TWI703807B - 壓電致動器陣列的壓電控制電路及控制方法、壓電致動裝置及含有其之計量閥 - Google Patents

壓電致動器陣列的壓電控制電路及控制方法、壓電致動裝置及含有其之計量閥 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種壓電控制電路(11,51,81)，該壓電控制電路具有輸入端(12)，在該輸入端上提供隨時間變化的電壓信號(UE)。該壓電控制電路(11,51,81)還具有用於連接壓電致動器陣列(14,54,84)的觸點的壓電介面(13,53,83)，壓電致動器陣列具有至少一個電壓控制的壓電致動器(Pz)。同步控制電路(SK)探測電壓信號(UE)的相位並控制變流電路(16,56,86)，變流電路被接入到輸入端(12)與壓電介面(13,53,83)之間。同步控制電路(SK)根據電壓信號(UE)的相位來控制變流電路(16,56,86)，以便在壓電介面(13,53,83)上施加具有預設電壓時間曲線的控制電壓(Us)。本發明還涉及一種用於控制壓電致動器陣列(14,54,84)的方法。本發明又涉及一種壓電致動器裝置(10,50,80)，其具有壓電致動器陣列(14,54,84)和根據本發明的壓電控制電路(11,51,81)。最後，本發明再涉及一種具有根據本發明的壓電致動器裝置(10,50,80)的計量閥。

Description

壓電致動器陣列的壓電控制電路及控制方法、壓電致動裝置及含有其之計量閥
本發明涉及一種壓電控制電路和用於控制壓電致動器陣列的方法。
在很多技術領域、特別是生產技術領域中，都使用壓電致動器來控制機械運動。為了控制機械運動，在壓電致動器上施加一定的電壓，該電壓基於逆壓電效應而引發壓電致動器的機械運動，更準確地說是引發壓電致動器的收縮或伸展。壓電致動器通過這種機械運動使操縱元件(例如挺桿或槓桿)運動。壓電致動器包括至少一個壓電元件或由彼此串聯或並聯的壓電元件組成的組。串聯的壓電元件可以例如用作壓電柱(也叫壓電堆)，在此，壓電堆的行程相應地大於單個的壓電元件。
例如，在對稀液狀或糊狀的介質進行塗覆和計量 時，特別是在塗覆粘合材料時，會用到計量閥，計量閥包括閥門挺桿，該閥門挺桿受到致動器(例如壓電致動器)的控制。通過施加在壓電致動器上的控制信號，利用控制電壓控制壓電致動器並使其執行機械運動，並通過這種機械運動來操縱閥門挺桿。計量閥打開的程度可以通過壓電致動器的控制電壓值來控制。此外，所輸出的介質的數量取決於閥門打開的持續時間。閥門打開的持續時間則取決於控制電壓的頻率。
傳統上，作為用於控制壓電致動器的控制信號的基礎的信號通過專門的具有振盪器的函數產生器來產生。利用類比電路技術實現的簡單的函數產生器包含可調節的三角波振盪器，三角波振盪器的輸出信號通過非線性電路轉換為近似於正弦波。在這些儀器中，正弦輸出通常具有相對較高的畸變係數。方波信號是利用比較器由三角波信號產生的，在此，可以通過改變比較電壓來調節方波的脈衝寬度。但是，這種類型的函數產生器的精度是非常有限的。數位式函數產生器利用直接數位式合成器(直接數位式頻率合成器)(DDS)工作，並能夠形成不同週期的信號波形。其準確性顯著高於以類比電路技術實現的儀器並且主要取決於DDS的內部解析度。一般情況下採用石英振盪器作為脈衝源，石英振盪器向DDS發出脈衝。雖然這種類型的電壓源能夠提供較高的精度，但是由於其在大多數情況下是針對廣泛的應用範圍而設計的，因此相應的設計成本很高並因此非常昂貴。
本發明的目的在於提出一種低成本、高精度的用於壓電致動器的控制電路，和一種相應的用於控制壓電致動器的方法。
本發明的目的通過如請求項1的壓電控制電路、如請求項11的方法、如請求項14的壓電致動器裝置和如請求項15的計量閥來實現。
根據本發明的壓電控制電路具有輸入端，在輸入端上提供隨時間變化的電壓信號。提供給輸入端的電壓信號可以例如來源於標準電源，例如50Hz或60Hz電源。壓電控制電路還具有壓電介面，用於連接壓電致動器陣列的觸點，壓電致動器陣列具有至少一個電壓控制的壓電致動器。壓電致動器陣列包括至少一個壓電致動器，但也可以是多個壓電致動器並聯成為壓電致動器陣列，或者壓電致動器陣列還可以被分成由彼此並聯的壓電致動器組成的單獨的多個組。介面例如可以包括觸點，一個或多個壓電致動器或壓電致動器陣列通過這些觸點與壓電控制電路電連接。此外，壓電控制電路包括被設計用於探測電壓信號的相位的同步控制電路和位於輸入端與壓電介面之間的變流電路。變流電路例如可以是整流電路，通過該整流電路可以對交流電壓進行分解和組合，以獲得直流電壓。同步控制電路可以被看作是一種流序控制器。為此將同步控制電路設計為，根據電壓信號的相位來控制變流電路，從而能夠向壓電介面施加具有預設電壓時間曲線的控制電壓。換句話說，同步控制電路檢測電壓信號 的時間特性，並在此資訊的基礎上對電壓信號進行分解並進行相應地組合，從而產生一信號，該信號所具有的電壓時間曲線具有預設的形式(Form，形狀)和頻率。由此，借助於受到壓電致動器控制的計量閥，可以例如對稀液狀或糊狀的介質進行精確的計量。在控制足夠精確的情況下，可以有利地去除高成本的交流電壓源，例如函數產生器。
本發明的特別有利之處在於，可以採用由交流電壓源(例如標準化電源)提供的標準電壓信號作為輸入電壓，並基於該標準電壓信號對電壓曲線的多個部分進行裁切並組合，以便得到具有所要求的形式和頻率的電壓時間曲線。
在根據本發明的用於控制壓電致動器陣列的方法中，接收電壓信號，並通過根據預先設定的電路圖使電壓信號換向來實現對電壓信號的曲線部分的分解和組合。被換向的電壓信號作為控制電壓施加在用於連接壓電致動器陣列的觸點的壓電介面上，壓電致動器陣列具有至少一個電壓控制的壓電致動器。
根據本發明的壓電致動器裝置包括：壓電控制電路，其具有根據本發明的特徵；和壓電致動器陣列。
根據本發明的計量閥包括壓電致動器裝置，該壓電致動器裝置具有根據本發明的特徵。
本發明的其他特別優選的設計方案和擴展方案由附屬請求項以及隨後的說明給出。
在根據本發明的壓電控制電路的一種優選的設計方案中，變流電路包括開關矩陣，開關矩陣具有多個沿行 方向延伸的線路、多個沿列方向延伸的線路和多個開關，這些開關設置在開關矩陣的交叉點上並分別將沿行方向延伸的線路與沿列方向延伸的線路連接起來。為了利用控制信號來控制這些開關，將這些開關連接在同步控制電路上。例如，這些開關可以通過獨立的、分別配屬於各個開關的、併行的線路與同步控制電路相連接。替代地，這些開關還可以通過開關矩陣加以控制。
在一種特別優選的設計方案中，壓電控制電路具有與壓電介面並聯的放電開關。放電開關用於使壓電觸點之間的電壓也非同步地、即與通過輸入電壓預設的信號頻率無關地切換到零(置零)，或至少使壓電觸點上的電壓降低。通過放電開關可以特別靈活且在很大程度上與輸入電壓無關地設計控制信號的頻率和形式。
在根據本發明的壓電控制電路的一種替代的變型中，放電開關在接通狀態下具有電阻。根據放電開關的電阻和壓電致動器的電容可以獲知開關特性或再充電時間，壓電致動器利用該再充電時間通過放電開關被再次充電。替代地，放電開關還可以被串聯附加的電阻，該電阻與壓電致動器的電阻和電容一起決定了壓電致動器的開關特性或再充電時間。
在本發明的另一種優選的設計方案中，壓電控制電路具有一附加的開關，該開關被串聯在放電開關與壓電介面之間，並並聯有分路電阻(跨接電阻)。通過該附加的開關可以消除電壓時間曲線中的不連續性。換句話說，可以通 過該分路電阻導入一附加的時間常數，通過該時間常數可以影響控制信號的電壓時間曲線的進程。該附加的開關在斷開狀態下的電阻為無窮大，此時電流流過並聯的電阻。當處於閉合狀態、即接通狀態時，該開關的電阻近似為零，此時電流基本上流過該開關。
根據本發明的壓電控制電路所使用的電壓信號可以是交流信號或三相電流信號。與交流信號相比，通過三相電流信號可以使控制信號在相同的基礎頻率時達到更高的信號頻率，因為直觀地說在三相電流的各相之間可以往復躍變。
在壓電控制電路的一種特別優選的變型中，多個壓電致動器被相互並聯。在這種連接狀況下，可以例如通過單一的控制電路實現併行的生產線。通過節省附加的控制開關，不僅可以實現適宜的成本效應，而且還可以使被併行控制的單元實現精確的同步(共模)。
附加地，這些壓電致動器也可以被分成多個壓電致動器組，在此，沿列方向為每個組分配開關矩陣的兩個線路。在此可以將同步控制電路設計為，針對每個壓電致動器組產生單獨的控制信號，從而使得壓電致動器的各個組能夠被相互獨立地控制。因此，利用單一的控制電路還可以同時實現不同的控制模式。例如，可以利用單一的控制電路來控制多個不同的製造步驟。
壓電控制電路還可以包括連接在輸入端上的電壓源。在此，可以在電壓源與變流電路之間接入隔離變壓器。 隔離變壓器能夠可靠地防止例如由使用者意外導致的電壓源接地短路。由此提高了該陣列在使用和維護時的安全性。
在根據本發明方法的一種特別優選的變型中，用於控制壓電致動器的電壓信號可以經由與壓電介面並聯連接的附加放電開關通過被電壓控制的壓電致動器的放電而改變。
在此，用於控制壓電致動器的電壓信號還可以附加地通過接入串聯電阻被改變。
在根據本發明方法的一種特別優選的變型中，可以相對於電壓信號的交零時間同步地控制開關，由此使得開關被無電流地接通。通過這種類型的控制可以使控制電路的能耗特別低。
替代地，也可以相對於電壓信號的交零時間錯開地控制開關，從而改變施加在壓電介面上的電壓的極性。通過改變施加在壓電致動器上的電壓的極性，可以有效地使壓電致動器實現更大的偏轉或更大的行程。但是在此優先需要注意的是：施加在壓電致動器上的負電壓(也被稱為雙極電壓)不得超過工作電壓的某個值，而在壓電致動器上施加雙極電壓的時間不得超過最大值。
10，50，80:壓電致動器裝置
11，51，81:壓電控制電路
12，52，82:輸入端
13，53，83:壓電介面
14，54，84:壓電致動器陣列
16，56，86:變流電路
A01...A11:時間間隔
GR1...GRm:壓電元件組
N:零線
P1，P2，P3:相
Pz1，Pz2...Pzn:壓電元件
Pz1...Pz n,i:第i個閥門組的壓電元件
Rc:電阻
Ru:分路電阻
S，S10，S11，S00，S01，S20，S21，S30，S31:電子開關
S00,i，S01,i，S10,i，S11,i，S20,i，S21,i，S30,i，S31,i:第i個開關組的電子開關
Sc:開關/斬波器開關
SK:同步控制器
Su:串聯開關
Tr，Tr1...Trm:觸發信號
Ubip:雙極電壓
UE:輸入電壓
Us:控制電壓/施加在壓電元件上的電壓
下面參照附圖根據實施例再次對本發明進行詳細說明。在此，在不同的附圖中以相同的附圖標記標示相同或相似的構件。其中： 圖1示出了根據本發明的第一實施例的壓電控制電路，圖2示出了施加在壓電致動器陣列上的控制電壓的電壓時間曲線圖，圖3示出了施加在壓電致動器陣列上的控制電壓的電壓時間曲線圖，圖4示出了施加在壓電致動器陣列上的控制電壓的雙極電壓時間曲線圖，圖5示出了根據本發明的第二實施例的壓電控制電路，圖6示出了施加在壓電致動器陣列上的控制電壓的電壓時間曲線圖，該控制電壓由根據本發明的第二實施例的壓電控制電路產生，圖7示出了施加在壓電致動器陣列上的控制電壓的電壓時間曲線圖，該控制電壓由根據本發明的第二實施例的壓電控制電路產生，圖8示出了根據本發明的第三實施例的壓電控制電路。
圖1示出了根據本發明的第一實施例的壓電致動器裝置10，其具有壓電控制電路11。在該實施例中需要控制由壓電致動器Pz1、Pz2...Pzn組成的壓電致動器陣列PZA。壓電控制電路11包括輸入端12，在該輸入端上施加有根據時間變化的電壓UE。根據時間變化的電壓UE可以例如由交流電壓源(未示出)產生。在此，該交流電壓源在最簡單的情況下可以是標準交流電介面。輸入端包括相輸入端P1和零線N 的輸入端。在這種情況下，施加在相輸入端上的相P1例如是供電網的網路電壓線路的相線路。壓電控制電路11還包括具有2x2開關矩陣的變流電路16，該開關矩陣具有四個電子開關S10、S11、S00、S01，該變流電路矩陣式地與輸入端12以及壓電介面13電路連接。壓電介面13連接在壓電致動器陣列14上，該壓電致動器陣列具有多個彼此並聯連接的壓電致動器Pz1、Pz2...Pzn。壓電致動器Pz1、Pz2...Pzn的並聯使得能夠特別簡單、低成本地控制或構建壓電致動器的壓電控制電路11，因為對於較大數量的壓電致動器只需要一個控制單元或壓電控制電路11。施加在輸入端12上的電壓UE的相通過同步控制器SK檢測得到，並根據施加在同步控制器SK上的觸發信號Tr按照電路圖產生用於電子開關S10、S11、S00、S01的合適的控制信號，以便能夠產生被施加在壓電致動器或壓電致動器陣列14上的、特定的電壓時間曲線。為了將控制信號傳輸到開關S上，同步控制電路SK可以通過配屬於各個開關S的各個控制線路與開關S相連接。替代地也可以設有開關矩陣，同步控制電路SK通過該開關矩陣控制開關S。為清楚起見，該控制線路在圖1中未示出。通過根據輸入電壓UE的相位週期性地交替控制電子開關S10、S11、S00、S01，可以符號正確地控制壓電致動器Pz1、Pz2...Pzn並實現能量回收。在該實施例中，電子開關的聯接關於電壓波形是持續發生的，從而能夠實現無電流的聯接。這種無電流聯接的附加效果在於，能夠使壓電致動器作為無功阻抗(電抗)來運行，並因此實際上不消耗電能，因為直觀上在壓電致動 器充電時所需要的來自電網的能量在放電時又被電網回收。附加地，相對於壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn或壓電致動器陣列14並聯一開關Sc。開關Sc可以用於壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn的非同步放電。非同步放電是指：放電不與輸入電壓UE的相同步進行。開關Sc具有電阻Rc，該電阻被設置為與開關Sc串聯的電阻。如果開關Sc斷開、即不接通，則根據輸入電壓UE來控制施加在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上的電壓。如果開關Sc閉合、即被接通，則在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn的觸點之間有平衡電流流過，該平衡電流使位於壓電致動器的觸點之間的電壓回歸零。因此，利用開關Sc可以為壓電致動器的啟動設定任意的時間間隔。此外，在開關Sc或電阻Rc與壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn之間設置開關Su，該開關具有並聯的分路電阻Ru。開關Su用於克服曲線合成中的可能的不連續處，並與開關Sc一起添加附加的時間常數。
圖2示出了施加在根據第一實施例的壓電致動器陣列14或壓電致動器陣列14的壓電致動器上的控制電壓Us的電壓時間曲線。控制電壓Us的與時間相關的特性將單獨通過開關S00、S01、S10和S11的接通和斷開來實現。在表1中示出了對應的電路圖。在此，“0”表示開關狀態“斷開”，“1”表示開關狀態“閉合”、即接通。在時間間隔或階段A01中，兩個開關S00和S11斷開，開關S01和S10閉合。換句話說，施加在P1上的正半波的電壓施加在壓電致動器陣列14的壓電致動器上，從而通過開關S10分別在壓電致 動器的左邊埠上、即壓電致動器的與開關S00和S10相關聯的埠上施加正電位元，同時通過開關S01分別在壓電致動器的右邊埠上、即壓電致動器的與開關S01和S11相關聯的埠上施加零線的電位，即在理想情況下施加電位0。總之，在時間間隔A0中，在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上施加正電壓。在此情況下，壓電致動器被啟動期間的持續時間由施加在輸入端12(見圖1)上的輸入電壓UE的頻率決定。
Figure 104121409-A0305-02-0014-1
在標準電流埠中，時間間隔A01的長度在頻率為50Hz的情況下例如為10ms。在時間間隔A01中所施加的信 號UE可以看作是100Hz半波序列的單脈衝。在A02期間，輸入電壓UE被換向，現在施加在P1上的是負電壓。但是為了能夠符號正確地控制壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn，輸入電壓UE通過接通開關S00和S11並斷開開關S01和S10而被反向。因此在時間間隔A02期間，在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上能夠記錄下與在A01期間相同的電壓波形。換句話說，在時間間隔A02期間，施加在壓電致動器的左邊埠、即壓電致動器的與開關S00和S10相關聯的埠上的現在是零線的電位，即在理想情況下為電位0，同時在壓電致動器的右邊埠、即壓電致動器的與開關S01和S11相關聯的埠上分別施加相P1的電位，即負電位。總之，在時間段A02期間，在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上施加有正電壓。開關S00、S01、S10和S11的切換通過前述的同步控制器SK與輸入電壓UE的相特性同步。這可以例如通過利用同步控制器SK在輸入端10上探測相P1來實現，並且對開關S00、S01、S10和S11上的開關信號的觸發可以通過同步控制器SK利用該相信號來平衡。在相P1與同步控制器SK之間繪有沿同步控制器SK方向的箭頭。該箭頭表示：施加在相P1的電壓通過同步控制器來檢測。例如，可以在相P1與同步控制器之間設置用於檢測施加在相P1上的電壓信號的線路。時間間隔A03等於半個時間間隔A01。在時間間隔A04中，所有的開關S00、S01、S10和S11被斷開，從而使施加在壓電致動器上的電壓Us對於時間間隔A04是固定的。開關S00、S01、S10和S11的關閉可以例如通過同步控制器從控制裝置(未示出)獲得的觸發信 號Tr來觸發。
同步控制器SK現在再次將其開關特性與輸入信號UE的相同步，並觸發開關S00、S01、S10和S11的斷開，準確地說是在輸入信號具有最大值時。在間隔A04期間，壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn保持被啟動，即在壓電致動器的觸點之間施加電壓Us。在時間間隔A05開始時，開關S01和S11閉合，使得施加在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上的電壓Us到該間隔結束時相應於反向的輸入電壓UE再次回到零。在時間間隔A03至A05中，兩個半波近乎於結合在一起，從而產生一信號脈衝，該信號脈衝相比於間隔A01和A02中的信號具有一半的頻率或雙倍的週期。在間隔A06至A08中將重複間隔A03至A05中的進程，其變化在於：現在，壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn的更長的啟動間隔將通過三倍於時間間隔A01和A02的脈衝時間或週期來控制。在時間間隔A09期間，開關S00、S01、S10和S11斷開，此時施加在壓電致動器上的電壓Us為0V。在該時間間隔內，壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn失活。在間隔A10中，壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn被再次啟動，在間隔A11中再次出現與間隔A09中一樣的暫停。
圖3示出了施加在根據第一實施的壓電致動器陣列14的壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上的控制電壓Us的電壓時間曲線，現在在此借助於斬波器開關(斷路器開關)Sc來影響施加在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上的電壓Us。通過使用該附加的開關Sc，可以使壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn可自由選擇時間地放電。這使得能夠在充電之後與電網頻率 無關的時間點上發出計量脈衝。例如，在輸入電壓UE的第三半波期間，斬波器開關被啟動，並且施加在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上的電壓Us大約直至第四半波開始時下降至零。如圖3所示，在使用開關Sc與另外的開關S00至S11組合的條件下，可以縮短或延長信號電壓或控制電壓Us的週期。
在圖4中可以闡明了電壓時間曲線的曲線波形，如果壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn的行程應該特別高時，可以採用該曲線波形。壓電致動器的行程取決於控制信號Us的極值之間的電壓差。因此，壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn的行程可以通過使這些壓電致動器換向來提高。暫時性地施加在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上的負電壓Us也被稱為雙極電壓Ubip。雙極電壓Ubip通過對開關S00、S01、S10和S11的控制時間點的移置來實現。在圖4所示的實施例中，與如圖2和圖3所示的實施例不同的是，在第二半波期間，即在負輸入電壓UE或負相P1時，開關S01和S10被接通，也就是說，施加在輸入端上的負電壓UE被傳輸到位於壓電控制電路11和具有壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn的壓電致動器陣列14之間的介面13上，從而不是首先進行整流，由此來實現壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn的換向。換句話說，現在施加在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn的左邊埠上的是相P1的負半波的負電位。即，在壓電致動器上所施加的是負電壓，為了防止壓電致動器損壞，該負電壓應該只在短時間內被施加，並且不應超過工作電壓的大約¼。在第二半波期間，在圖4中從輸入電壓UE的值達到預設閾值的時間點開始，壓電致動器Pz1， Pz2，...Pzn上的電壓將通過斷開開關S01和S10而保持恒定。該狀態被保持直至輸入電壓UE的電壓值或其絕對值再次低於預設的閾值。然後接通開關S01和S10，從而使得輸入電壓UE再次被施加在壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn上。
在圖5中示出了壓電致動器裝置50，其具有根據本發明的第二實施例的壓電控制電路51。類似於壓電致動器裝置10，壓電致動器裝置50包括輸入端52。在這種情況下，對壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn的控制被擴展到三相。即，將施加三相電壓作為輸入電壓UE。與第一實施例相比，由此增加了可產生的曲線多樣性，並提高了可用以改變壓電致動器的開關狀態的頻率。換句話說，當頻率降低2/3時可產生與第一實施例相同頻率的控制信號。有鑒於干擾到信號的抖動與基礎頻率是成比例的，因此該干擾值在第二實施例中可相應地降低2/3。壓電致動器裝置50的結構類似於圖1中的壓電致動器裝置10。但是與圖1不同的是，壓電致動器裝置50的輸入端包括三個相P1、P2、P3，這些相通過具有4x2開關矩陣的變流電路56經由壓電介面53與具有多個並聯的壓電致動器Pz1至Pzn的壓電致動器陣列54相聯接，在此，4x2開關矩陣包括開關S00、S01、S10、S11、S20、S21、S30、S31。現在，將同步控制器SK與相P1、P2、P3相聯接，以便探測施加電壓UE的所有三個相。現在，同步控制器SK與三相輸入電壓UE同步地控制4x2開關矩陣的開關S00、S01、S10、S11、S20、S21、S30、S31，從而在壓電致動器Pz1至Pzn上分別施加具有所要求的形式或時間波形的正電壓Us。與第一 實施例相同，可以通過斬波器開關Sc來影響施加在壓電致動器Pz1至Pzn上的電壓Us。通過使用該附加的開關Sc，使得壓電致動器Pz1，Pz2，...Pzn可自由選擇時間地放電。如上所述，這使得能夠在充電之後與電網頻率無關的時間點上發出計量脈衝。
圖6示出了控制電壓Us的時間電壓波形的曲線圖，該電壓波形由根據第二實施例的壓電控制電路51產生。例如，該曲線在開始時接通開關S10和S01並斷開所有其他的開關。在P1的相為30°時，此時相P1和P3的電壓的絕對值相同，通過斷開開關S10並接通開關S30而躍變至相P3。P3的電壓是正的，因此現在施加在壓電致動器Pz1至Pzn上的仍然是正電壓。現在，當輸入端上的相P3從正半波過渡到負半波時，閉合開關S31和S00並斷開開關S01和S30，以使現在施加在壓電致動器Pz1至Pzn上的繼續為正電壓。當P1的相為120°時，此時相P1和P3的電壓的絕對值相同，現在通過斷開開關S31和S00並接通開關S10和S01又躍變回到相P1。在相P1的負半波期間，斷開開關S10和S01並接通開關S11和S00，以便在壓電致動器Pz1至Pzn上繼續施w加正電壓。現在，當相P1從負半波過渡到正半波時斷開所有開關，以使施加在壓電致動器上的電壓Us保持為零。最後，通過接通兩個開關S20和S01並且斷開其餘的開關，使得關於第二相P2的電壓曲線繼續進行。通過在各個相的不同交叉點上在各個相之間的躍變，可以實現具有不同脈衝持續時間和不同振幅的各種信號形式。
圖7示出了電壓波形Us關於時間的曲線圖，該電壓波形可以同樣由根據第二實施例的壓電電路陣列51來產生。在此，施加在壓電致動器Pz1至Pzn上的電壓Us的振幅被調整到特定的電壓值。這種調整通過將施加在壓電致動器Pz1至Pzn上的電壓Us固定在特定值來實現。這可以通過在電壓振幅的閾值時或在與其相對應的輸入電壓的相的特定值時將各個當前閉合、即接通的開關S斷開來實現。首先與圖6類似，通過接通開關S10和S01並斷開所有其他的開關來產生控制電壓Us。在P1的相為大約15°時，斷開開關S10和S01，從而使現在剛達到的電壓值Us保持恒定。在P1的相為大約45°時，變換到P3的正半波，在此，開關S30和開關S01被接通。在相P3交零時，斷開開關S30和S01，以使壓電致動器現在保持失活。接下來，通過接通開關S20和開關S10變換到相P2的正半波。當控制電壓Us達到預設的閾值時，開關S20和S10再次被斷開，從而保持該閾值作為控制電壓，直至相P3的電壓的絕對值等於所達到的控制電壓Us的閾值。現在，通過接通開關S31和S00來變換到相P3的負半波。當相P3交零時或過渡到正半波時，現在通過斷開開關S31和S00和替代地接通開關S30和S01，使控制電壓Us保持為正的。當控制電壓Us達到預設的閾值時，開關S30和S01被斷開，從而保持該閾值為控制電壓，直至輸入電壓UE再次達到預設的閾值。在此處通過再次接通開關S30和S01又變換回相P3的正半波。在電壓Us交零時，即過渡到相P3的負半波時，斷開開關S30和S01並接通開關S31和S00，由此使得 施加在輸入端上的負電壓UE被反轉為壓電致動器上的正的控制電壓Us。
圖8示出了根據本發明第三實施例的壓電致動器裝置80。該壓電致動器裝置80同樣包括壓電控制電路81和壓電致動器陣列84，該壓電控制電路和壓電致動器陣列與壓電介面83彼此聯接。壓電控制電路81還包括輸入端82，在該輸入端上施加有輸入信號UE。與根據第二實施例的陣列50相比，根據第三實施例的陣列80的變流電路86現在被擴展為，附加地將2m-2個列添加到第二實施例的開關矩陣中，以便現在能夠彼此獨立地總共控制m個閥門組GR1至GRm。為了獨立地控制配屬於各個組GR1至GRm的開關組i，在此，開關組包括開關S00,i、S01,i、S10,i、S11,i、S20,i、S21,i、S30,i、S31,i(i=1至m)，現在將m個彼此獨立的觸發信號Tr1至Trm發送到同步控制器SK。根據觸發信號的時間點，在不同的時間點上對壓電致動器Pz1至Pzn,I(在此i=1至m)的各個組實施控制。還可以考慮，例如利用各種計量裝置來執行在時間上錯開的不同工作步驟，或者在不同的計量閥組中同時執行各種工作步驟，在此，僅需要唯一的壓電控制電路81。與圖1和圖5中的陣列類似的是，圖8中的壓電致動器裝置80針對各個閥門組都分別具有一個並聯開關Sc,i和一個串聯開關Su,i，在此i=1至m。
此外，為了避免發生干擾或事故，在所述控制電路11、51、81的輸入端與電壓源之間接入隔離變壓器是非常有用的。在用戶與壓電致動器發生接觸而這些壓電致動器又 連接到電壓源或電網的情況下，壓電致動器和電源插頭的電隔離可以防止有較大的電流流動。在電壓源供應三相電流或三相電壓的情況下，選擇下述這種變壓器是有意義的：在該變壓器中，初級繞組被構造為三角形電路，次級繞組被構造為星形電路。通過這種類型的佈線，可以在二次側形成零線，即零線上的電壓始終為0，從而確保其滿負荷能力。
為了實現可變的控制電壓，可以在隔離變壓器之後附加地接入可調變壓器，在此，在這種具有三相電流的變型中接入了三個聯接在一個軸上的可調變壓器。
如果需要提供比所擁有的頻率(例如50或60Hz)更高的輸入頻率作為輸入電壓頻率，則附加地可以在所述控制電路的輸入端之前接入逆變器，利用該逆變器可以獨立於電網頻率地產生所要求的電壓頻率。
最後再次指出：前面詳細描述的壓電致動器裝置和壓電控制電路只是實施例，本領域技術人員能夠在不超出本發明的範圍的情況下以不同的方式對其進行修改。此外，不定冠詞“一”的使用並不排除所涉及的特徵也可能存在多個。
10:壓電致動器裝置
11:壓電控制電路
12:輸入端
13:壓電介面
14:壓電致動器陣列
16:變流電路
P1:相
Pz1，Pz2...Pzn:壓電元件
Rc:電阻
Ru:分路電阻
S10，S11，S00，S01:電子開關
Sc:開關/斬波器開關
SK:同步控制器
Su:串聯開關
Tr:觸發信號
UE:輸入電壓

Claims (15)

  1. 一種壓電控制電路(11,51,81)，具有：輸入端(12,52,82)，在所述輸入端上提供隨時間變化的電壓信號(UE)，壓電介面(13,53,83)，用於連接壓電致動器陣列(14,54,84)的觸點，所述壓電致動器陣列具有至少一個電壓控制的壓電致動器(Pz)，同步控制電路(SK)，其被設計用於探測所述電壓信號(UE)的相位，變流電路(16,56,86)，位於所述輸入端(12,52,82)和所述壓電介面(13,53,83)之間，其中，所述同步控制電路(SK)被設計為，根據所述電壓信號(UE)的相位來控制所述變流電路(16,56,86)，從而在所述壓電介面上施加具有一預設的電壓曲線的控制電壓(Us)，其中，所述控制電壓(Us)的所述電壓曲線來自於對所述電壓信號(UE)的電壓曲線的各個曲線部分進行分解和組合。
  2. 如請求項1所述的壓電控制電路(11,51,81)，其中，所述變流電路(16,56,86)包括開關矩陣，所述開關矩陣具有多個沿行方向延伸的線路、多個沿列方向延伸的線路和多個開關(S)，所述開關設置在所述開關矩陣的交叉點上，並分別將沿行方向延伸的線路與沿列方向延伸的線路連接起來，其中，為了利用控制信號來控制所述開關(S)，將所述 多個開關(S)連接在所述同步控制電路(SK)上。
  3. 如請求項1或2所述的壓電控制電路(11,51,81)，還具有放電開關(Sc)，所述放電開關與所述壓電介面並聯。
  4. 如請求項3所述的壓電控制電路(11,51,81)，其中，所述放電開關(Sc)與電阻(Rc)串聯。
  5. 如請求項3所述的壓電控制電路(11,51,81)，還具有附加開關(Su)，所述附加開關串聯在所述放電開關(Sc)與所述壓電介面(13,53,83)之間，並且與分路電阻(Ru)並聯。
  6. 如請求項1所述的壓電控制電路(11,51,81)，其中，所述電壓信號(UE)是交流電信號或三相電流信號。
  7. 如請求項1所述的壓電控制電路(11,51,81)，其中，所述壓電介面(13,53,83)被設計為，能夠使多個壓電致動器(Pz)彼此並聯。
  8. 如請求項2所述的壓電控制電路(11,51,81)，其中，所述壓電介面包括多個用於多個壓電致動器組(GR1至GRm)的埠，其中，沿列方向為每個壓電致動器組(GR1至GRm)分配兩個線路。
  9. 如請求項8所述的壓電控制電路(11,51,81)，其中，所述同步控制電路(SK)被設計為，針對每個壓電致動器(Pz)組(GR1至GRm)生成單獨的控制信號，使得能夠彼此獨立地控制各個壓電致動器組(GR1至GRm)。
  10. 如請求項1所述的壓電控制電路(11,51,81)，還具有電壓源，所述電壓源連接在所述輸入端(12,52,82)上，和/或在所述電壓源與所述變流電路(16,56,86)之間接入隔離變壓器。
  11. 一種用於控制壓電致動器陣列(14,54,84)的方法，至少具有以下步驟：接收電壓信號(UE)，通過根據預設的電路圖使所述電壓信號(UE)換向，對所述電壓信號(UE)的各個曲線部分進行分解和組合，將換向的電壓信號作為控制電壓(Us)施加在用於連接壓電致動器陣列(14,54,84)的觸點的壓電介面(13,53,83)上，所述壓電致動器陣列具有至少一個電壓控制的壓電致動器(Pz)。
  12. 如請求項11所述的方法，其中，通過利用與所述壓電介面(13,53,83)並聯的附加的放電開關(Sc)對所述壓電致動器(Pz)進行放電來修改所述控制電壓(Us)，和/或 附加地通過接入串聯電阻(Ru)來修改所述控制電壓(Us)。
  13. 如請求項11或12所述的方法，其中，藉由相對於所述電壓信號(UE)的交零時間錯開地控制多個開關(S)中的一個而在所述壓電介面(13,53,83)上施加該控制電壓(Us)，以改變施加在所述壓電介面(13,53,83)上的控制電壓(Us)的極性。
  14. 一種壓電致動器裝置(10,50,80)，具有如請求項1至10中任一項所述的壓電控制電路(11,51,81)，及一壓電致動器陣列(14,54,84)。
  15. 一種計量閥，具有如請求項14所述的壓電致動器裝置(10,50,80)。
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