DE19944249A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

Abstract

Beim Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes mit einer Ladespannung, die an einer Reihenschaltung eines auf eine vorgegebene Spannung aufgeladenen Ladekondensators und eines Umladekondensators liegt, wird bei Betriebsbeginn und in Ansteuerpausen, also in entladenem Zustand des wenigstens einen Stellgliedes, die Spannung am Umladekondensator mittels einer Konstantstromquelle oder einer invertierenden Ladungspumpe auf einen vorgegebenen Sollwert gebracht und auf diesem bis zum nächsten Ansteuervorgang gehalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes, insbesondere eines piezoelek­ trisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils einer Brenn­ kraftmaschine, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Er­ findung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung die­ ses Verfahrens.

Um einen möglichst konstanten Hub auszuführen, wird ein kapa­ zitives Stellglied, beispielsweise ein Piezoaktor, mit einem vorgegebenen Energiebetrag oder einer anderen, dem Hub zuge­ ordneten Führungsgröße, wie beispielsweise Ladung oder Span­ nung, geladen.

Aus DE 197 23 932 ist bekannt, ein kapazitives Stellglied mit einer an einer Reihenschaltung aus einem Ladekondensator C1, der dauerhaft mit einer regelbaren Energiequelle verbunden ist, und einem Umladekondensator C2 liegenden Ladespannung U_S = U_C1 + U_C2 zu laden und in den Umladekondensator C2 zu entladen. Nach dem Ende des Entladevorgangs wird der Ladekon­ densator C1 auf eine Spannung U_C1 nachgeregelt, die der Dif­ ferenz U_S - U_C2 entspricht.

Bei Betriebsbeginn ist der Umladekondensator in der Regel entladen. Zwischen den Ansteuervorgängen, bei Kraftstoffein­ spritzventilen in den Einspritzpausen, die beispielsweise im Schiebebetrieb eines Kraftfahrzeugs länger dauern können, wird der Umladekondensator durch Leckströme (Kriechströme in­ folge Verschmutzung in Kabelbäumen, oder hervorgerufen durch hochohmige Spannungsteiler oder durch verlustbehaftete Schal­ telemente) langsam entladen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, wel­ ches in der Lage ist, den Umladekondensator bei Betriebsbe­ ginn aufzuladen und dessen langsame Entladung zwischen den Ansteuervorgängen zu kompensieren und dafür zu sorgen, daß jede Ansteuerung des Stellgliedes nach einer noch so langen Pause mit der vollen Soll-Ladespannung erfolgt. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Vorrichtung zur Durchführung die­ ses Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Danach wird der Umladekondensator C2 bei Betriebsbeginn vor der ersten Stellgliedladung aufge­ laden und in den Ansteuerpausen, d. h., nach Entladung des Stellgliedes und vor einer erneuten Aufladung desselben, ständig nachgeladen, so daß bei jeder Ansteuerung die volle Sollspannung zur Verfügung steht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird durch die in den Ansprüchen 2, 3 und 6 genannten Merkmale ge­ löst.

Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zei­ gen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt zunächst im wesentlichen eine aus DE 196 32 837 A1, Fig. 3, bekannte Schaltung zum Ansteuern wenigstens ei­ nes nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine über je ein piezoelektrisches Stellglied P mittels einer Steuerschaltung ST, die Teil eines weiter nicht dargestellten mikroprozessor-gesteuerten Motorsteuergerätes ist.

Zwischen dem Pluspol + (Punkt c) und dem Minuspol GND einer geregelten Spannungsquelle SNT, vorzugsweise eines Schalt­ netzteils, ist ein Ladekondensator C1 angeschlossen, der von der Spannungsquelle auf eine von der Steuerschaltung ST vor­ gegebene Spannung U1 aufgeladen wird. Parallel zum Ladekon­ densator C1 ist eine Reihenschaltung aus einem mit dem Plus­ pol + verbundenen Ladeschalter S1 und einem mit dem Minuspol GND verbundenen Entladeschalter S2 angeordnet. Zwischen den beiden Schaltern S1 und S2 sind zwei in Richtung vom Pluspol + zum Minuspol GND stromleitende Sperrdioden D1 und D2 einge­ fügt. Der Verbindungspunkt beider Sperrdioden ist mit "a" be­ zeichnet.

Wenn von Schaltern die Rede ist, handelt es sich um elektro­ nische, aus wenigstens einem Halbleiterelement bestehende Schalter, beispielsweise Thyristorschalter oder MOSFET- Schalter, die von der Steuerschaltung ST angesteuert werden.

Zwischen dem Verbindungspunkt a und dem Masseanschluß GND liegt eine Reihenschaltung aus einem mit dem Verbindungspunkt a Verbundenen Umladekondensators C2, einer Umladespule L und eines Kurzschlußschalters S3. Parallel zum Kurzschlußschalter S3 ist ein kapazitives Stellglied P in Reihe mit einem Aus­ wahlschalter T_A angeordnet. Der Verbindungspunkt zwischen dem Umladekondensator C2 und der Umladespule L ist mit "b" be­ zeichnet.

Parallel zur Reihenschaltung aus Stellglied P und Auswahl­ schalter T_A können weitere gleichartige Reihenschaltungen aus je einem Stellglied und einem ihm zugeordneten Auswahlschal­ ter angeordnet sein, was hier nur durch einen strichlierten Pfeil angedeutet ist.

Der Auswahlschalter T_A ist als Power-MOSFET-Schalter darge­ stellt. MOSFET's enthalten üblicherweise Inversdioden, wie hier dargestellt.

Sämtliche dargestellten Schalter werden von der Steuerschal­ tung ST, abhängig von Eingangssignalen E des nicht darge­ stellten Motorsteuergerätes, betätigt.

Bei Ladebeginn werden von der Steuerschaltung ST der Auswahl­ schalter T_A des zu ladenden Stellgliedes und der Ladeschalter S1 leitend gesteuert. Dadurch entlädt sich die an der Reihen­ schaltung aus C1 und C2 liegende Ladespannung U_L = U1 + U2 während einer kompletten Sinushalbschwingung über die Um­ schwingspule L in das ausgewählte Stellglied P und dieses öffnet das nicht dargestellte Einspritzventil. Die Spannungs­ quelle - das Schaltnetzteil SNT - ist fest mit dem Ladekon­ densator C1 verbunden, so daß auch sie Energie in den Um­ schwingkreis einspeist. Nach dem Umschwingen wird der Lade­ schalter S1 nichtleitend, das Stellglied P bleibt geladen.

Zum Entladen des Stellgliedes wird der Entladeschalter S2 leitend gesteuert. Der Entladestromkreis schließt sich über den Power-MOSFET-Schalters T_A (oder, wenn dieser nichtleitend ist, über dessen Inversdiode). Die im Stellglied gespeicherte Energie schwingt, wenigstens teilweise, über die Umschwings­ pule L in den Kondensator C2 zurück und kann für den folgen­ den Zyklus genutzt werden, wozu die Spannung U1 + U2 wieder auf einen vorgegebenen Wert U_L erhöht wird, wie aus der be­ reits genannten DE 196 32 837 A1 bekannt.

Da elektronische Schalter im nichtleitenden Zustand keinen unendlich großen Widerstand aufweisen, fließen Leckströme, welche den Umladekondensator C2 insbesondere während längerer Einspritzpausen, in denen das Stellglied entladen ist, lang­ sam entladen können, sodaß beim nächsten Ansteuervorgang das ausgewählte Stellglied nicht mehr mit der vollen Sollspannung geladen werden kann.

Um dies zu vermeiden, ist in einem ersten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, in Fig. 1 mit "A)" bezeichnet, vom Punkt c zum Punkt b eine Reihenschaltung eines von der Steuerschal­ tung ST angesteuerten Nachladeschalters S4 und einer über ihn einschaltbaren Konstantstromquelle Q eingefügt. Beri Be­ triebsbeginn (vor der ersten Stellgliedaufladung) und in An­ steuerpausen, wobei alle vorhandenen Stellglieder entladen sind, und Punkt b auf Massepotential liegt (Punkt a liegt bei laufendem Betrieb auf negativem Potential), werden von der Steuerschaltung ST der Entladeschalter S2 und der Nachlade­ schalter S4 synchron ein- und ausgeschaltet (gepulst, wie in dem Signalverlauf s angedeutet). Dabei wird während jedes Pulses das Potential des Punktes a auf Massepotential angeho­ ben (Punkt b erhält positives Potential) und der Umladekon­ densator C2 während jedes Pulses immer weiter bis auf eine Spannung U2 aufgeladen, die nicht größer als die Spannung U1 werden kann. Die Spannung am Schaltnetzteil SNT wird dabei sinnvollerweise so eingestellt, daß U1 = U2. Damit ist die Summe U1 + U2 beider Spannungen, die der Ladespannung UL ent­ spricht: U_L = U1 + U2 = 2 . U1. Die Ausgangsspannung U1 der Spannungsquelle SNT wird dann jeweils auf den Wert U1 = UL/2 eingestellt.

Da beim Nachladen des Umladekondensators C2 infolge des nicht idealen Auswahlschalters T_A auch das Stellglied P bis zu ei­ nem gewissen Grad mitgeladen wird, ist vorgesehen, invers zu der gepulsten, synchronen Betätigung des Nachladeschalters S4 und des Entladeschalters S2 den Kurzschlußschalter S3 zu be­ tätigen. Dadurch wird in den Impulspausen, in denen der Umla­ dekondensator C2 nicht nachgeladen wird, das Stellglied wie­ der von der durch Leckströme verursachten Aufladung befreit. Infolge der Wirkung der Sperrdioden D1 und D2 findet im lei­ tenden Zustand des Kurzschlußschalters S3 keine Entladung des Umladekondensators C2 statt, da über ihn kein Strom fließen kann.

Der Vorteil der Verwendung einer Konstantstromquelle ist, daß auch bei einem Kurzschluß im Stellglied oder in der übrigen Schaltung kein höherer Strom über die Schalter fließt, als der eingestellte Konstantstrom.

Eine einfachere Lösung ist, in Fig. 1 unter "b" strichliert dargestellt, statt der Konstantstromquelle Q einen einfachen Widerstand R in Reihe mit einem Nachladeschalter S4' und ei­ ner Sperrdiode D3 zu verwenden. Dabei ergibt sich eine vom Ladezustand des Umladekondensators C2 abhängige Stromstärke der Strompulse, die jedoch bei einem Kurzschluß eskaliert und Schäden in der Schaltung verursachen kann.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt, wobei Elemente, die mit solchen nach Fig. 1 identisch sind, glei­ che Bezugszeichen aufweisen. Die auch hier erforderliche Steuerschaltung ST, wie in Fig. 1 gezeigt, ist in Fig. 2 der Einfachheit halber jedoch weggelassen.

Der Unterschied zur Schaltung nach Fig. 1 ist, daß anstelle der Reihenschaltung des Nachladeschalters S4 bzw. S4' und der Konstantstromquelle Q (Ausführung A) oder des Widerstandes R (Ausführung B) hier eine Reihenschaltung eines Nachladeschal­ ters S4 und einer invertierenden Ladungspumpe LP (oder eines invertierenden Schaltreglers) zum Einsatz kommt, die zwischen dem Punkt a und Massepotential GND angeordnet ist.

Invertierende Schaltregler und Ladungspumpen sind an sich be­ kannt, letztere beispielsweise aus MAXIM Ingeneering Journal, Ausgabe 24, weshalb sie hier nicht ausführlich beschrieben zu werden brauchen. Sie erzeugen am Punkt a gegenüber dem auch am Punkt b anliegenden Bezugspotential GND ein negatives Po­ tential, wobei die Potentialdifferenz der am Umladekondensa­ tor C2 anliegenden Spannung U2 entspricht.

Laden und entladen des Stellgliedes erfolgt bei diesem Aus­ führungsbeispiel, wie bereits beschrieben. Nach dem Entladen des Stellgliedes P liegt Punkt b auf Massepotential GND und Punkt a auf einem negativen Potential, bei Betriebsbeginn liegen beide Punkte a und b auf Massepotential. Um beim Nach­ laden des Umladekondensators C2 auf eine vorgegebene Spannung U2 nicht jedesmal eine Anhebung der Potentiale an den Punkten a und b zu erzeugen, wie bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1, wird hier die invertierende Ladungspumpe LP bei Be­ triebsbegfinn und in Ansteuerpausen, in welchen alle vorhan­ denen Stellglieder entladen sind, durch den Nachladeschalter S4 eingeschaltet. Sie regelt das Potential am Punkt a (wel­ ches negativ wird) so ein, daß am Umladekondensator C2 die gewünschte Spannung U2 anliegt.

Damit der Nachladestrom für den Umladekondensator C2 nicht über das Stellglied P fließt und dieses dabei auflädt, wird synchron mit dem Nachladeschalter S4 der Kurzschlußschalter S3 leitend und nichtleitend geschaltet.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es sinnvoll, die Sollspannung U2 am Umladekondensator C2 bzw. die Regelspan­ nung an der invertierenden Ladungspumpe gleich der Spannung U1 am Ladekondensator C1 zu machen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes (P) mit einem vorgebbaren Sollwert einer La­ despannung (U_L), insbesondere zum Betätigen eines Kraftstof­ feinspritzventils einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betriebsbeginn vor der ersten Stellgliedansteuerung, und in Ansteuerpausen, also in entladenem Zustand des wenig­ stens einen Stellgliedes (P), die Ladespannung (U_L) auf den vorgebbaren Sollwert gebracht und auf diesem bis zum nächsten Ansteuervorgang gehalten wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit wenigstens einem kapazitiven Stellglied (P), welches aus einer Reihenschaltung eines Ladekondensators (C1), der zwischen Pluspol (Uc1) und Minuspol (GND) einer re­ gelbaren Spannungsquelle (SNT) liegt, eines Ladeschalters (S1), eines Umladekondensators (C2) und einer Umladespule (L) geladen wird, und über die Umladespule (L) und einen mit dem Bezugspotential (GND) verbundenen Entladeschalter (S2) in den Umladekondensator (C2) entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Reihenschaltung aus Ladeschalter (S1) und Umladekondensator (C2) eine Reihenschaltung eines Nachlade­ schalters (S4) und einer Konstantstromquelle (Q) angeordnet ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit wenigstens einem kapazitiven Stellglied (P), welches aus einer Reihenschaltung eines Ladekondensators (C1), der zwischen Pluspol (Uc1) und Minuspol (GND) einer re­ gelbaren Spannungsquelle (SNT) liegt, eines Ladeschalters (S1) und eines Umladekondensators (C2) geladen wird, und in den Umladekondensator (C2) über eine Umladespule (L) und ei­ nen mit dem Bezugspotential (GND) verbundenen Entladeschalter (S2) entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Reihenschaltung aus Ladeschalter (S1) und Umladekondensator (C2) eine Reihenschaltung eines Nachlade­ schalters (S4'), eines Widerstandes R und einer zum Umlade­ kondensator (C2) hin stromleitenden Sperrdiode (D3) angeord­ net ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß bei Betriebsbeginn vor der ersten Stellgliedansteue­ rung und in den Ansteuerpausen durch synchrone, gepulste An­ steuerung des Nachladeschalters (S4, S4') und des Entlade­ schalters (S2) der Umladekondensator (C2) auf eine Sollspan­ nung (U2) geladen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß invers zur synchronen, gepulsten Ansteuerung des Nachladeschalters (S4, S4') und des Entladeschalters (S2) ein parallel zum Stellglied angeordneter Kurzschlußschalter (S3) betätigt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit wenigstens einem kapazitiven Stellglied (P), welches aus einer Reihenschaltung eines Ladekondensators (C1), der zwischen Pluspol (Uc1) und Minuspol (GND) einer re­ gelbaren Spannungsquelle (SNT) liegt, eines Ladeschalters (S1) und eines Umladekondensators (C2) geladen wird, und in den Umladekondensator (C2) über eine Umladespule (L) und ei­ nen mit dem Bezugspotential (GND) verbundenen Entladeschalter (S2) entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Entladeschalter (S2) eine Reihenschaltung eines Nachladeschalters (S4) und einer invertierenden La­ dungspumpe (LP) oder eines invertierenden Schaltreglers ange­ ordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betriebsbeginn vor der ersten Stellgliedansteuerung und in den Ansteuerpausen durch Ansteuerung des Entladeschalters (S2) der Umladekondensator (C2) von der Ladungspumpe (LP) oder dem Schaltregler auf eine Sollspannung (U2) geladen wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollspannung (U2) des gelade­ nen Umladekondensators (C2) gleich der Spannung (U1) am Lade­ kondensator (C1) ist.