JP3587858B2 - 圧電アクチュエータの制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は請求項１または２の構成要件に記載した、少なくとも１つの圧電アクチュエータ、例えば圧電的に作動される、内燃機関の燃料噴射弁の制御装置に関する。本発明は当該装置の作動方法にも関する。
EP0464443A1から、コンデンサから充電コイルを介して充電される圧電アクチュエータが公知である。加えられたエネルギの一部は圧電アクチュエータの放電の際、放電コイルを介してコンデンサ内に戻り供給され、他の部分は同じように放電コイルを介して熱に変換される。放電の際、圧電アクチュエータに負の電圧が生じる。
DE3621541C2から燃料噴射弁の圧電アクチュエータに対するドライバ回路が公知である。ここでこの圧電アクチュエータは電圧源に接続された、２つのコンデンサの直列接続体と充電コイルを介して充電され、放電コイルを介して２つのコンデンサのうちの１つの中に放電される。択一的な実施形態ではこのアクチュエータは、電圧源に接続されている１つのコンデンサと充電コイルとを介して充電される；放電の場合、圧電アクチュエータ内に蓄積されたエネルギが放電コイルを介して放電される。
本発明の課題は、アクチュエータに生じる電圧に対して異なった設定値も設定可能であり、アクチュエータでの負の電圧を回避することができる、できるだけ損出なく作動し、かつ簡単に構成された、少なくとも１つの圧電アクチュエータを制御する装置を提供することである。
上述の課題は本発明と相応に、請求項１または２の特徴部分の構成によって解決される。本発明の有利な構成は従属請求項に記載されている。
本発明の実施例を以下の明細書で図に関連してより詳細に説明する。
図１は、第１の実施例の回路略図であり、
図２は、図１の実施例の作動方法に関するフローチャートであり、
図３は、第２の実施例の回路略図であり、
図４は、第３実施例の回路略図である。
図１は、通常はマイクロプロセッサによって制御される制御回路STを用いて、圧電アクチュエータＰを介したさらに示されていない内燃機関の個々の燃料噴射弁を制御する基本回路を示す。
エネルギ源Ｖの正極＋Ｖと負極GNDとの間に、充電コンデンサＣと、１方向でのみ電流順方向性である被制御電子エネルギスイッチX1との直列接続体が設けられている。
以下の明細書で、スイッチX1〜X4に言及する場合、該スイッチX1〜X4は電子的な、１方向でのみ電流順方向性である、少なくとも１つの半導体素子からなる、有利にはサイリスタスイッチのことであり、これらは制御回路STによって制御される。
エネルギスイッチX1が導電状態にあると、充電コンデンサＣはエネルギ源Ｖによって充電される。これは基本的に充電コンデンサでの電圧Ucがエネルギ源Ｖの電圧より低い限り起こる。
充電コンデンサＣと並列に、エネルギスイッチX1に接続された転流コイル（Umschwingspule）Ｌと充電ストップスイッチX3（その機能については後述する）との直列接続体が設けられている。
充電ストップスイッチX3と並列にアクチュエータ回路Ｓが設けられている。ここでこのアクチュエータ回路Ｓは次のような直列接続体を有する。すなわち転流コイルＬの方向から電流順方向性の充電スイッチX2と転流コイルの方向へ電流順方向性の放電スイッチX4とから成る並列接続体と、アクチュエータＰと充電スイッチX2の方向に電流を流すダイオードＤとから成る並列接続体との直列接続体である。
スイッチX1〜X4は、マイクロプロセッサによって制御される制御回路STによって、外部の制御信号stと、本実施例におけるアクチュエータＰに加わる電圧に対する１つの所定の設定値Us（相次いで作用する、燃料の予噴射および主噴射等に対する複数の所定の設定値が存在してもよい）と、この電圧の実際値Upとに依存して制御される。アクチュエータ電圧の代わりに、アクチュエータの位置を使用してもよい。
図２のフローチャートを用いて、図１の回路の例に即してこの装置の作動方法を説明する。ここでこのフローチャートは、充電コンデンサＣが完全に充電されている初期状態（状態Ｉ）から始まる。このときすべてのスイッチX1〜X4は非導通状態であり、転流コイルＬは無電流状態である。
外部の制御信号の開始とともにst＝１（状態II）、充電スイッチX2が点弧される（導電状態に制御される）。これによって充電コンデンサＣは転流コイルＬを介して、（コンデンサのように作用する）アクチュエータ内に放電し始め、該アクチュエータを充電し始める（状態III）。これは圧電アクチュエータの長さを変化させる。制御回路STに伝達される、アクチュエータに加わる電圧Up（これは図１で矢印によって示される）が上昇する。
電圧Upが設定値Usに達すると（状態IV）直ちに充電過程が終了され、充電スイッチX2は非導通状態（すなわちX2＝０）になり、充電ストップスイッチX3は導通状態になる（X3＝1,状態Ｖ）。振動回路LCは更に転流コイルＬが無電流状態になるまで振動する。
アクチュエータの充電状態は制御信号stが加わっている間維持される。制御信号stが消失すると（st＝0,状態VI）、アクチュエータは放電されなければならない。このため充電ストップスイッチが非導通状態に制御され（X3＝０）、放電スイッチが導通状態になる（X4＝1,状態VII）。ここでアクチュエータＰは転流コイルＬを介して充電コンデンサＣ内に放電する。アクチュエータがダイオードＤの電圧閾値まで放電されると、このダイオードＤは電流を引き受ける；振動回路LCは、転流コイルが無電流状態になるまで更に振動し続ける。スイッチX4は非導通状態に制御される。
損失がなければ充電コンデンサＣに、初期状態Ｉにおける電圧と同じ電圧Ucが加わることとなる。しかし実際にはこの電圧は損失の結果、幾らかより低くなっている。そのため本実施例では放電過程の終了後に、スイッチX2〜X4が再び非導通状態になると、新たな充電サイクルの開始前にエネルギスイッチX1が充電コンデンサＣの再充電のため導通制御される（状態VIII）。
図３には、基本的に図１の回路に相応する回路が示されている。しかし複数のアクチュエータP1〜Pnを制御する回路が示してある。この回路ではエネルギ源Ｖ、エネルギスイッチX1、充電コンデンサＣ、転流コイルおよび充電ストップスイッチX3が図１の回路のように接続されており、そこに記載されているのと同じように作用する。しかし制御回路STはここでは再び示されていない。
第１のアクチュエータP1に対して、X2の代わりの充電スイッチX2.1と、ダイオードD1と、放電スイッチX4とを有しているアクチュエータ回路S1は図１と同じ回路を有する。相違は、アクチュエータP1と放電スイッチX4との間に、放電スイッチの方に向かって電流順方向性であり、図１の唯一のアクチュエータの制御には不要であるダイオードD2.1が接続されていることと、さらなる各アクチュエータP2〜Pnに対してさらなる充電スイッチX2.2〜X2.nとさらなるダイオードD2.2〜D2.nが相応の回路に設けられていることである。
制御回路によって制御される充電スイッチX2.1〜X2.nは、充電すべきアクチュエータを選択する。またダイオードD2.1〜D2.nは、選択されたアクチュエータ以外に他のアクチュエータも充電されてしまうのを阻止する。共通の放電スイッチX4が導通制御されると、各アクチュエータの放電がこれに配属されているダイオードD2.1〜D2.nを介して行われる。各アクチュエータがダイオードＤの電圧閾値にまで放電されると、このダイオードは電流を引き受ける；振動回路Ｌ−Ｃは、転流コイルＬが無電流状態になるまで更に振動する。
図４は、図３の回路と比べて低い構成素子−コストを有する、複数のアクチュエータを制御する別の回路を示す。制御回路STは再びここでも示されていない。
図３の回路では各サイリスタスイッチX2.1〜X2.nを点弧するために、高価な変成器が必要である。変成器の代わりに簡単な選択スイッチT1〜Tn、例えばPower−MOSFETスイッチを使用すれば、この変成器を省くことができる。その場合この回路は図１の回路に相応する、アクチュエータＰが、アクチュエータP1と配属された選択スイッチT1との直接接続体によって置き換えられる回路に実質的に制限される。ここで選択スイッチT1のスイッチング区間に放電方向で電流順方向性であるダイオードD1が並列接続される。このダイオードD1は、MOSFETスイッチを使用する場合、この中に既に一体化される。
さらなる各アクチュエータP2〜Pnに対しては、アクチュエータP2〜Pnと、選択スイッチT2〜TnとダイオードD2〜Dnとから成るその種の直列接続体が、第１のアクチュエータP1に対する直列接続体P1−T1−D1と並列接続される。
この回路の作用は図１および図３に示された回路の作用と相応し、ここでP1等のアクチュエータの充電の際、配属された選択スイッチT1は少なくとも充電スイッチX2が導通制御されている期間中は導通制御されなければならない。
アクチュエータP1の放電の際、電流はアクチュエータから放電スイッチX4、転流コイルＬ、充電コンデンサＣおよびダイオードD1を介して流れる。アクチュエータがダイオードＤの電圧閾値まで放電されると、これは電流を引き受け、振動回路Ｌ−Ｃは転送コイルが無電流状態になるまで更に振動し続ける。
図１、３および４に示された回路を、充電スイッチおよび放電スイッチおよび選択スイッチの簡単な変更によって次のように構成することができる。すなわちアクチュエータが与えられた条件に応じて、負極GND（ローサイドLowside,図１および図３参照）に接続されたり、または正極＋Ｖの電位のより近傍（ハイサイドHighside,図４参照）に位置するように構成することができる。

Claims (5)

1. 少なくとも１つの圧電アクチュエータ（Ｐ）の制御装置であって、
   エネルギ源（Ｖ）の正極（＋Ｖ）と負極（GND）との間に設けられた充電コンデンサ（Ｃ）を有しており、該充電コンデンサは、前記エネルギ源（Ｖ）によりエネルギスイッチ（X1）を介して充電可能であり、
   当該エネルギスイッチ（X1）と転流コイル（Ｌ）と充電 ストップスイッチ（X3）は直列に接続されており、当該 転流コイルと充電ストップスイッチは、前記充電コンデンサ（Ｃ）に並列に配置されており、
   前記充電ストップスイッチ（X3）に並列に配置されたアクチュエータ回路（S,S1）を有しており、該アクチュエータ回路（S,S1）は放電スイッチ（X4）とダイオード （Ｄ）と回路部分とから成り、
   前記放電スイッチ（X4）の一方の側は転流コイル（Ｌ）に接続されていて、当該転流コイルへ電流を伝導し、
   前記ダイオードは、アクチュエータに配属された充電ス イッチ（X2.1）のほうに向かって電流順方向性であり、 前記アクチュエータ（P1）のうちの１つのアクチュエー タに並列接続されており、
   前記回路部分は、前記転流コイル（Ｌ）に接続されてい て転流コイルから電流を導く充電スイッチ（X2.1〜X2. n）およびアクチュエータ（P1〜Pn）自体から成る直列 接続体と、放電方向に電流を導くダイオード（D2.1〜D 2.n）とから成り、
   当該ダイオード（D2.1〜D2.n）は、前記アクチュエータ （P1〜Pn）と前記放電スイッチ（X4）の他方の側のあい だに配置されており、前記充電スイッチ（X2.1〜X2.n） に対して並列に位置しており、
   前記回路部分は、前記アクチュエータ（P1〜Pn）毎に存 在する、
   ことを特徴とする、圧電アクチュエータの制御装置。
2. 制御回路（ＳＴ）を用いて少なくとも１つの圧電アクチュエータ（P1〜Pn）を制御する装置であって、
   エネルギ源（Ｖ）の正極（＋Ｖ）と負極（GND）との間に設けられた充電コンデンサ（Ｃ）を有しており、該充電コンデンサは、前記エネルギ源（Ｖ）によりエネルギスイッチ（X1）を介して充電可能であり、
   当該エネルギスイッチ（X1）に接続された転流コイル（Ｌ）と充電ストップスイッチ（X3）との直列接続体を有しており、該直列接続体は、前記充電コンデンサ（Ｃ）に並列に配置されており、
   前記充電ストップスイッチ（X3）に並列に配置されたアクチュエータ回路（S2）を有しており、該アクチュエータ回路は、転流コイル（Ｌ）に電流を導く放電スイッチ（X4）と転流コイル（Ｌ）から電流を導く充電スイッチ（X2）とから成る並列接続体と、ダイオード（Ｄ）とから成る直列接続体を有しており、
   各アクチュエータ（P1〜Pn）に対して設けられた、前記ダイオード（Ｄ）と並列に配置された、アクチュエータ（P1〜Pn）自体と当該アクチュエータに配属されて制御回路（ST）によって制御される電子的な選択スイッチ（T1〜Tn）とから成る直列接続体を有しており、前記選択スイッチのスイッチング区間は、放電方向で電流順方向性であるダイオード（D1〜Dn）によって橋絡されている、
   ことを特徴とする、圧電アクチュエータの制御装置。
3. エネルギスイッチ（X1）と、充電スイッチ（X2，X2.1〜X2.n）と、放電スイッチ（Ｘ４）は少なくとも１つの半導体素子を有する、１方向にのみ電流順方向性である被制御電子スイッチから成る、請求項１または２記載の装置。
4. 各アクチュエータ（P,P1〜Pn）の位置または当該アクチュエータに加わる電圧（Up）に対する少なくとも１つの設定値（Us1〜Usn）が制御回路（ST）に設定可能、または当該制御回路内に記憶されており、
   前記制御回路（ST）は、外部の制御信号（st）、各アクチュエータ（P,P1またはPn）の位置、または該アクチュエータに加わる電圧（Up）およびアクチュエータの位置または電圧に対する所定の各設定値（Us1〜Usn）に依存して、充電スイッチ（X2,X2.1〜X2.n）と、充電ストップスイッチ（X3）と、放電スイッチ（X4）と、選択スイッチ（T1〜Tn）に対する制御命令を出力するように構成されている、請求項１または２記載の装置。
5. 請求項１または２記載の装置の作動方法であって、
   制御信号（st）の開始とともに被制御アクチュエータ（P,P1〜Pn）を、エネルギ源（Ｖ）によって充電された充電コンデンサ（Ｃ）から転流コイル（Ｌ）を介して、これに現れる電圧（Up）が所定の設定値（Us）に達するまで充電し、
   引き続き当該充電状態（Up＝Us）を制御信号（st）が終わるまで維持し、
   前記制御信号（st）の終わりとともに、前記アクチュエータは充電コンデンサ（Ｃ）内に放電され、
   当該放電過程に引き続いて充電コンデンサ（Ｃ）を、エネルギ源（Ｖ）によって再び充電する、
   ことを特徴とする、圧電アクチュエータの制御装置の作動方法。

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