DE4336535A1

DE4336535A1 - Ansteuerverfahren für Einstellung der Abmessungen eines Piezo

Info

Publication number: DE4336535A1
Application number: DE4336535A
Authority: DE
Inventors: Karl Heinz Bayerle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-26
Filing date: 1993-10-26
Publication date: 1995-04-27

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansteuerverfahren für Einstellung der Abmessungen eines Piezos mit der Aufgabenstellung die üblichen teuren analogen Ansteuerungsverstärker durch eine billigere Ansteuerung zu ersetzen.

Die Aufgabe wird mit Merkmal 1 gelöst, Merkmal 2 ist eine bevorzugte Ausführung des bevorzugten Verfahrens. Die weiteren Merkmale sind Schaltungsvorschläge zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik: es ist üblich über einen analogen Verstärker an einen Piezo eine Steuerspannung anzulegen um dessen Abmessungen zu verändern, z. B. zum Zwecke einer Längenveränderung oder Verbiegung oder Ablenkung einer entsprechenden Piezofläche. Weiters ist üblich die Intensität der Veränderung der Abmessungen des Piezo durch Vorgabe der über den Verstärker eingespeisten Spannung als Sollwert einzustellen.

In vorliegender Erfindung erfolgt diese Einstellung durch an die Piezoelektroden geschaltete Impulse, wobei neben eine Zweipunktsteuerung, bei der lediglich eine Spannungsquelle und eine Spannungssenke alternierend zugeschaltet sind, als Alternative auch eine Dreipunktsteuerung, bei der der Strompfad der Piezoelektroden zusätzlich noch hochohmig geschaltet ist, zur Anwendung kommt. Dies ist dann der Fall, wenn die eingestellten Piezoabmessungen einem bestimmten Wert entsprechen. Steht kein Positionsmelder für die Abmessungen zur Verfügung, dann wird als Istwert die am Piezo anliegende unmittelbare Gleichspannung verwendet, die dann über einem Fensterkomparatorvergleich bei Übereinstimmung mit einem vorgegebenen Sollwert, die hochohmige Abschaltung des Piezostrompfades bewirkt. Geht die Abweichung von Istwert und Sollwert über die Fensterkomparatoreinstellung hinaus, dann erfolgt eine der Abweichung entgegensetzte Impulseinspeisung über die Piezoelektroden durch entsprechende Zuschaltung einer Spannungsquelle oder Spannungssenke. Für die Spannungssenke sind die beiden Alternativen vorgesehen, entweder die beiden Anschlüsse des Piezo lediglich über einen Schutzwiderstand kurzzuschließen oder auch ein gegenüber der Spannungsquelle entgegengesetzt polarisiertes Potential über Schutzwiderstand einzuspeisen. Anstelle der Verwendung von Schutzwiderständen kann auch eine Konstantstromquelle zur Anwendung gelangen. Bei der Verwendung von Schutzwiderständen ist die Verwendung einer besonders hohen Quellenspannung bevorzugt, die vor Erreichen der maximal zulässigen Spannung an den Piezoelektroden vorzeitig abgeschaltet wird. Als Ersatz für die Schutzwiderstände können auch Induktivitäten zur Anwendung gelangen.

Für die bevorzugte Ansteuerung des Piezo durch Impulse wird eine Integration durch die Anschlußkapazität des Piezo bevorzugt. Dadurch ist die an den Elektroden des Piezo auftretende Spannung unmittelbar als Istwertgröße für die Einstellung der Piezospannung ableitbar. Ist die Kapazität des Piezo nicht ausreichend, dann ist eine Vergrößerung durch externe Parallelschaltung an den Elektrodenanschlüssen des Piezo vorgenommen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung:

Die Versorgungsgleichspannung (1) ist über einen Bufferkondensator (2) dem Serienschalter des ersten MOSFETschalters (3) zur Anschaltung an den Piezo (6) über eine Schutzimpedanz (5) als Quellenspannung zugeführt. Ebenso ist als weiterer Serienschalter ein zweiter MOSFETschalter (4) vorgesehen, der die Piezoansachlüsse über die Schutzimpedanz (5) kurzschließt; dieser Kurzschluß entspricht die Zuschaltung einer Senkenspannung, wobei anstelle des Kurzschlusses auch eine der Quellenspannung entgegengesetzt polarisierte Spannung aufgeschaltet werden könnte. Der Einfachheit halber erfolgt die Zuschaltung von Quellenspannung und Senkenspannung über den selben Schutzwiderstand (5).

Die am Piezo auftretende Klemmengleichspannung, die eine den integrierten Impulsen entsprechende Treppenspannung ist, wird mit 2 Komparatoren überwacht: ein Komparator (7) steuert unmittelbar die MOSFETschalter, der zweite Komparator ist ein Fensterkomparator zur Abschaltung beider MOSFETschalter, wenn der Spannungs-ISTWERT am Piezo innerhalb des SOLLWERT-Bereiches liegt.

9 . . . ist eine programmierbare Logikschaltung mit Ansteuerleitungen 10 und 11 für die beiden MOSFETschalter und folgender Verknüpfung der beiden Komparatorausgänge K und F:

3(EIN) = K * !F
4(EIN) = !K * !F

wobei bedeuten:

!K . . . . . . invertierter Zustand des Komparatorausganges K, dito !F für Fensterkomparatorausgang F.

Das Signal K steuert unmittelbar alternierend die beiden MOSFETschalter, die jedoch nur dann leitend werden können, wenn das Fensterkomparatorsignal F nicht erfüllt ist (! . . . steht für Negation und * steht für Koinzidenzverknüpfung). Die Komparatoren sprechen bereits bei einer wesentlich niedrigeren Spannung an, als es der Quellenspannung (1) entspricht, so daß mit einfachem Aufwand, nur mit Widerständen als Schutzimpedanz (5) ein rascher Spannungsanstieg am Piezo erzielt werden kann.

Anstelle der programmierbaren Logikschaltung kann auch ein Mikroprozessor verwendet sein, weiters kann durch mehrere Komparatoren die Impuls-Pauseneinstellung des Impulsmusters abhängig von unterschiedlichen Spannungen am Piezo umgeschaltet werden, oder auch ein A/D-Wandler anstelle der Komparatoren verwendet ist. Als Impulsmuster kann beispielsweise eine Impuls-Pausen oder Puls-Codemodulation zur Anwendung kommen, weiters können die Pausen durch hochohmig Schalten der Spannungseinspeisung erzielt sein, oder auch nur eine einfache Zweipunktumschaltung von Quelle oder Senke, abhängig von Komparatorsignal (7) vorgenommen sein, wobei dann der Fensterkomparator (8) entfällt und die MOSFETschalter nur ein Zeitpunktumschaltung alternierend leitend nicht leitend abhängig vom Ausgang des ersten Komparators (7) vornehmen.

Nachfolgend sind die wichtigsten Merkmale der Erfindung gelistet:

1. Ansteuerverfahren für Einstellung der Abmessungen eines Piezo, dadurch besonders, daß eine Impulsansteuerung verwendet ist, bei der folgende Verfahrensschritte zur Anwendung gelangen: es wird in sich wiederholenden Verfahrensschritten der Piezo mit einem Impulsmuster beaufschlagt, dessen am Piezo auftretender Spannungswert der Einstellung einer gewünschten Abmessung des Piezo über mehrere Integrationsperioden des Impulsmusters entspricht.
2. Ansteuerverfahren nach Merkmal 1, dadurch besonders, daß über die Kapazität des Piezo eine Integration des Impulsmusters erfolgt.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Merkmal 1 oder 2, mit einem Piezo und einer Ansteuerschaltung des Piezo, dadurch besonders, daß der Piezo durch elektronischen Schalter angesteuert ist, welcher das Impulsmuster an die Elektroden des Piezo einspeist.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Merkmal 1 oder 2 mit Schaltungsanordnung nach Merkmal 3, besonders durch eine Tiefpaßschaltung, die zwischen Erzeugerschaltung des Impulsmusters und Piezoelektroden geschaltet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Merkmale 3 oder 4, besonders durch eine Vergrößerung der Kapazität des Piezo durch Parallelschaltung einer externen Kapazität zwischen den Elektroden des Piezo sowie durch einen ohmschen und/oder induktiven Serienwiderstand zwischen Impulserzeugerschaltung und Einspeiseleitung des Piezoanschlusses.
6. Schaltungsanordnung nach Merkmal 4 oder 5, dadurch besonders, daß der Serienwiderstand der Tiefpaßschaltung durch getaktetes Netzteil erzeugt ist.
7. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Merkmal 1 oder 2 oder Schaltungsanordnung nach einem der Merkmale 3 bis 6, dadurch besonders, daß verwendeter elektronischer Schalter nach folgenden Schaltzuständen gesteuert ist:
- a) einem ersten Schaltzustand, in dem die an den Piezoelektroden anstehende Spannung gehalten ist und das Schaltelement sich im gesperrten Zustand befindet,
- b) einem zweiten Schaltzustand, in dem die an den Piezoelektroden anstehende Spannung als Quellenspannung über das Schaltelement zugeschaltet ist und das Schaltelement sich im durchgeschalteten Zustand befindet,
- c) einem dritten Schaltzustand, in dem die an den Piezoelektroden anstehende Spannung als Senke über das Schaltelement abgeleitet ist und das Schaltelement sich im durchgeschalteten Zustand befindet,
- d) einer Steuerschaltung, die die drei Schaltzustände entsprechend einer gewünschten Abmessung des Piezo in alternierend abwechselnder Folge steuert.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Merkmale 3 bis 7, dadurch besonders, daß der Piezo in einen Regelkreis geschaltet ist, dessen Regelgröße eine Impuls-Pauseneinstellung des Impulsmusters mittels Verfahren nach Merkmal 1 vornimmt.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Merkmale 3 bis 7, dadurch besonders, daß der Piezo in einen Regelkreis geschaltet ist, dessen Regelgröße eine Impuls-Codemodulation des Impulsmusters mittels Verfahren nach Merkmal 1 vornimmt.
10. Schaltungsanordnung nach Merkmal 8 oder 9, dadurch besonders, daß die Impulspausen des Impulsmusters durch hochohmiges Abschalten des Schaltelementes erzeugt sind und daß die Impulse polarisiert durch wahlweises Zuschalten einer Spannungsquelle bzw. einer Spannungssenke erzeugt sind.
11. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Merkmal 2 oder Schaltungsanordnung nach Merkmalen 2 bis 5, besonders durch folgende Bemessung:
- Die Quellenspannung mit der das Impulsmuster über elektronischen Schalter auf den Piezo aufgeschaltet ist, ist höher gewählt als die an den Piezo aufgeschaltete maximale Spannung, wobei die Spannungsbegrenzung am Piezo durch vorzeitige Abschaltung der Spannung mittels elektronischen Schalter vorgenommen ist.
12. Schaltungsanordnung nach einem der Merkmale 7 oder 10, dadurch besonders, daß als elektronischer Schalter ein aus zwei MOSFETschaltern bestehender Umschalter verwendet ist, der folgende Strompfade ein - bzw. ausschaltet:
- a) die alternierend zum weiteren MOSFETschalter vorgenommene Anschaltung einer Spannungsquelle an den Piezo durch den ersten MOSFETschalter,
- b) die alternierend zum ersten MOSFETschalter vorgenommene Anschaltung einer Spannungssenke an den Piezo durch den zweiten MOSFETschalter, die gleichzeitige Abschaltung beider MOSFETschalter, wodurch der Strompfad der Piezoanschlüsse hochohmig geschaltet ist.
13. Schaltungsanordnung nach Merkmal 12, dadurch besonders, daß eine logische Steuerschaltung vorgesehen ist, die folgende Steuerfunktionen vornimmt:
- a) es ist eine Komparatorschaltung zur Feststellung der Abweichung der Piezoabmessungen von seinem Sollwert vorgesehen, wobei diese Komparatorschaltung eine der Abweichung entgegenwirkende Steuerfunktion über die wahlweise Quellen- und Senkensteuerung der MOSFETschalter vornimmt,
- b) es ist eine Fensterkomparatorschaltung zur Feststellung der Übereinstimmung der Piezoabmessungen in Relation zu seinem Sollwert vorgesehen, wobei diese Komparatorschaltung bei Übereinstimmung die gleichzeitige Abschaltung beider MOSFETschalter vornimmt.
14. Schaltungsanordnung nach einem der Merkmale 7 bis 13, dadurch besonders, daß der Abschaltzustand des Schaltelementes, in welchem der Strompfad der Piezoanschlüsse hochohmig geschaltet ist, nicht vorgesehen ist und nur eine Zweipunktregelung mit alternativer Zuschaltung von Spannungs-Quelle und Spannungssenke vorgenommen ist.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Merkmale 7 bis 14, dadurch besonders, daß für den Istwert-Sollwertvergleich der einzustellenden Piezoabmessungen sowie für die Erzeugung des zugehörigen Impulsmusters eine Mikroprozessorschaltung oder programmierbare Logikschaltung verwendet ist.
16. Schaltung für Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit Schaltung nach einem der vorhergehenden Merkmale, dadurch besonders, daß eine Takteinspeisung vorgesehen ist, welche das Impulsmuster zur Ansteuerung der Schaltelemente liefert, wobei die Zuschaltung der Taktimpulse die jeweiligen Abweichung der Abmessungen des Piezo ausgleichend erfolgt.

Merkmal 16 entspricht einer Variante, bei beschriebenes Komparatorsignal nicht unmittelbar auf die Schaltsignale der Schaltelemente einwirkt, sondern lediglich als Umschaltsignal für eine Taktsignalein speisung vorgesehen ist. Entsprechend obiger Gleichung für die Logikschaltung der Ansteuerung gilt:

3(EIN) = K * !F- * impuls
4(EIN) = !K * !F * impuls

impuls . . . . ist hiebei die externe Takteinspeisung, wobei die Gleichung für eine Dreipunktansteuerung mit Fensterkomparator gilt und bei einer Zweipunktan steuerung !F entfällt. Eine weitere Variante ist, die Impulsdauer zusätzlich zu den jeweiligen Anschaltzeiten eines Impulsbursts auch noch abhängig vom einem IST-SOLL-Wertvergleich zu verändern.

Der (IST-SOLL-Wertvergleich kann über Komparatorschal tung oder über Mikroprozessor (mit A/D-Wandler am Eingang erfolgen).

Claims

1. Ansteuerverfahren für Einstellung der Abmessungen eines Piezo, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsansteuerung verwendet ist, bei der folgende Verfahrensschritte zur Anwendung gelangen: es wird in sich wiederholenden Verfahrensschritten der Piezo mit einem Impulsmuster beaufschlagt, dessen am Piezo auftretender Spannungswert der Einstellung einer gewünschten Abmessung des Piezo über mehrere Integrationsperioden des Impulsmusters entspricht.

2. Ansteuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Kapazität des Piezo eine Integration des Impulsmusters erfolgt.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Piezo und einer Ansteuerschaltung des Piezo, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo durch elektronischen Schalter angesteuert ist, welcher das Impulsmuster an die Elektroden des Piezo einspeist.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Tiefpaßschaltung, die zwischen Erzeugerschaltung des Impulsmusters und Piezoelektroden geschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Vergrößerung der Kapazität des Piezo durch Parallelschaltung einer externen Kapazität zwischen den Elektroden des Piezo sowie durch einen ohmschen und/oder induktiven Serienwiderstand zwischen Impulserzeugerschaltung und Einspeiseleitung des Piezoanschlusses.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienwiderstand der Tiefpaßschaltung durch getaktetes Netzteil erzeugt ist.

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 oder Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß verwendeter elektronischer Schalter nach folgenden Schaltzuständen gesteuert ist:

a) einem ersten Schaltzustand, in dem die an den Piezoelektroden anstehende Spannung gehalten ist und das Schaltelement sich im gesperrten Zustand befindet,
b) einem zweiten Schaltzustand, in dem die an den Piezoelektroden anstehende Spannung als Quellenspannung über das Schaltelement zugeschaltet ist und das Schaltelement sich im durchgeschalteten Zustand befindet,
c) einem dritten Schaltzustand, in dem die an den Piezoelektroden anstehende Spannung als Senke über das Schaltelement abgeleitet ist und das Schaltelement sich im durchgeschalteten Zustand befindet,
d) einer Steuerschaltung, die die drei Schaltzustände entsprechend einer gewünschten Abmessung des Piezo in alternierend abwechselnder Folge steuert.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo in einen Regelkreis geschaltet ist, dessen Regelgröße eine Impuls-Pauseneinstellung des Impulsmusters mittels Verfahren nach Anspruch 1 vornimmt.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezo in einen Regelkreis geschaltet ist, dessen Regelgröße eine Impuls-Codemodulation des Impulsmusters mittels Verfahren nach Anspruch 1 vornimmt.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulspausen des Impulsmusters durch hochohmiges Abschalten des Schaltelementes erzeugt sind und daß die Impulse polarisiert durch wahlweises Zuschalten einer Spannungsquelle bzw. einer Spannungssenke erzeugt sind.

11. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2 oder Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 2 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Bemessung:

Die Quellenspannung mit der das Impulsmuster über elektronischen Schalter auf den Piezo aufgeschaltet ist, ist höher gewählt als die an den Piezo aufgeschaltete maximale Spannung, wobei die Spannungsbegrenzung am Piezo durch vorzeitige Abschaltung der Spannung mittels elektronischen Schalter vorgenommen ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronischer Schalter ein aus zwei MOSFETschaltern bestehender Umschalter verwendet ist, der folgende Strompfade ein - bzw. ausschaltet:

a) die alternierend zum weiteren MOSFETschalter vorgenommene Anschaltung einer Spannungsquelle an den Piezo durch den ersten MOSFETschalter,
b) die alternierend zum ersten MOSFETschalter vorgenommene Anschaltung einer Spannungssenke an den Piezo durch den zweiten MOSFETschalter,
c) die gleichzeitige Abschaltung beider MOSFETschalter, wodurch der Strompfad der Piezoanschlüsse hochohmig geschaltet ist.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine logische Steuerschaltung vorgesehen ist, die folgende Steuerfunktionen vornimmt:

a) es ist eine Komparatorschaltung zur Feststellung der Abweichung der Piezoabmessungen von seinem Sollwert vorgesehen, wobei diese Komparatorschaltung eine der Abweichung entgegenwirkende Steuerfunktion über die wahlweise Quellen- und Senkensteuerung der MOSFETschalter vornimmt,
b) es ist eine Fensterkomparatorschaltung zur Feststellung der Übereinstimmung der Piezoabmessungen in Relation zu seinem Sollwert vorgesehen, wobei diese Komparatorschaltung bei Übereinstimmung die gleichzeitige Abschaltung beider MOSFETschalter vornimmt.

14. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschaltzustand des Schaltelementes, in welchem der Strompfad der Piezoanschlüsse hochohmig geschaltet ist, nicht vorgesehen ist und nur eine Zweipunktregelung mit alternativer Zuschaltung von Spannungs-Quelle und Spannungssenke vorgenommen ist.

15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß für den Istwert-Sollwertvergleich der einzustellenden Piezoabmessungen sowie für die Erzeugung des zugehörigen Impulsmusters eine Mikroprozessorschaltung oder programmierbare Logikschaltung verwendet ist.

16. Schaltung für Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 mit Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Takteinspeisung vorgesehen ist, welche das Impulsmuster zur Ansteuerung der Schaltelemente liefert, wobei die Zuschaltung der Taktimpulse die jeweiligen Abweichung der Abmessungen des Piezo ausgleichend erfolgt.