WO1999018618A1 - Verfahren zur verlustarmen ansteuerung einer kapazitiven last, insbesondere eines piezoelektrischen aktuators - Google Patents

Verfahren zur verlustarmen ansteuerung einer kapazitiven last, insbesondere eines piezoelektrischen aktuators Download PDF

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capacitor bank
voltage
piezoelectric actuator
switch
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Gunter GÜRICH
Thomas Flecke
Martin DÜSTERHÖFT
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Fev Motorentechnik Gmbh
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the invention relates to a method for low-loss control of a capacitive load C p , in particular a piezoelectric actuator.
  • piezoelectric actuators behave like capacitors that are charged either via a current or a voltage source.
  • Piezoelectric actuators are usually controlled by a so-called RC control.
  • the piezoelectric actuator is charged from a voltage source, for example a large capacitor, via a switch and an ohmic resistor.
  • a switch To discharge the switch is opened and a second switch is closed, which then short-circuits the piezoelectric actuator via a further ohmic resistor.
  • the resistors By choosing the resistors, the charging process and thus the expansion process of the piezoelectric actuator can be freely selected.
  • the big disadvantage of the RC control is the large power consumption with large actuators. H. a correspondingly large capacity and at high working frequencies.
  • the object of the invention is to develop a method for controlling piezoelectric actuators by means of which the electrical losses are largely reduced.
  • a capacitor bank is charged to the operating voltage of the capacitive load C p before the start of the load control via a voltage source, that from the capacitor bank via a choke of a free-wheeling diode and the load C p formed series resonant circuit, the load C p is loaded so that when a load is requested via a load switch, the load C p is connected to the inductor, which is connected to the capacitor bank via a freewheeling diode, so that the load C p is discharged to a residual voltage.
  • the advantage of this method is that when the load case is switched, the residual charge initially remains on the load capacitance C p and that this residual charge can then be returned to the capacitor bank, so that the remaining charge can be largely recovered.
  • the reactor it is expedient for the reactor to be briefly switched to ground in order to recover the residual charge from the load capacitance C p , so that the residual charge can flow off to the capacitor bank.
  • the choke By switching the choke to ground for a short time, it is possible to retain the total reactive power that was stored in the load.
  • the capacitor bank is much larger than the load capacitance C p .
  • a maximum voltage transformation ratio can thus be achieved with a factor of about 2 between the source voltage and the load voltage. This is particularly the case when the capacity of the capacitor bank is practically infinite in relation to the capacity of the load C p .
  • the particular advantage of the method according to the invention is, above all, that after the capacitor battery has been charged to the operating voltage, the full load operating voltage is available from the capacitor battery.
  • By regulating the voltage at the capacitor bank to a stable initial state a stable, reproducible charging of the capacitive load C p is possible.
  • Both the voltage at the capacitor bank and the voltage at the load C p can be used as the input variable for the control.
  • the invention is explained in more detail with the aid of circuit diagrams and current and voltage diagrams. Show it:
  • Fig. 1 shows a circuit arrangement according to the prior art
  • Fig. 3 shows the time course of current and voltage across the capacitor bank C x and at the load C p .
  • the circuit shown in FIG. 1 for carrying out the method according to the prior art has a piezoelectric actuator C p which can be charged via a capacitor bank C x .
  • the capacitor bank C is connected to a corresponding, identical power supply ÜB, via which the capacitor bank C x is recharged.
  • the actuator C p is charged by closing a switch S 1 via an ohmic resistor R x .
  • the switch S 1 is opened and a second switch S 2 is closed, which then short-circuits the actuator C p via a second ohmic resistor R 2 .
  • the resistors R x and R 2 By choosing the resistors R x and R 2 , the charging and thus also the expansion curve of the actuator C p can be freely selected.
  • the actuator C p is thus charged for the first time directly from the capacitor bank C x . If the actuator C p is discharged, a considerable residual charge remains on the actuator C p caused by the
  • the circuit shown in FIG. 2 for carrying out the method according to the invention essentially consists of the same voltage source U B , which is connected via a diode D v to the capacitor bank C x , the capacity of which is much larger than the load capacity of the actuator C. p .
  • the actuator C p can by closing a charging switch S L and an inductance Lj can be charged via the diode D E.
  • the charge switch S L is opened, as shown, and a discharge switch S E is closed, so that the discharge can take place via the inductance L and a diode D L connected to the capacitor bank C ⁇ .
  • the charge of the actuator C p for the capacitor bank C x can be largely recovered.
  • the residual charge remaining after the discharge due to the internal resistance of the actuator C p is stored in the inductor L x by briefly closing a residual discharge switch S R and from there it is stored back into the capacitor bank C x after opening the residual discharge switch S R.
  • This has the advantage that only the low loss energies have to be recharged from the voltage source U B to the capacitor bank Cj.
  • the DC voltage source U B and the capacitor bank C x are expediently combined to form a regulated voltage source, this voltage source being designed with regard to the regulation formation in such a way that the respectively desired voltage at the actuator Cp can be regulated to a respectively desired value.
  • Diagram a shows the sequence and the length of the
  • Diagram b) shows the time profile of the voltage U c at the capacitor bank C x and diagram c) the profile of the load voltage U p _ Diagram d) shows the profile of the load current.
  • the charging switch S L can be opened at any time after the charging process has ended, the time of opening being uncritical. If the load is to be discharged at time T 3 , the discharge switch S E is closed. The charge flows back through the choke h ⁇ and the freewheeling diode D L into the capacitor bank C : . The current profile is again sinusoidal in this series resonant circuit. In time t 4 , the voltage at the load C p has dropped to the residual voltage U R.
  • the residual discharge switch S R is closed.
  • the choke L x now forms a new series resonant circuit with the load capacitance C p .
  • the residual energy stored in the load C p is thus stored in the throttle L x .
  • the voltage at the load C p is
  • the current flow through the choke L is maintained after opening the residual discharge switch S R at time ⁇ 6 via the freewheeling diodes D L and D p and the discharge switch S E on the capacitor bank C.
  • the residual energy previously stored in the load C p is thus delivered to the capacitor bank C x .
  • the voltage across the capacitor bank C x rises again.
  • the inductor L ernergielos.
  • the regeneration process and thus the entire switching cycle is completed.
  • the opening time T 8 of the discharge switch S E is not critical.
  • the encoder battery C x is recharged from the source to the voltage U B.
  • the diodes D L and D E can be omitted if the actuation of the switches S L and S E is designed so that they are actuated at the right time.
  • the solution proposed here with the diodes D L and D E has the great advantage that it practically independently de “correct" switching time

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verlustarmen periodischen Ansteuerung einer kapazitiven Last (CP), insbesondere eines piezoelektrischen Aktuators, bei dem vor Beginn der Lastansteuerung über eine Spannungsquelle (UB) eine Kondensatorbatterie (C1) auf die Betriebsspannung der Last (CP) aufgeladen wird und aus der Kondensatorbatterie (C1) über einen aus einer Drossel (L1) einer Freilaufdiode (DE) und der Last (CP) gebildeten Reihenschwingkreis die Last (CP) geladen wird, und bei dem bei Lastanforderung über einen Lastschalter (SE) die Last (CP) mit der Drossel (L1) verbunden wird, die über eine Freilaufdiode (DL) mit der Kondensatorbatterie (C1) verbunden ist, so daß die Last (CP) bis auf eine Restspannung (UR) entladen wird.

Description

Bezeichnung: Verfahren zur verlustarmen Ansteuerung einer kapazitiven Last, insbesondere eines piezoelektrischen Aktuators
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verlustarmen Ansteuerung einer kapazitiven Last Cp, insbesondere eines piezoelektrischen Aktuators.
Piezoelektrische Aktuatoren verhalten sich in der elektrischen Ansteuerung wie Kondensatoren, die entweder über eine Strom- oder eine Spannungsquelle aufgeladen werden. Üblicherweise werden piezoelektrische Aktuatoren über eine sogenannte RC-Steuerung angesteuert. Bei diesem Verfahren wird der piezoelektrische Aktuator aus einer Spannungsquelle, beispielsweise einem großen Kondensator, über einen Schalter und einen ohmschen Widerstand aufgeladen. Zum Entladen wird der Schalter geöffnet und ein zweiter Schalter geschlossen, der den piezoelektrischen Aktuator dann über einen weiteren ohmschen Widerstand kurzschließt. Durch die Wahl der Widerstände ist der Ladeverlauf und damit auch der Dehnungsverlauf des piezoelektrischen Aktuators frei wählbar. Der große Nachteil der RC-Steuerung ist die große Leistungsaufnahme bei großen Ak- tuatoren, d. h. einer entsprechend großen Kapazität und bei hohen Arbeitsfrequenzen. Hierbei wird pro Lade- und Entladezyklus die Energie W=CU in den Widerständen und im Aktuator in Verlustwärme umgesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktuatoren zu entwickeln, durch das die elektrischen Verluste weitgehend vermindert werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß vor Beginn der Lastansteuerung über eine Spannungsquelle eine Kondensatorbatterie auf die Betriebsspannung der kapazitiven Last Cp aufgeladen wird, daß aus der Kondensatorbatterie über einen aus einer Drossel einer Freilaufdiode und der Last Cp gebildeten Reihenschwingkreis die Last Cp geladen wird, daß bei Lastanforderung über einen Lastschalter die Last Cp mit der Drossel verbunden wird, die über eine Freilaufdiode mit der Kondensatorbatterie verbunden ist, so daß die Last Cp bis auf eine Restspannung entladen wird. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß beim Schalten des Lastfalles zunächst die Restladung auf der Lastkapazität Cp verbleibt und daß anschließend diese Restladung auf die Kondensatorbatterie zurückgeführt werden kann, so daß die Restladung zum größten Teil zurückgewonnen werden kann.
Zweckmäßig ist es gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß zur Rückgewinnung der Restladung aus der Lastkapazität Cp die Drossel kurzfristig gegen Masse ge- schaltet wird, so daß die Restladung auf die Kondensatorbatterie abfließen kann. Durch die kurzfristige Schaltung der Drossel gegen Masse gelingt es, die gesamte Blindleistung, die in der Last gespeichert wurde, zurückzuerhalten.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft und besonders zweckmäßig, wenn die Kondensatorbatterie sehr viel größer ist als die Lastkapazität Cp. Damit läßt sich ein maximales Spannungsübersetzungsverhältnis etwa mit dem Faktor 2 zwischen der Quellenspannung und der LastSpannung erzielen. Dies vor allem dann, wenn die Kapazität der Kondensatorbatterie im Verhältnis zur Kapazität der Last Cp praktisch unendlich groß ist.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be- steht vor allem darin, daß nach Aufladung der Kondensatorbatterie auf die Betriebsspannung die volle Lastbetriebsspannung aus der Kondensatorbatterie zur Verfügung steht. Mit einer Regelung der Spannung an der Kondensatorbatterie auf einen stabilen Ausgangszustand ist eine stabile, reproduzierbare Aufladung der kapazitiven Last Cp möglich. Als Eingangsgröße für die Regelung kann sowohl die Spannung an der Kondensatorbatterie als auch die Spannung an der Last Cp herangezogen werden. Die Erfindung wird anhand von Schaltbildern und Strom- und Spannungsdiagrammen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung nach dem Stand der
Technik,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung an der Kondensatorbatterie Cx und an der Last Cp.
Die in Fig. 1 zur Durchführung des Verfahrens nach dem Stand der Technik dargestellte Schaltung weist einen piezoelektrischen Aktuator Cp auf, der über eine Kondensatorbatterie Cx aufgeladen werden kann. Die Kondensatorbatterie C: steht mit einer entsprechenden gleichen Stromversorgung ÜB in Verbin- düng, über die die Kondensatorbatterie Cx nachgeladen wird. Die Aufladung des Aktuators Cp erfolgt durch Schließen eines Schalters S1 über einen ohmschen Widerstand Rx. Zum Entladen wird der Schalter S1 geöffnet und ein zweiter Schalter S2 geschlossen, der den Aktuator Cp dann über einen zweiten ohm- sehen Widerstand R2 kurzschließt. Durch die Wahl der Widerstände Rx und R2 ist der Lade- und damit auch der Dehnungsverlauf des Aktuators Cp frei wählbar. Die erstmalige Aufladung des Aktuators Cp erfolgt also direkt aus der Kondensatorbatterie Cx . Wird der Aktuator Cp entladen, verbleibt eine erhebliche Restladung auf dem Aktuator Cp, die durch die
Kurzschlußschaltung vernichtet wird.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einer gleichen Spannungsquelle UB, die über eine Dioden Dv mit der Kondensatorbatterie Cx in Verbindung steht, die in ihrer Kapazität viel größer ist als die Lastkapazität des Aktuators Cp. Der Aktuator Cp kann durch Schließen eines Ladeschalters SL und eine Induktivität Lj über die Diode DE aufgeladen werden.
Nach dem Ladevorgang wird der Ladeschalter SL geöffnet, wie dargestellt, und ein Entladeschalter SE geschlossen, so daß die Entladung über die Induktivität L- und eine auf die Kondensatorbatterie Cλ aufgeschaltete Diode DL erfolgen kann. Dadurch kann die Ladung des Aktuators Cp für die Kondensatorbatterie Cx zu einem großen Teil zurückgewonnen werden.
Die durch den Innenwiderstand des Aktuators Cp nach der Entladung noch verbleibende Restladung wird durch kurzfristiges Schließen eines Restentladeschalters SR in der Induktivität Lx gespeichert und nach dem Öffnen des Restentladeschal- ters SR von dort in die Kondensatorbatterie Cx zurückgespeichert. Das hat den Vorteil, daß aus der Spannungsquelle UB nur noch die geringen Verlustenergien auf die Kondensatorbatterie Cj nachgeladen werden müssen. Die Gleichspannungsquelle UB und die Kondensatorbatterie Cx sind zweckmäßigerweise zu einer geregelten Spannungsquelle zusammengefaßt, wobei diese Spannungsquelle hinsichtlich der Regelungsbildung so ausgelegt ist, daß die jeweils gewünschte Spannung am Aktuator Cp auf einen jeweils wünschbaren Wert geregelt werden kann.
Der vorbeschriebene Lade- und Entladevorgang wird nachstehend in seiner Zeitabhängigkeit anhand der Diagramme von Fig. 3 näher erläutert.
Hierbei zeigt das Diagramm a) die Abfolge und die Länge der
Steuerimpulse. Das Diagramm b) zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung Uc an der Kondensatorbatterie Cx und das Diagramm c) den Verlauf der Lastspannung Up_ Das Diagramm d) zeigt den Verlauf des Laststromes.
Anhand dieser Diagramme wird ein Lade- und Entladevorgang erläutert. Vor Beginn der Lastansteuerung, d. h. vor dem Zeitpunkt T0 wird die Kondensatorbatterie Cx über die Diode Dv auf die Spannung UB aufgeladen. Zum Zeitpunkt T0 wird der Ladeschalter SL geschlossen. Die Drossel Lx bildet über die Freilaufdiode DE mit der Lastkapazität Cp des Aktuators einen Reihenschwingkreis . Die Ladung wird auf die Lastkapazität aufgebracht. Die Spannung an der ondensatorbatterie Cx fällt ab und die Spannung an der Last Cp steigt entsprechend an. Der Stromverlauf ist sinusförmig. Nach der Zeit tx ist der Ladevorgang abgeschlossen. Bleibt der Ladeschalter über diese Zeit hinaus bis zum Zeitpunkt T2 geschlossen, so hat dies keine Auswirkung auf die Spannung an der Last, da die Diode DE eine Umkehr der Stromrichtung verhindert.
Der Ladeschalter SL kann nach Abschluß des Ladevorgangs jederzeit geöffnet werden, der Öffnungszeitpunkt ist hierbei unkritisch. Soll die Last zum Zeitpunkt T3 entladen werden, wird der Entladeschalter SE geschlossen. Die Ladung fließt über die Drossel hλ und die Freilaufdiode DL in die Kondensatorbatterie C: zurück. Der Stromverlauf ist in diesem Reihenschwingkreis wiederum sinusförmig. In der Zeit t4 ist die Spannung an der Last Cp auf die Restspannung UR abgesunken.
Eine darüber hinausgehende Ansteuerung des Entladeschalters SE bringt keine Spannungsverringerung an der Lastkapazität. Die Energierückspeisung ist am Spannungsanstieg an der Kondensatorbatterie C zu erkennen.
Zum Zeitpunkt T5 wird zusätzlich zum Entladeschalter SE der Restentladeschalter SR geschlossen. Die Drossel Lx bildet nun mit der Lastkapazität Cp einen neuen Reihenschwingkreis. Die in der Last Cp gespeicherte Restenergie wird so in die Dros- sei Lx eingespeichert. Die Spannung an der Last Cp ist zum
Zeitpunkt T6 auf 0 abgeklungen. Der Entladevorgang der Last Cp ist damit abgeschlossen. Der Strom in der Drossel h1 ist damit maximal. In diesem Augenblick muß der Restentladeschalter SR geöffnet werden. Bleibt der Restentladeschalter SR weiter geschlossen, wird die Freilaufdiode Dp leitend. Die Lastspannung wird auf die Durchlaßspannung der Freilaufdiode Dp geklemmt. Damit kommt es zu Verlusten am Bahnwiderstand der Diode Dp und an den ohmschen Widerständen des Schwingkreises. Der Entladeschalter SE muß also möglichst sofort nach Entladung der Lastkapazität Cp geöffnet werden.
Der Stromfluß durch die Drossel L: wird nach Öffnen des Re- stentladeschalters SR zum Zeιtpunkt τ6 über die Freulaufdioden DL und Dp und dem Entladeschalter SE auf die Kondensatorbatterie Claufrechterhalten. Die zuvor in der Last Cp gespeicherte Restenergie wird so an die Kondensatorbatterie Cx abgegeben. Die Spannung an der Kondensatorbatterie Cx steigt erneut. Zum Zeitpunkt T7 ist die Drossel L: ernergielos. Der Rückspeisevorgang und damit der gesamte Schaltzyklus ist abgeschlossen. Der ÖffnungsZeitpunkt T8 des Entladeschalters SE ist unkritisch. Die Kodensatorbatterie Cx wird aus der Quelle auf die Spannung UB nachgeladen.
De Dioden DL und DE können dann entfallen, wenn die Ansteuerung der Schalter SL und SE so ausgelegt ist, daß diese zum richtigen Zeitpunkt betätigt werden. Die hier vorgeschlagene Lösung mit den Dioden DL und DE hat den großen Vorteil, daß diese praktisch selbständig de"richtiger" Schaltzeitpunkt
"wählen" und somit einer zeitgenaue Ansteuerung des Entladeschalters SE beim Laden und des Ladeschalters SL beim Entladen entfallen kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur verlustarmen periodischen Ansteuerung einer kapazitiven Last Cp, insbesondere eines piezoelektrischen Ak- tuators, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Lastansteuerung über eine Spannungsquelle UB eine Kondensatorbatterie Cj auf die Betriebsspannung aufgeladen wird, daß aus der Kondensatorbatterie C: über einen aus einer Drossel Lx einer Freilaufdiode DE und der Last Cp gebildeten Reihenschwing- kreis die Last Cp geladen wird, daß bei Lastanforderung über einen Lastschalter SE die Last Cp mit der Drossel Lx verbunden wird, die über eine Freilaufdiode DL mit der Kondensatorbatterie Cj verbunden ist, so daß die Last Cp bis auf eine Restspannung UR entladen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnung der Restladung aus der Last Cp die Drossel Lx kurzfristig gegen Masse geschaltet wird, so daß die Restladung von der Last Cp abfließen kann.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Kondensatorbatterie Cx sehr viel größer ausgelegt wird als die Kapazität der Last Cp.
PCT/EP1998/006093 1997-10-07 1998-09-24 Verfahren zur verlustarmen ansteuerung einer kapazitiven last, insbesondere eines piezoelektrischen aktuators WO1999018618A1 (de)

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