DE19902413C1

DE19902413C1 - Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelektrischen Stellantriebes

Info

Publication number: DE19902413C1
Application number: DE19902413A
Authority: DE
Inventors: Peter Jaenker
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2000-05-31
Anticipated expiration: 2019-01-23
Also published as: US6340858B1; JP2000214929A

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Stellantrieb zu schaffen, dessen Stellweg unabhängig von Umgebungsbedingungen und piezoelektrischen Instabilitäten ist. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine selbsttätige Ermittlung von Stellgrößen und zugehörigen Stellpositionen aus einer Erfassung des/der Anschlagzeitpunkte t¶1¶, t¶2¶ an dem/den Anschlag/Anschlägen (9) erfolgt, wozu die Änderung der elektrischen Kapazität des Piezostapels (3) beim Anstoßen des Aktuatorabtriebes (4) an dem/den Anschlag/Anschlägen (9) von der Ansteuerelektronik meßtechnisch erfaßt wird. DOLLAR A Die Erfindung findet Anwendung bei der Kalibrierung von piezoelektrischen Stellantrieben, bestehend aus einer Ansteuerelektronik, einem piezoelektrischen Aktuator und mindestens einem Anschlag.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelek trischen Stellantriebes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 43 03 125 C1 ist ein piezoelektrischer Stellantrieb bekannt, der eine Ansteuerelektronik und einen piezoelektrischen Aktuator aufweist. Die dort offenbarte Erfindung will eine Schaltungsanordnung schaffen, bei der die Verknüpfung der Stellbewegung mit der elektrischen Spannung so verbessert ist, dass insbesondere Hystereseeinflüsse abgebaut sind. Hierzu wird vor gesehen, einen zweiten Stellantrieb anzuordnen, dessen Ausgangssignal linear mit der Stellbewegung des ersten Stellantriebs verknüpft ist.

Wenn sich für piezoelektrische Stellantriebe Umgebungsbedingungen wie die Temperatur oder die mechanische Last ändern und Instabilitätseffekte der piezoelektrischen Keramik infolge von Alterung zum Tragen kommen, ist das präzise Funktionieren hubauflösender piezoelektrischer Stellan triebe beeinträchtigt. Dieses trifft sowohl für gesteuerte als auch für geregelte Systeme mit einer Rückführung eines Stellwegsignales zu. Für piezoelek trisch gesteuerte Ventile hoher Präzision, insbesondere für Kraftstoffein spritzventile in der Kraftfahrzeugtechnik, ist eine präzise Funktion der Stell antriebe von erheblicher technischer und wirtschaftlicher Bedeutung.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Stellantrieb zu schaffen, dessen Stellweg unabhängig von Umgebungsbedingungen und piezoelektrischen Instabilitäten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patent ansprüche 1 und 6 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorgeschlagen wird zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ein Verfahren zur Selbstkalibrierung des piezoelektrischen Stellantriebes unter der vor teilhaften Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes. Diese Kalibrierung kann nach Bedarf oder zyklisch durchgeführt werden. Das erfindungsge mäße Verfahren läßt sich ohne zusätzliche Bauteile mit einem üblichen Stellantrieb, bestehend aus einer Ansteuerelektronik, einem Aktuator und zwei Anschlägen, durchführen.

Die erfindungsgemäße Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes beruht darauf, daß der piezoelektrische Effekt mechanische und elektrische Eigenschaften koppelt. Eine Änderung von mechanischen Randbedingun gen - wie z. B. im Extremfall ein Klemmen des piezoelektrischen Aktuators beim Anstoßen an einen starren Anschlag oder im anderen Extremfall eine ungehinderte Längenveränderung des Aktuators - wirken sich auf der elektrischen Seite derart aus, daß die elektrische Kapazität C_B des Piezo stapels im Aktuator im Fall des Klemmens geringer ist als die elek trische Kapazität C_F im Fall einer freien Lagerung des Piezostapels. Für die vorgenannten Extreme gilt der Zusammenhang C_B = C_F(1 - k²) mit dem Materialkennwert k, auch Kopplungsfaktor genannt, der typischer weise den Wert von 0,65 aufweist. Zwischen diesen beiden Extremfällen ändert sich die elektrische Kapazität des Piezostapels kontinuierlich mit dem Grad der Bewegungshinderung, die auf den Piezostapel ausgeübt wird.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen piezoelektrischen Aktuator mit zwei Anschlägen und

Fig. 2 zeitliche Signalverläufe für ein selbsttätiges Kalibrierverfahren für diesen Aktuator.

Der in Fig. 1 gezeigte piezoelektrische Aktuator 1 besteht aus einem Trägerrahmen 2, in dem ein Piezostapel 3 einseitig gelagert ist. Der Aktuatorabtrieb 4 ist als ein Balken ausgebildet, der zwischen dem freien Ende 5 des Piezostapels 3 und einem dazu versetzten Schneidenlager 6 gelenkig gelagert und von einer Druckfeder 7 in diesem Lager gehalten wird. Das Schneidenlager 6 ist in dem Trägerrahmen 2 starr aufgenommen.

Eine Längenveränderung des Piezostapels führt zu einer Steilbewegung des Aktuatorabtriebes 4 im Sinne des Richtungspfeiles 8. Diese Stellbe wegung ist durch zwei starre Anschläge 9 begrenzt.

Abweichend von dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbei spiel kann der Aktuator zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch andere, dem Fachmann bekannte Ausgestaltungen aufweisen; z. B. Biegeformen, Piezostapel-Aktuatoren mit hydraulischer oder mechanischer Hubübersetzung.

Auch kann das erfindungsgemäße Verfahren, wie weiter unten beschrie ben, abweichend von dem vorangehend beschriebenen Aktuator auf einen Aktuator mit nur einem Anschlag Anwendung finden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand der in Fig. 2 gezeigten Signalverläufe beschrieben. Im Ausführungsbeispiel wird der Piezostapel 3 mit der elektrischen Spannung U als physikalischer Steuer größe angesteuert. Es kann aber auch anstelle der Spannung U die elek trische Ladung Q als physikalische Steuergröße benutzt werden, wie weiter unten beschrieben ist. Mit der elektrischen Ladung Q als Steuer größe kann die bei piezoelektrischen Elementen auftretende dielektrische Hysterese vermieden werden. Eine weitere Alternative für das erfindungs gemäße Verfahren besteht in der meßtechnischen Auswertung von Ladungsimpulsen, die beim Anfahren an die Anschläge entstehen.

Beide Alternativen zu der Spannungsansteuerung sind weiter unten beschrieben.

Die elektrische Spannung U zur Ansteuerung des Piezostapel 3 ist als eine Rampenfunktion 10 ausgebildet. Diese Rampenfunktion 10 wird erfindungsgemäß von einem hochfrequenten, sinusförmigen Spannungs signal 11 überlagert, das dem folgenden funktionalen Zusammenhang genügt:

U_S(t) = U₀ sin(ωt)

mit U₀ << Maximum von U_R und 1/ω << Anstiegszeit von U_R.

Der zeitliche Verlauf des elektrischen Stromes durch den so mit der elektrischen Spannung U angesteuerten Aktuator wird gemessen und in einem Bandpaßfilter mit schmaler Bandbreite um die Meßfrequenz ω gefiltert. Das ergibt für den elektrischen Strom I ein Meßsignal 12 der Form:

I_S(t) = ωC(t)U₀.

mit C(t) = veränderbare elektrische Kapazität des piezoelektrischen Elementes, hervorgerufen durch die sich im zeitlichen Ablauf des Aktu atorbetriebes durch die Anschläge ändernden mechanischen Freiheits grade.

Stößt der Balken des Aktuators 1 mit seinem freien Ende zum Zeit punkt t₁ an einen der Anschläge 9, so verringert sich der gemessene Strom I_S(t), da die elektrische Kapazität C(t) des Piezostapels 3 auf grund des piezoelektrischen Effektes im blockierten Fall wie eingangs beschrieben gegenüber einer geringeren Bewegungshinderung kleiner wird.

Erfindungsgemäß wird über den aus dem Meßsignal 12 ermittelbaren Zeitpunkt t₁ für den Sprung im Meßsignal 12 die Steilposition X₁ des ersten Anschlages 9 detektiert. Diese Detektion erfolgt dadurch, daß die Änderung der Amplitude des Meßstromes mit einer Komparator schaltung oder einem anderen geeigneten Auswerteverfahren ermittelt wird.

Zur Kalibrierung wird die Steuergröße U₁ = U_R(t₁) zum ermittelten Zeitpunkt t₁ der detektierten Stellposition X₁ des ersten Anschlages zuge ordnet. Am zweiten Anschlag 9 tritt zum Zeitpunkt t₂ ebenfalls ein Sprung des Meßsignales 12 auf und die Steuergröße U₂ = U_R(t₂) wird der aus dem gemessenen Zeitpunkt t₂ detektierten Stellposition X₂ zugeordnet.

Zur Kalibrierung von Steilpositionen zwischen den Anschlägen 9 kann die physikalische Funktion x(U) mathematisch interpoliert werden, sofern sie bekannt ist. Im einfachsten Fall ist dies eine lineare Interpolation.

Wird der Piezostapel 3 mit der elektrischen Ladung Q angesteuert, so erfolgt diese Ansteuerung mit einem niederfrequenten, sinusförmigen Ver lauf. Diesem Ladungsverlauf wird eine hochfrequente Komponente

Q_S(t) = Q₀ sin(ωt)

der elektrischen Ladung Q überlagert. Ändert sich aufgrund der mecha nischen Rahmenbedingungen für den Piezostapel 3 - frei oder an den Anschlägen 9 blockiert - die elektrische Kapazität des Piezostapels, dann ändert sich die elektrische Spannung über dem Piezoaktuator. Der zeitliche Verlauf der elektrischen Spannung wird entsprechend der vorangehend beschriebenen Ausführungsvariante mit einem elektro nischen Bandpaßfilter um die Meßfrequenz ω gefiltert und dient derart gefiltert als Meßsignal der Form

U_S(t) = Q₀ C(t) sin(ωt)

für die Bestimmung der an den Anschlägen auftretenden Sprungszeit punkte t₁ und t₂. Aus diesen Zeitpunkten lassen sich die Anschlag positionen X₁ und X₂ detektieren und die zugehörigen Steuergrößen Q₁ = Q_S(t₁) und Q₂ = Q_S(t₂) ableiten und zur Kalibrierung heran ziehen.

Wenn abweichend von den vorangehend beschriebenen Ausführungs beispielen nur ein Anschlag für die erfindungsgemäße Lösung verwen det wird, dann ist zwar keine Interpolation zur Kalibrierung der Zwischenpositionen möglich, es kann aber über ein Extrapolationsver fahren eine erhebliche Verbesserung der Positioniergenauigkeit zur Ansteuerung der Zwischen- und der nicht kontrollierten Anschlagspo sition erreicht werden. Dazu wird der zu kontrollierende Anschlag nach den vorangehenden beschriebenen Verfahren unter Verwendung der elektrischen Spannung U oder der elektrischen Ladung Q als physika lischer Steuergröße ermittelt und für eine Nullpunktkorrektur in der elektrischen Ansteuerung zur Hubsteuerung des Aktuators benutzt.

Die Anschlagerkennung kann aber auch über eine Auswertung von Ladungsimpulsen erfolgen. Wird der spannungs- oder ladungsgesteu erte Aktuator dynamisch zwischen seinen beiden Anschlagpositionen verfahren, so ist beim Auftreffen des Balkens 4 an den Anschlägen 9 aufgrund der plötzlichen Krafteinwirkung auf den Piezostapel 3 ein elektrischer Ladungsimpuls feststellbar. Die Zeitpunkte t₁ und t₂ für das Anschlagen können ermittelt werden, indem die Ladungsimpulse mit dem zeitlich wohl definierten elektrischen Ansteuersignal korreliert werden. Die Kalibrierung erfolgt wie bei den vorangehend beschrie benen Verfahren über eine Detektion der Anschlagpositionen X₁ und X₂ und eine Ableitung der zugehörigen Steuerfunktionswerte U₁ und U₂ oder bei einer Ladungsansteuerung Q₁ und Q₂.

Claims

1. Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelektrischen Stellantriebes bestehend aus einer Ansteuerelektronik, einem piezoelektrischen Aktu ator und mindestens einem Anschlag, dadurch gekennzeichnet, daß eine selbsttätige Ermittlung von Stellgrößen und zugehörigen Stellpositionen aus einer Erfassung des/der Anschlagzeitpunkte t₁, t₂ an dem/den Anschlag/ Anschlägen (9) erfolgt, wozu die Änderung der elektrischen Kapazität des Piezostapels (3) beim Anstoßen des Aktuatorabtriebes (4) an dem /den Anschlag/Anschlägen (9) von der Ansteuerelektronik meßtechnisch erfaßt wird.

2. Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelektrischen Stellantriebes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezostapel (3) mit einer Rampenfunktion (10) der elektrischen Spannung U_R angesteuert wird, daß die Rampenfunktion (10) von einem hochfrequenten, sinusförmigen Span nungssignal U_S(t) (11) überlagert wird und daß als Meßsignal (12) für die Ermittlung des /der Anschlagzeitpunkte t₁, t₂ der mit einem Bandpaßfilter um die Frequenz ω des Signales U_S(t) ausgefilterte Stromverlauf I_S(t) über den Piezostapel (3) dient.

3. Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelektrischen Stellantriebes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezostapel (3) mit einer niederfrequenten Sinusfunktion der elektrischen Ladung Q angesteuert wird, daß die niederfrequente Sinusfunktion von einem hochfrequenten, sinus förmigen Ladungssignal Q_S(t) überlagert wird und daß als Meßsignal für die Ermittlung der Anschlagzeitpunkte t₁, t₂ der mit einem Bandpaßfilter um die Frequenz ω des Signales Q_S(t) ausgefilterte Spannungsverlauf U_S(t) über den Piezostapel (3) dient.

4. Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelektrischen Stellantriebes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellweg des Aktuators (1) beidseitig von je einem Anschlag (9) begrenzt ist und daß nach erfolgter Kalibrierung der Anschlagpositionen eine Kalibrierung für Zwischenpositionen über eine mathematische Inter polation mit einer bekannten Stellfunktion x(U) oder x(Q) erfolgt.

5. Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelektrischen Stellantriebes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellweg des Aktuators (1) einseitig von einem Anschlag (9) begrenzt ist und daß nach erfolgter Kalibrierung der Anschlagposition mittels eines Extrapolationsverfahrens die Genauigkeit der Ansteuerung von anderen Stellpositionen verbessert wird, wobei die kalibrierte Anschlagposition zu einer Nullpunktkorrektur für die Extrapolation herangezogen wird.

6. Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelektrischen Stellantriebes, bestehend aus einer Ansteuerelektronik, einem piezoelektrischen Aktu ator und mindestens einem Anschlag, dadurch gekennzeichnet, daß eine selbsttätige Ermittlung von Stellgrößen und zugehörigen Steilpositionen aus einer Erfassung des/der Anschlagzeitpunkte t₁, t₂ an dem/den Anschlag/Anschlägen (9) erfolgt, wozu das Auftreten von elektrischen Ladungsim pulsen am Piezostapels (3) des Aktuators (1) beim Anstoßen des Aktu atorabtriebes (4) an dem/den Anschlag/Anschlägen (9) von der Ansteuerelektronik meßtechnisch erfaßt wird.

7. Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelektrischen Stellantriebes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Anschlagzeit punkte t₁, t₂ durch eine Korrelation der gemessenen Ladungsimpulse mit dem zeitlich wohl definierten Ansteuersignal erfolgt.

8. Verfahren zur Kalibrierung eines piezoelektrischen Stellantriebes nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung nach Bedarf oder zyklisch durchgeführt wird.