DE19734895C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern wenig­ stens eines kapazitiven Stellgliedes, insbesondere für Kraft­ stoffeinspritzventile einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung.
Aus JP 3-199650 A (Patent Abstracts of Japan M-1183, 25. November 1991, Bd. 15, Nr. 463) ist eine Schaltung zum An­ steuern eines kapazitiven Stellgliedes mittels einer Steuer­ schaltung bekannt, die eine Spannungsquelle zur Erzeugung ei­ ner Hochspannung, einen Kondensator, eine Ladespule, eine Entladespule sowie einen Ladeschalter und einen Entladeschal­ ter aufweist. Werden infolge von Störsignalen Ladeschalter und Entladeschalter gleichzeitig leitend gesteuert, wird die Schaltung von der Spannungsquelle getrennt.
Aus DE 36 21 541 A1 ist eine Vorrichtung zum Ansteuern kapa­ zitiver Stellglieder mit einem von einer Spannungsquelle auf­ ladbaren Kondensator, einer Lade- und einer Entladespule be­ kannt. Die an den kapazitiven Stellgliedern erreichbare Span­ nung UP ist auf einen Wert UP < 2UB kleiner als die doppelte Ausgangsspannung UB der Spannungsquelle begrenzt.
Für eine Hochspannungsversorgung kapazitiver Stellglieder für Kraftstoffeinspritzventile einer Kraftfahrzeug-Brennkraftma­ schine mit UP ≈ 15UB ist diese Schaltung nicht geeignet. Hö­ here Spannungen sind bekannterweise mittels Schaltnetzteilen (SNT) erzeugbar.
Aufgrund der Abmessungen der Spulen des Schaltnetzteils SNT (Transformator), der Ladespule und der Entladespule sowie de­ ren Gewicht entstehen Probleme bei deren Unterbringung in ei­ nem fahrzeugspezifischen Gehäuse.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Abmessungen und Gewicht einer Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stell­ gliedes so zu reduzieren, daß diese ohne Komplikationen in ein fahrzeugspezifisches Gehäuse paßt.
Aufgabe der Erfindung ist auch, ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der An­ sprüche 1 (Vorrichtung) und 3 (Verfahren) gelöst.
Durch eine Verkoppelung des Schaltnetzteils mit der Schalt­ endstufe wird die Funktion von Lade- und Entladespule durch die Sekundärspule LS des Schaltnetzteil-Transformators T übernommen. Die große und schwere Ladespule (oder Entladespu­ le) kann dadurch eingespart werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: die Schaltung des Ausführungsbeispiels, und
Fig. 2: ein Flußdiagramm über den Ablauf des erfindungsgemä­ ßen Ansteuerverfahrens.
Fig. 1 zeigt die Schaltung eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung zum Ansteuern von weiter nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzventilen einer Kraftfahrzeug-Brennkraftma­ schine über kapazitive (piezokeramische) Stellglieder Px (x = 1 bis n) mittels einer nicht näher ausgeführten Steuerschaltung ST, die Teil eines als Kasten angedeuteten, mikroprozes­ sorgesteuerten Motorsteuergerätes ECU ist.
An den Anschlüssen +B und GND einer Bordspannungsquelle B, die eine Batteriespannung von beispielsweise 12 V liefert, liegt eine Reihenschaltung der Primärspule LP eines Transfor­ mators T und eines elektronischen Schalters T1, vorzugsweise eines PMOS-Transistors, welcher von der Steuerschaltung ST angesteuert wird. Transformator T und Ladeschalter T1 sind Teil eines Schaltnetzteils SNT, welches nicht näher ausge­ führt, sondern nur durch einen strichlierten Kasten angedeu­ tet ist. Dieses Schaltnetzteil SNT arbeitet nach dem Sperr­ wandler-Prinzip.
Die Sekundärspule LS des Transformators T ist mit ihrem er­ sten Anschluß über einen Kondensator C mit dem Minuspol GND der Spannungsquelle B und mit ihrem zweiten Anschluß mit den einen Anschlüssen parallelliegender kapazitiver Stellglieder Px verbunden. Jeder andere Anschluß der kapazitiven Stell­ glieder Px (P1 bis Pn) ist über zwei jeweils nur in einer Richtung stromleitende, elektronische Schalter T3x und T4x mit dem Minuspol GND der Spannungsquelle B verbunden, wobei der jeweils eine Schalter T3x als Ladeschalter dient und vom jeweiligen Stellglied Px zum Minuspol GND leitend steuerbar ist, und der jeweils andere Schalter T4x als Entladeschalter dient und vom Minuspol GND zum jeweiligen Stellglied Px lei­ tend steuerbar ist.
Zwischen dem zweiten Anschluß der Sekundärspule LS und dem Minuspol GND ist eine Reihenschaltung einer Abkommutie­ rungsspule LA und eines zum Minuspol GND hin stromleitend steuerbaren elektronischen Abkommutierungsschalters T2 und parallel zu dieser Reihenschaltung eine Diode D, welche in Richtung vom Minuspol GND zum zweiten Anschluß der Sekundär­ spule LS stromleitend ist, angeordnet.
Vorzugsweise sind der Abkommutierungsschalter T2, die Lade­ schalter T3x und die Entladeschalter T4x Thyristorschalter, die beim Stromnulldurchgang (wenn der durch sie fließende Strom sein Vorzeichen wechselt) von selbst verlöschen.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Betreiben der beschriebe­ nen Ansteuerschaltung anhand der Zeichnung erläutert.
Ausgehend von einem eingeschwungenen Zustand, in welchem alle Schalter T1, T2, T3x und T4x nichtleitend sind, der Transfor­ mator T stromlos ist, die kapazitiven Stellglieder Px (P1 bis Pn) entladen und der Kondensator C etwa halb geladen ist, wird zum Aufladen des Kondensators C der Ladeschalter T1 nach dem Sperrwandlerprinzip getaktet angesteuert (T1 = 1; I in Fig. 2).
Es fließt ein Ladestrom IL (Fig. 1) von der Sekundärspule LS durch den Kondensator C und die Diode D zurück in die Sekun­ därspule LS.
Hat die Kondensatorspannung UC einen vorgegebenen Sollwert UCsoll erreicht (Fig. 2, II), wird Ladeschalter T1 deakti­ viert (Fig. 2; III). Der Kondensator C ist damit beispiels­ weise auf eine Spannung UCsoll aufgeladen.
Zum Aufladen eines vollständig entladenen Kondensators C (nach längeren Betriebspausen) muß Ladeschalter T1 erforder­ lichenfalls längere Zeit getaktet angesteuert werden, um den Kondensator C auf den Sollwert UCsoll aufzuladen.
Soll nun beispielsweise Stellglied P1 angesteuert werden, wo­ zu der Steuerschaltung ST ein Steuersignal st (st = 1; Fig. 2, IV) zugeführt wird, so wird Ladeschalter T31 gezündet (Fig. 2; V). Es fließt nun ein Ladestrom IP von dem als Spannungsquelle dienenden Kondensator C über die Sekundärspu­ le LS, die jetzt als Ladespule arbeitet, in das Stellglied P1, und von diesem über den leitenden Ladeschalter T31 zurück zum Kondensator C. Das Kraftstoffeinspritzventil wird geöff­ net.
Sobald die Stellgliedspannung UP einen vorgegebenen Sollwert UPsoll erreicht hat, wird Abkommutierungsschalter T2 gezündet (Fig. 2; VI). Dadurch wird Ladeschalter T31 sofort nichtlei­ tend (der Thyristor erlischt und geht in den Sperrzustand über), da der Ladestrom durch das Stellglied null wird und über die Abkommutierungsspule LA und den Abkommutierungs­ schalter T2 in den Kondensator C umgeleitet wird; wenn er zu null wird, verlischt Abkommutierungsschalter T2 von selbst.
Der Abkommutierungszweig ermöglicht einerseits eine einfache Spannungszumessung für das jeweilige Stellglied und anderer­ seits eine negative Aufladung des Kondensators C (negative Vorspannung). Durch die negative Vorspannung des Kondensators C wird eine vollständige Entladung der Stellglieder gewähr­ leistet.
Damit ist der Ladevorgang des Stellgliedes P1 beendet und das Stellglied bleibt solange geladen, bis das Steuersignal st endet (st = 0; Fig. 2, VIII).
Zum Entladen des Stellgliedes P1 wird Entladeschalter T41 ge­ zündet(Fig. 2; IX), wodurch ein Entladestrom vom Stellglied P1 über die jetzt als Entladespule arbeitende Sekundärspule LS in den Kondensator C fließt. Der Stromkreis schließt sich vom Kondesator C über den Entladeschalter T41 zum Stellglied P1.
Ist das Stellglied P1 entladen (UP = 0 V), so übernimmt die Diode D den noch fließenden Strom. Sinkt dieser unter den Wert des Haltestromes des Entladeschalters T41, so verlischt dieser und geht in den Sperrzustend über; das Stellglied ist entladen (Up = 0) und der Ansteuervorgang damit beendet.
Der nächste Ansteuervorgang desselben Stellgliedes P1 oder eines anderen Stellgliedes P2 bis Pn erfolgt auf die gleiche Weise, wie für das Stellglied P1 beschrieben.
Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens werden der Steuerschaltung ST neben dem Steuersignal st die Kondensator­ spannung UC, die Stellgliedspannung UP und die Nummer x = 1 . . . n für das Stellglied Px des zu betätigenden Kraftstoffe­ inspritzventils zugeführt. Mit diesen und anderen, nicht er­ wähnten Daten, wie beispielsweise Motordrehzahl, Kurbelwel­ lenstellung, Last (oder Fahrpedalstellung) etc., berechnet die Steuerschaltung ST die Ein- und Ausschaltsignale für den Ladeschalter T1 bzw. die Steuersignale st zum Zünden des Schalters T2, der Ladeschalter T3x und der Entladeschalter T4x in der oben angegebenen Weise.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes (Px; x = 1 bis n), insbesondere für wenigstens ein Kraftstoffeinspritzventil einer Brennkraftmaschine, mit­ tels einer Steuerschaltung (ST) zugeführter Signale (st, UC, UP, x), mit einer Anordnung zur Erzeugung einer Hochspannung aus einer Gleichspannungsquelle (B), mit einem Kondensator (C), einer Ladespule, einer Entladespule, und mit wenigstens einem Ladeschalter (T3x) und einem Entladeschalter (T4x), dadurch gekennzeichnet,
daß die Anordnung zur Erzeugung einer Hochspannung ein ei­ nen Transformator (T) enthaltendes Schaltnetzteil (SNT) ist,
daß die Primärspule (LP) des Transformators (T) in Reihen­ schaltung mit einem elektronischen Schalter (T1) an den An­ schlüssen (+B, GND) der Gleichspannungsquelle (B) liegt,
daß die Sekundärspule (LS) des Transformators (T) mit ihrem ersten Anschluß über den Kondensator (C) mit dem Minuspol (GND) der Spannungsquelle (B) und mit ihrem zweiten Anschluß mit den einen Anschlüssen der parallellgeschalteten kapaziti­ ven Stellglieder (Px) verbunden ist,
daß die Sekundärspule (Ls) des Transformators (T) die Funk­ tion sowohl der Lade- als auch der Entladespule übernimmt,
daß der andere Anschluß jedes Stellgliedes (Px) mit dem Mi­ nuspol (GND) über einen nur in Richtung zum Minuspol (GND) hin stromleitenden Ladeschalter (T3x) verbunden ist,
daß dem Ladeschalter (T3x) ein in Richtung vom Minuspol (GND) weg stromleitender Entladeschalter (T4x) parallelge­ schaltet ist,
daß zwischen dem zweiten Anschluß der Sekundärspule (LS) und dem Minuspol (GND) eine Reihenschaltung einer Abkommutie­ rungsspule (LA) und eines zum Minuspol (GND) hin stromleiten­ den Schalters (T2) angeordnet ist, und
daß parallel zu dieser Reihenschaltung eine in Richtung vom Minuspol (GND) weg stromleitende Diode (D) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeschalter (T1) ein PMOS-Transistor ist.
3. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerschaltung (ST) abhängig von Steuersignalen (st), von der Spannung (UC) des Kondensators (C), von der Stellgliedspannung (UP) und der Nummer (x) des anzusteuernden Stellgliedes (Px) die Schalter T1, T2, T3x und T4x in der Weise betätigt,
daß zum Aufladen des Kondensators (C) der Schalter (T1) so­ lange getaktet angesteuert wird, bis die Kondensatorspannung (UC) einen vorgegebenen Sollwert (UCsoll) erreicht,
daß zum Ansteuern eines Stellgliedes (Px) ein Steuersignal (st) der Steuerschaltung (ST) zugeführt wird, welche darauf­ hin den dem Stellglied (Px) zugeordneten Ladeschalter (T3x) zündet, um das Stellglied (Px) aus dem Kondensator (C) über die als Ladespule arbeitende Sekundärspule (LS) aufzuladen, bis die Stellgliedspannung (UP) einen vorgegebenen Sollwert (UPsoll) erreicht hat,
daß beim Erreichen des Sollwertes (UPsoll) der Abkommutie­ rungsschalter (T2) gezündet wird, wodurch der Ladeschalter (T3x) nichtleitend wird, das Stellglied (Px) geladen bleibt und der Kondensator (C) negativ vorgespannt wird, worauf der Abkommutierungsschalter (T2) erlischt, und
daß zum Entladen des Stellgliedes (Px) am Ende des Steuer­ signals (st) der dem Stellglied (Px) zugeordnete Entlade­ schalter (T4x) gezündet wird, wodurch das Stellglied (Px) über die als Entladespule arbeitende Sekundärspule (LS) in den Kondensator (C) entladen wird, mit x = 1 . . . n.
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