WO2010136342A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum betätigen eines piezoventils - Google Patents

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WO2010136342A1
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signal
piezoelectric
actuator
vibration damping
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Stefan Beck
Michael Beuschel
Martin Ebel
Karl Krammel
Carsten Sensche
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • 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
    • H02N2/062—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M59/00—Pumps specially adapted for fuel-injection and not provided for in groups F02M39/00 -F02M57/00, e.g. rotary cylinder-block type of pumps
    • F02M59/44—Details, components parts, or accessories not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M59/02 - F02M59/42; Pumps having transducers, e.g. to measure displacement of pump rack or piston
    • F02M59/46—Valves

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement and a method for actuating a piezoelectric valve with at least one actuator, which is formed by a piezoelectric bending transducer having (at least) two elongated each extending along a longitudinal direction of the bending transducer piezoelectric actuators. Furthermore, the invention relates to a use of such circuit arrangements and / or actuation methods.
  • Such a circuit arrangement and such a method are z. B. from DE 103 46 693 Al known.
  • the known circuit arrangement is used for actuating a piezoelectric valve, which is used to control a closed volume of air.
  • the valve can z.
  • the three states “filling”, “holding pressure” and “venting” provide for.
  • the two piezoelectric actuators form a piezo stack comprising two piezoelectrically active counteracting components in order to permit a deflection in both directions (transverse to the longitudinal direction) with respect to an undeflected rest position.
  • piezo valves have a variety of applications. Such valves can very advantageously be used, for example, as controllable air valves in systems for changing the contour of motor vehicle seats.
  • a fundamental problem when using a piezoelectric bending transducer (“piezobigger") as an actuator in a piezoelectric valve is that the bending transducer is a system with more or less pronounced mechanical resonances and thus can perform unwanted vibrations.
  • Such flexing of the flexural transducer may compromise the quantitative valve function (setting a precise valve opening degree). Other adverse effects are z. As an undesirable in many applications noise and / or an unnecessary additional mechanical stress of the bending transducer.
  • Unwanted vibrations of the bending transducer can, for. B. caused as a result of relatively abrupt valve actuation operations. And even with a valve opening degree that is slow or unchanged, such vibrations can also be caused by the (turbulent) mass flow flowing through the valve.
  • the flow through the valve with the relevant medium eg air, hydraulic oil, etc.
  • the relevant medium eg air, hydraulic oil, etc.
  • the circuit arrangement according to the invention comprises at least one driver with a driver input for inputting an actuation control signal and a driver output for generating an actuator drive signal to be selectively output to one of the two piezoactuators in response to the actuation control signal.
  • a driver input for inputting an actuation control signal
  • a driver output for generating an actuator drive signal to be selectively output to one of the two piezoactuators in response to the actuation control signal.
  • the circuit arrangement further comprises a detection device and a feedback device (see claim 1), so that the actuation control signal, by means of which one of the two Pizeoaktoren is driven, a suitable vibration damping vibration generated attenuation signal at the driver input can be superimposed.
  • the other piezoelectric actuator which is currently not actuated, can be used as a sensor for determining the existing oscillation (amplitude and phase position).
  • Aktoran Kunststoffsignals can be used on per se known driver concepts. So it is z.
  • a driver in common for the generation of the Aktoran Kunststoffsignals optionally to be issued to different piezo actuators by the driver is equipped with a suitable switching to supply the generated Aktoran Kunststoffsignal each currently actuated piezoelectric actuator.
  • a dedicated driver is provided for each of the two piezo actuators.
  • the driver may be on the output side z. B. comprise a push-pull output stage, which is designed for generating or setting an Aktoran horrendin in a range which substantially corresponds to a supply voltage of the driver.
  • the driver is designed to provide an actuator drive voltage (maximum voltage that can be reached by operation) of more than 50V, in particular more than 100V.
  • a setpoint specification (actuation control signal) provided for the actuator control can be smoothed, in particular low-pass filtered and / or ramp-limited, provided at the driver input. This advantageously reduces the effect that resonances are excited when the setpoint changes in steps.
  • the circuit arrangement according to the invention can be advantageously realized by a rather minor modification of previously known circuit arrangements.
  • the solution pursued by the invention consists in the simplest case in an extension of an existing circuit structure for controlling one or more Aktoran Kunststoffsignale depending on one or more actuation control signals, the extension of the existing circuit structure of at least one additional feedback (feedback) a signal to the input of the circuit consists.
  • the additionally required signal according to the invention (“vibration damping signal”) is generated by means of the piezoelectric actuator used as sensor in certain operating phases.
  • the piezoelectric actuator (currently not controlled piezoelectric actuator") which is operationally used as the sensor is always one and the same piezoelectric actuator of the at least two piezoactuators and the vibration damping according to the invention thus always takes place only during the activation of the other piezoelectric actuator.
  • operationally different piezoelectric actuators (depending on the actual instantaneous operating situation) are used as sensor.
  • the bending transducer as such may advantageously be formed in a conventional manner, for. B. as a system of two piezoceramic components ("bimorph"), or as a system of two piezoceramic components with a passive liner ("trimorph").
  • the number of piezoceramic components is by no means limited to two. Rather, it is also possible to provide a system comprising a larger number of piezoceramic components (in general: "multimorph").
  • Each piezoceramic component or each piezoactuator of the bending transducer used can be constructed from a single layer of a piezoceramic (single layer technology) or also from a plurality of such piezoactive layers (multilayer technology).
  • Invention preferred embodiment it is in the piezoelectric bending transducer to a trimorphic bending transducer with each z. B. trained in single layer technology piezoelectric actuators.
  • the so-called transverse effect is utilized, in which the expansion or contraction direction extends transversely (eg perpendicularly) to the direction of the electric field generated by the control.
  • the so-called longitudinal effect is used for one or more piezo actuators of the bending transducer in the control.
  • the starting point is unipolar activation of a trimorphic or multimorph bending transducer which can act in at least two directions by electrical actuation of at least two counter-acting piezoceramic structures (single layer or multilayer). It is essential for the invention that operationally at least one actuation state is provided in which at least one of the piezo actuators is actuated and at least one other of the piezo actuators is not actuated at the same time.
  • At least one of the momentarily non-actuated piezoactuators is used as a "sensor" (for vibration detection) in order to influence the activation of at least one of the piezoactuators actually actuated at the same moment in the sense of damping unwanted vibrations (active vibration damping).
  • the invention can also be readily applied to bipolar actuated piezoelectric actuators.
  • the piezo valve to be actuated according to the invention may also contain a plurality of bending transducers used to actuate the valve.
  • a plurality of bending transducers used to actuate the valve.
  • An example of this is a 3/3-way valve with a connection for a controllable fluid volume, a filling connection and a drain connection, wherein a first bending transducer for opening and closing a passage between the controllable volume and the filling connection and a second bending transducer for opening and closing a Passage between the controllable volume and the exhaust port is used. It can be provided that the two bending transducers are controlled by one and the same actuating control signal, but complementary to each other.
  • main resonance can, for. B. in the range of 300 to 600 Hz.
  • Other significant resonances can z. B. occur above about 1500 Hz in partially dense frequency intervals.
  • secondary resonances Such in terms of frequency higher resonances are also referred to below as “secondary resonances”.
  • a peculiarity of secondary resonances is also that they occur in an excited main resonance in appearance or can be excited by the main resonance.
  • the detection device is a current source for generating a current in one with the currently not controlled
  • a supply (control) from a voltage source hereinafter referred to as "high voltage source", the z. B. may be formed by an end stage of the driver used.
  • high voltage here refers to the fact that a voltage typically used to drive piezoactuators is significantly greater than a voltage or voltage change at the same piezoelectric actuator during its use as a sensor. A sensor voltage generated in this way is typically orders of magnitude below the drive voltage required to drive the same piezoelectric actuator.
  • the term "high voltage” in the context of the invention already includes voltages of z.
  • a second voltage source used to feed the piezoactuator in sensor operation can supply the piezoactuator with a lower voltage of, for example, 10 kHz.
  • B. apply the same polarity.
  • This "low voltage” can z. B. by at least a factor of 10, in particular at least a factor of 50, smaller than the operational maximum achievable Aktoran horrend.
  • the mentioned line via a current direction-dependent component such. B. a diode connected to the relevant piezoelectric actuator.
  • a current direction-dependent component such. B. a diode connected to the relevant piezoelectric actuator.
  • the low-voltage source can advantageously be protected by the current-direction-dependent component with respect to the high-voltage source.
  • the functional principle of the detection of the e- lectric measured variable can then z. B. based on that the low-voltage source feeds a defined current in the branch or said line of the sensor operated as a piezoelectric actuator, the z. B. on the internal resistance of a likewise connected to the piezoelectric actuator driver ab- flows (eg according to electrical ground).
  • detection current as a result of the piezoelectric effect, can then be passed on, for example via the optionally provided current-direction-dependent component, or used to generate the required vibration damping signal.
  • a plurality of piezoactuators which can be used as sensor in different operating phases can advantageously also be connected to a shared detection device via a corresponding plurality of respectively associated current-direction-dependent components. These piezoactuators can thus be combined for an active (depending on operational situation) signal feedback for active vibration damping (if only one of these piezoactuators is used as the sensor).
  • the sensor signal such as the mentioned detection current or its changes, is usually relatively small, it is advisable to amplify this signal as part of the detection and / or feedback.
  • An embodiment which is advantageous with regard to the detection of a sensor signal provides that the current measuring device is formed by a transimpedance amplifier.
  • the change in the detection current caused by the piezoelectric effect can be measured by means of such a transimpedance amplifier and used as an amplified voltage signal for the feedback or can be input to a feedback device provided for this purpose.
  • the current direction-dependent component eg diode
  • a current-direction-dependent component in the manner described advantageously eliminates the need for more expensive measures for galvanic isolation (eg high-voltage coupling capacitor) between the high-voltage source and the low-voltage source. Also, no signal attenuation (for example by means of a voltage divider) is necessary so that the voltage or current swing of the piezoelectric actuator used as the sensor can be utilized virtually completely. In this case, the influence of a noise on the feedback branch or control circuit for active vibration damping is advantageously reduced.
  • a gain of the current measuring device in particular z. B. a transimpedance amplifier contained therein, is provided variable.
  • Such variability can operationally z. B. be used to advantage, the intensity of the vibration damping as high as possible, but without undesirable effects occur.
  • a maximization of the damping by an operation can be set as close as possible to the (control-technical) stability limit, but still in the stable range.
  • variability can be used operationally to adjust or adapt the intensity of the damping as a function of predetermined operating parameters or operating situations.
  • the detection device and / or the feedback device can be provided several times in order to provide active vibration damping for various bending transducers (one or more piezoelectric valves) in a pneumatic or hydraulic system.
  • the gain z. B. advantageous the intensity of the attenuation to individual control channels or respective conditions (Vor- pressure, backpressure, flow, line length, load volume, duration of control, etc.).
  • the amplification can be done depending on the operating point or adaptive.
  • the strength of each occurring resonance can be determined and evaluated by a measurement in the region of the feedback signal. Such an evaluation can, for.
  • Example be performed by a program-controlled electronic control device (eg., Microcontroller), which is supplied to a signal representative of the vibration damping signal (eg supplied via an analog-to-digital converter).
  • a program-controlled electronic control device eg., Microcontroller
  • the control device can vary the extent of the damping, that is to say by an appropriate setting of the stated gain according to an algorithm, in order to minimize the unwanted vibrations of the bending transducer.
  • a change in the gain to zero corresponds to a deactivation or complete deactivation of the vibration damping.
  • the vibration damping is provided deactivatable by deactivating the detection device and / or the feedback device.
  • Such deactivation can z. B. depending on operating parameters that are detected at a respective pneumatic or hydraulic system, and z. B. be realized by the above-mentioned variation of the detection gain to zero.
  • the dynamics of the valve actuation can be improved in particular in certain operating situations by means of a shutdown and / or any other undesired effects of the active vibration damping can be avoided.
  • testing of the damping is possible. Such a possibility for testing is z. B. interesting for a diagnosis regarding the proper function, be it in the context of manufacturing the circuit arrangement or a system equipped with it, or in the subsequent operation of such a system (eg., Diagnosis in a workshop).
  • the shutdown of the damping can be accomplished by means of a band-limited or ramp-limited change of a reference voltage of the transimpedance amplifier, so that this amplifier or z.
  • a downstream filter eg., Low pass filter
  • a band limitation ensures a soft hiding or subsequent insertion of the damping (while avoiding an additional excitation of a resonance).
  • the inventively provided additional signal feedback for active vibration damping should essentially act only in a frequency range that is outside the useful frequency range of the valve or "normal" Aktoran Kunststoffung (actuator voltage setting). If such a voltage setting is designed for a DC operation and the low frequency range, it follows that the additional feedback must have a bandpass characteristic above it. In the design of the feedback device, the behavior of the remaining circuit parts used for the actual actuator control (eg with low-pass characteristic) is expediently to be considered or suitably interpreted / optimized.
  • the feedback device or the feedback of the vibration damping signal is not "hard-wired" but implemented by a program-controlled electronic device (eg microcontroller).
  • the signal to be returned can be determined by a software-based algorithm.
  • the detected at the moment not controlled piezoelectric actuator signal can be read in this case via an analog-to-digital converter in the program-controlled device which generates the vibration damping signal according to an algorithm and z. B. via a digital-to-analog converter or outputs as a PWM signal.
  • a sufficiently high sampling frequency should be provided in order to minimize adverse effects due to dead times.
  • the program-controlled device may also operatively vary the above-discussed variation in the amount of vibration damping (depending on predetermined criteria), such as to provide different modes of operation for the active vibration damping.
  • the frequency range of the additional feedback is influenced or limited by the finite bandwidth of the circuit components (eg driver, detection device, feedback device). Therefore, in particular no secondary resonances of a higher frequency can be attenuated, for which exceeds the phase shift or phase delay of the open loop to a certain extent (eg greater than or equal to 180 °). In such frequency ranges, the gain of the additional feedback must always be much smaller than 1 in order to ensure the stability and robustness in terms of control technology.
  • the frequency selectivity allows the actuator voltage adjustment and vibration damping to be carried out both in parallel and in cascade structure.
  • a filter with bandpass or low-pass characteristic is provided in a signal return path of the feedback device. This can advantageously be a distinction between the above-explained requirements or criteria for an active vibration damping.
  • a cutoff frequency of the low pass characteristic is greater than a main resonant frequency of the bending transducer and / or is smaller than a first side resonance frequency of the bending transducer.
  • the filter is an oscillatory low-pass filter with (at least) one resonant frequency, which is preferably between a main resonant frequency and a first minor resonant frequency.
  • the resonance frequency of the low-pass filter lies between the main resonance (eg lowest main resonance) and the lowest secondary resonance of the bending transducer, the amplitude amplification in the region of the secondary resonances can be significantly reduced without causing too high a phase shift in the region of the main resonance.
  • a low-pass filter of even order can be used, which has no real pole and consequently no premature phase drop below the cutoff frequency.
  • the resonance frequency of the low-pass filter lies in a frequency range in which the bending transducer has a relatively high attenuation (band-stop characteristic).
  • band-stop characteristic the amplitude overshoot of the low-pass filter is harmless for the damping or the control engineering stability.
  • the driver or high-voltage amplifier or other components involved in the additional feedback can also be designed with a similar characteristic as the low-pass filter (or bandpass filter) or can be designed / optimized to that effect. This can be the effect the low-pass filter described are additionally supported.
  • the feedback of the vibration damping signal to the driver input takes place via a coupling capacitor or in another way with a suppression of the DC signal component (eg with a bandpass characteristic).
  • a coupling capacitor or in another way with a suppression of the DC signal component eg with a bandpass characteristic.
  • Such coupling of the vibration damping signal brings particular advantages if a quiescent voltage level of the return for the damping is not at a correspondingly neutral voltage (eg OV).
  • a targeted phase correction eg so-called PDT1 behavior
  • PDT1 behavior e.g so-called PDT1 behavior
  • a preferred use of the circuit arrangement according to the invention and / or the actuation method according to the invention is the actuation of a fluid valve (eg air valve) which is used for a contour change of a motor vehicle seat.
  • a fluid valve eg air valve
  • At least two operating modes are provided for the change in contour of the seat, namely a first mode ("driving dynamics mode") in which the setting of a filling amount (eg fluid pressure or air pressure) of a completed contour change volume is automatically performed Depending on a driving condition of the vehicle in question, and a second mode
  • Operating mode in which this level of filling takes place in dependence on user inputs (on dedicated controls such as electrical switches, etc., or by means of an on-board computer). Also, z. For example, a third operating mode may be provided, which is provided for readjusting the filling level over longer periods of time (eg about minutes to days).
  • the amount of active vibration damping (z, B. by adjustment of the detection device and / or the feedback device) is varied depending on the current operating mode.
  • the vibration damping amount is set smaller in the driving dynamics mode than in the user operating mode.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of a circuit arrangement for actuating a piezoelectric valve according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a circuit arrangement for actuating a piezoelectric valve according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 is a schematic functional block diagram of a more specific embodiment of the circuit arrangement of FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a diagram of various transfer functions (concerning amplitude A and phase P) in the circuit arrangement according to FIGS. 2 and 3, and
  • Fig. 5 is a representation for illustrating an application example of a trained as a 3/3-way valve piezoelectric valve.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement 10 for actuating a piezoelectric valve with at least one actuator, which is formed by a piezoelectric bending transducer 12, which has two piezoactuators 14, 16 elongated along a common longitudinal direction of the bending transducer 12.
  • it is a bimorph or trimorphic bending transducer 12, which can be controlled by an optional to one of the two piezo actuators 14, 16 Aktoran tenusignal “out” (actuator voltage) in two directions of action (transverse to the longitudinal direction).
  • a free end of the bending transducer 12 may be formed as the flow through the piezo valve controlling valve body or provided with such a valve body.
  • the valve body is arranged in the un-actuated state of the bending transducer 12 (both actuator voltages OV) at a small distance from the mouth of a fluid passage passage of the valve, so can by the selective control of one of the two piezo actuators 14, 16 z.
  • a (full) opening or closing of the valve can be effected.
  • valve body already closes such an opening in the case of an uncontrolled bending transducer and the valve is activated at the orifice (in the valve closing direction) by the selective actuation of one of the two piezoactuators 14, 16. It is essential that during operation of the circuit arrangement 10 for actuation of the piezo valve operational situations are provided, in which only one of the two piezo actuators 14, 16 actuated (acted upon by an actuator voltage) is, whereas the other piezoelectric actuator remains uncontrolled at this moment ,
  • a driver 20 with a Trei- input 22 for inputting an actuation control signal "in” and a driver output 24 for generating or output of Aktoran Kunststoffsignals "out".
  • Associated with the driver 20 is a symbolized in the figure with Sl switching means, by means of which the drive signal out either to the piezoelectric actuator 14 or the piezoelectric actuator 16 can be fed.
  • This switching is accomplished by a switching signal "sw" which is also generated and output by the driver 20 based on the operation control signal.
  • the driver 20 is powered by a supply voltage between
  • Vs and GND electrical ground supplies and supplies as the Aktoran Kunststoffsignal out an adjusted between these supply potentials GND, Vs Aktoran Kunststoffpotenzial to a drive electrode of the respective piezoelectric actuator 14 and 16.
  • a second drive electrode of the piezoelectric actuators 14, 16 is provided for both piezoelectric actuators together and connected to the electrical ground GND.
  • a special feature of the circuit arrangement 10 is that it further comprises a detection device 30 and a feedback device 32.
  • the detection device 30 By means of the detection device 30 is in operating situations in which the piezoelectric actuator 16 is not activated, a ne electrical measurement detected at this piezoelectric actuator 16, which is in any way representative of the vibration state of the bending transducer 12.
  • the detection device is connected via at least one line 34 with the piezoelectric actuator 16 used as a "sensor" for a vibration state.
  • the detection device 30 itself generates an electrical measurement variable (eg voltage or current, constant or variable) and measures, and possibly amplifies, an electrical measurement variable that can be detected in response to the piezoelectric actuator 16.
  • an electrical measurement variable eg voltage or current, constant or variable
  • the detection device 30 is connected via at least one line 36 (or line arrangement) with the feedback device 32 in connection, which serves to generate a vibration damping signal "fb" on the basis of the detected measured variable and this vibration damping signal fb for
  • Driver input 22 of the driver 20 to return.
  • a further amplification and / or other signal conditioning or signal conversion eg filtering, in particular phase shifting
  • the returned oscillation damping signal fb influences the generation of the Aktoran Kunststoffsignals out for the active piezoelectric actuator taking place in this moment by the driver 20
  • the vibration damping signal "fb” is suitably superimposed on the actuation control signal "in” which is likewise input to the driver 20.
  • the piezoactuators 14, 16 are alternately driven, d. H. activation of the piezoactuator 16 takes place only after the other piezoactuator 14 has been deactivated again (adjustment of the actuator drive voltage to OV), and vice versa.
  • the active vibration damping realized by means of the detection device 30 and the feedback device 32 acts only during activation of the piezoactuator 14.
  • the piezoactuator 16 is actuated, and accordingly the piezoelectric actuator 14 is not driven, no vibration damping is provided. This can be z. B.
  • an active vibration damping for driving the piezoelectric actuator 16 could be provided, such as by a second feedback path through another detection device and another Feedback device is formed, which extends from the piezoelectric actuator 14 to the driver input 22.
  • the components 30, 32 shown in the figure could also be used for this purpose, wherein an operational situation-dependent switching between the piezoactuators 14, 16 to be used as a sensor takes place with regard to the detection of the electrical measured variable.
  • FIG. 1 Shown in dashed lines in FIG. 1 is a possible extension for triggering a further piezoelectric bending transducer, which can likewise be actuated by means of the driver 20 and from which likewise one of the piezoactuators can be connected to the detection device 30 in order to control it in the non-activated state to be used as a vibration sensor.
  • FIG. 2 shows in a somewhat more detailed block diagram a further exemplary embodiment of a circuit arrangement 10a for actuating a piezoelectric valve with at least one piezoelectric bending transducer 12a.
  • the circuit arrangement 10a comprises two drivers 20a and 20a 'which are each assigned to one of two piezoactuators 14a, 16a of the bending transducer 12a.
  • the driver 20a generates an actuator drive signal out to be outputted to the piezoactuator 14a as required as a function of a first actuation control signal, which is input via a smoothing filter consisting of resistors R1, R2 and a capacitor C1 to an input 22a of the driver 20a.
  • the driver 20a generates an as needed actuator output to the piezoelectric actuator 16a Aktoran tenusignal out 'in response to a second actuation control signal in', which via a smoothing filter consisting of resistors Rl ', R2' and a capacitor Cl 'at an input 22a' of the driver 20a 'entered becomes.
  • an active vibration damping is also provided in operating phases of a control of the piezoactuator 14a even in the case of the circuit arrangement 10a, the other piezoactuator 16a, which is not activated at this moment, being used as a sensor for determining the existing oscillation ,
  • a branch to a line 34a ' is provided at a circuit node K1, via which a measurement current Id is fed to the circuit node K1, which is represented by the current source 40a symbolized in FIG is generated and flows out via the internal resistance of the driver 20a 'to the electrical ground GND (the current source 40a can be realized, for example, via a resistor which is fed by a stabilized voltage (low voltage)).
  • the measuring current Id is conducted to the circuit node K1 via a diode D1 and changes as a function of a vibration of the bending transducer 12a. Via a connection of the line 34a 'to a transimpedance amplifier 42a (with reference rence voltage source 44a), the measuring current Id or its changes is measured and amplified.
  • a voltage signal thus generated at the output of the transimpedance amplifier 42a on the basis of the detected measured variable is input to a low-pass filter 46a and coupled via a resistor R3 and a coupling capacitor C2 as a vibration damping signal fb to the driver input 22a (circuit node K2).
  • transimpedance amplifier 42 a z. B. a (not shown) according to externally wired inverting operational amplifier are used, which adjusts the voltage at the diode Dl to a reference voltage and measures the required current.
  • the reference voltage can, for. B. be generated via a port of a microcontroller and a downstream low pass.
  • a feedback device 32a is formed by the low-pass filter 46a and the components R3, C2.
  • the low-pass filter 46a is preferably designed as an active filter, more preferably z. B. realized as a so-called "Sallen-Key-Filter”.
  • diode D1 which leads from the line 34a to a circuit node (K1) in a piezo drive line
  • a plurality (parallel arrangement) of such diodes could also be provided, each leading from such a current source 40a to different circuit nodes which are shown in still further (FIG. not shown) control lines of the circuit arrangement are provided (for controlling further bending transducers).
  • the circuit for feedback for the purpose of vibration damping can be used repeatedly (unless the respective bending transducers are operated simultaneously). On the output side, the feedback is then fed back to all relevant inputs (of which at most one is active).
  • a dashed line in the lower part of FIG. 2 shows a corresponding, exemplary modification of the component 30a-1 with three diodes D1, D2, D3.
  • this can also be used for the complementary control of a pair of bending transducers, for. B. for actuating the already mentioned above 3/3-way valve with two valve passages, each of which a bending transducer is assigned.
  • the second bending transducer can be added to the first bending transducer shown in FIG. 2 in a parallel connection, so that when a drive voltage "out" is output, one piezoactuator of the two bending transducers is driven, and when the other drive voltage "out 1 " is output each other piezoelectric actuator of the two bending transducers is driven.
  • Sensor signal detection and feedback for the purpose of vibration damping can also be used for the second bending transducer after slight modification.
  • the detection of the further sensor signal z For example, the above-described parallel arrangement of diodes for multiple use of the current source 40 and the other components of the detection and feedback can be used.
  • a corresponding further coupling-in connection would have to be established, e.g. B. by means of another coupling capacitor (corresponding to the illustrated capacitor C2).
  • parts of the circuit corresponding to the extension in FIG. 1 can also be shared, in particular also the coupling-in connection.
  • FIG. 3 once again illustrates a possible embodiment of the circuit arrangement 10a in a functional block diagram.
  • a program-controlled electronic control device in the form of a microcontroller 50a is also shown, by means of which the actuation control signal is generated in (eg as a PWM signal) and supplied to the smoothing filter 52a (corresponding to the components R1, C1, R2 in FIG Fig. 2).
  • the smoothed input signal is fed to a PI controller 56a via an addition element 54a.
  • the output signal of the PI controller 56a is fed to an output stage 58a, which generates the actuator drive signal out or out 'in response to this activation and outputs it to the bending transducer 12a.
  • a switching signal sw likewise generated by the microcontroller 50a, the output of the signal out or out 'as required is controlled to the piezoactuator 14a or 16a.
  • control of the actuator drive signal out, out 'output as a voltage signal takes place by means of a measuring element 60a, which measures the actual actuator voltage ("actual signal”) and feeds it back to the addition element 54a for comparison with the actuation control signal ("setpoint value").
  • the active feedback for damping unwanted vibrations during the activation of the piezoactuator 14a is symbolized in the figure by the components 30a and 32a (detection device and feedback device).
  • the microcontroller 50a also generates a corresponding enable / disable signal crtl by means of which the amplification made in the feedback device 32a (transimpedance amplifier) can be varied (up to a complete shutdown of the active vibration damping).
  • amplification made in the feedback device 32a transimpedance amplifier
  • z. B an input of the signal "fb" via an analog-to-digital converter in the microcontroller 50 a done (not shown in Fig. 3).
  • a pressure measuring device 62a is shown in FIG. 3, which outputs a measurement signal representative of the actual fluid pressure to the microcontroller 50a.
  • FIG. 4 shows, by way of example only, a diagram with (simulated) frequency and phase responses of different signal paths of the circuit arrangement 10a.
  • the curve "a" describes the transfer function from the output of the driver to the output of the transimpedance amplifier.
  • the amplitude of the side resonances is similar in height to that of the main resonance or even higher.
  • the amplitude overshoot of the low-pass filter falls within a range of high attenuation of the piezoelectric actuator and thus does not result in the transfer function of the open control loop (curve "d") to an amplitude gain in the range of 0 dB or about it.
  • FIG. 5 illustrates the use of a bending transducer 12b (or an arrangement of several such bending transducers) actuated in the manner described above as an actuator (s) of a (for example, proportional) directional control valve, here a proportional 3/3-way valve 70b for filling and Emptying a fluid volume 72b, which z. B. represents a closed volume of air in a motor vehicle seat.
  • a bending transducer 12b or an arrangement of several such bending transducers
  • a proportional 3/3-way valve 70b for filling and Emptying a fluid volume 72b, which z. B. represents a closed volume of air in a motor vehicle seat.
  • the filling and emptying operations can z. B. by means of a circuit arrangement and / or an actuating method be controlled as described above, wherein a built-in vehicle control unit (microcontroller) according to a suitable algorithm can also provide switching between different modes of operation of the active vibration damping.
  • a built-in vehicle control unit microcontroller

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Betätigung eines Piezoventils mit mindestens einem Stellglied, das von einem piezoelektrischen Biegewandler (12) gebildet ist, der zwei Piezoaktoren (14, 16) aufweist. Ein Betätigungsverfahren umfasst eine Erzeugung eines wahlweise an einen der beiden Piezoaktoren (14, 16) auszugebenden Aktoransteuersignals (out) in Abhängigkeit von wenigstens einem Betätigungssteuersignal (in), eine Erfassung einer elektrischen Messgröße an einem momentan nicht angesteuerten (16) der Piezoaktoren (14, 16), und eine Erzeugung eines Schwingungsdämpfungssignals (fb) auf Basis der erfassten Messgröße und Nutzung desselben für eine aktive Schwingungsdämpfung für den momentan angesteuerten Piezoaktor (14).

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betätigen eines Piezo- ventils
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betätigen eines Piezoventils mit mindestens einem Stellglied, das von einem piezoelektrischen Biegewandler gebildet ist, der (mindestens) zwei jeweils ent- lang einer Längsrichtung des Biegewandlers langgestreckt verlaufende Piezoaktoren aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung derartiger Schaltungsanordnungen und/oder Betätigungsverfahren .
Eine derartige Schaltungsanordnung sowie ein derartiges Verfahren sind z. B. aus der DE 103 46 693 Al bekannt. Die bekannte Schaltungsanordnung dient zum Betätigen eines Piezoventils, welches zur Kontrolle eines abgeschlossenen Luftvolumens eingesetzt wird. Das Ventil kann z. B. die drei Zu- stände "Befüllen", "Druck halten" und "Entlüften" vorsehen.
Bei dem von der bekannten Schaltungsanordnung betätigten Pie- zoventil bilden die beiden Piezoaktoren einen Piezostack aus zwei piezoelektrisch aktiven, gegensinnig wirkenden Komponen- ten, um eine Auslenkung in beide Richtungen (quer zur Längsrichtung) in Bezug auf eine unausgelenkte Ruhelage zu ermöglichen .
Ganz allgemein besitzen derartige Piezoventile vielfältige Anwendungsgebiete. Sehr vorteilhaft können solche Ventile beispielsweise als steuerbare Luftventile in Systemen zur Konturveränderung von Kraftfahrzeugsitzen eingesetzt werden. Ein prinzipielles Problem beim Einsatz eines piezoelektrischen Biegewandlers ( "Piezobieger") als Stellglied in einem Piezoventil besteht darin, dass der Biegewandler ein System mit mehr oder weniger ausgeprägten mechanischen Resonanzen darstellt und somit unerwünschte Schwingungen vollführen kann .
Solche Schwingungen des Biegewandlers können eine Beeinträchtigung der quantitativen Ventilfunktion (Einstellung eines präzisen Ventilöffnungsgrades) darstellen. Weitere nachteilige Wirkungen sind z. B. eine in vielen Anwendungsgebieten unerwünschte Geräuschentwicklung und/oder eine an sich unnötige zusätzliche mechanische Belastung des Biegewandlers.
Unerwünschte Schwingungen des Biegewandlers können z. B. infolge von relativ abrupten Ventilbetätigungsvorgängen bewirkt werden. Und selbst bei langsam oder unverändertem Ventilöffnungsgrad können derartige Schwingungen auch durch den das Ventil durchströmenden (turbulenten) Massenstrom bewirkt wer- den. Die Durchströmung des Ventils mit dem betreffenden Medium (z. B. Luft, Hydrauliköl etc.) erzeugt eine frequenzmäßig breitbandige Anregung, wodurch vor allem die mechanischen Resonanzfrequenzen des Biegewandlers angeregt werden können (Mundharmonika-Effekt). Dieser Effekt tritt je nach momenta- nen Betriebsbedingungen (Vordruck, Gegendruck, wirksamer Ventilquerschnitt, Viskosität des Mediums, mechanische Biegeweg- begrenzung etc.) unterschiedlich stark auf.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Ausmaß unerwünschter Schwingungen eines als Stellglied in einem Piezoventil verwendeten Biegewandlers zu unterdrücken oder zumindest nennenswert zu reduzieren. Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst wenigstens einen Treiber mit einem Treibereingang zur Eingabe eines Betätigungssteuersignals und einem Treiberausgang zur Erzeugung eines wahlweise an einen der beiden Piezoaktoren auszugeben- den Aktoransteuersignals in Abhängigkeit von dem Betätigungssteuersignal. Mit dem oder den Treibern kann der "normale" Betrieb des Piezoventils (Einstellung eines oder mehrerer Ventilöffnungsgrade) bewerkstelligt werden.
Für die Realisierung einer Schwingungsdämpfung ist hierbei wesentlich, dass die Schaltungsanordnung ferner eine Erfassungseinrichtung sowie eine Rückkopplungseinrichtung (vgl. Anspruch 1) aufweist, so dass dem Betätigungssteuersignal, mittels welchem einer der beiden Pizeoaktoren angesteuert wird, ein zur Schwingungsdämpfung geeignet erzeugtes Schwin- gungsdämpfungssignal am Treibereingang überlagert werden kann. Hierfür kann der andere, gerade nicht angesteuerte Pie- zoaktor als Sensor zur Bestimmung der vorhandenen Schwingung (Amplitude und Phasenlage) genutzt werden.
Vorteilhaft wird für die mit der Erfindung geschaffene "aktive Schwingungsdämpfung" somit keine zusätzliche Sensorik benötigt .
Hinsichtlich der Erzeugung des zur Ventilbetätigung wahlweise an einen der Piezoaktoren auszugebenden Aktoransteuersignals kann auf an sich bekannte Treiberkonzepte zurückgegriffen werden . So ist es z. B. möglich, einen Treiber gemeinsam für die Erzeugung des wahlweise an verschiedene Piezoaktoren auszugebenden Aktoransteuersignals zu verwenden, indem der Treiber mit einer geeigneten Umschaltung ausgestattet ist, um das er- zeugte Aktoransteuersignal dem jeweils momentan anzusteuernden Piezoaktor zuzuleiten.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass für jeden der beiden Piezoaktoren ein eigens zugeordneter Treiber vorgesehen ist.
Der Treiber kann ausgangsseitig z. B. eine Gegentaktendstufe umfassen, welche zur Erzeugung bzw. Einstellung einer Aktoransteuerspannung in einem Bereich ausgelegt ist, welcher im Wesentlichen einer Versorgungsspannung des Treibers entspricht .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Treiber dazu ausgelegt ist, eine Aktoransteuerspannung (betriebsmäßig maximal erreichbare Spannung) von mehr als 50V, insbesondere mehr als 100V bereitzustellen.
Beispielsweise kann eine zur Aktoransteuerung vorgesehene Sollwertvorgabe (Betätigungssteuersignal) geglättet, insbe- sondere tiefpassgefiltert und/oder rampenbegrenzt, am Treibereingang bereitgestellt werden. Damit lässt sich vorteilhaft der Effekt vermindern, dass bei sprungförmiger Änderung des Sollwerts Resonanzen angeregt werden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann vorteilhaft durch eine eher geringfügige Modifikation von bislang bereits bekannten Schaltungsanordnungen realisiert werden. Der mit der Erfindung verfolgte Lösungsansatz besteht im einfachsten Fall in einer Erweiterung einer vorhandenen Schaltungstruktur zum Steuern (bzw. gegebenenfalls Regeln) eines oder mehrerer Aktoransteuersignale in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betätigungssteuersignalen, wobei die Erweiterung der vorhandenen Schaltungsstruktur aus wenigstens einer zusätzlichen Rückführung (Rückkopplung) eines Signals zum Eingang der Schaltungsanordnung besteht. Das erfindungsgemäß zusätzlich benötigte Signal ( "Schwingungsdämpfungssignal") wird mit Hilfe des in bestimmten Betriebsphasen als Sensor genutzten Piezoaktors erzeugt.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass es sich bei dem betriebsmäßig als Sensor genutzten Piezoaktor ("momentan nicht angesteuerter Piezoaktor") stets um ein und denselben Piezoaktor der mindestens zwei Piezoaktoren handelt und die erfindungsgemäße Schwingungsdämpfung somit stets nur während der Aktivierung des anderen Piezoaktors erfolgt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass betriebsmäßig verschiedene Piezoaktoren (je nach konkreter momentaner Betriebssituation) als Sensor genutzt werden.
Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung wird die obige Aufgabe durch ein Betätigungsverfahren nach Anspruch 11 gelöst.
Mit der Erfindung kann eine robuste und kostengünstige Schwingungsdämpfung für den als Stellglied des Piezoventils verwendeten Biegewandler realisiert werden.
Der Biegewandler als solcher kann vorteilhaft in an sich bekannter Weise ausgebildet sein, z. B. als ein System aus zwei piezokeramischen Komponenten ("Bimorph"), oder als ein System aus zwei piezokeramischen Komponenten mit einer passiven Zwischenlage ( "Trimorph") . Die Anzahl an piezokeramischen Kompo- nenten (Piezoaktoren) ist jedoch keineswegs auf zwei beschränkt. Vielmehr kann auch ein System aus einer größeren Anzahl von piezokeramischen Komponenten vorgesehen sein (allgemein: "Multimorph" ) . Jede piezokeramische Komponente bzw. jeder Piezoaktor des eingesetzten Biegewandlers kann aus einer einzigen Schicht einer Piezokeramik (Singlelayer- Technologie) oder auch aus mehreren solcher piezoaktiven Schichten (Multilayer-Technologie) aufgebaut sein.
In einer beispielhaft zu verstehenden, jedoch im Rahmen der
Erfindung bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem piezoelektrischen Biegewandler um einen trimorphen Biegewandler mit jeweils z. B. in Singlelayer-Technologie ausgebildeten Piezoaktoren.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei der Ansteuerung der wenigstens zwei Piezoaktoren des Biegewandlers der so genannte Quereffekt genutzt, bei welchem die Dehnungs- bzw. Kontraktionsrichtung quer (z. B. senkrecht) zur Richtung des durch die Ansteuerung erzeugten elektrischen Feldes verläuft. Es ist jedoch keineswegs ausgeschlossen, dass für einen oder mehrere Piezoaktoren des Biegewandlers bei der Ansteuerung der so genannte Längseffekt genutzt wird.
Im Rahmen der Erfindung von ebenfalls eher untergeordneter
Bedeutung ist, ob für die einzelnen Piezoaktoren eine unipolare oder eine bipolare Ansteuerung vorgesehen ist.
In den unten noch beschriebenen Ausführungsbeispielen wird von einer unipolaren Ansteuerung eines trimorphen oder multi- morphen Biegewandlers ausgegangen, der durch elektrische Ansteuerung von wenigstens zwei gegenläufig wirkenden Piezoke- ramiken (Singlelayer oder Multilayer) in wenigstens zwei Richtungen wirken kann. Für die Erfindung wesentlich ist, dass betriebsmäßig wenigstens ein Betätigungszustand vorgesehen ist, in welchem wenigstens einer der Piezoaktoren angesteuert wird und gleich- zeitig wenigstens ein anderer der Piezoaktoren nicht angesteuert wird. Erfindungsgemäß wird wenigstens einer der momentan nicht angesteuerten Piezoaktoren als ein "Sensor" (zur Schwingungserfassung) genutzt, um die Ansteuerung wenigstens eines der im selben Moment tatsächlich angesteuerten Piezoak- toren im Sinne einer Dämpfung von unerwünschten Schwingungen zu beeinflussen (aktive Schwingungsdämpfung) . Die Erfindung kann auch ohne weiteres für bipolar angesteuerte Piezoaktoren angewandt werden.
Das gemäß der Erfindung zu betätigende Piezoventil kann auch mehrere zur Betätigung des Ventils eingesetzte Biegewandler enthalten. Ein Beispiel hierfür ist ein 3/3-Wegeventil mit einem Anschluss für ein kontrollierbares Fluidvolumen, einem Befüllanschluss und einem Entleerungsanschluss, wobei ein erster Biegewandler zum Öffnen und Schließen einer Passage zwischen dem kontrollierbaren Volumen und dem Befüllanschluss und ein zweiter Biegewandler zum Öffnen und Schließen einer Passage zwischen dem kontrollierbaren Volumen und dem Entleerungsanschluss verwendet wird. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die beiden Biegewandler durch ein und dasselbe Betätigungssteuersignal, jedoch komplementär zueinander, angesteuert werden.
Typischerweise treten bei piezoelektrischen Biegewandlern mehrere Resonanzfrequenzen auf. Eine ausgeprägte niedrigste Resonanz, im Folgenden als "Hauptresonanz" bezeichnet, kann z. B. im Bereich von 300 bis 600 Hz liegen. Weitere deutliche Resonanzen können z. B. oberhalb von etwa 1500 Hz in teilweise dichten Frequenzabständen auftreten. Solche frequenzmäßig höheren Resonanzen werden im Folgenden auch als "Nebenresonanzen" bezeichnet. Eine Besonderheit von Nebenresonanzen ist auch, dass diese bei einer angeregten Hauptresonanz verstärkt in Erscheinung treten bzw. von der Hauptresonanz angeregt werden können.
Oftmals ergibt sich bereits ein gravierender Vorteil, wenn zumindest die Hauptresonanz des Biegewandlers gedämpft, also in ihrer Amplitude reduziert oder im Wesentlichen unterdrückt wird. Dies deshalb, weil mögliche höherfrequente Resonanzen wie die genannten Nebenresonanzen oftmals erst infolge der Anregung einer Hauptresonanz nennenswert angeregt werden.
Dieser Umstand kann bei der Auslegung von "Filtereigenschaf- ten" der erfindungsgemäß vorgesehenen zusätzlichen Rückführung geeignet berücksichtigt werden. Dies wird weiter unten noch detaillierter erläutert.
Für die Erfassung der zur aktiven Schwingungsdämpfung benö- tigten Messgröße an einem momentan nicht angesteuerten Piezo- aktor kommen vielfältige Möglichkeiten in Betracht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung eine Stromquelle zur Erzeugung ei- nes Stromes in einer mit dem momentan nicht angesteuerten
Piezoaktor verbundenen Leitung und eine Strommesseinrichtung zur Messung dieses Stromes aufweist. In diesem Fall wird als Messgröße letztlich ein durch die Schwingung des Piezoaktors erzeugter Piezostrom erfasst.
Die Unterscheidung zwischen Aktor- und Sensorbetrieb eines Piezoaktors kann in einfacher Weise durch eine Beaufschlagung des Piezoaktors aus zwei unterschiedlichen Spannungs- bzw. Stromquellen geschehen. Beispielsweise kann im Aktorbetrieb eine Speisung (Ansteuerung) aus einer nachfolgend auch als "Hochspanungsquelle" bezeichneten Spannungsquelle erfolgen, die z. B. von einer End- stufe des verwendeten Treibers gebildet sein kann. Der Begriff "Hochspannung" bezieht sich hierbei auf den Umstand, dass eine zur Ansteuerung von Piezoaktoren typischerweise eingesetzte Spannung wesentlich größer als eine Spannung bzw. Spannungsänderung an demselben Piezoaktor während dessen Ver- wendung als Sensor ist. Eine so erzeugte Sensorspannung liegt typischerweise um Größenordnungen unter der zur Ansteuerung desselben Piezoaktors benötigten Ansteuerspannung. Vor diesem Hintergrund umfasst der Begriff "Hochspannung" im Sinne der Erfindung bereits Spannungen von z. B. 50V oder 100V. Bei ei- ner unipolaren Aktoransteuerung mit einer derartigen Hochspannung kann eine zur Speisung des Piezoaktors im Sensorbetrieb verwendete zweite Spannungsquelle ("Niederspannungsquelle") den Piezoaktor mit einer niedrigeren Spannung von z. B. gleicher Polarität beaufschlagen. Diese "Niederspannung" kann z. B. um mindestens einen Faktor 10, insbesondere mindestens einen Faktor 50, kleiner als die betriebsmäßig maximal erreichbare Aktoransteuerspannung sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die erwähnte Leitung über ein stromrichtungsabhängiges Bauteil wie z. B. eine Diode mit dem betreffenden Piezoaktor verbunden. In dieser Weise kann vorteilhaft die Niederspannungsquelle durch das strom- richtungsabhängige Bauteil gegenüber der Hochspannungsquelle geschützt werden. Das Funktionsprinzip der Erfassung der e- lektrischen Messgröße kann dann z. B. darauf beruhen, dass die Niederspannungsquelle einen definierten Strom in den Zweig bzw. die genannte Leitung des als Sensor betriebenen Piezoaktors einspeist, der z. B. über den Innenwiderstand eines ebenfalls mit dem Piezoaktor verbundenen Treibers ab- fließt (z. B. nach elektrischer Masse). Die Änderung dieses Stromes, nachfolgend auch als "Erfassungsstrom" bezeichnet, infolge des Piezoeffekts kann sodann, etwa über das gegebenenfalls vorgesehene stromrichtungsabhängige Bauteil hin- durch, weitergegeben bzw. zur Erzeugung des benötigten Schwingungsdämpfungssignals herangezogen werden.
Gemäß dieses Prinzips lassen sich vorteilhaft auch mehrere, in verschiedenen Betriebsphasen als Sensor nutzbare Piezoak- toren über eine entsprechende Mehrzahl von jeweils zugeordneten stromrichtungsabhängigen Bauteilen mit einer gemeinsam genutzten Erfassungseinrichtung verbinden. Diese Piezoaktoren lassen sich somit für eine jeweilige (betriebssituationsab- hängige) Signalrückführung zur aktiven Schwingungsdämpfung zusammenfassen (sofern immer nur jeweils einer dieser Piezoaktoren als Sensor genutzt wird) .
Da das Sensorsignal, etwa der genannte Erfassungsstrom bzw. dessen Änderungen, in der Regel relativ klein ist, empfiehlt sich eine Verstärkung dieses Signals im Rahmen der Erfassung und/oder Rückkopplung.
Eine hinsichtlich der Erfassung eines Sensorsignals vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Strommesseinrichtung von einem Transimpedanzverstärker gebildet ist.
Beispielsweise kann die infolge des Piezoeffekts bewirkte Änderung des Erfassungsstromes mittels eines solchen Transimpedanzverstärkers gemessen und als verstärktes Spannungssignal für die Rückkopplung verwendet bzw. einer dafür vorgesehenen Rückkopplungseinrichtung eingegeben werden.
Durch das Vorsehen des erwähnten stromrichtungsabhängigen Bauteils (z. B. Diode) ist es möglich, dass während der An- Steuerung des Piezoaktors, also seiner Speisung aus der Hochspannungsquelle, das stromrichtungsabhängige Bauteil den Er- fassungsstromfluss sperrt und so die Messung bzw. Messgrößenerfassung an dem Piezoaktor gewissermaßen automatisch deakti- viert.
Falls betriebsmäßig eine zumindest näherungsweise konstante Spannung vor und nach dem stromrichtungsabhängigen Bauteil vorgesehen ist, so macht dies die Strommessung vorteilhaft nahezu unabhängig von der Kapazität (und deren Schwankung) des betreffenden Piezoaktors.
Die beschriebene Verwendung eines stromrichtungsabhängigen Bauteils in der beschriebenen Weise macht vorteilhaft aufwän- digere Maßnahmen für eine galvanische Trennung (z. B. hochspannungsfähiger Koppelkondensator) zwischen Hochspannungsquelle und Niederspannungsquelle entbehrlich. Auch ist keine Signalabschwächung (z. B. mittels Spannungsteiler) notwendig, so dass der Spannungs- bzw. Stromhub des als Sensor verwende- ten Piezoaktors praktisch vollständig genutzt werden kann. In diesem Fall ist vorteilhaft der Einfluss eines Rauschens auf den Rückkopplungszweig bzw. Regelkreis zur aktiven Schwingungsdämpfung verringert.
Die Nutzung ein und desselben Piezoaktors einerseits als Aktor und andererseits als Sensor kann allein durch den bestimmungsgemäßen Betrieb der Hochspannungsquelle (n) gesteuert werden. Insbesondere durch die erwähnte Verwendung eines stromrichtungsabhängigen Bauteils wie erwähnt kann diese Um- Stellung der Nutzung gewissermaßen automatisch und eigensicher erfolgen. Eine anderweitige, insbesondere aufwändigere Umschaltung wird dazu nicht benötigt. Bei Verwendung eines Transimpedanzverstärkers wie erwähnt wirkt dieser als Differenzierer (bezogen auf die Biegeposition des Biegewandlers) . Dieses differenzierende Verhalten kann vorteilhaft für die zur Schwingungsdämpfung benötigte phasen- richtige Rückkopplung ausgenutzt bzw. mitberücksichtigt werden .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Verstärkung der Strommesseinrichtung, insbesondere z. B. eines darin enthaltenen Transimpedanzverstärkers, variierbar vorgesehen ist. Eine solche Variierbarkeit kann betriebsmäßig z. B. vorteilhaft dazu genutzt werden, die Intensität der Schwingungsdämpfung möglichst hoch einzustellen, ohne dass jedoch unerwünschte Effekte eintreten. Anders ausgedrückt kann damit ei- ne Maximierung der Dämpfung durch einen Betrieb möglichst nahe an der (regelungstechnischen) Stabilitätsgrenze, aber noch im stabilen Bereich eingestellt werden. Des weiteren kann eine solche Variierbarkeit betriebsmäßig genutzt werden, um die Intensität der Dämpfung in Abhängigkeit von vorbestimmten Be- triebsparametern bzw. Betriebssituationen einzustellen bzw. anzupassen .
Die Erfassungseinrichtung und/oder die Rückkopplungseinrichtung können mehrfach vorgesehen sein, um in einem pneumati- sehen oder hydraulischen System aktive Schwingungsdämpfungen für verschiedene Biegewandler (eines oder mehrerer Piezoven- tile) vorzusehen.
Abweichend davon kann jedoch auch eine Mehrfachnutzung der Erfassungseinrichtung und/oder der Rückkopplungseinrichtung für mehrere solche verschiedenen Biegewandler vorgesehen sein. In diesem Fall kann durch die erwähnte Variation der Verstärkung z. B. vorteilhaft die Intensität der Dämpfung an einzelne Ansteuerungskanäle bzw. jeweilige Bedingungen (Vor- druck, Gegendruck, Durchfluss, Leitungslänge, Lastvolumen, Dauer der Ansteuerung etc.) angepasst werden. Die Verstärkung kann dazu abhängig vom Betriebspunkt oder auch adaptiv erfolgen. Für eine adaptive Variation der Verstärkung kann z. B. die Stärke der jeweils auftretenden Resonanz durch eine Messung im Bereich des Rückkopplungssignals ermittelt und ausgewertet werden. Eine solche Auswertung kann z. B. von einer programmgesteuerten elektronischen Steuereinrichtung (z. B. MikroController) durchgeführt werden, welcher ein für das Schwingungsdämpfungssignal repräsentatives Signal zugeführt wird (z. B. über einen Analog-Digital-Wandler zugeführt) . Daraufhin kann die Steuereinrichtung das Ausmaß der Dämpfung, also etwa durch eine entsprechende Einstellung der genannten Verstärkung gemäß eines Algorithmus variieren, um die uner- wünschten Schwingungen des Biegewandlers zu minimieren.
Eine Änderung der Verstärkung auf Null entspricht einer Deaktivierung bzw. völligen Abschaltung der Schwingungsdämpfung.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schwingungsdämpfung durch eine Deaktivierung der Erfassungseinrichtung und/oder der Rückkopplungseinrichtung deaktivierbar vorgesehen ist. Eine solche Deaktivierung kann z. B. in Abhängigkeit von Betriebsparametern erfolgen, die an einem betref- fenden pneumatischen oder hydraulischen System erfasst werden, und z. B. durch die vorstehend erwähnte Variation der Erfassungsverstärkung auf Null realisiert sein.
Mit einer optionalen Zuschaltung und Abschaltung der Schwin- gungsdämpfung kann insbesondere in bestimmten Betriebssituationen mittels einer Abschaltung die Dynamik der Ventilbetätigung verbessert werden und/oder können etwaige andere unerwünschte Effekte der aktiven Schwingungsdämpfung vermieden werden. Ebenso ist dadurch ein Testen der Dämpfung möglich. Eine solche Möglichkeit zum Testen ist z. B. interessant für eine Diagnose hinsichtlich der ordnungsgemäßen Funktion, sei es im Rahmen der Fertigung der Schaltungsanordnung bzw. eines damit ausgestatteten Systems, oder im späteren Betrieb eines solchen Systems (z. B. Diagnose in einer Werkstatt).
Falls zur Erfassung der Messgröße am momentan nicht verwendeten Piezoaktor ein Transimpedanzverstärker wie oben bereits beschrieben verwendet wird, so kann die Abschaltung der Dämp- fung mittels einer bandbegrenzten bzw. rampenbegrenzten Änderung einer Referenzspannung des Transimpedanzverstärkers bewerkstelligt werden, so dass sich dieser Verstärker oder z. B. ein nachgeschaltetes Filter (z. B. Tiefpassfilter) in Sättigung befindet. Durch eine Bandbegrenzung wird ein weiches Ausblenden bzw. nachfolgendes Einsetzen der Dämpfung (unter Vermeidung einer zusätzlichen Anregung einer Resonanz) gewährleistet .
Die erfindungsgemäß vorgesehene zusätzliche Signalrückführung zur aktiven Schwingungsdämpfung sollte im Wesentlichen lediglich in einem Frequenzbereich wirken, der außerhalb des Nutzfrequenzbereiches der Ventil- bzw. "normalen" Aktoransteuerung (Aktorspannungseinstellung) liegt. Wenn eine solche Spannungseinstellung für einen Gleichspannungsbetrieb und den niedrigen Frequenzbereich ausgelegt ist, ergibt sich daraus, dass die zusätzliche Rückführung eine Bandpasscharakteristik oberhalb davon besitzen muss. Bei der Auslegung der Rückkopplungseinrichtung ist das Verhalten der übrigen, zur eigentlichen Aktoransteuerung verwendeten Schaltungsteile (z. B. mit Tiefpasscharakteristik) zweckmäßigerweise zu berücksichtigen bzw. geeignet auszulegen/optimieren.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Rückkopplungseinrichtung bzw. die Rückführung des Schwingungsdämp- fungssignals nicht "festverdrahtet" sondern durch eine programmgesteuerte elektronische Einrichtung (z. B. Mikrocont- roller) implementiert ist. Das rückzuführende Signal kann in diesem Fall durch einen Software-basierten Algorithmus be- stimmt werden. Das am momentan nicht angesteuerten Piezoaktor erfasste Messsignal kann in diesem Fall über einen Analog- Digital-Wandler in die programmgesteuerte Einrichtung eingelesen werden, welche das Schwingungsdämpfungssignal gemäß einen Algorithmus erzeugt und z. B. über einen Digital-Analog- Wandler oder als ein PWM-Signal ausgibt. Dabei ist eine ausreichend hohe Abtastfrequenz vorzusehen, um nachteilige Effekte durch Totzeiten zu minimieren. Die programmgesteuerte Einrichtung kann auch die oben bereits angesprochene Variation des Ausmaßes der Schwingungsdämpfung betriebsmäßig (in Ab- hängigkeit von vorbestimmten Kriterien) variieren, etwa um verschiedene Betriebsmodi für die aktive Schwingungsdämpfung vorzusehen .
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das mechanische Ü- bertragungsverhalten des schwingungsfähigen Systems "piezoelektrischer Biegewandler" durch die zusätzliche Signalrückführung zumindest im Bereich der Hauptresonanzfrequenz bedämpft, wofür die erfasste elektrische Messgröße bzw. das auf dieser Basis erzeugte Schwingungsdämpfungssignal mit einer möglichst geringen Phasenverschiebung (Absolutwert des Phasenganges im offenen Regelkreis sehr viel kleiner als 180°) in bekannter Weise regelungstechnisch zwecks Gegenkopplung zurückgeführt wird.
Der Frequenzbereich der zusätzlichen Rückführung wird durch die endliche Bandbreite der Schaltungskomponenten (z. B. Treiber, Erfassungseinrichtung, Rückkopplungseinrichtung) be- einflusst bzw. begrenzt. Daher können insbesondere keine Nebenresonanzen einer höheren Frequenz bedämpft werden, für welche die Phasenverschiebung bzw. Phasenverzögerung des offenen Regelkreises ein gewisses Ausmaß übersteigt (z. B. größer oder gleich 180°). In derartigen Frequenzbereichen muss die Verstärkung der zusätzlichen Rückführung stets sehr viel kleiner als 1 sein, um die Stabilität und Robustheit im regelungstechnischen Sinn zu gewährleisten.
Hinsichtlich derartiger Kriterien für die aktive Schwingungsdämpfung ist anzumerken, dass durch die Frequenzselektivität die Aktorspannungseinstellung und Schwingungsdämpfung sowohl im Parallel- als auch in Kaskadenstruktur ausgeführt werden können .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem Signalrückführungspfad der Rückkopplungseinrichtung ein Filter mit Bandpass- oder Tiefpasscharakteristik vorgesehen ist. Damit kann vorteilhaft eine Abgrenzung zwischen den vorstehend erläuterten Anforderungen bzw. Kriterien für eine aktive Schwingungsdämpfung erfolgen.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Grenzfrequenz der Tiefpasscharakteristik (bzw. obere Frequenz einer Bandpasscharakteristik) größer als eine Hauptresonanzfrequenz des Biegewandlers ist und/oder kleiner als eine ers- te Nebenresonanzfrequenz des Biegewandlers ist.
Gängige Tiefpassfilter (z. B. Bessel, Butterworth, Tscheby- scheff, Cauer) erfüllen zwar die Anforderung einer geringen Amplitudenverstärkung im Bereich höherer Frequenzen bzw. Ne- benresonanzen, führen dabei aber im Bereich der Hauptresonanz bereits zu einer merklichen Phasenverzögerung. Dies verringert die Stabilitätsreserve bzw. die erreichbare Dämpfung wesentlich oder macht diese praktisch unmöglich. In einer Weiterbildung ist daher vorgesehen, dass das Filter ein schwingungsfähiges Tiefpassfilter mit (wenigstens) einer Resonanzfrequenz ist, die bevorzugt zwischen einer Hauptresonanzfrequenz und einer ersten Nebenresonanzfrequenz liegt. Damit können vorteilhaft die vorstehend erläuterten Anforderungen vergleichsweise einfach erfüllt werden, insbesondere wenn ein schwingungsfähiges Tiefpassfilter hoher Güte (z. B. mindestens 2, insbesondere mindestens 5) verwendet wird.
Wenn die Resonanzfrequenz des Tiefpassfilters zwischen der Hauptresonanz (z. B. niedrigsten Hauptresonanz) und der untersten Nebenresonanz des Biegewandlers liegt, kann damit die Amplitudenverstärkung im Bereich der Nebenresonanzen deutlich abgesenkt werden, ohne im Bereich der Hauptresonanz eine zu hohe Phasenverschiebung zu bewirken.
Vorteilhaft kann ein Tiefpassfilter gerader Ordnung zum Einsatz kommen, welches keine reelle Polstelle und folglich keinen frühzeitigen Phasenabfall unterhalb der Grenzfrequenz be- sitzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Resonanzfrequenz des Tiefpasses in einem Frequenzbereich, bei dem der Biegewandler eine relativ hohe Dämpfung aufweist (Bandsper- ren-Charakteristik) . Damit ist die Amplitudenüberhöhung des Tiefpassfilters unschädlich für die Dämpfung bzw. die regelungstechnische Stabilität.
Vorteilhaft können auch der Treiber bzw. Hochspannungsver- stärker bzw. andere an der zusätzlichen Rückführung beteiligte Komponenten mit einer ähnlichen Charakteristik wie das Tiefpassfilter (bzw. Bandpassfilter) ausgebildet sein oder dahingehend ausgelegt/optimiert sein. Damit kann die Wirkung des beschriebenen Tiefpassfilters zusätzlich unterstützt werden .
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Rückführung des Schwingungsdämpfungssignals zum Treibereingang über einen Koppelkondensator oder in anderer Weise mit einer Unterdrückung des Gleichsignalsanteils erfolgt (z. B. mit einer Band- pass-Charakteristik) . Eine derartige Einkopplung des Schwingungsdämpfungssignals bringt insbesondere Vorteile, wenn ein Ruhespannungspegel der Rückführung für die Dämpfung nicht auf einer entsprechend neutralen Spannung (z. B. OV) liegt.
Bei der Einkopplung des Dämpfungssignals kann vorteilhaft eine gezielte Phasenkorrektur (z. B. so genanntes PDTl- Verhalten) vorgesehen sein, um den Phasengang im Bereich der Hauptresonanz zu optimieren.
Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und/oder des erfindungsgemäßen Betätigungsverfah- rens ist die Betätigung eines Fluidventils (z. B. Luftventil), welches für eine Konturveränderung eines Kraftfahrzeugsitzes eingesetzt wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Verwendung sind für die Konturveränderung des Sitzes wenigstens zwei Betriebsmodi vorgesehen, nämlich ein erster Modus ("Fahrdynamikmodus"), in welchem die Einstellung eines Befüllungsausmaßes (z. B. FIu- iddruck bzw. Luftdruck) eines abgeschlossenen Konturveränderungsvolumens automatisch in Abhängigkeit von einem Fahrzu- stand des betreffenden Fahrzeuges erfolgt, und ein zweiter
Betriebsmodus ("Benutzereinstellungsmodus"), in welchem dieses Befüllungsausmaß in Abhängigkeit von Benutzereingaben (an hierfür vorgesehenen Bedienelementen wie elektrischen Schaltern etc., oder mittels eines Bordcomputers) erfolgt. Auch kann z. B. ein dritter Betriebsmodus vorgesehen sein, welcher zur Nachregelung des Befüllungsausmaßes über längere Zeiträume hinweg (z. B. etwa Minuten bis Tage) vorgesehen ist .
Bevorzugt wird das Ausmaß der aktiven Schwingungsdämpfung (z, B. durch Einstellung der Erfassungseinrichtung und/oder der Rückkopplungseinrichtung) in Abhängigkeit vom momentanen Be- triebsmodus variiert.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Schwingungs- dämpfungsausmaß im Fahrdynamikmodus kleiner eingestellt wird als im Benutzerbedienungsmodus.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zum Betätigen eines Piezoventils gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Schal- tungsanordnung zum Betätigen eines Piezoventils gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 ein schematisches Funktionsblockschaltbild einer spezielleren Ausführungsform der Schaltungsanord- nung von Fig. 2,
Fig. 4 ein Diagramm diverser Übertragungsfunktionen (betreffend Amplitude A und Phase P) in der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 2 und 3, und Fig. 5 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Anwendungsbeispiels für ein als 3/3-Wegeventil ausgebildetes Piezoventil.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 10 zum Betätigen eines Piezoventils mit mindestens einem Stellglied, das von einem piezoelektrischen Biegewandler 12 gebildet ist, der zwei jeweils entlang einer gemeinsamen Längsrichtung des Biegewand- lers 12 langgestreckt verlaufende Piezoaktoren 14, 16 aufweist .
Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen bimorphen oder trimorphen Biegewandler 12, der durch ein wahlweise an einen der beiden Piezoaktoren 14, 16 anzulegendes Aktoransteuersignal "out" (Aktorspannung) in zwei Wirkrichtungen (quer zur Längsrichtung) ansteuerbar ist.
In an sich bekannter Weise kann z. B. ein freies Ende des Biegewandlers 12 als den Durchfluss durch das Piezoventil steuernder Ventilkörper ausgebildet sein oder mit einem solchen Ventilkörper versehen sein. Wenn der Ventilkörper im un- angesteuerten Zustand des Biegewandlers 12 (beide Aktorspannungen OV) in einem kleinen Abstand von der Mündung einer Fluiddurchlasspassage des Ventils angeordnet ist, so kann durch die wahlweise Ansteuerung eines der beiden Piezoaktoren 14, 16 z. B. eine (Voll) Öffnung bzw. Schließung des Ventils bewirkt werden. Genauso gut ist jedoch denkbar, dass der Ventilkörper bei unangesteuertem Biegewandler bereits eine sol- che Mündung verschließt und durch die wahlweise Ansteuerung eines der beiden Piezoaktoren 14, 16 das Ventil geöffnet bzw. die Anlagekraft des Ventilkörpers an der Mündung (in Ventilschließrichtung) verstärkt wird. Wesentlich ist, dass beim Betrieb der Schaltungsanordnung 10 zur Betätigung des Piezoventils betriebsmäßig Situationen vorgesehen sind, in welchen lediglich einer der beiden Piezo- aktoren 14, 16 angesteuert (mit einer Aktorspannung beauf- schlagt) wird, wohingegen der andere Piezoaktor in diesem Moment unangesteuert bleibt.
Zur Erzeugung des Aktoransteuersignals "out" ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Treiber 20 mit einem Trei- bereingang 22 zur Eingabe eines Betätigungssteuersignals "in" und einem Treiberausgang 24 zur Erzeugung bzw. Ausgabe des Aktoransteuersignals "out" vorgesehen. Dem Treiber 20 zugeordnet ist eine in der Figur mit Sl symbolisierte Umschalteinrichtung, mittels welcher das Ansteuersignal out wahlweise an den Piezoaktor 14 oder den Piezoaktor 16 zuführbar ist.
Diese Umschaltung wird durch ein Umschaltsignal "sw" bewerkstelligt, welches ebenfalls auf Basis des Betätigungssteuersignals in von dem Treiber 20 erzeugt und ausgegeben wird.
Der Treiber 20 wird von einer Versorgungsspannung zwischen
Potenzialen Vs und GND (elektrische Masse) versorgt und liefert als das Aktoransteuersignal out ein zwischen diesen Versorgungspotenzialen GND, Vs eingestelltes Aktoransteuerpotenzial an eine Ansteuerelektrode des betreffenden Piezoaktors 14 bzw. 16. Eine zweite Ansteuerelektrode der Piezoaktoren 14, 16 ist für beide Piezoaktoren gemeinsam vorgesehen und mit der elektrischen Masse GND verbunden.
Eine Besonderheit der Schaltungsanordnung 10 besteht darin, dass diese ferner eine Erfassungseinrichtung 30 und eine Rückkopplungseinrichtung 32 umfasst.
Mittels der Erfassungseinrichtung 30 wird in Betriebssituationen, in welchen der Piezoaktor 16 nicht angesteuert ist, ei- ne elektrische Messgröße an diesem Piezoaktor 16 erfasst, welche in irgendeiner Weise repräsentativ für den Schwingungszustand des Biegewandlers 12 ist. Hierzu steht die Erfassungseinrichtung über wenigstens eine Leitung 34 mit dem als "Sensor" für einen Schwingungszustand verwendeten Piezoaktor 16 in Verbindung.
Bei der elektrischen Messgröße könnte es sich im einfachsten Fall z. B. um eine durch den piezoelektrischen Effekt am Pie- zoaktor 16 in Abhängigkeit vom Biegungszustand des Biegewandlers 12 erzeugte Piezospannung handeln, welche über die Leitung 34 zu der Erfassungseinrichtung 30 übertragen und dort z. B. verstärkt wird.
In einer anderen Ausführungsform erzeugt die Erfassungseinrichtung 30 selbst eine elektrische Messgröße (z. B. Spannung oder Strom, konstant oder veränderlich) und misst, und gegebenenfalls verstärkt, eine in Reaktion darauf am Piezoaktor 16 erfassbare elektrische Messgröße.
Die Erfassungseinrichtung 30 steht über mindestens eine Leitung 36 (bzw. Leitungsanordnung) mit der Rückkopplungseinrichtung 32 in Verbindung, welche dazu dient, ein Schwin- gungsdämpfungssignal "fb" auf Basis der erfassten Messgröße zu erzeugen und dieses Schwingungsdämpfungssignal fb zum
Treibereingang 22 des Treibers 20 rückzuführen. Im Bereich der Rückkopplungseinrichtung 32 kann eine weitere Verstärkung und/oder anderweitige Signalaufbereitung oder Signalumwandlung (z. B. Filterung, insbesondere Phasenverschiebung) er- folgen.
Das rückgeführte Schwingungsdämpfungssignal fb beeinflusst die in diesem Moment durch den Treiber 20 erfolgende Erzeugung des Aktoransteuersignals out für den aktiven Piezoaktor 14 im Sinne einer Reduzierung, wenn nicht sogar im Wesentlichen vollständiger Unterdrückung von unerwünschten Schwingungen des Biegewandlers 12. Im einfachsten Fall wird das Schwingungsdämpfungssignal "fb" in geeigneter Weise dem eben- falls am Treiber 20 eingegebenen Betätigungssteuersignal "in" überlagert .
Es versteht sich, dass in dem Rückkopplungspfad, der von den Komponenten 34, 30, 36 und 32 gebildet wird, eine zur Schwin- gungsdämpfung geeignete Signalverarbeitung (z. B. durch analoge und/oder digitale, passive und/oder aktive Filter) vorgesehen sein muss.
Im Betrieb der Schaltungsanordnung 10 werden die Piezoaktoren 14, 16 wechselweise angesteuert, d. h. eine Ansteuerung des Piezoaktors 16 findest erst statt, nachdem der andere Piezo- aktor 14 wieder deaktiviert wurde (Einstellung der Aktoransteuerspannung auf OV), und umgekehrt. Im dargestellten Beispiel wirkt die mittels der Erfassungseinrichtung 30 und der Rückkopplungseinrichtung 32 realisierte aktive Schwingungsdämpfung lediglich während der Ansteuerung des Piezoaktors 14. Bei Ansteuerung des Piezoaktors 16, und dementsprechend nicht angesteuertem Piezoaktor 14, ist keine Schwingungsdämpfung vorgesehen. Dies kann z. B. insbesondere in dem Fall zweckmäßig sein, in welchem bei Ansteuerung des Piezoaktors 16 keine Verbiegung des Biegewandlers 12 sondern lediglich eine Krafterzeugung erfolgt, wohingegen die Ansteuerung des Piezoaktors 14 eine Verbiegung hervorruft (bei welcher unerwünschte Schwingungen auftreten können) .
Abweichend davon könnte selbstverständlich auch eine aktive Schwingungsdämpfung für die Ansteuerung des Piezoaktors 16 vorgesehen sein, etwa indem ein zweiter Rückkopplungspfad durch eine weitere Erfassungseinrichtung und eine weitere Rückkopplungseinrichtung ausgebildet wird, welcher von dem Piezoaktor 14 zum Treibereingang 22 verläuft. In einer modifizierten Ausführungsvariante könnten hierfür auch die in der Figur dargestellten Komponenten 30, 32 verwendet werden, wo- bei hinsichtlich der Erfassung der elektrischen Messgröße eine betriebssituationsabhängige Umschaltung zwischen den jeweils als Sensor zu verwendenden Piezoaktoren 14, 16 erfolgt.
In Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet ist eine mögliche Erwei- terung für eine Ansteuerung eines weiteren piezoelektrischen Biegewandlers, der ebenfalls mittels des Treibers 20 betätigbar sein kann und von welchem ebenfalls einer der Piezoaktoren mit der Erfassungseinrichtung 30 verbunden sein kann, um diesen im nicht angesteuerten Zustand als Schwingungssensor zu nutzen.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
Fig. 2 zeigt in einem etwas detaillierteren Blockschaltbild ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 10a zum Betätigen eines Piezoventils mit mindestens einem piezoelektrischen Biegewandler 12a.
Die Schaltungsanordnung 10a umfasst zwei Treiber 20a und 20a', die jeweils einem von zwei Piezoaktoren 14a, 16a des Biegewandlers 12a zugeordnet sind. Der Treiber 20a erzeugt ein bedarfsweise an den Piezoaktor 14a auszugebendes Aktoransteuersignal out in Abhängigkeit von einem ersten Betätigungssteuersignal in, welches über ein Glättungsfilter bestehend aus Widerständen Rl, R2 und einem Kondensator Cl an einem Eingang 22a des Treibers 20a eingegeben wird. Der Treiber 20a erzeugt ein bedarfsweise an den Piezoaktor 16a auszugebendes Aktoransteuersignal out' in Abhängigkeit von einem zweiten Betätigungssteuersignal in', welches über ein Glättungsfilter bestehend aus Widerständen Rl', R2 ' und einem Kondensator Cl' an einem Eingang 22a' des Treibers 20a' eingegeben wird.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist auch bei der Schaltungsanordnung 10a eine aktive Schwingungsdämpfung nur in Betriebsphasen einer Ansteuerung des Piezoaktors 14a vorgesehen, wobei der andere Piezoaktor 16a, der in diesem Moment nicht angesteuert wird, als Sensor zur Bestimmung der vorhandenen Schwingung genutzt wird.
In einer von einem Ausgang 24a' des Treibers 20a' zum Piezoaktor 16a verlaufenden Ansteuerleitung ist an einem Schaltungsknoten Kl eine Abzweigung zu einer Leitung 34a' vorgesehen, über welche ein Messstrom Id zum Schaltungsknoten Kl geführt wird, welcher durch die in der Figur symbolisierte Stromquelle 40a erzeugt wird und über den Innenwiderstand des Treibers 20a' zur elektrischen Masse GND hin abfließt (Die Stromquelle 40a kann z. B. über einen Widerstand realisiert sein, der von einer stabilisierten Spannung (Niederspannung) gespeist wird) .
Der Messstrom Id wird über eine Diode Dl zum Schaltungsknoten Kl geführt und verändert sich in Abhängigkeit von einer Schwingung des Biegewandlers 12a. Über eine Verbindung der Leitung 34a' mit einem Transimpedanzverstärker 42a (mit Refe- renzspannungsquelle 44a) wird der Messstrom Id bzw. dessen Änderungen gemessen und verstärkt.
Ein somit am Ausgang des Transimpedanzverstärkers 42a auf Ba- sis der erfassten Messgröße erzeugtes Spannungssignal wird einem Tiefpassfilter 46a eingegeben und über einen Widerstand R3 und einen Koppelkondensator C2 als ein Schwingungsdämp- fungssignal fb am Treibereingang 22a (Schaltungsknoten K2) eingekoppelt .
Die über die Diode Dl mit dem momentan nicht angesteuerten Piezoaktor 16a verbundene Stromquelle 40a und der Transimpedanzverstärker 42a bilden somit Komponenten 3Oa-I bzw. 30a-2 einer Erfassungseinrichtung 30a zur Erfassung und Verstärkung der elektrischen Messgröße.
Als Transimpedanzverstärker 42a kann z. B. ein (nicht dargestellt) entsprechend extern beschalteter invertierender Operationsverstärker dienen, der die Spannung an der Diode Dl auf eine Referenzspannung einstellt und den dafür benötigten Strom misst. Die Referenzspannung kann z. B. über einen Port eines MikroControllers und einen nachgeschalteten Tiefpass erzeugt werden.
Eine Rückkopplungseinrichtung 32a wird durch das Tiefpassfilter 46a und die Komponenten R3, C2 gebildet. Das Tiefpassfilter 46a ist bevorzugt als aktives Filter ausgebildet, weiter bevorzugt z. B. als ein so genanntes "Sallen-Key-Filter" realisiert .
Bei der beschriebenen Erfassungsmethode erfolgt gewissermaßen automatisch eine Umschaltung zwischen den Verwendungsarten (Aktor und Sensor) für den Piezoaktor 16a. Im Gegensatz zu einer Software-basierten Lösung ist bei der "festverdrahteten" Lösung gemäß Fig. 2 keine zeitdiskrete Abtastung erforderlich. Dies vermeidet eine zusätzliche Phasenverzögerung bei der Rückkopplung, wie sie bei begrenzter Ab- tastfrequenz stets mehr oder weniger auftritt.
Anstelle der Diode Dl, die von der Leitung 34a zu einem Schaltungsknoten (Kl) in einer Piezoansteuerleitung führt, könnte auch eine Mehrzahl (Parallelanordnung) solcher Dioden vorgesehen sein, die jeweils von einer solchen Stromquelle 40a zu verschiedenen Schaltungsknoten führen, die in noch weiteren (nicht dargestellten) Ansteuerleitungen der Schaltungsanordnung vorgesehen sind (zur Ansteuerung weiterer Biegewandler) . Damit kann die Schaltung zur Rückkopplung zwecks Schwingungsdämpfung mehrfach genutzt werden (sofern die betreffenden Biegewandler nicht gleichzeitig betrieben werden) . Ausgangsseitig wird die Rückkopplung dann auf alle betreffenden Eingänge zurückgeführt (von denen jeweils höchstens einer aktiv ist) . Im unteren Teil der Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet ist eine entsprechende, beispielhafte Modifikation der Komponente 30a-l mit drei Dioden Dl, D2, D3.
Nach geringfügiger Modifikation der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung kann diese auch zur komplementären An- Steuerung eines Paars von Biegewandlern genutzt werden, z. B. zur Betätigung des weiter oben bereits erwähnten 3/3- Wegeventils mit zwei Ventilpassagen, denen jeweils ein Biegewandler zugeordnet ist. Hierfür kann der zweite Biegewandler dem in Fig. 2 dargestellten ersten Biegewandler in einer Pa- rallelschaltung hinzugefügt werden, so dass bei Ausgabe einer Ansteuerspannung "out" jeweils ein Piezoaktor der beiden Biegewandler angesteuert wird, und bei Ausgabe der anderen Ansteuerspannung "out1" der jeweils andere Piezoaktor der beiden Biegewandler angesteuert wird. Die in Fig. 2 dargestellte Sensorsignalerfassung und Rückkopplung zwecks Schwingungsdämpfung kann nach geringfügiger Modifikation auch für den zweiten Biegewandler genutzt werden. Für die Erfassung des weiteren Sensorsignals kann z. B. auf die vorstehend erläu- terte Parallelanordnung von Dioden zwecks Mehrfachnutzung der Stromquelle 40 sowie der übrigen Komponenten der Erfassung und Rückkopplung zurückgegriffen werden. Des weiteren müsste zwischen der Komponente 32a und dem zweiten Treibereingang 22a' eine entsprechende weitere Einkopplungsverbindung herge- stellt werden, z. B. mittels eines weiteren Einkoppelkondensators (entsprechend dem dargestellten Kondensator C2). Alternativ können dabei Teile der Schaltung entsprechend der Erweiterung in Fig. 1 auch gemeinsam genutzt werden, insbesondere auch die Einkoppelverbindung.
Fig. 3 veranschaulicht in einem Funktionsblockdiagramm nochmals eine mögliche Ausgestaltung der Schaltungsanordnung 10a.
In dieser Darstellung ist auch eine programmgesteuerte elekt- ronische Steuereinrichtung in Form eines MikroControllers 50a eingezeichnet, mittels welchem das Betätigungssteuersignal in (z. B. als PWM-Signal) erzeugt und dem Glättungsfilter 52a zugeführt wird (entsprechend den Komponenten Rl, Cl, R2 in Fig. 2). Das geglättete Eingangssignal wird über ein Additi- onsglied 54a einem PI-Regler 56a zugeführt. Das Ausgangssignal des PI-Reglers 56a wird einer Endstufe 58a zugeführt, welche in Abhängigkeit von dieser Ansteuerung das Aktoransteuersignal out bzw. out' erzeugt und an den Biegewandler 12a ausgibt.
Mittels eines ebenfalls von dem MikroController 50a erzeugten Umschaltsignals sw wird die bedarfsweise Ausgabe des Signals out bzw. out' an den Piezoaktor 14a bzw. 16a gesteuert. Im dargestellten Beispiel erfolgt eine Regelung des als Spannungssignal ausgegebenen Aktoransteuersignals out, out' mittels eines Messgliedes 60a, welches die tatsächliche Aktorspannung ("Istsignal") misst und zwecks Vergleich mit dem Betätigungssteuersignal ("Sollwert") zum Additionsglied 54a rückkoppelt .
Die aktive Rückkopplung zur Dämpfung unerwünschter Schwingungen während der Ansteuerung des Piezoaktors 14a ist in der Figur durch die Komponenten 30a und 32a (Erfassungseinrichtung und Rückkopplungseinrichtung) symbolisiert.
Zur Realisierung einer steuerbaren Variation des Ausmaßes der aktiven Schwingungsdämpfung erzeugt der MikroController 50a ferner ein entsprechendes Aktivierungs/Deaktivierungssignal crtl, mittels welchem die in der Rückkopplungseinrichtung 32a (Transimpedanzverstärker) vorgenommene Verstärkung variiert werden kann (bis hin zu einer völligen Abschaltung der aktiven Schwingungsdämpfung) . Um eine Verstärkungsvariation adap- tiv durchzuführen, kann z. B. eine Eingabe des Signals "fb" über einen Analog-Digital-Wandler in den MikroController 50a erfolgen (in Fig. 3 nicht dargestellt).
Im Hinblick auf eine Verwendung des Piezoventils für eine Fluiddruckeinstellung in einem Fluidvolumen ist in Fig. 3 eine Druckmesseinrichtung 62a eingezeichnet, welche ein für den tatsächlichen Fluiddruck repräsentatives Messsignal zum Mik- rocontroller 50a ausgibt.
Fig. 4 zeigt, lediglich beispielhaft, ein Diagramm mit (simulierten) Frequenz- und Phasengängen verschiedener Signalpfade der Schaltungsanordnung 10a. In dem Diagramm beschreibt der Verlauf "a" die Übertragungsfunktion vom Ausgang des Treibers zum Ausgang des Transimpedanzverstärkers. Die Amplitude der Nebenresonanzen liegt in ähnlicher Höhe wie die der Hauptresonanz oder sogar darüber.
Die Rückkopplung zur aktiven Schwingungsdämpfung und der Verstärker (Verlauf "b") weisen jeweils ein Tiefpassverhalten hoher Güte auf. Dadurch bleibt die Phase im Bereich der Hauptresonanz weitgehend konstant.
Die Amplitudenüberhöhung des Tiefpassfilters (Verlauf "c") fällt in einen Bereich starker Dämpfung des Piezoaktors und führt dadurch in der Übertragungsfunktion des offenen Regel- keises (Verlauf "d") dort nicht zu einer Amplitudenverstär- kung, die im Bereich von 0 dB oder darüber ist.
Die Übertragungsfunktion des offenen Regelkreises (Verlauf "d") zeigt, dass die Dämpfung im regelungstechnischen Sinn stabil ist, da im gesamten Frequenzbereich entweder die Amp- litude A kleiner als 0 dB ist oder der Betrag der Phase P sehr viel kleiner als 180° ist. Eine ausreichende Phasenbzw. Amplitudenreserve ist vorhanden und macht die Dämpfung bei Parameterschwankungen ausreichend robust.
Fig. 5 veranschaulicht die Verwendung eines in oben beschriebener Weise angesteuerten Biegewandlers 12b (bzw. einer Anordnung mehrerer solcher Biegewandler) als Stellglied (er) eines (z. B. proportionalen) Wegeventils, hier eines proportionalen 3/3-Wegeventils 70b zum Befüllen und Entleeren eines Fluidvolumens 72b, welches z. B. ein abgeschlossenes Luftvolumen in einem Kraftfahrzeugsitz darstellt.
Die Befüll- und Entleerungsvorgänge können z. B. mittels einer Schaltungsanordnung und/oder eines Betätigungsverfahrens der oben beschriebenen Art gesteuert werden, wobei ein im Fahrzeug verbautes Steuergerät (MikroController) gemäß eines geeigneten Algorithmus auch eine Umschaltung zwischen verschiedenen Betriebsmodi der aktiven Schwingungsdämpfung vor- sehen kann.
Bezugszeichenliste
10 Schaltungsanordnung
12 Biegewandler
14 Piezoaktor
16 Piezoaktor in Betätigungssteuersignal out Aktoransteuersignal
20 Treiber
22 Treibereingang
24 Treiberausgang
30 Erfassungseinrichtung
32 Rückkopplungseinrichtung
34 Leitungsanordnung
36 Leitungsanordnung
40 Stromquelle
42 TransimpedanzVerstärker
44 ReferenzSpannungsquelle
46 Tiefpassfilter
50 MikroController
52 Glättungsfilter
54 Additionsglied
56 PI-Regler
58 Endstufe 60 Messglied
62 Druckmesseinrichtung
70 Wegeventil
72 Fluidvolumen

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zum Betätigen eines Piezoventils mit mindestens einem Stellglied, das von einem piezoelektri- sehen Biegewandler (12) gebildet ist, der zwei jeweils entlang einer Längsrichtung des Biegewandlers langgestreckt verlaufende Piezoaktoren (14, 16) aufweist,
umfassend wenigstens einen Treiber (20) mit einem Trei- bereingang (22) zur Eingabe eines Betätigungssteuersignals (in) und einem Treiberausgang (24) zur Erzeugung eines wahlweise an einen der beiden Piezoaktoren (14, 16) auszugebenden Aktoransteuersignals (out) in Abhängigkeit von dem Betätigungssteuersignal,
wobei die Schaltungsanordnung ferner umfasst,
eine Erfassungseinrichtung (30) zur Erfassung einer e- lektrischen Messgröße (Id) an einem momentan nicht ange- steuerten der Piezoaktoren, und
eine Rückkopplungseinrichtung (32) zur Erzeugung eines Schwingungsdämpfungssignals (fb) auf Basis der erfassten Messgröße (Id) und Rückführung des Schwingungsdämpfungs- signals (fb) zum Treibereingang (22) des momentan zur Bereitstellung des Aktoransteuersignals (out) verwendeten Treibers (20) .
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Erfas- sungseinrichtung (30) eine Stromquelle (40) zur Erzeugung eines Stromes (Id) in einer mit dem momentan nicht angesteuerten Piezoaktor (16) verbundenen Leitung (34) und eine Strommesseinrichtung (42) zur Messung dieses Stromes (Id) aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, wobei die Leitung (34) über ein stromrichtungsabhängiges Bauteil (Dl) mit dem Piezoaktor (16) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Strommesseinrichtung einen Transimpedanzverstärker (42) umfasst .
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Verstärkung der Strommesseinrichtung (42) variierbar vorgesehen ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprü- che, wobei in einem Signalrückführungspfad der Rückkopplungseinrichtung (32) ein Filter (46) mit Tiefpasscharakteristik vorgesehen ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei eine Grenzfre- quenz der Tiefpasscharakteristik größer als eine Hauptresonanzfrequenz des Biegewandlers (12) ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Grenzfrequenz der Tiefpasscharakteristik kleiner als eine erste Nebenresonanzfrequenz des Biegewandlers (12) ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Filter (46) ein schwingungsfähiges Tiefpassfilter mit einer Resonanzfrequenz zwischen einer Hauptresonanz- frequenz und einer ersten Nebenresonanzfrequenz ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schwingungsdämpfung durch eine Deaktivierung der Erfassungseinrichtung (30) und/oder der Rück- kopplungseinrichtung (32) deaktivierbar vorgesehen ist.
11. Verfahren zum Betätigen eines Piezoventils mit mindestens einem Stellglied, das von einem piezoelektrischen Biege- wandler (12) gebildet ist, der zwei jeweils entlang einer Längsrichtung des Biegewandlers (12) langgestreckt verlaufende Piezoaktoren (14, 16) aufweist,
umfassend eine Erzeugung eines wahlweise an einen der beiden Piezoaktoren (14, 16) auszugebenden Aktoransteuersignals (out) in Abhängigkeit von wenigstens einem Betätigungssteuersignal (in) ,
wobei das Verfahren ferner umfasst:
Erfassung einer elektrischen Messgröße (Id) an einem momentan nicht angesteuerten (16) der Piezoaktoren (14, 16) , und
- Erzeugung eines Schwingungsdämpfungssignals (fb) auf Basis der erfassten Messgröße (Id) und Berücksichtigung des Schwingungsdämpfungssignals (fb) bei der Erzeugung des Aktoransteuersignals (out) für den momentan angesteuerten Piezoaktor (14) .
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