WO1998027601A1 - Verfahren und vorrichtung zum ansteuern wenigstens eines kapazitiven stellgliedes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ansteuern wenigstens eines kapazitiven stellgliedes Download PDF

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Martin Hecker
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    • F02D2041/2082—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the circuit design or special circuit elements the circuit being adapted to distribute current between different actuators or recuperate energy from actuators

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling at least one capacitive actuator, in particular a piezoelectrically operated fuel injection valve of an internal combustion engine.
  • Piezo actuators consist of a large number of piezoceramic layers and form a so-called “stack” which changes its dimensions, in particular its length s, by a stroke ds when a voltage is applied, or generates an electrical voltage when subjected to mechanical pressure or tension.
  • a control device for a piezoelectric element is known from DE 41 22 984 A1, in which the control of the piezoelectric element takes place via corresponding electronic switches with predetermined charging and discharging times.
  • the object of the invention is also to provide an apparatus for performing this method. This object is achieved by the features of claim 1.
  • FIG. 1 shows a diagram of the actuator voltage Up versus the charging voltage Uc
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a device for controlling a plurality of actuators
  • FIG. 3 shows a flow diagram relating to the mode of operation of the circuit according to FIG. 2.
  • the invention is based on the consideration that there are usually temperature-related changes that have a very large time constant compared to the time interval between successive actuator actuations in an internal combustion engine, or specimen tolerances that do not change. It is therefore not necessary to carry out the control or regulation of the charging in the control cycle (control process) itself, rather it is entirely sufficient to determine a deviation in one control process and then to correct it in the subsequent control process.
  • FIG. 1 shows a diagram of the relationship between the charging voltage Uc and the actuator voltage Up, a predetermined actuator setpoint value Up ⁇ O n being shown in broken lines.
  • the method according to the invention is described below on the basis of this diagram and the circuit of a control device for a plurality of capacitive actuators shown in FIG.
  • the control of n fuel injection valves, not shown, of an internal combustion engine via piezoelectric actuators Pl to Pn takes place by means of a control circuit ST, which is part of a microprocessor-controlled engine control unit, not shown.
  • Figure 2 is between the positive pole Ucl and the negative pole GND of a controllable voltage source SNT, preferably one
  • a charging capacitor Cl connected, which can be regarded as the output capacitor of the switching power supply SNT and is charged to the output voltage Ucl.
  • a series circuit comprising a charging switch XI connected to the positive pole Ucl and permeable to current away from it and a discharge switch X2 connected to the negative pole GND and permeable to it.
  • switches XI and X2 When talking about switches XI and X2, they are electronic switches which are only permeable in one direction and which consist of at least one semiconductor element, preferably thyristor switches, which are controlled by the control circuit in a conductive manner.
  • a series circuit consisting of a charge capacitor C2, a ring coil L, a first actuator P1 and a first, controlled power MOSFET switch T1.
  • a series circuit comprising the actuator P2 to Pn and a further power MOSFET switch T2 to Tn of the series circuit comprising the first actuator P1 and the first power MOSFET switch T1 is connected in parallel.
  • a diode D which is permeable to current from the ground connection GND to the voice coil L, is arranged parallel to the series circuits comprising the actuator and the power MOSFET switch.
  • Power MOSFET switches usually contain inverse diodes, the function of which, as explained in more detail below, is used in the operation of the device according to the invention.
  • the switches XI, X2 and Tl to Tn are controlled by the control circuit ST in accordance with a program assigned to the method according to the invention, depending on control signals st of the engine control unit, on the actuator voltage Up and on the voltage Uc2 present after the actuator has been discharged from the charge capacitor C2.
  • the actuator Pl is to be actuated to use the associated injection valve to fuel inject into cylinder 1.
  • the control circuit selects the corresponding actuator - here Pl - (state IV) by controlling the power MOSFET switch T1 assigned to it in a conductive manner.
  • the voltage source - the switching power supply SNT - remains connected to the charging capacitor Cl, so that it also feeds energy into the resonant circuit.
  • the discharge switch X2 is ignited (state XIV).
  • the discharge circuit closes via the inverse diode of the power MOSFET switch T1.
  • the energy stored in the actuator oscillates back into the charge-reversal capacitor C2 via the transfer coil L; the energy stored in it can be used for the following control process.
  • the switched-mode power supply SNT is set to this value for the next actuation process of the actuator P1 and the charging capacitor C1 is thus charged to Ucl.
  • the next control process starting from state III, is carried out with the values determined in this control process.
  • the control processes for the other actuators P2 to Pn correspond to the described method for the actuator Pl.

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Abstract

Bei einem Ansteuervorgang wird ein kapazitives Stellglied aus einer Reihenschaltung zweier Kondensatoren (C1, C2) mit einer Ladespannung (Uc = Uc1 + Uc2) geladen. Die sich am Stellglied einstellende Stellgliedspannung (Upist) wird in Verlauf der nachfolgenden Ansteuervorgänge auf einen vorgegebenen Sollwert (Upsoll) geregelt; der gleiche Vorgang ergibt sich für weitere Stellglieder.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes, insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine.
Piezo-Stellglieder bestehen aus einer Vielzahl piezokerami- scher Schichten und bilden einen sog. „Stack", der bei Anlegen einer Spannung seine Abmessungen, insbesondere seine Länge s um einen Hub ds verändert, oder bei mechanischem Druck oder Zug eine elektrische Spannung erzeugt.
Aus DE 41 22 984 AI ist eine Ansteuereinrichtung für ein piezoelektrisches Element bekannt, bei welcher die Ansteuerung des piezoelektrischen Elements über entsprechende elektroni- sehe Schalter mit vorgegebenen Lade- und Entladezeiten erfolgt.
In der älteren deutschen Patentanmeldung 19632872.1 wurde bereits ein Verfahren zum Ansteuern eines kapazitiven Stell- gliedes vorgeschlagen, nach welchem das Stellglied mit vorgegebener Ladespannung solange geladen wird, bis die während des Ansteuervorgangs gemessene Spannung am Stellglied einen vorgegebenen Wert erreicht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Spannungsregelung beim Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes anzugeben, auch wenn beim Ansteuern ein Abbrechen des Ladevorgangs nicht möglich ist. Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Diagramm der Stellgliedspannung Up über der La- despannung Uc,
Figur 2 ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Ansteuern meh rerer Stellglieder, und Figur 3 ein Flußdiagramm, betreffend die Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 2.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß es sich in der Regel um temperaturbedingte Veränderungen handelt, die eine gegenüber dem zeitlichen Abstand aufeinanderfolgender Stellgliedbetätigungen bei einer Brennkraftmaschine sehr große Zeitkonstante aufweisen, oder um Exemplartoleranzen, die sich nicht ändern. Es ist deshalb nicht erforderlich, die Steuerung oder Regelung der Aufladung im Regelzyklus (Ansteuervorgang) selbst durchzuführen, sondern es genügt vollkommen, eine Abweichung in einem Ansteuervorgang festzustellen und die- se dann im darauffolgenden Ansteuervorgang zu korrigieren.
Figur 1 zeigt ein Diagramm über den Zusammenhang zwischen Ladespannung Uc und Stellgliedspannung Up, wobei ein vorgegebener Stellglied-Sollwert UpΞOn strichliert eingezeichnet ist. Anhand dieses Diagramms und der in Figur 2 dargestellten Schaltung einer Ansteuervorrichtung für mehrere kapazitive Stellglieder wird das erfindungsgemäße Verfahren nachstehend beschrieben. Die Ansteuerung von weiter nicht dargestellten n Kraftstoffeinspritzventilen einer Brennkraftmaschine über piezoelektrische Stellglieder Pl bis Pn erfolgt mittels einer Steuerschaltung ST, die Teil eines weiter nicht dargestellten mi- kroprozessor-gesteuerten Motorsteuergerätes ist.
In Figur 2 ist zwischen dem Pluspol Ucl und dem Minuspol GND einer steuerbaren Spannungsquelle SNT, vorzugsweise eines
Schaltnetzteils, ein Ladekondensator Cl angeschlossen, welcher als Ausgangskondensator des Schaltnetzteils SNT betrachtet werden kann und auf dessen AusgangsSpannung Ucl aufgeladen ist. Parallel zum Ladekondensator Cl ist eine Reihenschaltung aus einem mit dem Pluspol Ucl verbundenen, von ihm weg stromdurchlässigen Ladeschalter XI und einem mit dem Minuspol GND verbundenen, zu ihm hin stromdurchlässigen Entladeschalter X2 angeordnet.
Wenn von Schaltern XI und X2 die Rede ist, handelt es sich um elektronische, nur in einer Richtung stromdurchlässige, aus wenigstens einem Halbleiterelement bestehende Schalter, vorzugsweise Thyristorschalter, die von der Steuerschaltung leitend gesteuert werden.
Zwischen dem Verbindungspunkt von Ladeschalter XI und Entladeschalter X2 und dem Masseanschluß GND liegt eine Reihenschaltung aus einem Umladekondensator C2, einer Umschwingspu- le L, einem ersten Stellglied Pl und einem ersten, gesteuerten Power-MOSFET-Schalter Tl.
Für jedes weitere Stellglied ist eine Reihenschaltung aus dem Stellglied P2 bis Pn und einem weiteren Power-MOSFET-Schalter T2 bis Tn der Reihenschaltung aus dem ersten Stellglied Pl und dem ersten Power-MOSFET-Schalter Tl parallel geschaltet. Parallel zu den Reihenschaltungen aus Stellglied und Power- MOSFET-Schalter ist eine vom Masseanschluß GND weg zur Um- schwingspule L hin stromdurchlässige Diode D angeordnet. Power-MOSFET-Schalter enthalten üblicherweise Inversdioden, de- ren Funktion, wie weiter unten näher erläutert, beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt wird.
Die Schalter XI, X2 und Tl bis Tn werden von der Steuerschaltung ST entsprechend einem dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeordneten Programm, abhängig von Steuersignalen st des Motorsteuergerätes, von der Stellgliedspannung Up und von der nach dem Entladen des Stellgliedes am Umladekondensator C2 anliegenden Spannung Uc2 gesteuert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum aufeinanderfolgenden Ansteuern mehrerer kapazitiver Stellglieder wird nachstehend anhand des in Figur 3 dargestellten Flußdiagramms unter Zugrundelegung der in Figur 2 gezeigten Schaltung für ein Stellglied Pl näher erläutert. Die einzelnen Kästchen, den jeweiligen Verfahrenszuständen zugeordnet, sind mit römischen Zahlen gekennzeichnet.
Die Ladespannung Uc (= Ucl + Uc2) wird beim ersten Ansteuervorgang bei Inbetriebnahme des Fahrzeuges als Anfangswert A vorgegeben (Zustand 0) . Dieser Wert der Ladespannung Uc kann eine Funktion der Motortemperatur sein: Uc = f(T), da sich die Stellgliedkapazität im Motortemperaturbereich um den Faktor 2 ändern kann.
Beim ersten Ansteuervorgang ist der Umladekondensator C2 entladen, Uc2 = 0V (Zustand I) . Dementsprechend wird die Ausgangsspannung der steuerbaren Spannungsquelle SNT auf die Spannung Ucl = Uc (Anfangswert A) eingestellt (Zustand II) . Bei einem Zustand III, in welchem die Umschwingspule L stromlos ist, alle Schalter XI, X2 und Tl bis Tn nichtleitend (hochohmig) und alle Stellglieder Pl bis Pn entladen sind, soll das Stellglied Pl betätigt werden, um über das zugeord- nete Einspritzventil Kraftstoff in den Zylinder 1 einzuspritzen. Zunächst wählt die Steuerschaltung das entsprechende Stellglied aus - hier Pl - (Zustand IV), indem sie den ihm zugeordneten Power-MOSFET-Schalter Tl leitend steuert. Tl kann über einen Kurbelwellenwinkel KW = 720°KW/Z (Z = Zahl der Zylinder) leitend (niederohmig) bleiben, das sind beispielsweise bei Vierzylindermotoren 180°KW und bei Sechszylindermotoren 120°KW.
Beim Einspritzbeginn, der durch den Beginn eines Steuersi- gnals st = 1 (Zustand V) vorgegeben ist, wird von der Steuerschaltung ST der Ladeschalter XI gezündet (Zustand VI) . Dadurch entlädt sich die an der Reihenschaltung aus Cl + C2 liegende Ladespannung Uc während einer kompletten Sinushalbschwingung über die Umschwingspule L in das Stellglied Pl und dieses öffnet das nicht dargestellte Einspritzventil. Die
Spannungsquelle - das Schaltnetzteil SNT - bleibt mit dem Ladekondensator Cl verbunden, so daß auch sie Energie in den Schwingkreis einspeist.
Nach dem Umschwingen verlischt der Ladeschalter XI von selbst (Zustand VII), das Stellglied Pl ist auf eine Stellgliedspannung Upist geladen. In Figur 1 ergibt sich ein Schnittpunkt S von Ladespannung Uc und Stellgliedspannung Upist.
Der nach dem Ende des Ladevorgangs am Stellglied Pl sich einstellende Istwert UpiSt der Stellgliedspannung Up wird der Steuerschaltung ST mitgeteilt, welche sie mit einem vorgegebenen, in Figur 1 strichliert eingezeichneten Sollwert Upsou vergleicht (Zustände VIII und IX) . Ist der Istwert Upist größer als der Sollwert Upsoιι (Zustand VIII), so wird für den nächsten Ansteuervorgang des Stellgliedes Pl ein neuer Wert für die Ladespannung Uc bestimmt: Ucneu = Ucaιt - DU (Zustand XI) . Daraufhin wird sich dann im nächsten Ansteuervorgang eine niedrigere Stellgliedspannung Upist einstellen. Ist der Istwert UpiΞt aber kleiner als der Sollwert Upsoιι (Zustand IX) , so wird für den nächsten Ansteuervorgang ein größerer, neuer Wert für die Ladespannung Uc bestimmt: Ucneu = Ucaιt + DU (Zustand XII) . Ist der Wert Upist gleich dem Sollwert Upsoιι (Zustand X) , so bleibt beim nächsten Ansteuervorgang des Stellgliedes Pl die Ladespannung Uc unverändert. Der Annäherungsvorgang an den Sollwert kann, wie beschrieben und in Figur 1 durch Pfeile angedeutet, inkremen- tell durch vorgegebene Schritte DU, oder nach jedem beliebi- gen Annäherungsverfahren, erfolgen.
Zum Entladen des Stellgliedes Pl am Ende eines Steuersignals st (Zustand XIII) wird der Entladeschalter X2 gezündet (Zustand XIV) . Der Entladestromkreis schließt sich über die In- versdiode des Power-MOSFET-Schalters Tl. Die im Stellglied gespeicherte Energie schwingt über die Umschwingspule L in den Umladekondensator C2 zurück; die in ihm gespeicherte Energie kann für den folgenden Ansteuervorgang genutzt werden.
Sobald das Stellglied auf die SchwellSpannung der dem "aktiven" Kanal parallel liegenden Diode D entladen ist, setzt sich der noch fließende Strom über diese Diode fort, wodurch ein Aufladen des Stellgliedes auf eine negative Spannung ver- hindert wird. Anschließend verlischt der Entladeschalter X2 von selbst (Zustsand XV) .
Für den nächsten Ansteuervorgang des Stellgliedes Pl muß der Ladekondensator Cl auf eine Spannung Ucl = Uc - Uc2 aufgela- den werden, wozu Uc2 gemessen wird (Zustand I) . Damit kann Ucl = Uc - Uc2 ermittelt werden (Zustand II) . Auf diesen Wert wird das Schaltnetzteil SNT für den nächsten Ansteuervorgang des Stellgliedes Pl eingestellt und damit der Ladekondensator Cl auf Ucl geladen. Mit den in diesem Ansteuervorgang ermittelten Werten wird der nächste Ansteuervorgang, ab Zustand III, durchgeführt. Die Ansteuervorgänge für die anderen Stellglieder P2 bis Pn entsprechen dem beschriebenen Verfahren für das Stellglied Pl.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes (P) , insbesondere eines piezoelektrisch betrie- benen Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine,
- bei welchem am Beginn eines Ansteuervorgangs das Stellglied (Pl bis Pn) über eine Umschwingspule (L) aus einer Reihenschaltung eines Ladekondensators (Cl) und eines Umladekonden- sators (C2) mit einer vorgebbaren Ladespannung (Uc = Ucl +
Uc2) geladen wird und am Ende des Ansteuervorgangs in den Umladekondensator (C2) wieder entladen wird,
- bei welchem die mit der Ladespannung (Uc) am Stellglied (P) erreichte Stellgliedspannung (Upist) mit einer vorgegebenen
Sollwertspannung (Upsoιι) verglichen wird,
- bei welchem die Ladespannung (Uc„eu) für den nächsten Ansteuervorgang abhängig von der Differenz (Upson - Upist) von Sollwert (Upson) und Istwert (UpiΞt) bestimmt wird, und
- bei welchem der Ladekondensator (Cl) für den nächsten Ansteuervorgang auf eine der Differenz (Uc„eu - Uc2) zwischen dieser bestimmten Ladespannung (Ucneu) und der momentan am Um- ladekondensator (C2) anliegenden Spannung (Uc2) entsprechende Spannung (Ucl = Uc„ΘU - Uc2) aufgeladen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betriebsbeginn für den ersten Ansteuervorgang jedes Stellgliedes (Pl bis Pn) ein Wert für die Ladespannung (Ucneu) vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert (Ucneu) für die Ladespannung (Uc) von der Motortemperatur (T) abhängig ist.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen demPluspol (Ucl) und dem Minuspol (GND) einer von einer Steuerschaltung (ST) steuerbaren Spannungsquelle (SNT) ein Ladekondensator (Cl) angeordnet ist, daß parallel zum Ladekondensator (Cl) eine Reihenschaltung aus einem mit dem Pluspol (Ucl) verbundenen, von ihm weg stromdurchlässigen Ladeschalter (XI) und einem mit dem Minuspol (GND) verbundenen, zu ihm hin stromdurchlässigen Entlade- Schalter (X2) angeordnet ist, daß zwischen dem Verbindungspunkt von Ladeschalter (XI) und Entladeschalter (X2) und dem Masseanschluß (GND) eine Reihenschaltung aus einem mit dem Ladeschalter (XI) verbundenen Umladekondensator (C2), einer Umschwingspule (L) , einem ersten Stellglied (Pl) und einem ersten, gesteuerten Power-MOSFET- Schalter (Tl) angeordnet ist, daß für jedes weitere Stellglied eine Reihenschaltung aus diesem Stellglied (P2 bis Pn) und einem weiteren Power- MOSFET-Schalter (T2 bis Tn) der Reihenschaltung des ersten Stellgliedes (Pl) und des ersten Power-MOSFET-Schalters (Tl) parallel geschaltet ist, und daß parallel zur Reihenschaltung aus erstem Stellglied (Pl) und Power-MOSFET-Schalter (Tl) eine vom Masseanschluß (GND) zur Umschwingspule (L) hin stromdurchlässigen Diode (D) ange- ordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Steuerschaltung (ST) steuerbare Spannungsquelle (SNT) ein Schaltnetzteil ist. β. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (ST) ein Teil eines mikroprozessorgesteuerten Motorsteuergerätes ist, daß der Steuerschaltung (ST) als Eingangsgrößen Steuersignale (st) zum Ansteuern der Stellglieder, die am jeweils angesteuerten Stellglied (Pl bis Pn) anliegende Stellgliedspannung (Upist) und die am Umladekondensator (C2) anliegende Spannung (Uc2) zugeführt werden, und welche den Ladeschalter (XI), den Entladeschalter (X2) und die Power-MOSFET-Schalter (Tl bis Tn) gemäß dem Verfah- rensablauf nach Figur 3 steuert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Ladeschalter (XI) und Entladeschalter (X2) gesteuerte, elek- tronische, nur in einer Richtung stromdurchlässige Halbleiterschalter sind.
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