JP2001514803A - 容量性負荷、特に、圧電アクチュエータを低い電力損失に制御する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、容量性負荷（Ｃ_P）、特に、圧電アクチュエータを低損失にて周期的に制御する方法に関する。この場合、１つのコンデンサバッテリ（Ｃ₁）は、負荷制御の開始前に１つの電圧源（Ｕ_B）によってこの負荷（Ｃ_P）の動作電圧に充電され、この負荷（Ｃ_P）が、１つのチョークコイル（Ｌ₁）と１つのフライホイールダイオード（Ｄ_E）とこの負荷（Ｃ_P）とから構成された１つの直列振動回路を介してこのコンデンサバッテリ（Ｃ₁）から充電される。この場合、この負荷（Ｃ_P）が、負荷要求時に１つの負荷スイッチ（Ｓ_E）を介してこのチョークコイル（Ｌ₁）に接続され、このチョークコイル（Ｌ₁）が、１つのフライホイールダイオード（Ｄ_L）を介してこのコンデンサバッテリ（Ｃ₁）に接続されている。その結果、この負荷（Ｃ_P）が、残留電圧（Ｕ_R）まで放電される。

Description

【発明の詳細な説明】 容量性負荷、特に、圧電アクチュエータを低い電力損失に制御する方法 本発明は、容量性負荷Ｃ_P、特に、圧電アクチュエータを低損失に制御する方 法に関する。 圧電アクチュエータは、その電気制御中に電流源又は電圧源によって充電され るコンデンサのような動作をする。一般に、圧電アクチュエータは、いわゆるＲ Ｃ制御部によって制御される。この方法では、圧電アクチュエータが、１つのス イッチと１つのオーミック抵抗とを介して１つの電圧源、例えば、１つの大きな コンデンサから充電される。このスイッチが放電に対して開き、第２のスイッチ が閉じる。次いで、この第２のスイッチが、もう１つ別のオーミック抵抗を介し てその圧電アクチュエータを短絡させる。この圧電アクチュエータの充電特性と これによる遅延特性は、これらの抵抗を選択することによって自由に選択可能で ある。ＲＣ制御部の大きな欠点は、アクチュエータが大きいときに、すなわち、 それに対応して静電容量が大きいときに、及び動作周波数が高いときに、電力消 費が大きいことである。この場合、これらの抵抗内とこのアクチュエータ内との エネルギーＷ＝ＣＵが、充電周期ごと及び放電周期ごとに発散熱に変換される。 本発明の課題は、電力損失を大幅に減少させることによって圧電アクチュエー タを制御する方法を改善することにある。 この課題は、１つのコンデンサバッテリが、負荷制御の開始前に１つの電圧源 によって容量性負荷Ｃ_Pの動作電圧に充電されること、この負荷Ｃ_Pが、１つのチ ョークコイルと１つのフライホイールダイオードとこの負荷Ｃ_Pとから構成され た１つの直列振動回路を介してこのコンデンサバッテリから充電されること、負 荷要求時に、この負荷Ｃ_Pが、１つの負荷スイッチを介してこのチョークコイル に接続され、このチョークコイルが、１つのフライホイールダイオードを介して このコンデンサバッテリに接続されていること、その結果、この負荷Ｃ_Pが、残 留電圧まで放電されることによって解決される。この方法の利点は、まず第一に 残留電荷が、負荷状態の切替わり時にこの負荷静電容量Ｃ_Pに残こる点、そして この残留電荷がこのコンデンサバッテリに戻され得る点にある。その結果、こ の残留電荷が、その大部分回復され得る。 本発明の方法の構成に基づいて残留電荷を負荷静電容量Ｃ_Pから回生させるた めに、チョークコイルが接地方向に瞬時に切り換えられることが目的に合う。そ の結果、この残留電荷が、コンデンサバッテリに向かって放出され得る。このチ ョークコイルを接地方向に瞬時に切り換えることに成功すれば、その負荷中に蓄 積された全ての無効電力を取り戻すことができる。 本発明の方法のその他の構成では、コンデンサバッテリが負荷静電容量Ｃ_Pよ りも非常に大きいときに有益でありかつ特に目的に合う。すなわち、電圧源の電 圧とその負荷電圧との間の最大電圧比をほぼ２の比率にすることができる。この ことは、特に、コンデンサバッテリの静電容量がその負荷Ｃ_Pの静電容量と比べ て実質的に無限大であるときに実現される。 本発明の方法に固有の利点は、特に、コンデンサバッテリがその動作電圧に充 電された後に、全ての負荷動作電圧がこのコンデンサバッテリから任意に取り出 せる点にある。容量性負荷Ｃ_Pの一定に再現可能な充電は、コンデンサバッテリ の電圧を一定の初期状態に調整することで可能である。コンデンサバッテリの電 圧及び負荷Ｃ_Pの電圧が、その調整用の入力値として参照され得る。 以下に、本発明を回路図と電流波形図と電圧波形図とに基づいて詳しく説明す る。 第１図は、従来の技術による回路配置を示す。 第２図は、本発明の方法を実施するための回路配置を示す。 第３図は、コンデンサバッテリＣ₁と負荷Ｃ_Pの電流と電圧の経時変化を示す。 従来の技術による方法を実施する第１図中に示された回路は、１つの圧電アク チュエータＣ_Pを有する。このアクチュエータＣ_Pが、１つのコンデンサバッテリ Ｃ₁によって充電され得る。このコンデンサバッテリＣ₁が、それに対応する定電 流源Ｕ_Bに接続されている。このコンデンサバッテリＣ₁が、この電流源Ｕ_Bによ って再充電される。このアクチュエータＣ_Pの充電が、１つのオーミック抵抗Ｒ₁ を介して１つのスイッチＳ₁を閉じることによって実施される。このスイッチＳ₁ が放電のために開き、１つの第２のスイッチＳ₂が閉じる。次いで、この第２の スイッチＳ₂が、１つの第２のオーミック抵抗Ｒ₂を介してそのアク チュエータＣ_Pを短絡させる。このアクチュエータＣ_Pの充電特性及びこれによる 遅延特性は、これらの抵抗Ｒ₁，Ｒ₂を選択することによって自由に選択可能であ る。すなわち、このアクチュエータＣ_Pの初期充電は、コンデンサバッテリＣ₁か ら直接実施される。このアクチュエータＣ_Pが放電されると、非常に多くの残留 電荷がこのアクチュエータＣ_Pに残る。この残留電荷が、短絡回路によって消滅 される。 図２中に示された本発明の方法を実施する回路は、主に１つの定電圧源Ｕ_Bか ら構成される。この電圧源Ｕ_Bが、１つのダイオードＤ_Vを介してコンデンサバッ テリＣ₁に接続されている。このコンデンサバッテリＣ₁の静電容量は、アクチュ エータＣ_Pの負荷静電容量よりも非常に大きい。このアクチュエータＣ_Pが、１つ の充電スイッチＳ₁を閉じることによってかつ１つのインダクタンスＬ₁を通じて ダイオードＤ_Bを介して充電され得る。 図示したように、充電スイッチＳ_Lが、その充電工程後に開き、そして１つの 放電スイッチＳ_Eが閉じる。その結果、放電が、インダクタンスＬ₁とコンデンサ バッテリＣ₁に向かって順方向に接続された１つのダイオードＤ_Lとを介して実施 され得る。これによって、このコンデンサバッテリＣ₁に対するアクチュエータ Ｃ_Pの充電が、大部分回復され得る。 アクチュエータＣ_Pの内部抵抗を通じて放電後にまだ残っている残留電荷が、 １つの残留電荷スイッチＳ_Rを短期間閉じることによってインダクタンスＬ₁中に 蓄積され、この残留電荷スイッチＳ_Rを開いた後にこのインダクタンスＬ₁からコ ンデンサバッテリＣ₁中に再蓄積される。このことには、僅かな損失エネルギー が電圧源Ｕ_BからこのコンデンサバッテリＣ₁に再充電されるだけで済む、という 利点がある。この直流電圧源Ｕ_BとこのコンデンサバッテリＣ₁が、目的に合わせ て調整された１つの電圧源に統合されている。この場合、この調整部を構成する にあたって、この電圧源は、その都度所望のアクチュエータＣ_Pの電圧がその都 度所望の値に調整され得るように決められている。 以下に、既に説明した充電工程と放電工程を第３図に基づいて時系列順に詳し く説明する。 ここでは、図ａ）は、複数の制御インパルスの順序と長さを示す。図ｂ）は、 コンデンサバッテリＣ₁の電圧Ｕ_Cの経時変化を示し、図ｃ）は、負荷電圧Ｕ_Pの 経時変化を示す。図ｄ）は、負荷電流の経時変化を示す。 １回の充電動作と１回の放電動作をこれらの図に基づいて説明する。コンデン サバッテリＣ₁が、負荷制御の開始前に、すなわち時点Ｔ₀前にダイオードＤ_Vを 介して電圧Ｕ_Bに充電される。充電スイッチＳ_Lが、時点Ｔ₀に閉じられる。チョ ークコイルＬ₁が、フライホイールダイオードＤ_Eを介してアクチュエータの負荷 静電容量Ｃ_Pと共に直列振動回路を構成する。この負荷静電容量が充電される。 コンデンサバッテリＣ₁の電圧が下がり、負荷Ｃ_Pの電圧がそれに対応して上昇す る。その電流変化はサイン波形をなす。その充電工程が、期間t₁後に完了されて いる。この充電スイッチがこの期間にわたって時点Ｔ₂まで閉じられているとき は、その負荷の電圧が変動されない。何故なら、ダイオードＤ_Eが、その通電方 向の反転を阻止するからである。 充電スイッチＳ_Lが、充電工程の完了後に常に開かれ得る。この場合、その開 く時点は重要でない。負荷が時点Ｔ₃に放電されなければならないときは、放電 スイッチＳ_Eが閉じられる。その電荷は、チョークコイルＬ₁とフライホイールダ イオードＤ_Lを介してコンデンサバッテリＣ₁中に逆流する。その電流変化は、こ の直列振動回路中で再びサイン波形をなす。期間t₄内では、負荷Ｃ_Pの電圧が残 留電圧Ｕ_Rに低下されている。放電スイッチＳ_Eのこれ以上の制御は、その負荷静 電容量の電圧低下を生じさせない。このエネルギーの再蓄積が、コンデンサバッ テリＣ₁の電圧の立ち上がり部分で認識することができる。 さらに、時点Ｔ₅には、残留放電スイッチＳ_Rが放電スイッチＳ_Eに加えて閉じ る。そうすると、チョークコイルＬ₁が、負荷静電容量Ｃ_Pと共に新しい直列振動 回路を構成する。したがって、この負荷Ｃ_P中に蓄積された残留エネルギーが、 このチョークコイルＬ₁中に蓄積される。時点Ｔ₆には、この負荷Ｃ_Pの電圧が零 に減衰されている。これによって、この負荷Ｃ_Pの放電工程が完了する。この時 、このチョークコイルＬ₁中の電流は最高値にある。残留放電スイッチＳ_Rが、こ の最高値の瞬間に開かれる。もし仮に、この残留放電スイッチＳ_Rが引き続いて 閉じられたままならば、フライホイールダイオードＤ_Pが導通されてしまう。そ の負荷電圧が、フライホイールダイオードＤ_Pの順方向電圧にクランプ される。ひいては、このダイオードＤ_Pの内部抵抗（素子抵抗）と振動回路のオ ーミック抵抗とに電力損失が生じることとなる。したがって、放電スイッチＳ_E が、負荷静電容量Ｃ_Pの放電後にできるだけすぐに開かれる必要がある。 チョークコイルＬ₁による電流の流れは、残留放電スイッチＳ_Rが時点Ｔ₆に開 いた後にフライホイールダイオードＤ_L，Ｄ_Pと放電スイッチＳ_Eとを経由してコ ンデンサバッテリＣ₁方向に維持される。したがって、負荷Ｃ_P中に先に蓄積され た残留エネルギーが、このコンデンサバッテリＣ₁に入力される。このコンデン サバッテリＣ₁の電圧が上昇して修復される。時点Ｔ₇には、チョークコイルＬ₁ のエネルギーが放出されている。この再蓄積動作が完了され、同時に全ての切換 え周期が完了されている。放電スイッチＳ_Eが開く時点Ｔ₈は重要でない。コンデ ンサバッテリＣ₁が、電圧源から電圧Ｕ_Bに再充電される。 充電スイッチＳ₁と放電スイッチＳ_Eが、正確な時点に動作されるように制御さ れているならば、フライホイールダイオードＤ_L，Ｄ_Eが省略できる。ここで提案 されたこれらのフライホイールダイオードＤ_L，Ｄ_Eを有するこの解決手段には、 これらのフライホイールダイオードＤ_L，Ｄ_Eが実質的に独立してその正確な切換 え時点を選択でき、ひいては充電時の放電スイッチＳ_Eと放電時の充電スイッチ Ｓ_Lとの時間に正確な制御が省略できる、という優れた利点がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デュースターヘーフト・マルティーン ドイツ連邦共和国、Ｄ―52070 アーヘン、 シュタインカウルストラーセ、５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．容量性負荷（Ｃ_P）、特に、圧電アクチュエータを低損失にて周期的に制御す る方法において、１つのコンデンサバッテリ（Ｃ₁）は、負荷制御の開始前に １つの電圧源（Ｕ_B）によって動作電圧に充電されること、この負荷（Ｃ_P）が 、１つのチョークコイル（Ｌ₁）と１つのフライホイールダイオード（Ｄ_E）と この負荷（Ｃ_P）とから構成された１つの直列振動回路を介してこのコンデン サバッテリ（Ｃ₁）から充電されること、この負荷（Ｃ_P）が、負荷要求時に１ つの負荷スイッチ（Ｓ_E）を介してこのチョークコイル（Ｌ₁）に接続され、こ のチョークコイル（Ｌ₁）が、１つのフライホイールダイオード（Ｄ_L）を介し てこのコンデンサバッテリ（Ｃ₁）に接続されていること、その結果、この負 荷（Ｃ_P）が、残留電圧（Ｕ_R）まで放電されることを特徴とする方法。 2．チョークコイル（Ｌ₁）は、残留電荷を負荷（Ｃ_P）から回生させるために接 地方向に瞬時に切り換えられ、その結果、この残留電荷が、この負荷（Ｃ_P） から放出され得ることを特徴とする請求の範囲の第１項に記載の方法。 3．コンデンサバッテリ（Ｃ₁）の静電容量は、負荷（Ｃ_P）の静電容量よりも著 しく大きく決められていることを特徴とする請求の範囲の第１項又は第２項に 記載の方法。