöglicht. Ein energieökonomisches Ansteuern eines Piezoaktors ist dabei nur möglich, wenn die nicht für die mechanische Bewegung des Aktors benötigte Ladung beim Entladen des Aktors zwischengespeichert und für die Aufladung wieder genutzt werden kann.

Derzeit verfügbare Piezoaktoren haben je nach Bauart Nennspannungen von 60 Volt bis zu mehreren hundert Volt. Vielen Anwendern steht aber nur eine Gleichspannungsquelle mit Spannungen unter 30 Volt zur Verfügung (z. B. Kfz-Bereich, Geräte mit Batterieversorgung).

Aus DE 32 45 353 ist ein Schaltregler bekannt, der mittels einer Transistorschaltung bei bestimmtem Laststrom das Schaltelement des Reglers ein- bzw. ausschaltet. Der obere und untere Schaltpunkt wird durch die eingesetzten Widerstände bestimmt. Diese sind so dimensioniert, daß der Sättigungsbereich der Trafowicklungen nicht erreicht wird. Dadurch steigt der Wirkungsgrad des Schaltreglers. Die Widerstände müssen genau auf die Parameter der Trafowicklungen und die gewünschte Lastspannung abgestimmt sein und sind nicht veränderbar.

Um kapazitive Lasten mittels Schaltregler energieökonomisch und schnell auf- und entladen zu können, muß ebenfalls der Betrieb im Sättigungsbereich vermieden werden. Beim schrittweisen Auf- bzw. Entladen auf eine gegenüber der Eingangsgleichspannung höhere Lastspannung entsprechend der Schaltungsbeschreibung, ändert sich der Stromfluß bei jedem Schritt. Das erfordert die jeweilige Neuberechnung der Stromwerte für die Abschaltpunkte.

Damit eine Lastspannung im Frequenzbereich von mehreren Kilohertz erzeugt werden kann, müssen die Auf- und Entladeschritte innerhalb von wenigen Mikrosekunden erfolgen. In dieser Zeit müssen die neuen Stromwerte für den oberen bzw. unteren Abschaltpunkt berechnet werden, was nur durch digitale Regler auf der Basis festverdrahteter Logik zu realisieren ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein energieökonomisch arbeitendes Verfahren zum schnellen Ansteuern kapazitiver Lasten zu schaffen, das auch mit Spannungsquellen betreibbar ist, deren Ausgangsspannung unterhalb der für die kapazitive Last geltenden Nennspannung liegt. Unter schnellem Ansteuern sollen dabei Spannungsverläufe an der kapazitiven Last im Frequenzbereich von einigen Kilohertz verstanden werden.

Als Spezialfall dieser Aufgabenstellung soll das Verfahren insbesondere auch für Spannungsquellen geeignet sein, die als Ausgangsspannung eine Gleichspannung unter 30 Volt liefern, wie die z. B. für Kfz-Batterien üblich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst.

Das erfindungsgemäße Ansteuerverfahren ermöglicht es, eine kapazitive Last aus einer Spannungsquelle mit niedriger Spannung über den Aufwärtsregler bis auf eine höhere Spannung aufzuladen, bei einem Piezoaktor als Last bis auf seine max. Nennspannung, und über den Abwärtsregler wieder zu entladen. Die Ladung wird in einem Speicherkondensator zwischengespeichert. Zur Realisierung hochfrequenter Ansteuerungen sind die elektronischen Schalter des Aufwärtsreglers und des Abwärtsreglers jeweils als MOS-Leistungstransistoren ausgebildet. Die Ansteuerung dieser beiden Schalttransistoren erfolgt durch einen schnellen digitalen Regler, der mittels ASIC oder FPGA realisiert werden kann, in Abhängigkeit der gemessenen Werte für Laststrom und Lastspannung sowie des Sollwertes für die Lastspannung, der z. B. aus der übergeordneten Lageregelung bei Piezoanwendungen resultieren kann. Damit können beliebige Spannungsverläufe an der kapazitiven Last bzw. beliebige Stellbewegungen eines Piezoaktors mit Frequenzen bis zu einigen Kilohertz energieökonomisch erzeugt werden.

Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Lösung wird einschließlich ihrer Funktionsweise anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan einer Ansteuerschaltung für einen Piezo-Aktor

Fig. 2 ein Schema für die Beschaltung des digitalen Reglers.

Die gesamte Schaltung gliedert sich in vier funktionelle Teile:

1. Zwischenspeicher und Strommessung
2. Aufwärtsregler
3. Abwärtsregler
4. digitaler Regler.

Gemäß Fig. 1 wird als Zwischenspeicher ein Speicherkondensator C verwendet, der die von der Last zurückfließende Ladung aufnimmt und gemeinsam mit der Diode D verhindert, daß Strom in die Spannungsquelle zurückfließt. Über dem Widerstand R_mes fällt eine dem Laststrom proportionale Spannung ab, die als Strom-Istwert dem (in Fig. 1 nicht dargestellten) digitalen Regler zugeführt wird. Die Strommessung kann auch über ein anderes Sensorprinzip durchgeführt werden.

Der Aufwärtsregler besteht aus der Drossel L_A, dem Transistor T_A und der Diode D_A. Seine Eingangsspannung ist die an der Kathode der Diode D anliegende Spannung vermindert um die über dem Meßwiderstand R_mes abfallende, dem Laststrom proportionale Spannung U_IP. Bei eingeschaltetem Transistor T_A steigt der Drosselstrom durch L_A näherungsweise linear an. Bei Erreichen eines oberen Strom-Schwellwertes wird T_A gesperrt. Der Schwellwert wird im digitalen Regler berechnet und ist neben den Schaltungsparametern abhängig von der Differenz zwischen dem Sollwert U_Soll und dem Istwert der Lastspannung U_L. Je kleiner die Differenz, desto kleiner wird der Strom-Schwellwert. Die in der Sperrphase entgegengesetzt gepolte Drosselspannung schaltet die Diode D_A ein und liefert einen Strom an die Last. Erreicht der in die Last hineinfließende Strom einen unteren Schwellwert, schaltet der Transistor T_A wieder ein. Der Schaltvorgang wird solange wiederholt, bis der Spannungs-Sollwert erreicht ist.

Der Abwärtsregler besteht aus der Drossel L_E, dem Transistor T_E und der Diode D_E. Bei eingeschaltetem Transistor T_E fließt ein Strom aus der Last in die Drossel L_E. Dieser Strom wird mit einem oberen Schwellwert verglichen, der wiederum von den Schaltungsparametern sowie der Differenz von Soll- und Istwert der Lastspannung (U_Soll und U_L) abhängig ist. Bei Erreichen dieses Schwellwertes wird T_E gesperrt. Die in der Drossel L_E gespeicherte Energie wird nach Sperren des Transistors T_E über die Diode D_E in den Speicherkondensator C abgegeben. Erreicht der Stromfluß in den Speicherkondensator einen unteren Schwellwert, schaltet der Transistor T_E wieder ein. Der Schaltvorgang wird mit immer kleiner werdenden Strom-Sollwerten wiederholt, bis die Lastspannung U_L den eingestellten Sollwert erreicht hat.

Das für die Auf- und Abwärtsregelung notwendige Reglerkonzept wird als flexibel programmierbare, aber festverdrahtete Logik auf einem ASIC oder FPGA realisiert. Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Regler verarbeitet die Istwerte von Laststrom und -spannung sowie den Spannungssollwert U_Soll. Entsprechend den daraus berechneten Strom-Schwellwerten erzeugt er die Schaltsignale A bzw. E für den Transistor T_A bzw. T_E. Nur durch die festverdrahtete Logik können die erforderlichen Abtastraten von wenigen Mikrosekunden erreicht werden. Im realisierten Funktionsmuster wurde ein FPGA-Schaltkreis der Firma XILINX verwendet, der unter der Bezeichnung LCA (Logic Cell Array) geführt wird.

Claims

1. Verfahren zum schnellen Ansteuern kapazitiver Lasten aus einer Gleichspannungsquelle, deren Spannung unter der Nennspannung der kapazitiven Last liegt, mittels schnellem Auf- und Entladen mit hochfrequenten Spannungsverläufen unter Verwendung von je einem auf die kapazitive Last arbeitenden Aufwärts- und Abwärtsregler mit je einem elektronischen Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter von einem digitalen Regler in Abhängigkeit von den Ist-Werten der Lastspannung und des Laststromes sowie von einem Sollwert für die Lastspannung angesteuert werden.

2. Verfahren zum schnellen Ansteuern kapazitiver Lasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Aufladen der kapazitiven Last durch Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters des Aufwärtsreglers (T_A) bis zum Erreichen eines oberen Sollwertes für die Lastspannung U_Lo erfolgt, wobei das Einschalten bei Stromfluß durch einen Meßwiderstand (R_mes) gleich einem ersten unteren Strom-Schwellwert und das Ausschalten bei Erreichen eines aus der Induktivität einer Drossel (L_A) des Aufwärtsreglers und der Kapazität der kapazitiven Last (C_Last), den Ist-Werten von Lastspannung U_L und dem durch den Meßwiderstand (R_mes) fließenden Meßstrom U_IP sowie dem Sollwert der Lastspannung berechneten ersten oberen Strom-Schwellwertes geschieht, und
- das Entladen der kapazitiven Last durch Ein- und Ausschalten des elektronischen Schalters des Abwärtsreglers (T_E) bis zum Erreichen eines unteren Sollwertes für die Lastspannung U_Lu erfolgt, wobei das Einschalten bei Stromfluß durch den Meßwiderstand (R_mes) gleich einem zweiten unteren Strom-Schwellwert und das Ausschalten bei Erreichen eines aus der Induktivität einer Drossel (L_E) des Abwärtsreglers, der Kapazität eines Speicherkondensators (C) und der Kapazität der kapazitiven Last (C_Last), den Ist-Werten von Lastspannung U_L und dem durch den Meßwiderstand (R_mes) fließenden Meßstrom U_IP sowie dem Sollwert der Lastspannung berechneten zweiten oberen Strom-Schwellwertes geschieht.

3. Verfahren zum schnellen Ansteuern kapazitiver Lasten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als kapazitive Last ein piezoelektrischer Aktor fungiert, dessen mechanische Dehnung mit der Lastspannung beeinflußt werden kann.

4. Verfahren zum schnellen Ansteuern kapazitiver Lasten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (T_A) des Aufwärtsreglers und der elektronische Schalter (T_E) des Abwärtsreglers zur Realisierung hochfrequenter Ansteuerungen jeweils als MOS-Leistungstransistoren ausgebildet ist.

5. Verfahren zum schnellen Ansteuern kapazitiver Lasten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Regler zur Realisierung hochfrequenter Ansteuerungen des elektronischen Schalters (T_A) des Aufwärtsreglers und des elektronischen Schalter (T_E) des Abwärtsreglers und zur Realisierung der damit benötigten Abtastraten im Mikrosekundenbereich als festverdrahtete Logik, z. B. auf der Basis von ASIC's oder FPGA's ausgebildet ist.