FR2829314A1 - Dispositif de commande d'un actuateur piezo-electrique et son procede de mise en oeuvre - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de commande d'un actionneur piézoélectrique, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle, comprenant un convertisseur-élévateur de tension en courant continu alimenté par une source de tension continue, caractérisé en ce que le circuit de charge de l'actuateur est constitué par le convertisseur-élévateur (E) de tension DC-DC, dont la haute tension est reliée à un circuit oscillant constitué de l'actuateur (P i) et d'une inductance (L), et qui est composé d'un montage Push-Pull avec un transformateur à deux enroulements secondaires (L3 et L4) bobinés en sens inverse l'un de l'autre et au moins un enroulement primaire relié à la source de tension (B) par au moins un interrupteur.
Description
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La présente invention concerne un dispositif de commande d'un actuateur piézo-électrique piloté électroniquement, et plus particulièrement d'un injecteur de carburant à étage piézo-électrique piloté par le calculateur d'injection électronique d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile. Elle concerne également un procédé de mise en oeuvre dudit dispositif.
Un tel injecteur de carburant comporte un étage en céramique piézo- électrique aux bornes de laquelle on fait varier la tension électrique pour modifier son épaisseur entre deux positions extrêmes correspondant à l'ouverture et à la fermeture de l'injecteur. Une céramique piézo-électrique d'injecteur est équivalente à une capacité dont la tension de chargement est élevée, supérieure à une centaine de volts.
Dans un véhicule automobile, la tension d'alimentation a pour valeur 12 ou 42 volts, ce qui implique premièrement d'augmenter cette tension et deuxièmement d'assurer la charge et la décharge de la céramique.
Il existe actuellement deux groupes de topologies de dispositif de commande pour injecteurs piézo-électriques. Un premier groupe concerne les topologies séparées en deux circuits, l'un étant un convertisseur-élévateur de tension en courant continu DC-DC alimenté par la basse tension de la batterie et l'autre étant une structure de chargement et de déchargement de la céramique. Une telle topologie est par exemple décrite dans la demande de brevet allemand publiée sous le No. DE 19827170, au nom de BOSCH.
Un deuxième groupe concerne les topologies regroupant dans un même circuit le convertisseur-élévateur de tension et la structure de chargement/déchargement, comme le décrit la demande de brevet américain publiée sous le No. US 5 986 360, au nom de SIEMENS. Une telle topologie permet d'utiliser des composants communs pour les deux fonctions, ce qui réduit le coût global du dispositif.
Le but de la présente invention est de proposer de nouvelles topologies assurant la charge des céramiques piézo-électriques, de façon sinusoïdale, afin de limiter les résonances mécaniques au sein du stack, englobant les
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céramiques, de l'injecteur qui occasionnent des pertes en charge et des oscillations importantes.
Pour cela, l'objet de l'invention est un dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle, comprenant un convertisseur-élévateur de tension en courant continu alimenté par une source de tension continue, caractérisé en ce que le circuit de charge de l'actuateur est constitué par le convertisseur-élévateur de tension DC-DC, dont la haute tension est reliée à un circuit oscillant constitué de l'actuateur et d'une inductance, et qui est composé d'un montage Push-Pull avec un transformateur à deux enroulements secondaires bobinés en sens inverse et au moins un enroulement primaire relié à la source de tension par au moins un interrupteur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de décharge de l'actuateur piézo-électrique, considéré comme une capacité, est constitué d'un interrupteur commandable reliant l'inductance de charge à la borne positive de la batterie par une diode de décharge, une diode de protection étant montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur et son interrupteur, dans le sens contraire du courant de décharge, et destinée à la protection de l'actuateur, en évitant l'apparition d'une tension négative à ses bornes qui aurait pour conséquence de le détruire.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de décharge est constitué d'une part d'une inductance de décharge reliant l'actuateur à un interrupteur commandable, connecté lui-même à la borne positive de la batterie par une diode, et d'autre part d'un interrupteur commandable reliant la borne de l'inductance de décharge, opposée à l'actuateur, à la masse.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs modes de réalisation d'un dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique, illustrée par les figures suivantes qui sont : - les figures 1 et 2 : le schéma électronique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de commande selon l'invention, avec deux variantes du circuit de décharge ;
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- la figure 3 : les variations temporelles de la tension de charge de l'actuateur piézo-électrique selon les signaux de commande des interrupteurs du premier mode de réalisation du dispositif ; - les figures 4 et 5 : le schéma électronique d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de commande selon l'invention, avec deux variantes du circuit de décharge ; - la figure 6 : les variations temporelles de la tension de charge de l'actuateur piézo-électrique selon les signaux de commande des interrupteurs du deuxième mode de réalisation du dispositif ; - les figures 7 et 8 : le schéma électronique d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de commande selon l'invention, avec deux variantes du circuit de décharge ; - la figure 9 : les variations temporelles de la tension de charge de l'actuateur piézo-électrique selon les signaux de commande des interrupteurs du troisième mode de réalisation du dispositif.
Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats.
Comme le montre le schéma de la figure 1, le dispositif de commande d'un actuateur piézo-électrique P, selon l'invention comporte une source de tension continue B-une batterie électrique par exemple-, dont la borne négative (-) est reliée à la masse et dont la borne positive (+) est reliée à un circuit convertisseur-élévateur E de tension. Ledit circuit E sert de circuit de charge à l'actuateur grâce à sa sortie haute tension qui est reliée à un circuit oscillant constitué de la céramique piézo-électrique P, et d'une inductance de charge L.
Comme un moteur thermique de véhicule automobile nécessite plusieurs injecteurs P,, i entier variant de 1 à n, le schéma représente plusieurs céramiques piézo-électriques P1..., P,..., Pn qui sont montées en parallèle et choisies successivement grâce à l'interrupteur T, monté en série avec chacune d'elles. En fonction de l'injecteur piézo-électrique qui doit être ouvert pendant les intervalles d'activité pour assurer l'alimentation en carburant du cylindre correspondant du moteur, l'interrupteur T, est commandé par un signal logique en provenance du calculateur d'injection, pour que la sortie haute tension du convertisseur-élévateur soit connectée précisément à cet injecteur.
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Selon l'invention, le convertisseur-élévateur de tension DC-DC est composé d'un montage de type Push-Pull avec un transformateur à au moins trois enroulements couplés, selon différentes configurations des enroulements primaires du transformateur qui font l'objet des différentes figures de la description.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, le convertisseur-élévateur de tension DC-DC du circuit de charge est constitué d'un transformateur à quatre enroulements bobinés autour d'un même noyau, dont les deux enroulements primaires L,, respectivement L,, reliés chacun à la masse par un interrupteur commandable Sw1, respectivement Sw2, sont montés en parallèle et bobinés en sens inverse l'un de l'autre, comme le montrent les étoiles sur le schéma.
Chaque interrupteur S, respectivement S, est monté en parallèle avec une diode D1, respectivement D2, montée dans le sens inverse du courant de charge pour protéger l'interrupteur d'une surtension à l'ouverture. Les enroulements secondaires L3, respectivement L4, montés en parallèle et bobinés en sens inverse l'un de l'autre, sont eux-aussi reliés à la masse chacun par une diode D., respectivement D4, montée dans le sens passant du courant de charge.
Les deux interrupteurs SW1 et SW2 peuvent être par exemple des transistors MOS, ou bien des bipolaires à grilles isolées-IGBT-avec diode intégrée en parallèle pour réduire le nombre de composants. Dans le cas de transistors MOS ou IGBT, les diodes D et D2 sont les diodes intrinsèques des interrupteurs Se et S respectivement.
Le fonctionnement du dispositif de commande en phase de charge de l'actuateur piézo-électrique P, est le suivant, comme le montre la figure 3. Le signal de commande pilote, entre l'instant to et l'instant suivant t1, l'ouverture de l'interrupteur SW2 et la fermeture de l'interrupteur SW1 de telle sorte que la tension v1 aux bornes de l'enroulement L1 est égale à la tension +E de la batterie. Grâce au rapport de transformation m du transformateur et en raison du bobinage inverse des enroulements L, et L4 comme l'indiquent les étoiles sur le schéma, la tension périodique aux bornes de l'enroulement primaire L, crée une tension V4 aux bornes de l'enroulement secondaire L4, entre les instants to et t1, qui met la diode Den conduction et qui est constante et égale à +mE.
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Puis entre les instants t, et t2 suivants, le signal de commande pilote l'ouverture de l'interrupteur Sw1 et la fermeture de l'interrupteur Sw2 de telle sorte que la tension v2 aux bornes de l'enroulement primaire L2 est égale à-E et la tension vu aux bornes de l'enroulement secondaire L3 est égale à-mE, ce qui met la diode D3 en conduction. A partir de l'instant tg, l'ouverture et la fermeture des interrupteurs est à nouveau inversée. Ainsi, l'actuateur est chargé à travers l'inductance L en mode oscillant, sous la tension de charge vp égale à +mE.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, le convertisseur-élévateur de tension DC-DC du circuit de charge est constitué d'un transformateur à trois enroulements bobinés autour d'un même noyau, un enroulement primaire Let deux enroulements secondaires L3 et L4, bobinés en sens inverse comme le montrent les étoiles sur le schéma, identiques à ceux de la figure 1. Une première borne de l'enroulement primaire Lg est reliée au point de jonction J1 de deux interrupteurs Sw5 et se montés en série entre les bornes de la batterie B, et la seconde borne de l'enroulement primaire Lg est reliée au point de jonction J2 de deux interrupteurs Sw7 et Sw8 montés en série aux bornes de la batterie B.
Une diode de roue libre référencée Dg à Dg respectivement, est montée en parallèle sur chacun des quatre interrupteurs Sw5 à S, g pour les protéger des surtensions à l'ouverture, dans le sens contraire au courant de charge de l'actuateur. Le transformateur comprend deux enroulements secondaires L3 et L4, identiques à ceux décrits à propos du premier mode de réalisation, dans la figure 1.
Le fonctionnement de ce circuit de charge est le suivant, en fonction de la commande des quatre interrupteurs. Entre les instants to et t1, le signal de commande pilote la fermeture des deux interrupteurs Sw5 et Sw8, dont le premier Sw5 est relié d'un côté à la borne (+) de la batterie B et de l'autre côté au point de jonction J1, et dont le second Sest retié d'un côté au point de jonction J2 et de l'autre à la borne (-) de la batterie B. Pendant cet intervalle de temps, le signal pilote l'ouverture des deux autres interrupteurs Set Sw. Ainsi entre les instants to et t1. l'enroulement primaire L5 est relié directement aux deux bornes de sortie de la batterie et la tension Vg à ses bornes est égale à +E, de sorte que la tension v4 aux bornes de l'enroulement secondaire L4 est constante et égale à mE. Entre les instants t1 et t2 suivants, l'ouverture et la fermeture des interrupteurs est inversée de sorte que la tension v5 aux bornes de l'enroulement primaire Lg est égale à-E, et la tension v4 aux bornes de
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l'enroulement secondaire L4 est constante et égale à-mE, comme le montre le signal de la figure 6. Ainsi, la tension de charge vp de l'actuateur en mode oscillant est constante et égale à mE.
La figure 7 représente un troisième mode de réalisation d'un dispositif de commande, dont le convertisseur de tension du circuit de charge diffère des précédents par le montage de l'enroulement primaire du transformateur. Une première borne de l'enroulement primaire Lg est reliée au point de jonction J3 de
deux interrupteurs Swg et SW10 montés en série entre les bornes de la batterie B, et la seconde borne de l'enroulement primaire Lg est reliée au point de jonction J4 de deux capacités C1 et C2 identiques, montées en série entre les bornes de la batterie B. Une diode de roue libre, servant de protection contre les surtensions, référencée Dg et Dl. respectivement, est montée en parallèle sur chacun des deux interrupteurs Swg et So, dans ! e sens contraire au courant de charge de l'actuateur. Le transformateur comprend deux enroulements secondaires L3 et L4 identiques à ceux décrits à propos du premier mode de réalisation, dans la figure 1.
deux interrupteurs Swg et SW10 montés en série entre les bornes de la batterie B, et la seconde borne de l'enroulement primaire Lg est reliée au point de jonction J4 de deux capacités C1 et C2 identiques, montées en série entre les bornes de la batterie B. Une diode de roue libre, servant de protection contre les surtensions, référencée Dg et Dl. respectivement, est montée en parallèle sur chacun des deux interrupteurs Swg et So, dans ! e sens contraire au courant de charge de l'actuateur. Le transformateur comprend deux enroulements secondaires L3 et L4 identiques à ceux décrits à propos du premier mode de réalisation, dans la figure 1.
Le fonctionnement de ce circuit de charge est le suivant, en fonction de la commande des deux interrupteurs S, g et So-Entre les instants to et t1, le signal de commande pilote la fermeture de l'interrupteur Swig, qui est relié d'un côté à la borne (+) de la batterie B et de l'autre côté au point de jonction J3.
Pendant cet intervalle de temps, le signal pilote l'ouverture de l'autre interrupteur So. Ainsi entre les instants to et t1, l'enroulement primaire Lg est relié d'un côté directement à la borne (+) de sortie de la batterie et de l'autre côté à la capacité C1 chargée à une tension égale à +E/2, de sorte que la tension Vgaux bornes de l'enroulement est égale à +E/2.
Entre les instants suivants t1 et t2, le signal de commande pilote la fermeture de l'interrupteur Su10 qui est relié d'un côté à la borne (-) de la batterie B et de l'autre côté au point de jonction J3. Pendant cet intervalle de temps, le signal pilote l'ouverture de l'autre interrupteur Swg. Ainsi entre les instants t1 et t, l'enroulement primaire Lg est relié d'un côté directement à la borne (-) de sortie de la batterie et de l'autre côté à la capacité C2 chargée à une tension égale à +E/2, de sorte que la tension Vg aux bornes de l'enroulement est égale à-E/2, comme le montre le signal de la figure 9. La
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tension de charge vp aux bornes des enroulements secondaires L3 et L4 successivement est alors constante et égale à mE/2.
L'injection de carburant a lieu ensuite dès que l'actuateur piézo- électrique a une tension comprise entre 100 et 250 volts, selon le type d'injecteur.
Sur les figures 1,4 et 7, représentant trois modes de réalisation du dispositif de commande, le circuit de décharge de l'actuateur piézo-électrique, considéré comme une capacité, est constitué d'un interrupteur de décharge Td commandable reliant l'inductance de charge L à la borne positive (+) de la batterie B par une diode de décharge Dd. Une diode Dp montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur P, et son interrupteur T,, dans le sens contraire du courant de décharge, est destinée à la protection de l'actuateur P,, en évitant l'apparition d'une tension négative à ses bornes qui aurait pour conséquence de le détruire.
Lors de la décharge, le signal de commande pilote les différents interrupteurs du circuit de charge à l'ouverture, et ferme l'interrupteur de décharge Td, qui est toujours ouvert pendant la phase de charge de l'actuateur.
L'actuateur se décharge à travers l'inductance L et la diode Démontée dans le sens passant du courant de décharge.
Une variante de réalisation du circuit de décharge de l'actuateur est représentée sur les figures 2,5 et 8. Afin de pouvoir charger à nouveau l'actuateur piézo-électrique, il est nécessaire que le courant de décharge dans l'inductance L de charge soit nul, ce qui peut n'être pas toujours le cas dans le montage précédent. Pour cela, le circuit de décharge est constitué d'une part d'une inductance Ld de décharge reliant l'actuateur P, à un interrupteur de décharge Td commandable, connecté lui-même à la borne (+) de la batterie B par une diode de décharge Dd, et d'autre part d'un interrupteur supplémentaire de décharge Tc commandable reliant la borne de l'inductance Ld, opposée à l'actuateur, à la masse. Comme dans la première variante, une diode Dp montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur P, et son interrupteur T,, dans le sens contraire du courant de décharge, est destinée à la protection de l'actuateur P,, en évitant l'apparition d'une tension négative à ses bornes qui aurait pour conséquence de le détruire.
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En phase de charge, l'interrupteur Tc est ouvert, par contre, en phase de décharge de l'actuateur, cet interrupteur Tc est fermé puis ouvert. Pendant sa fermeture, de l'énergie provenant de l'actuateur P, est accumulée dans l'inductance de décharge Ld, et à son ouverture, elle est transférée vers la batterie B à travers l'interrupteur Td et la diode Dd de décharge.
Comme pour la charge de l'actuateur, sa décharge peut s'effectuer en plusieurs paliers successifs qui permettent de contrôler la tension et de réduire la taille des composants, chaque palier correspondant à l'ouverture de l'interrupteur supplémentaire de décharge Tc.
Le dispositif selon l'invention présente l'avantage d'être constitué d'un nombre très limité de composants, avec un transformateur de taille réduite grâce au cycle magnétique symétrique, ce qui réduit à la fois son coût global et son encombrement. Un autre avantage intéressant est lié au chargement de l'actuateur sous des tensions réglables, avec possibilité de contrôler les pentes
de chargement et de déchargement, en jouant sur les temps de fermeture et d'ouverture des interrupteurs SWI du circuit primaire du transformateur et de l'interrupteur supplémentaire de décharge Tc. De plus, ce dispositif de commande est relativement simple, avec une séquence de charge et de décharge directes.
de chargement et de déchargement, en jouant sur les temps de fermeture et d'ouverture des interrupteurs SWI du circuit primaire du transformateur et de l'interrupteur supplémentaire de décharge Tc. De plus, ce dispositif de commande est relativement simple, avec une séquence de charge et de décharge directes.
Claims (9)
1. Dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de-contrôle, comprenant un convertisseur-élévateur de tension en courant continu alimenté par une source de tension continue, caractérisé en ce que le circuit de charge de l'actuateur est constitué par le convertisseur-élévateur (E) de tension DC-DC, dont la haute tension est reliée à un circuit oscillant constitué de l'actuateur (P,) et d'une inductance (L), et qui est composé d'un montage de type Push-Pull avec un transformateur à deux enroulements secondaires (L3 et L4) bobinés en sens inverse l'un de l'autre et au moins un enroulement primaire relié à la source de tension (B) par au moins un interrupteur.
2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur-élévateur de tension en courant continu (E) est constitué d'un transformateur à quatre enroulements bobinés autour d'un même noyau, dont les deux enroulements primaires (L1, L2), reliés chacun à la masse par un interrupteur commandable (Sw1, Sw2), sont montés en parallèle et bobinés en sens inverse l'un de l'autre, chaque interrupteur (Swi, S) étant monté en parallèle avec une diode de roue libre (D1, D2) montée dans le sens inverse du courant de charge et dont les enroulements secondaires (L3, L4), montés en parallèle et bobinés en sens inverse l'un de l'autre, sont eux-aussi reliés à la masse chacun par une diode (D3, D4) montée dans le sens passant du courant de charge.
3. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur-élévateur (E) de tension DC-DC du circuit de charge est constitué d'un transformateur à trois enroulements, un enroulement primaire (Lg) et deux enroulements secondaires (L3 et L4), bobinés en sens inverse et reliés à la masse chacun par une diode (Dg, DJ montée dans le sens passant du courant de charge, une première borne de l'enroulement primaire (Lg) étant reliée au point de jonction (J1) de deux interrupteurs (Sg et Sw6) montés en série entre les bornes de la batterie (B), et la seconde borne de l'enroulement primaire (lys) étant reliée au point de jonction (J2) de deux interrupteurs (S, et Sw8) montés en série aux bornes de la batterie (B), avec une diode de roue libre (Dg à D8) montée en parallèle sur chacun des quatre interrupteurs (Sg à Sw8), dans le sens contraire au courant de charge de l'actuateur.
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4. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur-élévateur (E) de tension DC-DC du circuit de charge est constitué d'un transformateur à trois enroulements, un enroulement primaire (Lg) et deux enroulements secondaires (L3 et L4), bobinés en sens inverse et reliés à la masse chacun par une diode, une première borne de l'enroulement primaire (Lg) étant reliée au point de jonction (J3) de deux interrupteurs (swig et
SW10) montés en série entre les bornes de la batterie (B), et la seconde borne de l'enroulement primaire (Lg) étant reliée au point de jonction (J4) de deux capacités (C1 et C2) identiques, montées en série entre les bornes de la batterie, une diode de roue libre (Dg et D1O) étant montée en parallèle sur chacun des deux interrupteurs (S, g et SWo), dans le sens contraire au courant de charge de l'actuateur.
5. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de décharge de l'actuateur piézo-électrique, considéré comme une capacité, est constitué d'un interrupteur de décharge (Td) commandable reliant l'inductance de charge (L) à la borne positive (+) de la batterie (B) par une diode de décharge (Dd), une diode de protection (Dp) étant montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur (P,) et son interrupteur (T,), dans le sens contraire du courant de décharge, et destinée à la protection de l'actuateur (P,).
6. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de décharge est constitué d'une part d'une inductance de décharge (Ld) reliant l'actuateur (P,) à un interrupteur de décharge (Td) commandable, connecté lui-même à la borne positive (+) de la batterie (B) par une diode de décharge (Dd), et d'autre part d'un interrupteur supplémentaire de décharge (Tc) commandable reliant la borne de l'inductance (Ld), opposée à l'actuateur, à la masse pendant la phase de charge de l'actuateur, une diode de protection (Dp) étant montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur (P,) et son interrupteur (T,), dans le sens contraire du courant de décharge, et destinée à la protection de l'actuateur (P,).
7. Procédé de mise en oeuvre du dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, en phase de charge de l'actuateur piézo-électrique (P,), les interrupteurs sont commandés afin que la tension aux bornes d'un seul enroulement primaire du transformateur, créée
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par l'énergie provenant de la source de tension (B), est périodique provoquant une tension aux bornes du circuit oscillant constitué par l'actuateur (P,) et l'inductance de charge (L) qui est constante et égale au produit de la tension (E) de la source (B) par le rapport (m) du transformateur.
8. Procédé de mise en oeuvre du dispositif de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que, en phase de décharge de l'actuateur piézo-électrique (P,), le signal de commande pilote les différents interrupteurs du circuit de charge à l'ouverture, et ferme l'interrupteur de décharge (Td), qui est toujours ouvert en phase de charge de l'actuateur, de sorte que l'actuateur se décharge à travers l'inductance de charge (L) et la diode de décharge (Dd) montée dans le sens passant du courant de décharge.
9. Procédé de mise en oeuvre du dispositif de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que, l'interrupteur supplémentaire de
décharge (Tc) étant ouvert en phase de charge, il est par contre, en phase de décharge (T. décharge de l'actuateur, fermé pour que de l'énergie provenant de l'actuateur soit accumulée dans l'inductance de décharge (Ld), puis ouvert pour que cette énergie soit transférée vers la batterie (B) à travers l'interrupteur (Td) et la diode (Dd) de décharge.
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