WO2004082116A2 - Verfahren zum ansteuern eines piezoelektrischen elementes - Google Patents

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WO2004082116A2
WO2004082116A2 PCT/DE2004/000429 DE2004000429W WO2004082116A2 WO 2004082116 A2 WO2004082116 A2 WO 2004082116A2 DE 2004000429 W DE2004000429 W DE 2004000429W WO 2004082116 A2 WO2004082116 A2 WO 2004082116A2
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control
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Dirk Mehlfeldt
Bernhard Wagner
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Conti Temic Microelectronic Gmbh
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    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D41/1406—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method with use of a optimisation method, e.g. iteration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors

Definitions

  • the invention relates to a method for driving a piezoelectric element.
  • Piezoelectric elements are, in particular, capacitive consumers which contract or expand in accordance with the respective charge state or the voltage which is established or applied to the element. When an external voltage is applied, the element changes geometrically. This will . also referred to as the inverse piezoelectric effect (Hering, Martin, Stohrer, "Physik für Ingenieure", 3rd edition VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1989).
  • piezoelectric elements are increasingly used as actuators With these piezoelectric actuators, a field strength, which is caused by charge on the electrodes of the piezoid or the piezoelectric element, leads to a change in the length of the actuator, the mechanical stress and thus the service life of the actuator or the actuator depends to a large extent on the time course of the charge on the piezoelectric element which the actuator or the actuator has.
  • Piezoelectric actuators also called piezo actuators
  • piezoelectric actuators have the advantage over electromagnetic actuators that they can perform very precise movements within a very short time. For this reason, piezoelectric actuators, also called piezo actuators, have been used in a wide variety of technical fields for some time. In most cases, the goal of using the piezo actuator is to massing.
  • piezo actuators can be used in the injection systems of internal combustion engines in vehicles, where a valve spool is to be positioned in an injection valve. Piezo actuators can also be used to move or position a sample in a scanning tunneling electron microscope.
  • a method for charging and discharging a piezoelectric element is also known from published patent application DE 198 54 789 A1.
  • the charging current or the discharging current can be changed taking into account deviations in the capacitance of the piezoelectric element from a desired value.
  • the current to be used in a next charging or discharging process is calculated by multiplying the current used in the previous charging or discharging process by a correction factor. This correction factor is based on a ratio of actual values of variables measured during or after a charging or discharging process and the corresponding target values of these variables.
  • the published patent application DE 198 25 210 AI discloses a position control in the form of a cascade control of the piezoelectric element.
  • Current sensor measurements and strain measurements serve as input variables for the control.
  • the regulation is not adaptive.
  • a piezoelectric actuator is usually integrated in a more complex system, for example an injection system. If this system is a non-linear system or parameters of this system are subject to change, the use of the control described in DE 198 25 210 AI can tend to high transients and / or instabilities, since the control does not robust behavior is designed.
  • a piezoelectric element or a piezoelectric actuator forms an oscillatable mechanical system because of the inertia of the mass to be moved and its rigidity. As the positioning speed increases, this mechanical system is excited to vibrate by the electrical actuation of the piezoelectric element. If the piezoelectric element or the piezoelectric actuator is used for positioning, for example, valve spools in valves, this can mean that the valve spool does not immediately assume a stationary rest position after activation, but rather swings into it. This can lead to a loss of positioning accuracy at high positioning speeds. Furthermore, more energy is supplied to the mechanical system than would actually be necessary for positioning. In addition, the vibrations represent a greater stress on the mechanical system and thus on the piezoelectric element, and this can lead to a shortening of the service life of the system or of the element.
  • the vibrations of the mass-spring system or the mechanical system described above imply an oscillating one or oscillating change in length or geometric change in the piezoelectric element.
  • this causes an oscillating or oscillating charge or discharge current due to the inverse piezoelectric effect.
  • an oscillating or oscillating voltage applied to the element is brought about.
  • the transient response of the length or the geometric change of the piezoelectric element can be determined by measurement or estimation (for example by means of an observer) of the corresponding. each of the transient electrical quantities (voltage or current) can also be determined. The transient response is dependent on the time course of the control variable (current or voltage).
  • a quality measure for the transient response of a state variable of the piezoelectric element or actuator to be controlled is dependent on the control variable.
  • the state variable to be controlled is preferably a geometric variable, in particular a position or an expansion of the piezoelectric element.
  • the control variable is preferably a current or a voltage.
  • the variance or the ripple of the state variable to be controlled or a measurement and / or estimation variable assigned to it is preferably selected.
  • the measurement and / or estimate quantity for the state variable, in particular the position of the piezoelectric element is preferably a voltage. If, however, the control variable is a voltage which preferably drops across the piezoelectric element, the measurement and / or estimate variable is preferably formed by the charge or discharge current and / or the charge of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element or the piezoelectric actuator can be cyclically charged and discharged. This has the advantage that the control variable can be further optimized in each cycle by minimizing the quality measure.
  • the method according to the invention is preferably used for piezoelectric elements which are used as actuators or actuators in a fuel injection nozzle in an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine can be used in a means of transport, in particular in a motor vehicle.
  • the control variable for example the charging or discharging current or the voltage drop across the piezoelectric element, is preferably a quantity of fuel to be injected, a speed of the internal combustion engine, a pressure in an injection system (in particular in a common rail system), and / or a temperature of the internal combustion engine (for example, a coolant temperature and / or oil temperature) dependent.
  • the positioning speed and the positioning accuracy of the piezoelectric element or actuator can be increased by the method according to the invention.
  • the energy consumption and the mechanical stress on the piezoelectric element are minimized. This leads to an increase in the life of the piezoelectric element.
  • the service life of the component to be moved by the piezoelectric actuator is also increased.
  • the method according to the invention is characterized by a high level of robustness in relation to system changes, not linearities and / or aging.
  • Fig. 1 shows the qualitative courses of a target state variable (diagram a), a control variable (diagram b), an actual state variable (diagram c) and a measured and / or estimated variable associated with the state variable (diagram d) when the method according to the invention is not used .
  • FIG. 2 shows the qualitative courses of a target state variable (diagram a), a control variable (diagram b), an actual state variable (diagram c) and a measured and / or estimated variable associated with the state variable (diagram d) when using the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a diagram with simulated courses of a measurement and / or estimate with and without using the method according to the invention
  • FIG. 5 shows a control arrangement for the piezoelectric element that is suitable for the use of the method according to the invention
  • 6 shows a further control arrangement for a piezoelectric element which is suitable for the use of the method according to the invention.
  • Fig. 1 the qualitative curves of the relevant quantities are shown / when a piezoelectric element is activated twice (activation phase Tl and activation phase T2) within a certain period of time, with each activation or. Positioning phase is followed by a rest phase.
  • the time t is plotted on the abscissa.
  • the course of a target state variable x_soll of the piezoelectric element, preferably a target extension or a target position caused by this expansion, is plotted on the ordinate of diagram a).
  • a charge or discharge current I is shown as an example of the control variable on the ordinate of diagram b).
  • Diagram c) shows the course of the actual state quantity x_act which corresponds to the course of the target state quantity x_setpoint.
  • Diagram d) shows the course of the measured and / or estimated variable associated with the state variable x, in this case, for example, a voltage U falling across the piezoelectric element.
  • a first control phase T1 the target state variable x_soll increases from a low level to a high level. Accordingly, the level of the control current I rises to a constant value which is higher than the constant level at which the control current I was in the phase before the control phase T1.
  • the target state variable x_set falls back to its initial value. Accordingly, the drive current I goes to a level which is lower than the output level or the original level.
  • T_ruhel which begins at time t_startl and ends at time t_endl.
  • the second control phase T2 is also followed by a second rest phase T_ruhe2, which begins at time t_start2.
  • the rest phases can alternatively also be referred to as settling phases.
  • the target state variable x_soll in this rest phase T_ruhel maintains the high level which it reached at the end of the control phase Tl. Since no further control is to take place in the rest phases, control variable I returns to its original level.
  • the actual state variable x_actual and the measurement and / or estimate size U assigned to it have a transient response with overshoot and undershoots, which decrease over time in terms of deflection height.
  • the transient response of the measured and / or estimated variable U is somewhat more damped than that of the actual state variable x_act.
  • the piezoelectric actuator or the piezoelectric element is not repositioned.
  • the vibrations of the mechanical system represented by the piezoelectric actuator can be reduced by selecting the time course of the control variable I for positioning such that the vibrations in the actual state variable x_actual or in the corresponding state variable x associated with measurement and / or estimate U is minimal or largely minimal. In this way, high positioning accuracy can be achieved at a high positioning speed.
  • the method according to the invention is explained below.
  • the case of activation by a controllable current source is shown here as an example.
  • a current I is therefore assumed as the control variable.
  • the measured and / or estimated variable associated with the state variable of the piezoelectric element is the voltage U falling across or applied to the piezoelectric element
  • Control with a controllable voltage source can be assumed.
  • the control variable would then be a voltage.
  • the state variable would be assigned the charge of the piezoelectric element or the charge or discharge current as a measurement and / or estimate.
  • the rest time T_ruhe is viewed as the total time between two control phases.
  • the start time of a rest phase T_rest is referred to below as ' t_start.
  • the end time of a rest phase T_ruhe is referred to as t_end.
  • a quality measure which is dependent on a control variable of the piezoelectric element is minimized for determining this control variable.
  • the quality measure represents a quality measure for the transient response of the state variable, in particular the position or elongation of the piezoelectric element.
  • the variance of the state variable or a measurement and / or estimate variable assigned to it is preferably used as a quality measure. When controlled by a current, the corresponding measurement and / or estimate is the voltage U falling across the piezoelectric element.
  • the control variable optimal for the lowest ripple is obtained.
  • the control variable is preferably dependent on a variable parameter or parameter vector a and can be described as a function of this parameter or parameter vector a as I (a).
  • the control variable can depend on this parameter in the form of a characteristic curve or a characteristic diagram, for example.
  • the quality measure U is then preferably minimized in relation to the parameter or parameter vector a.
  • the conditions for a minimum are:
  • the minimization of the quality measure and the determination of the optimal control variable or the optimal parameter or parameter vector a are preferably repeated several times, in particular cyclically, in order in this way to further optimize the control variable or parameter (vector) a.
  • the determination of the optimal control variable or the optimal parameter or parameter vector a can be determined by a global or a local search method or a combination of these types of search method. So-called gradient descent methods, simulated annealing, a genetic algorithm or a combination of these search methods are conceivable as search methods.
  • the gradient dU / da of the quality measure U is calculated on the basis of initial values for the parameter or the parameter vector a, or by a
  • the quality measure U other variables can of course also be taken into account, such as energy losses during control or special requirements for the positioning process.
  • 'Search method and subsequent calculation of the quality measure preferably several times, in particular cyclic, traversed for each (scalar) component of a parameter vector a. Each pass represents an additional expenditure of time. A three pass has proven to be sufficient for a piezoelectric actuator used as an actuator in an injection system of a motor vehicle.
  • the quality measure is calculated with the initial values for the parameter vector a or the respective component of the parameter vector a, then a more optimal value for the parameter vector or the respective component is determined by means of a search method, again the value of the Parameter vector a calculates the quality measure U.
  • the calculated quality measures U are compared with one another, evaluated and an optimal value is determined for the respective component of the parameter vector a or for the parameter vector a.
  • the parameters are successively optimized, so to speak.
  • FIG. 2 shows the relevant variables when driving a piezoelectric element using the method according to the invention.
  • the sizes shown in Figure 2 also correspond to the sizes shown in Figure 1.
  • the course of the target state variable x_soll corresponds to the course in diagram a) of FIG. 1. It is striking that the control variable I has no constant course in the control phases T1 and T2, but instead has a filtered or "rounder" course
  • the actual state variable x_actual and the associated measurement and / or estimate variable U in the control phases have been smoothed out Both sizes are idealized in the rest phases as constant.
  • FIGS. 3 and 4 simulation results are shown of the 'process of the invention, which was used in a simulation model of a valve with a piezoelectric actuator.
  • the courses of the measured and / or estimated quantity U are shown in FIG. 3 as curves with 15 interpolation points between which linear interpolation took place.
  • Curve 1 represents a measured and / or estimated quantity U as it is without use
  • the curve 2 represents a measurement and / or estimation quantity U, as it results when using the method according to the invention.
  • Curve 1 has much more overshoot and undershoot than curve 2.
  • Curve 2 has an overall damped behavior.
  • the control variable I was constant for this simulation. All interpolation points of the current profile of the control large ones had the same value.
  • the quality measure was minimized a total of 30 times while changing the parameter values of the control variable.
  • the control variable has been optimized and it can be clearly seen that the variance or the ripple of the measurement and / or estimate variable U is significantly lower after the minimization of the quality measure has been carried out and an optimized parameter vector has been determined.
  • the curves 3 and 4 show the forces occurring by the controlled piezoelectric actuator before or without using the method according to the invention . shown.
  • the curves 3 and 4 show the course of these forces without using the method according to the invention. These courses' have a high ripple.
  • the courses 5 and 6 show the development over time of the forces when using the method according to the invention.
  • the curve 5 corresponds to the curve 3
  • the curve 6 corresponds to the curve 4.
  • Curves 3 and 5 correspond to the forces when opening a valve by means of a piezoelectric actuator
  • curves 4 and 6 correspond to the forces when the valve closes. In this simulation too, the quality measure was minimized and the control variable or the parameter vector of the control variable was optimized or adapted 30 times.
  • the ripples of force curves 5 and 6 are less than the ripples of curves 3 and 4. This is particularly striking when comparing curves 3 and 5, which correspond to the opening of the valve.
  • the control variable can be successively or iteratively optimized so that transient processes or oscillations of the piezoelectric actuator and the mass moved by it (n ) or component (s) can be optimized.
  • Injectors or injection valves can be drive can be opened and closed in a short time without mechanical vibrations interfering with the injection process in an internal combustion engine. The mechanical stress on the components (both the piezoelectric actuator and the moving masses) is reduced and the quality and quantity accuracy of the injection is increased. The same applies to other applications and areas of application.
  • the method according to the invention can be implemented with any control electronics for a piezoelectric element, which can produce a variable course of the control variable (current or 'voltage).
  • a piezoelectric element which can produce a variable course of the control variable (current or 'voltage).
  • the circuits shown in the published documents DE 197 33 560 AI and DE 198 54 789 AI can be used, which is shown in FIG. 5.
  • the piezoelectric element 7 is connected in series with an inductance or a coil 8. This series circuit is in turn connected in parallel to a switching element 11 of a half-bridge circuit consisting of a series circuit of a switching element 9 and a switching element 11.
  • the switching elements 9 and 11 diodes 10 and 12 are connected antiparallel.
  • the switching element 9 is used as a charging switch and the switching element 11 as a discharge switch.
  • the switching elements 9 and 11 are preferably semiconductor switches such as transistors (IGBTs, MOSFETs etc.).
  • a capacitor 13 used as a buffer capacitor is connected in parallel with the switching elements 9 and 11.
  • a current or voltage supply source, which serves to supply energy to the piezoelectric element, is preferably connected to the capacitor.
  • the charging or discharging current I of the piezoelectric element can be varied by appropriately controlling the switches 9 and 11.
  • FIG. 6 shows further control electronics with which the method according to the invention can be implemented.
  • the piezoelectric element is voltage-controlled, ie the control variable is a voltage.
  • the switching element 14 is provided which provides a variable voltage with appropriate control, which then drops across the piezoelectric element.
  • the switching element 14 is preferably a semiconductor switching element, which preferably has a series connection of two transistors, the emitter and base inputs of which are connected to one another. An unspecified pole of the piezoelectric element is connected to the emitters of the two transistors. The collectors are each connected to a pole of a current or voltage supply source, not shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elementes (7), wobei eine Ansteuergrösse (I, U) variabel ist und zur Bestimmung der Ansteuergrösse (I, U) ein von der Ansteuergrösse (I, U) abhängiges Gütemass für das Einschwingverhalten einer zu steuernden Zustandsgrösse (x_ist) des piezoelektrischen Elementes (7) minimiert wird. Verfahren ist insbesondere geeignet zur Ansteuerung eines piezoelektrische Elements (7), das als Aktor bei einer Kraftstoffeinspritzdüse in einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird.

Description

Verfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elementes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elementes.
Piezoelektrische Elemente sind insbesondere kapazitive Verbraucher, welche sich entsprechend dem jeweiligem Ladungs- zustand bzw. der sich an dem Element einstellenden bzw. angelegten Spannung zusammenziehen bzw. ausdehnen. Bei Anlegen einer , äußeren Spannung erfolgt eine geometrische Veränderung des Elementes. Dies wird .auch als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet (Hering, Martin, Stohrer, „Physik für Ingenieure", 3. Auflage VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1989). Wegen dieser Geometrieänderung in Abhängigkeit von Spannung bzw. Ladung werden piezoelektrische Elemente in zunehmendem Maße als Aktoren bzw. Stellglieder eingesetzt. Bei diesen piezoelektrischen Aktoren führt eine Feldstärke, die durch Ladung an den Elektroden des Piezoids bzw. des piezoelektrischen E- lements hervorgerufen wird, zu einer Längenänderung des Aktors . Die mechanische Beanspruchung und somit die Lebensdauer des Aktors bzw. des Stellgliedes hängt in hohem Maße von dem zeitlichen Verlauf der Ladung auf dem piezoelektrischen Element ab, welches der Aktor bzw. das Stellglied aufweist.
Piezoelektrische Aktoren, auch Piezoaktoren genannt, weisen im Vergleich zu elektromagnetischen Aktoren den Vorteil auf, dass sie innerhalb sehr kurzer Zeit sehr präzise Bewegungen ausführen können. Von daher finden piezoelektrische Aktoren, auch Piezoaktoren genannt, seit geraumer Zeit Anwendung in den verschiedensten technischen Bereichen. In den meisten Fällen ist das Ziel des Einsatzes des Piezoaktors die Positi- onierung einer Masse. So können Piezoaktoren beispielsweise in Einspritzsystemen von Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen eingesetzt werden, wo ein VentilSchieber in einem Einspritzventil positioniert werden soll. Ebenfalls können Piezoaktoren dazu verwendet werden eine Probe in einem Rastertunnelelektronenmikroskop zu verschieben bzw. zu positionieren.
Zur Ansteuerung bzw. zur Auf- und Entladung der piezoelektrischen Elemente bzw. der Piezoaktoren existieren verschiedene Ansätze . So kann die Ansteuerung durch eine steuerbare Spannungsquelle mit Innenwiderstand, durch die Aufladung mittels einer steuerbare Stromquelle und/oder durch einen elektrischen Schwingkreis erfolgen. Erfolgt die Ansteuerung mittels eines elektrischen Schwingkreises, so hat der Ansteuerstrom einen sinusförmigen Verlauf und ist somit nur prinzipiell vorgegeben und nur noch in engen Grenzen variierbar. Auch bei anderen Ansteuerkonzepten ist meist ein fester Verlauf der Ansteuergröße, Strom bzw. Spannung, vorgesehen, z.B. ein zeitlich linearer Spannungs- oder ein . abschnittsweise konstanter Stromverlauf.
Aus der Offenlegungsschrift DE 179 33 56'0 AI ist ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elementes bekannt, wobei ein in einem Ladestromkreis vorgesehener Schalter bzw. ein in einem Entladestromkreis vorgesehener Schalter während des Ladens bzw. Entladens derart wiederholt betätigt wird, dass das piezoelektrische Element durch einen vorgegebenen mittleren Lade- bzw. Entladestrom auf eine vorgegebene Spannung gebracht wird.
Aus der Offenlegungsschrift DE 198 54 789 AI ist ebenfalls ein Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elementes bekannt. Bei diesem Verfahren kann der Ladestrom bzw. der Entladestrom unter Berücksichtigung von Abweichungen der Kapazität des piezoelektrischen Elementes von einem 'Sollwert verändert werden. Zur Berücksichtigung dieser Kapazi- tätsveränderungen wird der bei einem, nächsten Lade- bzw. Entladevorgang zu verwendende Strom durch Multiplikation des bei dem vorhergehenden Lade- bzw. Entladevorgang verwendeten Stromes mit einem Korrekturfaktor errechnet. Dieser Korrekturfaktor basiert auf einem Verhältnis von Istwerten von beim oder nach einem Lade- bzw. Entladevorgang gemessenen Größen und den entsprechenden Sollwerten dieser Größen.
In der Offenlegungsschrift DE 198 25 210 AI ist eine Positionsregelung in Form einer Kaskadenregelung des piezoelektrischen Elementes offenbart. Stromsensormessungen und Dehnungsmessungen dienen als Eingangsgrößen der Regelung. Die Regelung ist nicht adaptiv. Ein piezoelektrischer Aktor ist üblicherweise in einem komplexeren System, beispielsweise einem Einspritzsystem, integriert. Handelt es sich bei diesem System um ein nicht lineares System bzw. unterliegen Parameter dieses Systems einer Veränderung, so kann die Verwendung der in der DE 198 25 210 AI beschriebenen Regelung zu hohen Tran- sienten und/oder Instabilitäten neigen, da die Regelung nicht auf robustes Verhalten ausgelegt ist.
Auch in der Patentschrift DE 198 10 321 C2 und in der Offen- legungsschrift DE 196 53 -666 AI sind Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung von kapazitiven Lasten, insbesondere piezoelektrischen Elementen, beschrieben. Die Regelungen basieren auf einem Vergleich von Sollwerten mit Istwerten.
Aus der Offenlegungsschrift DE 198 14 594 AI ist ebenfalls ein Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elementes bekannt, wobei der Ladevorgang bzw. der Entladevorgang zu einem Zeitpunkt beendet wird, zu dem davon ausgegangen werden kann, dass die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung infolge des nicht sprungartig auf Null abfallenden Lade- bzw. Entladestromes noch genau bis zum Erreichen der gewünschten Spannung ansteigt bzw. abfällt. Hierfür wird fortlaufend die "Endspannung ermittelt, auf die das piezoelektrische Element noch weiter • geladen bzw. entladen werden 'würde, wenn der Ladevorgang bzw. der Entladevorgang augenblicklich beendet werden würde.
Weitere Vorrichtungen bzw. Verfahren zur Ansteuerung von piezoelektrischen Elementen sind aus den Offenlegungsschriften DE 197 44 236 AI, DE 197 14 616 AI, DE 197 14 609 AI und DE 198 27 053 AI bekannt.
Ein piezoelektrisches Element bzw. ein piezoelektrischer Aktor bildet wegen der Trägheit der zu bewegenden Masse und seiner Steifigkeit ein schwingfähiges mechanisches System. Bei steigender Positioniergeschwindigkeit wird dieses mechanische System durch die elektrische Ansteuerung des piezoelektrischen Elementes zu Schwingungen angeregt. Wird das piezoelektrische Element bzw. der piezoelektrische Aktor zur Positionierung von beispielsweise Ventilschiebern in Ventilen eingesetzt, so kann dies bedeuten, dass der Ventilschieber nach der Ansteuerung nicht sofort eine stationäre Ruhelage einnimmt, sondern in diese einschwingt. Dies kann zu einem Verlust an Positioniergenauigkeit .bei hohen Positionierge- schwindigkeiten führen. Weiterhin wird dem mechanischen System mehr Energie zugeführt, als zur Positionierung tatsächlich notwendig wäre. Darüber hinaus stellen die Schwingungen eine stärkere Beanspruchung des mechanischen Systems und somit .des piezoelektrischen Elementes dar und dies kann zu einer Verkürzung der Lebensdauer des Systems bzw. des Elementes führen .
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elementes zu schaffen, welches sich durch eine kurze Phase des Einschwingens auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Schwingungen des Masse-Feder-Systems bzw. des oben beschriebenen mechanischen Systems implizieren eine schwingende bzw. oszillierende Längenänderung bzw. geometrische Veränderung des piezoelektrischen Elementes. Bei einer konstanten VersorgungsSpannung des piezoelektrischen Elementes bewirkt dies durch den inversen piezoelektrischen Effekt einen oszillierenden bzw. schwingenden Lade- bzw. Entladestrom. Bei konstanter Ladung des piezoelektrischen Elementes bzw. bei konstantem Strom wird hingegen eine oszillierende bzw. schwingende am Element anliegende Spannung bewirkt.
Das Einschwingverhalten der Länge bzw. der geometrischen Veränderung des piezoelektrischen Elementes ist durch Messung bzw. Schätzung (beispielsweise mittels eines Beobachters) der entsprechenden, . jeweils ebenfalls einschwingenden elektrischen Größe (Spannung bzw. Strom) ermittelbar. Das Einschwingverhalten ist hierbei von dem zeitlichen Verlauf der Ansteuergröße (Strom bzw. Spannung) abhängig.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Bestimmung einer Ansteuergröße für das piezoelektrische Element ein von der Ansteuergröße abhängiges Gütemaß für das Einschwingverhalten einer zu steuernden Zustandsgröße des piezoelektrischen Elementes bzw. Aktors minimiert. Bei der zu steuernden Zustandsgröße handelt es sich vorzugsweise um eine geometrische Größe, insbesondere eine Position bzw. eine Dehnung des piezoelektrischen Elementes. Bei der Ansteuergröße handelt es sich vorzugsweise um einen Strom oder eine Spannung. Als Gütemaßfür das. Einschwingverhalten der Zustandsgröße des piezoelektrischen Elementes wird vorzugsweise die Varianz bzw. die Welligkeit der zu steuernden Zustandsgröße bzw. einer dieser zugeordneten Meß- und/oder Schätzgröße gewählt.
Handelt es sich bei der Ansteuergröße um einen Strom, insbesondere einen Lade- bzw. Entladestrom des piezoelektrischen Elementes, so handelt es sich bei der Meß- und/oder Schätzgröße für die Zustandsgröße, insbesondere die Position des piezoelektrischen Elementes, vorzugsweise um eine Spannung. Handelt es sich bei der Ansteuergröße dahingegen um eine Spannung, welche vorzugsweise über dem piezoelektrischen Element abfällt, so wird die Meß- und/oder Schätzgröße vorzugsweise durch den Lade- bzw. Entladestrom und/oder die Ladung des piezoelektrischen Elementes gebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das piezoelektrische Element bzw. der piezoelektrische Aktor zyklisch geladen und entladen werden. Dies hat den Vorteil, dass in jedem Zyklus die Ansteuergröße durch Minimierung des Gütemaßes weiter optimiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei piezoelektrischen Elementen verwendet, die als Aktoren bzw. Stellglieder bei einer Kraf stoffeinspritzdüse in einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Die Brennkraftmaschine kann in einem Verkehrsmittel, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, verwendet werden.
Die Ansteuergröße, beispielsweise der Lade- bzw. Entladestrom oder die über dem piezoelektrischen Element abfallende Spannung, ist vorzugsweise von einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge, einer Drehzahl der Brennkraftmaschine, einem Druck in einem Einspritzsystem (insbesondere in einem Common-Rail- System) , und/oder einer Temperatur der Brennkraftmaschine (beispielsweise einer Kühlmitteltemperatur und/oder Öltempe- ratur) abhängig.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Positioniergeschwindigkeit und die Positioniergenauigkeit vom piezoelektrischen Element bzw. Aktor erhöht werden. Die Energieaufnahme und die mechanische Beanspruchung des piezoelektrischen Elementes werden minimiert. Dies führt zu einer Erhöhung der Lebensdauer des piezoelektrischen Elementes . Ebenfalls erhöht wird die Lebensdauer der von dem piezoelektrischen Aktor zu bewegenden Komponente. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Robustheit aus gegenüber Systemveränderungen, nicht Lineari- täten und/oder Alterung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Hierbei zeigen:
Fig. 1 die qualitativen Verläufe einer Sollzustandsgröße (Diagramm a) , eine .Ansteuergröße (Diagramm b) , einer Istzustandsgröße (Diagramm c) und einer der Zustandsgröße zugeordneten Meß- und/oder Schätzgröße (Diagramm d) , wenn das erfindungsgemäße Verfahren nicht eingesetzt wird,
Fig. 2 die qualitativen Verläufe einer Sollzustandsgröße (Diagramm a) , einer Ansteuergröße (Diagramm b) , einer Istzustandsgröße (Diagramm c) und einer der Zustandsgröße zugeordneten Meß- und/oder Schätzgröße (Diagramm d) , bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 ein Diagramm mit simulierten Verläufen einer Meß- und/oder Schätzgröße mit und ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 ein Diagramm mit simulierten Verläufen der durch das piezoelektrischen Element ausgeübten Kräfte mit und ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 5 eine für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Ansteueranordnung für das piezoelektrische Element und Fig. 6 eine weitere für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Ansteueranordnung für ein piezoelektrisches Element.
Funktioneil gleiche Größe bzw. Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der Fig. 1 sind die qualitativen Verläufe der relevanten Größen dargestellt/ wenn ein piezoelektrisches Element zweimal (Ansteuerphase Tl und Ansteuerphase T2) innerhalb eines gewissen Zeitraumes angesteuert wird, wobei jeder Ansteuerbzw. Positionierphase eine Ruhephase folgt. In den Diagrammen a) -d) ist auf der Abzisse jeweils die Zeit t aufgetragen. Auf der Ordinate des Diagramms a) ist der Verlauf einer Sollzustandsgröße x_soll des piezoelektrischen Elementes, vorzugsweise eine Solldehnung bzw. eine durch diese Dehnung bewirkte Sollposition, aufgetragen. Auf der Ordinate des Diagramms b) ist als Ansteuergröße beispielhaft ein Lade- bzw. Entladestrom I dargestellt. Im Diagramm c) ist der dem Verlauf der Sollzustandsgröße x_soll .entsprechende Verlauf der Istzustandsgröße x_ist dargestellt. In dem Diagramm d) ist der Verlauf der der Zustandsgröße x zugeordneten Meß- und/oder Schätzgröße, in diesem Falle beispielhaft einer über dem piezoelektrischen Element abfallenden Spannung U, dargestellt.
In einer ersten Ansteuerphase Tl steigt die Sollzustandsgröße x_soll von einem niedrigen Niveau auf ein hohes Niveau an. Entsprechend steigt der Level des Ansteuerstroms I auf einen konstanten Wert, welcher höher ist als der konstante Level auf dem sich der Ansteuerstrom I in der Phase vor der Ansteuerphase Tl befunden hat. In einer zweiten Ansteuerphase T2 sinkt die Sollzustandsgröße x_soll wieder auf ihren Ausgangs- wert zurück. Entsprechend geht der Ansteuerstrom I auf einen Level, welcher niedriger als der Ausgangslevel bzw. der ursprüngliche Level ist. Zwischen der ersten Ansteuerphase Tl und der zweiten Ansteuerphase T2 befindet sich eine Ruhephase T_ruhel, welche an dem Zeitpunkt t_startl beginnt und an dem Zeitpunkt t_endl endet. Auf die zweite Ansteuerphase T2 folgt ebenfalls eine zweite Ruhephase T_ruhe2 , welche an dem Zeitpunkt t_start2 beginnt. Die Ruhephasen können alternativ auch als Einschwingphasen bezeichnet werden. Die Sollzustandsgröße x_soll hält in dieser Ruhephase T_ruhel das hohe Niveau, welches sie am Ende der Ansteuerphase Tl erreicht hat. Da in den Ruhephasen keine weitere Ansteuerung mehr erfolgen soll, geht die Ansteuergröße I auf ihren ursprünglichen Level zurück. Die Istzustandsgröße x_ist und die dieser zugeordnete Meß- und/oder Schätzgxόße U weisen in beiden Ruhephasen T_ruhel und T_ruhe2 ein Einschwingverhalten mit Über- und Unterschwingern auf, welche mit der Zeit an Auslenkungshöhe abnehmen. Das Einschwingverhalten der Meß- und/oder Schätzgröße U verläuft etwas gedämpfter als das der Istzustandsgröße x_ist. In den Ruhephasen T_ruhel und T_ruhe2 wird der piezoelektrische Aktor bzw. das piezoelektrische Element nicht umpositioniert .
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Schwingungen des durch den piezoelektrischen Aktor dargestellten mechanischen Systems reduziert werden, in dem der zeitliche Verlauf der Ansteuergröße I zur Positionierung so gewählt wird, dass die Schwingungen in der Istzustandsgröße x_ist bzw. in der entsprechenden Zustandsgröße x zugeordneten Meß- und/oder Schätzgröße U minimal bzw. weitestgehend minimal sind. Auf diese Weise läßt sich eine hohe Positioniergenauigkeit bei hoher Positioniergeschwindigkeit erzielen.
Es folgt eine Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens . Beispielhaft wird hier der Fall der Ansteuerung durch eine steuerbare Stromquelle aufgezeigt. Als Ansteuergröße wird also von einem Strom I ausgegangen. In diesem Fall handelt es sich bei der der Zustandsgröße des piezoelektrischen Elementes zugeordneten Meß- und/oder Schätzgröße um die über dem piezoelektrischen Element abfallende bzw. an diesem anliegende Spannung U. Alternativ kann selbstverständlich von einer Ansteuerung mit einer steuerbaren Spannungsquelle ausgegangen werden. Die Ansteuergröße wäre dann eine Spannung. Der Zustandsgröße würde dann in diesem Falle als Meß- und/oder Schätzgröße die Ladung des piezoelektrischen Elementes bzw. der Lade- bzw. Entladestrom zugeordnet.
Des weiteren wird der Einfachheit halber die Ruhezeit T_ruhe als die gesamte Zeit zwischen zwei Ansteuerphasen angesehen. Es ist jedoch auch möglich, nur einen Teil der Zeitspanne zwischen zwei Ansteuerphasen als Ruhezeit zu betrachten. Das erfindungsgemäße Verfahren ändern sich hierdurch prinzipiell nicht.
Der StartZeitpunkt einer Ruhephase T_ruhe wird im folgenden als' t_start bezeichnet. Der Endzeitpunkt einer Ruhephase T_ruhe wird als t_end bezeichnet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wird eine Gütemaß welches von einer Ansteuergröße des piezoelektrischen Elementes abhängig ist, zur Bestimmung eben dieser Ansteuergröße minimiert. Das Gütemaß stellt ein Gütemaß für das Einschwingverhalten der Zustandsgröße, insbesondere der Position bzw. Dehnung des piezoelektrischen Elementes dar. Als Gütemaß wird vorzugsweise die Varianz der Zustandsgröße bzw. einer dieser zugeordneten Meß- und/oder Schätzgröße verwendet. Bei Ansteuerung durch einen Strom ist die entsprechende Meß- und/oder Schätzgröße die über dem piezoelektrischen Element abfallende Spannung U.
Zur Bildung des Gütemaßes U in Form der Varianz bzw. der Welligkeit wird zunächst der Mittelwert U der Meß- und/oder 'Schätzgröße, d.h. in diesem Falle der Aktorspannung U, während des Zeitraumes der Ruhephase T_ruhe ermittelt:
t_end
U = -^- fU(t) dt.
I ruhe , . — t_start
Die Varianz bzw. die Welligkeit U der Meß- und/oder Schätz- große bzw. der Aktorspannung U nach einer Ansteuerphase bzw. während einer Ruhephase T_ruhe ergibt sich dann zu
Figure imgf000013_0001
Wird das Gütekriterium bzw. das Gütemaß U, d.h. die Varianz bzw. die Welligkeit der Meß- und/oder Schätzgröße U und somit die Varianz der Zustandsgröße des piezoelektrischen Elementes, im Bezug auf die Ansteuergröße minimiert, so erhält man die für die geringste Welligkeit optimale Ansteuergröße. Die Ansteuergröße ist vorzugsweise von einem variablen Parameter bzw. Parametervektor a abhängig und kann als Funktion dieses Parameters bzw. Parametervektors a als I (a) beschrieben werden. Die Abhängigkeit der Ansteuergröße von diesem Parameter kann beispielsweise in Form einer Kennlinie bzw. eines Kennfeldes vorliegen. Das Gütemaß U wird dann vorzugsweise in Bezug auf den Parameter bzw. Parametervektor a minimiert. Die Bedingungen für ein Minimum lauten:
dU n d2U n
— = 0 und > 0. da - da2
Die Minimierung des Gütemaßes U ergibt den optimalen Parameter bzw. Parametervektor a und da die Ansteuergröße I von eben diesem Parameter bzw. Parametervektor a abhängig ist, ergibt sich somit eine optimale Ansteuergröße I. Eine Ansteuerung des piezoelektrischen 'Elementes mit dieser optimalen Ansteuergröße führt zu einem Einschwingverhalten der Zustandsgröße, insbesondere der Dehnung/Position, .mit geringer Welligkeit bzw. Varianz, d.h. zu einem gedämpften und schnellen Einschwingen.
Vorzugsweise wird die Minimierung des Gütemaßes und die Bestimmung der optimalen Ansteuergröße bzw. des optimalen Parameters bzw. Parametervektors a mehrmals, insbesondere zyklisch, wiederholt, um auf diese Weise Ansteuergröße bzw. Parameter (vektor) a noch weiter zu optimieren. Die Bestimmung der optimalen Ansteuergröße bzw. des optimalen Parameters bzw. Parametervektors a kann durch ein globales oder ein lokales Suchverfahren oder eine Kombination aus diesen Suchverfahrensarten ermittelt werden. Als Suchverfahren sind beispielsweise sog. Gradientenabstiegsverfahren, Simula- ted Annealing, ein genetischer Algorithmus oder eine Kombination aus diesen Suchverfahren denkbar.
Bei dem Gradientenabstiegsverfahren wird ausgehend von Initialwerten für .den Parameter bzw. den Parametervektor a der Gradient dU/da des Gütemaßes U berechnet, bzw. durch einen
Differenzenquotienten approximiert. Anschließend wird eine Schrittweite gewählt und mit dieser ein Schritt entgegen dem Gradienten gegangen. Dies wird solange fortgeführt, bis man das Minimum des U überschritten hat .
In dem Gütemaß U können selbstverständlich auch weitere Größen berücksichtigt werden, wie beispielsweise Energieverluste während der Ansteuerung oder spezielle Anforderungen an den Positioniervorgang.' Für jede (skalare) Komponente eines Parametervektor a werden Suchverfahren und anschließende Berechnung des Gütemaßes vorzugsweise mehrmals, insbesondere zyklisch, durchlaufen. Jeder Durchlauf stellt einen zusätzlichen Zeitaufwand dar. Ein dreimaliger Durchlauf hat sich für einen als Stellglied in einem Einsp itzsystem eines Kraftfahrzeugs eingesetzten piezoelektrischen Aktor als ausreichend erwiesen. Beim ersten Durchlauf wird das Gütemaß mit den Initial- werten für den Parametervektor a bzw. der jeweiligen Komponente des Parametervektors a berechnet, danach wird mittels eines Suchverfahrens ein optimalerer Wert für den Parametervektor bzw. die jeweilige Komponente bestimmt, wiederum wird mit diesem variierten Wert des Parametervektors a das -Gütemaß U berechnet. Es schließt sich eine weitere Variation des Parametervektors bzw-. der jeweiligen Komponente des Parametervektors a mit anschließender Berechnung des Gütemaßes U an, usw. an. Die berechneten Gütemaße U werden miteinander verglichen, ausgewertet und es wird ein optimaler Wert für die jeweilige Komponente des Parametervektors a bzw. für den Parametervektor a ermittelt. Die Parameter werden sozusagen suksessive optimiert.
In der Fig. 2 sind die relevanten Größen bei der Ansteuerung eines piezoelektrischen Elementes unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die in der Fig. 2 dargestellten Größen entsprechen ebenfalls den Größen, welche in der Fig. 1 dargestellt -sind. Der Verlauf der Sollzustandsgröße x_soll entspricht dem Verlauf im Diagramm a) der Fig. 1. Es fällt auf, dass die Ansteuergröße I in den Ansteuerphasen Tl und T2 keinen konstanten Verlauf hat, sondern einen gefilterten bzw. „runderen" Verlauf aufweist. Die Verläufe der Istzustandsgröße x_ist und der dieser zugeordneten Meß- und/oder Schätzgröße U in den Ansteuerphasen sind geglättet. Die Verläufe der Istzustandsgröße x_ist und der Meß- und/oder Schätzgröße U in den Ruhephasen T_ruhel und T_ruhe2 weisen weder Über- noch Unterschwinger auf. Die Verläufe dieser beider Größen sind in den Ruhephasen idealisiert als konstant dargestellt .
In den Fig. 3 und 4 sind Simulationsergebnisse des 'erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, welches an einem Simula- tionsmodell eines Ventils mit einem piezoelektrischen Aktor eingesetzt wurde. "Der Verläufe der Meß- und/oder Schätzgröße U sind in der Fig. 3 als Kurven mit 15 Stützstellen dargestellt, zwischen denen linear interpoliert wurde. -Die Kurve 1 stellt eine Meß- und/oder Schätzgröße U dar, wie sie sich ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt. Die Kurve 2 stellt eine Meß- und/oder Schätzgröße U dar, wie sie sich bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt. Die Kurve 1 weist wesentlich mehr über Über- und Unterschwinger auf als die Kurve 2. Die Kurve 2 hat ein insgesamt gedämpfteres Verhalten. Die Ansteuergröße I war für diese Simulation konstant. Alle Stützstellen des Stromverlaufs der Ansteuer- große hatten den gleichen Wert. Die Minimierung des Gütemaßes hat insgesamt 30mal unter Veränderung der Parameterwerte der Ansteuergröße stattgefunden. Es hat eine Optimierung der Ansteuergröße stattgefunden und es ist deutlich erkennbar, dass die Varianz bzw. die Welligkeit der Meß- und/oder Schätzgröße U nach Durchlauf der Minimierung des Gütemaßes und Bestimmung eines optimierteren Parametervektors deutlich geringer ist.
In der Fig. 4 sind die durch den angesteuerten piezoelektrischen Aktor auftretenden Kräfte vor bzw. ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens .dargestellt . Die Kurvenverläufe 3 und 4 zeigen den Verlauf dieser Kräfte ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens . Diese Verläufe' weisen eine hohe Welligkeit auf. Die Verläufe 5 und 6 zeigen die zeitliche Entwicklung der Kräfte bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei entspricht der Kurvenverlauf 5 dem Kurvenlauf 3 und der Kurvenlauf 6 entspricht dem Kurvenverlauf 4. Die. Kurvenverläufe 3 und 5 entsprechen den Kräften beim Öffnen eines Ventils mittels einem piezoelektrischen Aktor und die Kurvenverläufe 4 und 6 entsprechen den Kräften beim Schließen des Ventils. Auch bei dieser Simulation wurde eine Minimierung des Gütemaßes und eine entsprechende Optimierung bzw. Adaption der Ansteuergröße bzw. des Parametervektors der Ansteuergröße 30mal durchgeführt. Die Welligkeiten der Kraft- Verläufe 5 und 6 sind geringer als die Welligkeiten der Verläufe 3 und 4. Dies ist besonders augenfällig beim Vergleich der Verläufe 3 und 5, welche dem öffnen des Ventils entsprechen.
Mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens, bestehend aus einer Minimierung eines Gütemaßes und eines Suchverfahrens nach dem für die Minimierung optimalen Parametervektor der Ansteuergröße kann sukzessive bzw. iterativ die Ansteuergröße optimiert werden, so dass Einschwingvorgänge bzw. Oszillationen des piezoelektrischen Aktors und der von ihm bewegten Masse (n) bzw. Komponente (n) optimiert werden können. Injektoren bzw. Einspritzventile können mit dem erfindungsgemäßen Ver- fahren in kurzer Zeit geöffnet und geschlossen werden, ohne dass mechanische Schwingungen den Einspritzverlauf in einer Brennkraftmaschine störend beeinflussen. Die mechanische Beanspruchung der Bauteile (sowohl des piezoelektrischen Aktors als auch der bewegten Massen) wird reduziert und die Qualität und Mengengenauigkeit der Einspritzung wird erhöht. Entsprechendes gilt für andere Anwendungen und Einsatzgebiete.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit jeder Ansteuerelektronik für ein piezoelektrisches Element realisieren, welches einen variabeln Verlauf der Ansteuergröße (Strom bzw.' Spannung) erzeugen kann. Hierzu können beispielsweise die in den Offenlegungsschriften DE 197 33 560 AI und DE 198 54 789 AI dargestellten Schaltungen verwendet werden, welche in der Fig. 5 dargestellt ist. Das piezoelektrische Element 7 ist in Serie mit einer Induktivität bzw. einer Spule 8 geschaltet. Diese Serienschaltung ist nun wiederum parallel zu einem Schaltelement 11 einer Halbbrückenschaltung bestehend aus einer Serienschaltung von einem Schaltelement 9 und einem Schaltelement 11 geschaltet. Den Schaltelementen 9 und 11 sind Dioden 10 und 12 antiparallel geschaltet. Das Schaltelement 9 wird als Ladeschalter und das Schaltelement 11 als Endladeschalter eingesetzt. Bei den Schaltelementen 9 und 11 handelt es sich vorzugsweise um Halbleiterschalter wie beispielsweise Transistoren (IGBTs, MOSFETs etc.). Zu den Schaltelementen 9 und 11 parallel geschaltet ist ein als Pufferkondensator eingesetzter Kondensator 13. An den Kondensator angeschlossen ist vorzugsweise eine Strom- bzw. Span- nungsversorgungsquelle, welche der Energieversorgung des piezoelektrischen Elementes dient. Durch entsprechende Ansteuerung der Schalter 9 und 11 läßt sich der Lade- bzw. Endladestrom I des piezoelektrischen Elementes variieren.
Ähnliche Schaltungen sind in den weiteren in der Einleitung genannten Dokumenten offenbart, mit welchen ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt werden kann. In der Fig. 6 ist eine weitere Ansteuerungselektronik dargestellt, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann. Mit Hilfe dieser Ansteuerelektronik wird das piezoelektrische Element spannungsgesteuert, d.h. bei der An- steuerungsgröße handelt es sich um eine Spannung. An Stelle ■ der Schaltelemente 9 und 11 und der diesen zugeordneten Dioden 10 und 12 und der Induktivität 8 ist ein Schaltelement 14 vorgesehen, welches bei entsprechender Ansteuerung eine variierbare Spannung liefert, die dann über dem piezoelektrischen Element 7 abfällt. Bei dem Schaltelement 14 handelt es sich vorzugsweise um ein Halbleiterschaltelement, welcher bevorzugterweise eine Serienschaltung von zwei Transistoren aufweist, deren Emitter und Basiseingänge miteinander verbunden sind. Ein nicht näher bezeichneter Pol des piezoelektrischen Elementes ist mit den Emittern der beiden Transistoren verbunden. Die Kollektoren sind jeweils mit einem Pol einer nicht dargestellten Strom- bzw. Spannungsversorgungsquelle verbunden .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ansteuern eines piezoelektrischen Elementes
(7) , wobei eine Ansteuergröße (I, U) variabel ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Bestimmung der Ansteuergröße (I, U) ein von der Ansteuergröße (I, U) abhängiges Gütemaß für das Einschwingverhalten einer zu steuernden Zustandsgröße
(x_ist) des piezoelektrischen Elementes (7) minimiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gütemaß für das Einschwingverhalten die Varianz der zu steuernden Zustandsgröße (x_ist) bzw. einer dieser zugeordneten Mess- und/oder Schätzgröße (U, I) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ansteuergröße (I, U) von einem variablen Parameter bzw. Parametervektor abhängt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gütemaß in Bezug auf die Ansteuergröße (I, U) , einen- Parameter und/oder den Parametervektor der Ansteuergröße (I, U) minimiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die optimale Ansteuergröße, der optimale Parameter und/oder der optimale Parametervektor der Ansteuergröße (I, U) mittels einem globalen oder einem lokalen Suchverfahren oder einer Kombination aus diesen Suchverfahren ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die optimale Ansteuergröße, der optimale Parameter und/oder der optimale Parametervektor der Ansteuergröße (I, U) mittels einem Gradientenabstiegsverfahren, Simula- ted Annealing, einem Genetischen Algorithmus oder einer Kombination aus diesen Suchverfahren ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ansteuergröße ein Strom (I) oder eine Spannung (U) ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es sich bei der zu steuernden Zustandsgröße um eine Position bzw. um eine Dehnung (x_ist) des piezoelektrischen Elementes (7) handelt.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Zustandsgröße (x_ist) eine Mess- und/oder Schätzgröße (U, I) zugeordnet wird, wobei es sich bei der Mess- und/oder Schätzgröße um eine Spannung (U) handelt, wenn die Ansteuergröße ein Strom (I) ist, und wobei es sich bei der Mess- und/oder Schätzgröße um einen Strom (I) bzw. um eine Ladung handelt, wenn die Ansteuergröße eine Spannung (U) ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c n e t , dass das piezoelektrische Element' (7) bei der Ansteuerung zyklisch geladen und entladen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das piezoelektrische Element (7) als Aktor bei einer Kraftstoffeinspritzdüse in einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d.u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Ansteuergröße (I, U) von einer einzuspritzenden Kraftstoffmenge, einer Drehzahl der- Brennkraftmaschine, einem Druck in einem Einspritzsystem und/oder einer Temperatur der Brennkraftmaschine abhängig ist.
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