DE60023796T2

DE60023796T2 - Anordnung und Steuerschaltung eines piezoelektrisches Antriebs

Info

Publication number: DE60023796T2
Application number: DE60023796T
Authority: DE
Inventors: Guillermo Ballesteros; Eugenio Macua
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2020-07-01
Also published as: EP1067608B1; DE60023796D1; FR2796219B1; FR2796219A1; EP1067608A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung eines piezoelektrischen Aktuators, der elektronisch gesteuert wird, und genauer einen Kraftstoffeinspritzer mit piezoelektrischer Stufe, der durch den elektronischen Einspritzungsrechner des Verbrennungsmotors gesteuert wird, in einem Kraftfahrzeug, und ein Verfahren zur Umsetzung dieser Steuervorrichtung.
Gegenwärtig wird die Einspritzung von Benzin oder Diesel in die Zylinder eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug durch Einspritzdüsen mit piezoelektrischer Keramik an den Anschlüssen sichergestellt, deren Spannung man variieren lässt, um ihre Dicke zwischen zwei Extrempositionen zu modifizieren, was das Öffnen und Schließen der Düse zur Folge hat. Die piezoelektrische Keramik ist äquivalent zu einer Kapazität, die klassischerweise mit einer Induktivität verbunden wird, um eine oszillierende Schaltung zu bilden.
Die 1 ist eine elektronische Zeichnung einer Steuervorrichtung einer piezoelektrischen Keramik 1, die zu einer Kapazität C äquivalent ist und mit einer ersten Induktivität 1 verbunden ist, um eine oszillierende Ladungsschaltung der Keramik zu realisieren, mit dem Doppelten der Versorgungsspannung U_s, die von einem Spannungswandler 2 mit Gleichstrom DC-DC geliefert wird, welcher selber durch eine Niederspannung U_b der Batterie gespeist wird, in der Größenordnung von 12V. Ein Transistor T₁₀ vom Typ N-Kanal Mosfet wird in Reihe mit einer Diode D₁₀ geschaltet, zwischen den Wandler 2 und den Anschluss der Induktivität L₁, die der Keramik gegenüberliegt. Der Transistor T₁₀ wird Form von alles-oder-nichts z.B. durch den Einspritzungsrechner 3 gesteuert. Wenn der Transistor T₁₀ als durchlässig geschaltet wird, lädt sich die piezoelektrische Keramik 1 im oszillierenden Modus. Die Spannung U an ihren Anschlüssen ist also sinusförmig und nimmt ein Maximum an, das gleich dem Doppelten der Spannung U_s am Ausgang des Wandlers ist. Wenn diese maximale Spannung an den Anschlüssen der Keramik erreicht ist, wird der Strom, der sie durchfließt, 0 und die Diode D₁₀ blockiert. Der Transistor T₁₀ wird also in die Blockierung gesteuert. Die Spannung an den Anschlüssen der Keramik bleibt konstant.
Das Entladen der piezoelektrischen Keramik wird über eine zweite oszillierende Schaltung gemacht, die aus der Keramik und einer zweiten Induktivität L₂ besteht, die mit der Masse verbunden ist. Ein zweiter Transistor T₂₀ vom Typ Mosfet wird in Reihe mit der Diode D₂₀ zwischen die Keramik 1 und die Induktivität L₂ geschaltet. Wenn der Transistor T₂₀ auf durchlässig gesteuert wird, entlädt sich die Kapazität der Keramik unter einem oszillierenden Modus über die Diode D₂₀ und die Induktivität L₂. Wenn der Strom in der Kapazität 0 wird, blockiert die Diode D₂₀ und der Transistor T₂ wird auf Blockierung gesteuert. Die piezoelektrische Keramik bleibt dann mit einer negativen Spannung geladen, die gleich dem Doppelten der Eingangsspannung ist. Eine solche Steuervorrichtung mit piezoelektrischer Keramik wird in der japanischen Patentanmeldung JP 6153538 beschrieben, die auf den Namen Toyota eingereicht wurde.
Diese derzeitige Konzeption einer Steuervorrichtung weist als Hauptnachteil die Annullierung der Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik am Ende des Entladezyklus aus, aus Gründen mechanischer Verluste in der Düse und Widerstandsverlusten der elektrischen Schaltung. Dies bringt zwei Probleme mit sich: einerseits wird nicht die gesamte Energie wieder gewonnen und andererseits bringt das Vorhandensein einer negativen Ladung am Ende des Entladungszyklus ein schlechtes Funktionieren des Keramikeinspritzers mit sich.
Um diesen Nachteilen abzuhelfen wird die oszillierende Entladeschaltung der Kapazität der piezoelektrischen Keramik nicht mehr mit der Masse des Spannungswandlers verbunden, sondern mit seinem Eingang, um die Annullierung der Spannung an den Anschlüssen der Keramik und die vollständige Wiedergewinnung der Energie sicherzustellen.
Dafür ist die Aufgabe der Erfindung eine Steuervorrichtung eines Aktuators mit piezoelektrischer Keramik, elektronisch gesteuert durch ein logisches Signal, umfassend einen Gleichspannungswandler, der mit Niederspannung versorgt wird, eine Schaltung zur Ladung der piezoelektrischen Keramik, die aus einer Induktivität besteht und eine oszillierende Schaltung mit der Kapazität der Keramik realisiert, in Serie mit einem Schalter und einer Diode, dadurch gekennzeichnet, dass:

– die Entladeschaltung der piezoelektrischen Keramik aus einer Induktivität besteht, die eine zweite oszillierende Schaltung realisiert, deren Eingangsspannung gleich der Eingangsspannung des Spannungswandlers ist, über einen zweiten Schalter, der einer zweiten Diode zugeordnet ist, in Reihe mit der Induktivität und durchlässig in der Richtung des Entladestroms, und dadurch, dass sie aufweist:
– erste Mittel zum Halten der Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik auf einen Nullwert beim Entladen und zur Annullierung des Stroms in der Induktivität, und
– zweite Mittel zur Blockierung der Ladung des piezoelektrischen Elements durch Ableitströme der Schalter nach ihrer Entladung (Anspruch 1).

Gemäß einer weiteren Eigenschaft der Erfindung besteht die Entladeschaltung aus derselben Induktivität, welche eine zweite oszillierende Schaltung realisiert, deren Eingangsspannung gleich der Eingangsspannung des Spannungswandlers ist, über einen zweiten Schalter, der einer zweiten Diode zugeordnet ist, in Reihe mit der Induktivität und durchlässig in der Richtung des Entladestroms.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Aktuators mit piezoelektrischer Keramik durch diese Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das logische Signal, das die Schalter der Vorrichtung steuert, durch eine Steuerschaltung gesendet wird, die einen Befehl vom Steuerrechner des Aktuators erhält, so dass die Steuervorrichtung entweder mit offenem Kreis oder mit geschlossenen Kreis arbeitet, um eine vollständige Ladung der Keramik sicherzustellen.
Gemäß einer weiteren Eigenschaft steuert das Verfahren den Aktuator im Modus der Regelung der Ausgangsspannung des Spannungswandlers in Abhängigkeit der Schwankungen der Eigenschaften der piezoelektrischen Keramik.
Gemäß einer weiteren Eigenschaft steuert das Verfahren den Aktuator gleichzeitig im Modus der Regelung der Ausgangsspannung des Wandlers in Abhängigkeit der Eigenschaften der piezoelektrischen Keramik und darüber hinaus mit geschlossenem Kreis, um eine vollständige Ladung dieser Keramik sicherzustellen.
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der Beschreibung der zwei Versionen einer Steuervorrichtung eines piezoelektrischen Aktuators offensichtlich werden, illustriert durch die vorliegenden Figuren, die, über die bereits beschriebene 1 hinaus, welche eine Vorrichtung der früheren Technik beschreibt, sind:
2 eine erste Variante der Steuervorrichtung einer piezoelektrischen Keramik in offenem Kreis, gemäß der Erfindung;
3 eine zweite Variante der Steuervorrichtung einer piezoelektrischen Keramik, mit offenem Kreis, gemäß der Erfindung;
4 eine Zeichnung, die zu einer Ladeschaltung der piezoelektrischen Keramik äquivalent ist, gemäß der Erfindung;
5 eine Zeichnung, die zu der Entladeschaltung der piezoelektrischen Keramik gemäß der Erfindung äquivalent ist;
6 eine Zeichnung, die zur Schaltung der Annullierung des Stroms in der Induktivität der Vorrichtung gemäß der Erfindung äquivalent ist;
7 und 9 drei verschiedene Funktionsmodi der Steuervorrichtung einer piezoelektrischen Keramik im Modus des Regelns, gemäß der Erfindung;
10 die Kurven der Intensität des Stroms und der Spannung bei der Ladung und dann bei der Entladung einer piezoelektrischen Keramik gemäß der Erfindung.
Die Elemente, die dieselben Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren tragen, erfüllen dieselben Funktionen im Hinblick auf dieselben Ergebnisse.
Wie das elektronische Schaltbild der 2 zeigt, umfasst die Steuervorrichtung einer piezoelektrischen Keramik 10 gemäß der Erfindung einen Wandler 11 mit niedriger Versorgungsspannung U_b, die diejenige der Batterie im Fall eines Kraftfahrzeugs ist. Dieser Gleichspannungswandler DC-DC liefert am Ausgang eine Spannung U_s, die die Ladespannung der piezoelektrischen Keramik bestimmen wird. Für eine Versorgungsspannung von 12V liefert der Wandler z.B. eine Spannung in der Größenordnung von 100V. Um eine vollständige Wiedergewinnung der gespeicherten Energie bei der Ladung des piezoelektrischen Elements zu erhalten, muss der Wandler vom Typ ohne Isolierung sein, dessen negativer Anschluss e_– der Eingangsspannung U_b mit dein negativen Anschluss s_– der Ausgangsspannung U_s verbunden ist.
Die Ladeschaltung des piezoelektrischen Elements 10, das äquivalent zu einer elektrischen Kapazität C ist, besteht einerseits aus einer Induktivität L, die mit der Kapazität eine oszillierende Schaltung realisiert, und andererseits aus einem Schalter T₁, z.B. ein Leistungstransistor vom Typ N-Kanal Mosfet oder ein bipolarer, oder z.B. einer mit Feldeffekt, der die Ladung der Kapazität sicherstellt, verbunden mit einer Diode D1 in Serie mit dem Transistor und der Induktivität L. Sie ist durchlässig in der Richtung des Ladestroms und stellt das Ende des Lade zyklus dieser Kapazität durch Annullierung des Stroms bei ihrer Blockierung sicher.
Gemäß einer Eigenschaft der Erfindung besteht die Entladeschaltung des piezoelektrischen Elements aus derselben Induktivität L wie die Ladeschaltung, um eine zweite oszillierende Schaltung zu realisieren, deren Eingangsspannung gleich der Eingangsspannung U_b des Spannungswandlers 11 ist, über einen zweiten Schalter T₂, z.B. ein Leistungstransistor vom Typ N-Kanal Mosfet, dessen Drainanschluss mit einer zweiten Diode D₂ in Serie mit dem Anschluss der Induktivität L verbunden ist, die dem piezoelektrischen Element entgegengesetzt ist. Deie Source des Transistors T₂ ist mit dem positiven Eingangsanschluss e₊ des Wandlers L verbunden. Der Transistor T₂ stellt die Entladung der piezoelektrischen Keramik sicher und die Diode D₂ stellt das Ende des Entladezyklus durch Annullierung des Stroms bei ihrer Blockierung sicher, wobei der Transistor und die Diode in der Richtung des Entladestroms, der von der Induktivität L in Richtung Eingang des Wandlers geht, durchlässig sind. Der Leistungstransistor T₂ kann auch vom bipolaren Typ sein, mit Feldeffekt oder anderes.
Gemäß einer weiteren Eigenschaft der Erfindung sind auf die Kapazität der Keramik parallel erste Mittel angebracht zum Halten der Spannung der Keramik auf einen Nullwert im Entladen und zur Annullierung des Stroms in der Induktivität L, und zweite Mittel, die dazu bestimmt sind, die Ladung der Keramik zu vermeiden, die durch die Ableitströme der Transistoren hervorgerufen werden, die die Rolle von Leistungsschaltern spielen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Steuervorrichtung gemäß der Erfindung bestehen diese ersten Mittel aus einer Diode D₃, die blockiert bleibt, bis sich die Spannung der Keramik annulliert, und diese zweiten Mittel bestehen aus einem Widerstand R. In einer zweiten Ausführungsform, dargestellt in der 3, bestehen diese Mittel aus einem Leistungs-Mosfet-Transistor T₃, der eine interne Diode d_i besitzt. Dieser Transistor kann auch vom bipolaren Typ sein, mit Feldeffekt, IGBT oder andere, mit einer Diode parallel, deren Anode mit der Masse verbunden ist und die Kathode mit der Induktivität.
In den zwei Ausführungsformen werden die Leistungstransistoren T₁ und T₂ der Ladeschaltung und der Entladeschaltung des piezoelektrischen Elements in Form von alles-oder-nichts durch ein logisches Signal gesteuert, das durch eine elektronische Steuerschaltung 12 von einem Rechner 13 zur Steuerung des Aktuators ausgegeben wird, insbesondere vom Rechner der elektronischen Einspritzung, für ein Einspritzen von Kraftstoff in den Motor des Fahrzeugs. Ebenfalls wird in der zweiten Ausführungsform der Leistungstransistor T₃ durch dieses selbe logische Signal gesteuert.
Die Funktionsweise der Steuervorrichtung gemäß der Erfindung wird jetzt mittels der 4 bis 7 in Bezug auf die Zeitdiagramme der 10 beschrieben.
Die Funktionsweise der Steuervorrichtung eines Kraftstoffeinspritzers mit piezoelektrischer Keramik läuft gemäß vier Sequenzen ab:

– eine Sequenz, in der das piezoelektrische Element in Ruhestellung, nicht geladen ist, damit ohne Einspritzung von Kraftstoff,
– eine Sequenz der Ladung des piezoelektrischen Elements,
– eine Sequenz der Einspritzung von Kraftstoff
– eine Sequenz des Entladens des piezoelektrischen Elements.

Der elektronische Rechner 13 zur Steuerung des Verbrennungsmotors gibt einen Befehl der Einspritzung aus, der den Bedürfnissen des Motors bezüglich der Menge des notwendigen Kraftstoffs und bezüglich der Phasenverschiebung der Position des Motors und der Ventile entspricht und durch ein logisches Signal S₁ der Steuerschaltung 12 während eines Zeitraums T' übersetzt wird, dargestellt durch die Kurve (C₀) der 10, wobei die Dauer T die Dauer der Einspritzung in der Kraftstoffeinspritzsequenz ist.
Vor dem Zeitpunkt t₀ des Startens der Einspritzung, d.h. in der Sequenz ohne Einspritzung sind die Transistoren T₁ und T₂ blockiert, im Zustand 0 oder OFF, wie ihn die jeweiligen Kurven (C₁) und (C₂) der 10 zeigen.
In der ersten Ausführungsform ist der Widerstand R, der parallel zur piezoelektrischen Keramik von Kapazität C platziert ist, dazu bestimmt, eine ungewollte Ladung dieser Keramik wegen der Ableitströme der Schalter zu vermeiden.
Dazu muss er einen vorbestimmten Wert haben, der groß genug ist, dass sein Effekt während der Zyklen des Ladens und des Entladens der piezoelektrischen Keramik vernachlässigbar ist, und um eine Entladung dieser Keramik während der Periode, in der sie geladen bleiben soll, zu verhindern.
In der zweiten Ausführungsform wird der Schalter T₃ in den Zustand ON vor dem Zeitpunkt t₀ des Starts der Einspritzung (Kurve C₃) aktiviert, um die Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik auf einen Wert 0 festzuhalten und eine Wirkung hervorzurufen, die äquivalent zum Widerstand R ist.
Zum Zeitpunkt t₀, wenn das Steuersignal vom niedrigen Zustand 0 in den hohen Zustand 1 übergeht, wird die steigende Flanke entdeckt und der Transistor T₁ wird sofort aktiviert, wobei er vom Zustand 0 in den Zustand 1 übergeht. Das ist der Anfang der Sequenz des Ladens des piezoelektrischen Elements des Aktuators.
Der Transistor T₂ wird blockiert gehalten, und nur der Transistor T₁ ist durchlässig.
In der zweiten Ausführungsform ist der Transistor T₃ zum Zeitpunkt t₀ der Entdeckung der steigenden Flanke des Steuersignals blockiert.
Wenn der Ladetransistor T₁ durchlässig wird, läuft, da der Spannungswandler 11 eine hohe Ausgangsspannung U_s, einen Strom I liefert, dargestellt durch die Kurve (C₆), durch die oszillierende Schaltung, die aus der Induktivität L und der Ka pazität C der Keramik gebildet wird, da die Diode D₁ in Serie mit der Induktivität platziert ist, um bei der Ladung der Kapazität C durchlässig zu sein.
Diese Kapazität C lädt sich bis zu einer theoretischen Spannung U_max auf, die gleich dem Doppelten der Ausgangsspannung U_s des Spannungswandlers ist (Kurve C₅).
In der ersten Ausführungsform bleibt die Diode D₃ natürlich blockiert, d.h. sie wird von keinem Strom I₃ durchlaufen (Kurve C₇), und für den Widerstand R wird ein Wert gewählt, der groß genug ist, um seinen Einfluss in der oszillierenden Schaltung während des Ladezyklus zu vernachlässigen.
In der zweiten Ausführungsform – da der Transistor T₃ blockiert ist – bleibt natürlich auch seine interne Diode blockiert, weil die Spannung Drain-Source positiv ist, so dass der Transistor T₃ keinen Einfluss bei der Ladung der Keramik hat.
Die 4 ist ein elektronischer Schaltplan, der äquivalent zur Ladeschaltung der piezoelektrischen Keramik in der ersten Ausführungsform ist. Natürlich genügt es, den Widerstand R, der parallel zur Diode D₃ ist, durch den Transistor T₃ zu ersetzen, um den Schaltplan der Ladeschaltung für den Fall der zweiten Ausführungsform zu erhalten.
Wie es die Kurve C₆ der 10 zeigt, ist der Strom I, der durch die Induktivität L läuft, sinusförmig und annulliert sich im Zeitpunkt t₁ des Endes des Ladungszyklus der Kapazität C, genauso wie der Strom I_c in der Keramik, dargestellt durch die Kurve C₄. Sein Maximalwert liegt in der Größenordnung von 15 Ampere. Wenn dieser Strom I sich annulliert, annulliert sich auch der Strom I_c und die Diode D₁ blockiert, so dass die piezoelektrische Keramik bei einem konstanten Maximalwert U_max geladen bleibt. Zu diesem Zeitpunkt t₁ steuert die elektronische Schaltung 12 die Blockierung des Ladetransistors T₁, der in den Zustand 0 zurückkehrt.
Die Sequenz der Einspritzung von Treibstoff durch die Öffnung des piezoelektrischen Aktuators findet zwischen der Sequenz des Ladens der Kapazität, die im Zeitpunkt t₁ endet, und der Sequenz des Entladens, die zum Zeitpunkt t₂ beginnt, statt. Dafür muss die Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik konstant gehalten werden. Die Leistungstransistoren T₁ und T₂ bleiben im niedrigen Zustand blockiert, um einen Strom von 0 durch die Keramik zwischen t₁ und t₂ sicherzustellen.
Im Fall der zweiten Ausführungsform hält der Rechner 11 den Transistor T₃ blockiert, um das Entladen dieser Keramik durch diesen zu verhindern.
Die Sequenz des Entladens beginnt zum Zeitpunkt t₂ des Durchgangs des Steuersignals vom Zustand 1 in den Zustand 0. Bei der Entdeckung der steigenden Flanke dieses Steuersignals S₁ wird der Entladetransistor T₂ sofort aktiviert und wird durchlässig, wohingegen der Ladetransistor T₃ im Zustand 0 blockiert gehalten wird, wobei die Spannung zwischen seinem Gate und seiner Source auf 0 gehalten wird. Darüber hinaus wird während dieses Entladens der Transistor T₃ der zweiten Ausführungsform im blockierten Zustand gehalten, um das Entladen der Kapazität über den Transistor T₂ und die zugeordnete Diode D₂ zu ermöglichen.
Diese Sequenz des Entladens teilt sich in zwei Untersequenzen auf:

– ein oszillierendes Entladen,
– eine Annullierung des Stroms in der Induktivität L der oszillierenden Schaltung LC.

Bei der oszillierenden Entladung wird die oszillierende Schaltung LC, die zum Zeitpunkt des Übergangs in Leitung des Entladetransistors T₂ geschaffen wird, mit dem Eingangsanschluss e₊ des Spannungswandlers 11 verbunden.
Der anfängliche Zustand der oszillierenden Schaltung ist von dem der Ladung verschieden, weil die Kapazität geladen ist und seine Eingangsspannung gleich der niedrigen Spannung der Batterie U_b ist. Die an den Anschlüssen der Schaltung oszillierende Spannung wird daher weder gegen einen Nullwert noch gegen einen negativen Wert tendieren, wie das in der früheren Technik der Fall war.
Das oszillierende Entladen der piezoelektrischen Kapazität läuft zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ ab, d.h. zwischen der Entdeckung der fällenden Flanke des Steuersignals und der Annullierung der Spannung an den Anschlüssen der Kapazität C. Während dieser Sequenz nimmt der Strom I_c in der Kapazität sinusförmig von 0 bis zu einem negativen Wert I_oc in der Nähe des Minimums ab, und der Strom I in der Induktivität L nimmt auch sinusförmig von 0 bis zu einem negativen Wert I₀ ab, der gleich I_oc ist.
Zum Zeitpunkt t₃ der Annullierung der Spannung U_c an den Anschlüssen der Kapazität C wird in der ersten Ausführungsform die Diode D₃ leitend und hindert so diese Spannung daran, negativ zu werden, indem sie sie auf einen Nullwert hält. In der zweiten Ausführungsform ist es die interne Diode des Leistungstransistors T₃, die dieselbe Rolle spielt.
Die 5 ist das elektronische Schaltbild, das zur Schaltung der Entladung der piezoelektrischen Keramik in der zweiten Ausführungsform äquivalent ist. Es genügt, den Transistor T₃ durch den Widerstand R zu ersetzen, der parallel zur Diode D₃ ist, um das Schaltbild der Entladeschaltung gemäß der ersten Ausführungsform zu erhalten.
Die zweite Untersequenz beginnt im Zeitpunkt t₃ der Annullierung der Spannung U_c an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik, obwohl die Intensität I des Stroms in der Induktivität L nicht 0 ist.
Diese Induktivität L unterliegt einer positiven Spannung, die gleich der Versorgungsspannung U_b des Spannungswandlers 11 ist und der Richtung des Stroms entgegengesetzt ist. Der Strom I nimmt daher linear mit der Zeit vom Zeitpunkt t₃ an ab, unter Vernachlässigung der Widerstände der Schalter, über die zwei Dioden D₂ und D₃ in der ersten Ausführungsform und über die Diode D₂ und die interne Diode des Transistors T₃ in der zweiten Ausführungsform: I(t) = I0 – (Ub/L)·twobei I₀ der Wert des Stroms I im Zeitpunkt t₃ ist.
Die 6 ist ein elektronisches Schaltbild, das zur Schaltung der Annullierung des Stroms in der Induktivität L unter einer konstanten Spannung äquivalent ist.
Zum Zeitpunkt t₄ der Annullierung des Stroms I blockieren natürlich die Dioden D₂ und D₃ oder D₂ und die interne Diode des Transistors T₃, was so die Änderung der Richtung des Stroms verhindert. Gleichzeitig wird der Entladetransistor T₂ in Blockierung gesteuert.
In der ersten Ausführungsform verhindert der Widerstand R das Laden der Keramik, das durch Ableitströme der Schalter hervorgerufen wird.
In der zweiten Ausführungsform wird der Transistor T₃ bei der Aktivierung gesteuert, um eine Nullspannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik sicherzustellen.
In den beiden Ausführungsformen, die gerade beschrieben wurden, werden die Schalter T₁, T₂ und T₃ durch die elektronische Steuerschaltung 12 mit offenen Kreis gesteuert, ausgehend vom Steuersignal eines Rechners zur Steuerung des Motors, z.B.
Gemäß einem ersten Betriebsmodus arbeitet die Steuervorrichtung eines piezoelektrischen Aktuators gemäß der Erfindung mit offenem Kreis, wobei die Steuerschaltung 12 einfach ein Signal vom elektronischen Rechner empfängt, um die Transistoren zu steuern.
Gemäß einem zweiten Modus arbeitet die Vorrichtung mit geschlossenem Kreis, um die Ausgangsspannung U_s des Spannungswandlers DC-DC 11 zu regeln, mit dem Ziel, eine vollständige Entladung der piezoelektrischen Keramik sicherzustellen. Dafür empfängt die Steuerschaltung 12 am Eingang zusätzlich zum Befehl des Rechners 13 zur Steuerung des Aktuators die Informationen über den Strom I, der durch die Induktivität L fließt, und über die Spannung U_c an den Anschlüssen der Keramik. Dieser Betriebsmodus kann auch auf die zwei Ausführungsformen der Vorrichtung angewandt werden.
Die 7 ist ein elektronisches Schaltbild des zweiten Betriebsmodus mit geschlossenem Kreis der Steuervorrichtung gemäß der Erfindung, angewendet auf die erste Ausführungsform.
Gemäß einem dritten Betriebsmodus arbeitet die Steuervorrichtung im Modus der Regelung der Spannung des Spannungswandlers 11, in Abhängigkeit der Variierungen der Eigenschaften der piezoelektrischen Keramik, unabhängig davon, ob die Regelung analog oder digital ist. Im Fall einer analogen Struktur umfasst die Regelungsschaltung drei Elemente, wie sie die 8 zeigt, die der zweiten Ausführungsform entspricht.
Zunächst wird ein Scheiteldetektor 14 parallel zur piezoelektrischen Keramik C geschaltet, der dazu bestimmt ist, den Wert ihrer elektrischen Ladung zu kontrollieren. Er besteht z.B. aus einem Widerstand R in Serie mit einer Diode D, der eine Kapazität C zugeordnet ist, die mit der Masse verbunden ist.
Der Scheiteldetektor 14 liefert ein Ausgangssignal an einen Eingang eines Vergleichers 15, der dazu bestimmt ist, die an den Anschlüssen der Keramik. erreichte Maximalspannung mit einer vorgegebenen Spannung V_ref zu vergleichen.
Sein Ausgangssignal wird dann an den Eingang des proportional-integralen Reglers 16 geschickt, der dazu bestimmt ist, die Ausgangsspannung U_s des DC-DC Wandlers zu steuern.
Gemäß einem vierten Betriebsmodus kann die Vorrichtung gleichzeitig die Ausgangsspannung des Spannungswandlers 11 regeln, um die Variierungen der Eigenschaften dieses Elements mit der Zeit zu berücksichtigen, und mit geschlossenem Kreis arbeiten, um eine vollständige Ladung des piezoelektrischen Elements sicherzustellen.
Die 9 ist ein elektronisches Schaltbild der Steuervorrichtung gemäß diesem vierten Betriebsmodus, realisiert gemäß der zweiten Ausführungsform mit dem Transistor T₃.
Die Erfindung hat als Vorteil, die vollständige Entladung der piezoelektrischen Keramik des Aktuators, wodurch so ein gutes Funktionieren des Aktuators sichergestellt wird. Darüber hinaus sichert sie die Wiedergewinnung der elektrischen Energie, die in der piezoelektrischen Keramik gespeichert ist.

Claims

Steuervorrichtung eines Aktuators mit piezoelektrischer Keramik (10), elektronisch gesteuert durch ein logisches Signal, umfassend einen Gleichspannungswandler (11), der mit Niederspannung versorgt wird, eine Schaltung zur Ladung der piezoelektrischen Keramik, die aus einer Induktivität (L) besteht, welche eine oszillierende Schaltung mit der Kapazität der Keramik (10) realisiert, in Serie mit einem Schalter (T₁) und einer Diode (D1), dadurch gekennzeichnet, dass: – die Entladeschaltung der piezoelektrischen Keramik aus einer Induktivität besteht, die eine zweite oszillierende Schaltung realisiert, deren Eingangsspannung gleich der Eingangsspannung des Spannungswandlers (11) ist, über einen zweiten Schalter (T₂), der einer zweiten Diode (D₂) zugeordnet ist, in Reihe mit der Induktivität und in der Richtung des Entladungsstroms durchlässig, und dadurch, dass sie aufweist: – erste Mittel zum Halten der Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik auf einen Nullwert beim Entladen und zur Annullierung des Stroms (I) in der Induktivität (L), und – zweite Mittel zur Blockierung der Ladung der piezoelektronischen Keramik durch die Ableitströme der Schalter nach ihrer Entladung.
Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladeschaltung der piezoelektrischen Keramik aus derselben Induktivität (L) wie die Ladeschaltung besteht, um eine zweite oszillierende Schaltung zu realisieren, deren Eingangsspannung gleich der Eingangsspannung des Spannungswandlers (11) ist, über einen zweiten Schalter (T₂), der einer zweiten Diode (D₂) zugeordnet ist, in Reihe mit der Induktivität (L) und durchlässig in der Richtung des Entladestroms.
Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (11), der mit Gleichspannung arbeitet, ohne Isolierung ist, wobei der negative Anschluss (e_–) der Eingangsspannung (U_b) mit dem negativen Anschluss (s–) der Ausgangsspannung (U_s) verbunden ist.
Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Annullierung des Stroms (I) in der Induktivität (L) aus einer Diode (D₃) bestehen, parallel zum piezoelektrischen Element (10), das während des Ladezyklus der piezoelektrischen Keramik und während des Entladezyklus bis zum Zeitpunkt der Annullierung der Spannung an den Anschlüssen der Keramik blockiert ist, welcher ein Zeitpunkt ist, ab dem sie durchlässig wird, um diese Nullspannung aufrecht zu erhalten und den Strom (I) in der Induktivität durchzulassen, bis letzterer sich annulliert.
Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Blockierung der Ladung des piezoelektrischen Elements (10) durch eventuelle Ableitströme der Schalter nach seiner Entladung aus einem Widerstand (R) bestehen, parallel zum Element, mit einem vorbestimmten Wert, der hoch genug ist, damit seine Wirkung während der Lade- und Entladezyklen des Elements vernachlässigbar ist, und zum Blockieren einer eventuellen Entladung dieses Elements während der Periode, in der es geladen bleiben muss.
Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel zum Halten der Spannung an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik auf einen Nullwert beim Entladen und zur Annullierung des Stroms (I) in der Induktivität (L) und die zweiten zur Blockierung der Ladung der piezoelektrischen Keramik durch Ableitströme der Schalter nach ihrer Entladung aus einem MOSFET-Leistungstransistor (T₃) bestehen, mit interner Diode (d_i).
Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrecher (T₁ und T₂) der jeweiligen Lade- und Entladeschaltung der piezoelektrischen Keramik (10) Leistungstransistoren vom Kanal N MOSFET Typ sind.
Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie darüber hinaus eine Schaltung zur Regulierung der Spannung des Spannungswandlers (11) aufweist, die besteht aus: – einem Entdecker von Spitzen (14), parallel geschaltet zur piezoelektrischen Keramik (10) und dazu bestimmt, den Wert ihrer elektrischen Ladung zu kontrollieren; – einem Vergleicher (15) der maximal erreichten Spannung an den Anschlüssen der Keramik (10) mit einer Anweisungsspannung (V_ref); – einem integralen, proportionalen Regler (16), dazu bestimmt, die Ausgangsspannung (U_S) des Spannungswandlers (11) auf der Grundlage eines Signals zu regeln, das durch den Vergleicher (15) geliefert wird.
Verfahren zur Umsetzung einer Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte aufweist: – die Ladung der Keramik (10), startend bei der Entdeckung der ansteigenden Flanke des logischen Signals (S₁), das durch die Steuerschaltung (12) ausgegeben wird, und im Laufe derer der Schalter (T₁) der Ladeschaltung der Keramik (10) durchlässig ist, wobei der Schalter (T₂) der Entladeschaltung der Keramik (10) blockiert ist und die Mittel zur Annullierung des Stroms in der Induktivität (L) blockiert sind; – die Öffnung des Schalters im Zeitpunkt der Annullierung des Stroms (I_c) in der Keramik (10), unter Aufrechterhaltung der konstanten maximalen Spannung (U_max) an ihren Anschlüssen durch Blockierung durch den Schalter (T₁) und der Diode (D₁) der Ladeschaltung der Keramik (10); – die Entladung der Keramik (10), startend bei der Entdeckung der abfallenden Flanke des logischen Signals (S₁), im Laufe derer der Schalter (T₂) durchlässig wird und die Mittel zur Annullierung des Stroms (I) in der Induktivität (L) ihrerseits im Zeitpunkt der Annullierung der Spannung (U_c) an den Anschlüssen der Keramik durchlässig werden, bis zum Zeitpunkt der Annullierung des Stroms (I).
Verfahren der Umsetzung der Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das logische Signal (S₁), das die Schalter (T₁, T₂, T₃) der Vorrichtung steuert, von einer Steuerschaltung (12) geschickt wird, die einen Befehl von einem Rechner (13) zur Steuerung des Aktuators mit piezoelektrischer Keramik empfängt, so dass die Steuervorrichtung mit offenem Kreis arbeitet.
Verfahren zur Umsetzung der Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (12) zur Steuerung der Schalter am Eingang einerseits einen Befehl des Rechners (13) zur Steuerung des Aktuators empfängt und andererseits eine Information über den Strom (I), der durch die Induktivität (L) der Lade- und Entladeschaltungen fließt, und eine Information über die Spannung (U_c) an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik (10), zum Arbeiten in geschlossenem Kreis und bei Anpassung der Ausgangsspannung (U_s) des Spannungswandlers (11) für eine komplette Entladung der Keramik.
Verfahren zur Durchführung der Steuervorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung des Aktuators im Modus der Regelung der Ausgangsspannung (U_s) des Spannungswandlers (11) funktioniert, in Abhängigkeit von den Schwankungen der Eigenschaften der piezoelektrischen Keramik (10), durch den Wert ihrer elektrischen Ladung mittels eines Entdeckers von Spitzen (14), gefolgt von einem Vergleich der maximalen Spannung an den Anschlüssen der Keramik mit einer Anweisung (V_ref), dessen Ergebnis an einen integral-proportionalen Regler (16) geschickt wird, der die Ausgangsspannung (U_s) des Wandlers (11) steuert.
Verfahren zur Umsetzung der Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung (U_s) des Spannungswandlers (11) geregelt wird, einerseits für eine vollständige Ladung der piezoelektrischen Keramik (10) durch die Vorrichtung (12) zur Steuerung der Schalter, die einerseits ein Signal des Rechners (13) zur Steuerung des Aktuators empfängt und andererseits Informationen über den Strom (I) in der Induktivität (L) und über die Spannung (U_c) an den Anschlüssen der piezoelektrischen Keramik (10), und um andererseits den Variationen der Eigenschaften der Keramik durch die Schaltung zur Regelung der Ausgangsspannung (U_s) Rechnung zu tragen.