WO2019038150A1 - Schaltungsanordnung und ansteuerungsverfahren für einen piezohydraulischen aktor - Google Patents

Schaltungsanordnung und ansteuerungsverfahren für einen piezohydraulischen aktor Download PDF

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WO2019038150A1
WO2019038150A1 PCT/EP2018/072082 EP2018072082W WO2019038150A1 WO 2019038150 A1 WO2019038150 A1 WO 2019038150A1 EP 2018072082 W EP2018072082 W EP 2018072082W WO 2019038150 A1 WO2019038150 A1 WO 2019038150A1
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actuator
circuit
output
controllable switch
chamber
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PCT/EP2018/072082
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Georg Bachmaier
Christian Bachmann
Dominik Bergmann
Guillaume Pais
Iason Vittorias
Wolfgang Zöls
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses
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    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F15B2211/20—Fluid pressure source, e.g. accumulator or variable axial piston pump
    • F15B2211/205—Systems with pumps
    • F15B2211/20507—Type of prime mover
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B7/00—Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement for operating a piezohydraulic actuator, comprising two supply terminals for applying a supply voltage and two output terminals for connecting the piezohydraulic actuator. Furthermore, the invention relates to an actuator device with a piezohydraulic actuator and such a circuit arrangement. Moreover, the invention relates to a method for driving a piezohydraulic actuator by means of such a circuit arrangement.
  • piezo-hydraulic actuators are ⁇ be known, which typically include a piezoelectric actuator and a Hydrauli ⁇ deflecting unit, wherein the piezoelectric actuator as a drive (more precisely, as the pump drive) functions for the hydraulic unit.
  • Such piezohydraulic actuators require a control electronics for the piezoelectric actuator in order to provide it with a time varying voltage, which is suitable in the hydraulic ⁇ unit to cause a pumping effect. This is in many cases a periodically repeating stress profile.
  • Such a voltage profile may be composed of a series of egg ⁇ Nander alternating rising and falling edges, wherein the capacitance formed by the piezoelectric actuator is charged, for example, during the anstei ⁇ constricting edges and during the falling edges of this capacitance is discharged again.
  • the object of the invention is therefore to provide a circuit arrangement which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a circuit arrangement is to be made available which is constructed as simply as possible. So it should have a low complexity and thus be easy to manufacture, be inexpensive, have a small space and / or be less prone to error. Furthermore, it should have a low susceptibility to the formation of Oberwel ⁇ len.
  • a further object is to provide a Aktorein ⁇ direction with a piezo-hydraulic actuator and such a circuit arrangement. Furthermore, a method for controlling a piezohydraulic actuator is to be specified.
  • the circuit arrangement according to the invention is designed for operating a piezohydraulic actuator. it includes
  • a first circuit region arranged between a first circuit node and a second circuit node, which is arranged overall between the second supply connection and the second output connection,
  • the first circuit region comprises a parallel connection of a first current path and a second current path
  • the first current path comprises a series circuit of a first controllable switch and a first diode and the second current path comprises a series circuit of a second controllable switch and a second diode.
  • connection is understood to mean in each case an electrically conductive connection Accordingly, the described “arrangement” of an element “between” between two other elements should be understood to mean a corresponding intermediate arrangement in a current path electrically connected in this way (as opposed to “geometric between”).
  • arrangement of an element "between” between two other elements should be understood to mean a corresponding intermediate arrangement in a current path electrically connected in this way (as opposed to “geometric between”).
  • connection between the first output connection and the first supply connection should be understood as a direct connection.
  • a "direct” connection is to be generally such an electrical Ver ⁇ bond, the resistor of the circuit arrangement, with the exception of the conductor which forms the connection, no (n) Wi further, added inductance or capacitance.
  • piezohydraulic actuator for which the circuit is designed, for example, one of the prior Technique be known piezoelectric actuator, which in particular comprises a piezoelectric actuator and a hydraulic unit.
  • Piezohydraulic actuators of this kind are sufficiently known to the person skilled in the art and will also be described in more detail below in more detail below in connection with claims 6 to 12.
  • the piezoelectric actuator of the piezohydraulic actuator is expediently connected to the two output terminals during operation of the circuit arrangement, so that it can be acted upon by a voltage profile generated by the circuit arrangement when the voltage source is connected.
  • the piezoactuator arranged between the output terminals then essentially acts as a capacitor whose size influences the speed of charging and discharging.
  • the two diodes in the two parallel current thread are designed so that their blocking directions are opposite to each other.
  • one current path (by closing the corresponding switch) for charging the actuator and alternately the other current path (by closing the local switch) can then be used to discharge the actuator.
  • an alternating sequence of charging times and discharging times can be set by alternately opening and closing the two switches.
  • the two switches may be conveniently provided with corresponding time ge ⁇ clocked (in particular periodically) switching signals.
  • a significant advantage of such a circuit arrangement is that it has a very simple basic principle according to the described topology. Although it may optionally be provided in the circuit arrangement further components (in parallel and / or in series with the described components). However, the basic function is already achieved by the few components described: Thus, an alternating charging and discharging of the actuator can be effected, with only a matching external clock in the form of switching signals is needed.
  • the described primary circuit ie the Circuit arrangement with the components described, but without an electronics, which generates the clock for the switch
  • the rate of charging and discharging is ent ⁇ distinctively determined by the value of the inductance and the capacitance connected to the circuit arrangement piezoelectric actuator. These two sizes should be chosen appropriately so that the resulting minimum charging time and
  • Discharge time is smaller (or at most as large) as the predetermined by the clocks for loading and unloading periods.
  • a lower limit for the repetition frequency of a periodic voltage profile generated by the circuit arrangement is determined by the minimum charging time and discharge time.
  • typical capaci ⁇ capacities of available piezo actuators can be given a suitable choice of the size of the inductor Wiederholungsfre ⁇ quences for example, in the range of several 100 Hz chen achieve.
  • the core idea of the present invention is therefore not to generate the shape (in particular the slope) of the charging flanks and discharge flanks by a complex circuit, but to predetermine by an LC resonant circuit as part of a very simple circuit.
  • the above-mentioned advantages of a very simple primary circuit are achieved, which can be carried out in particular small and cheap.
  • the described fixed setting of the charging and discharging speed, the formation of disturbing harmonics is further advantageously avoided.
  • the actuator device comprises such a circuit arrangement according to the invention and a piezohydraulic actuator.
  • the piezohydraulic actuator is expedient
  • the inventive method is a method that can be triggered ren a piezo-hydraulic actuator by means of a circuit arrangement according ⁇ Invention.
  • the method comprises the following steps:
  • Circuit arrangement additionally arranged between the inductance and the second output terminal third circuit node and arranged between the first supply terminal and the first output terminal fourth circuit node, wherein between the third circuit node and fourth circuit node, a second circuit region is arranged, which is a series circuit of a third controllable switch and a Has discharge resistance.
  • the discharge resistor can be designed as an ohmic resistor with a size between 10 ohms and 500 ohms. With such a resistor, an almost complete discharge can be effected for typical piezoactuators.
  • the additional maral ⁇ preparing discharge path described above is not absolutely necessary to generate the circuit arrangement a suitable voltage profile for the piezo-hydraulic actuator.
  • a slight creeping charging the piezoelectric actuator can be tolerated or it is also possible to provide a parallel discharge resistor, which is not switched by a controllable switch, but which permanently contributes to a discharge of the actuator.
  • the inductance of the circuit arrangement can have a value in the range between 1 mH and 50 mH. This value can be particularly advantageous between 5 mH and 10 mH.
  • a suitable charging time relate hung as discharge duration can be achieved, which is in each case ⁇ play, in the range of a few 100 ys.
  • Said inductance can be realized for example by an electrical coil with a magnetic core.
  • the inductance can be made particularly compact. Alternatively, however, in principle, for example, the design as an air coil is possible.
  • the first controllable switch and / or the second controllable switch and / or the optional third controllable switch can advantageously be downloadedbil ⁇ det each as a transistor. Particularly advantageous they can each be designed as a field effect ⁇ transistor, in particular as a power MOSFET. Alternatively, however, one or more of these switches may also act as IGBT be formed (English for "insulated-gate bipo- lar transistor") These embodiments are particularly advantageous for a pre ⁇ passed temporal timing with sufficiently rapid response behavior in a simple manner ⁇ of.
  • a particularly preferred variant for the third controllable switch is to carry it out as a current-controlled discharger with a comparatively small operational amplifier.
  • the circuit arrangement may advantageously comprise a voltage source which is arranged between the first supply connection and the second supply connection.
  • This voltage source is expediently designed as a DC voltage source. It is particularly advantageously be ⁇ defining at least for an output voltage which is in a range between 30 V and 300 V.
  • a possible output voltage domestic nergur said range is in any case particularly ge ⁇ is suitable to operate the piezoelectric actuator of a piezoelectric actuator with the hydraulic circuitry.
  • the piezohydraulic actuator of the actuator device advantageously comprises at least one piezoelectric actuator and a hydraulic unit.
  • the hydraulic unit has in particular foundeds ⁇ least a drive chamber, at least one output chamber and at least one of these two chambers connecting hydraulic line.
  • the hydraulic unit is filled in total with egg ⁇ ner hydraulic fluid.
  • the hydraulic unit of the actuator device comprises a drive piston element at least that which is Move ⁇ bar drive chamber partially delimited and by means of the piezoelectric actuator.
  • a flow of the hydraulic fluid between the drive chamber and the output chamber can be effected by moving the drive piston element.
  • the hydraulic unit further comprises at least one check valve in the line between the drive ⁇ chamber and the output chamber.
  • the fluidic coupling of the drive chamber and the output chamber by means of the hydraulic fluid ensures that transmission of this movement from the drive chamber into the output chamber is possible.
  • the setting of a transmission ratio not equal to 1 is possible even with a single movement.
  • an even stronger transmission ratio is achieved by the pumping effect: a fluidic barrier is provided for a flow direction of the hydraulic fluid by the at least one non-return valve, which is arranged fluidically between the drive chamber and the output chamber. Since the reflux is prevented in this way, can be achieved by a repeated executed movement of the drive piston member in the drive chamber ne ne total movement with a larger amplitude for a corresponding arranged in the output chamber driven piston element.
  • the piezoelectric actuator of the actuator device is designed as a piezo stack actuator.
  • a piezo stack actuator is a series circuit, basically known from the prior art, of a plurality of individual piezo elements, which are arranged as a layer stack. Such a stack actuator is particularly advantageous, even with the piezoelectric actuator to achieve a higher amplitude of movement than would be possible with a single piezoelectric element.
  • the piezo actuator of the actuator device preferably has an electrical capacitance in the range between 1 yF and 20 yF on. This capacity is particularly preferably in the range between 2 yF and 8 yF, in particular between 4 yF and 6 yF. Such capacities are typical for piezo actuators, as they are used in piezohydraulic actuators - in particular for robotics. With the described Heidelbergungsanord ⁇ tion, and in particular their particularly advantageous Aus ⁇ events, as far as the dimensioning of the inductance, in conjunction with such a piezoelectric actuator advantageously a charging time and a discharge time can be set in a favorable range.
  • the actuator device has a loading time for the actuator and / or a discharge time for the actuator, which is essentially due to the time
  • the term "loading time" for the actuator means an intrinsic loading time which is given by the “charging speed” of the entire circuit (circuit arrangement and piezoelectric actuator) and not by the timing of the controllable switches
  • the loading time is to be understood to mean an intrinsic loading time which is required in order to move from a substantially discharged state of the actuator to a substantially fully charged state of the actuator. in which the actuator is charged to a maximum of 3% of its maximum loaded in the gegebe ⁇ NEN switching arrangement and the given input voltage condition.
  • a substantially fully charged state to be a state in which the actuator is at least 97% of its given in Heidelberganord- tion and the given input voltage is loaded to the maximum loaded state.
  • the piezoelectric actuator advantageously has an effective ohmic resistance in the range between 0.1 ohms and 10 ohms.
  • Total resistance of the piezoelectric actuator in said area is ty ⁇ pisch for the piezoelectric actuators, which come in piezohydraulic actuator devices used.
  • effective ohmic resistance should be understood to mean a resistance value which best reflects the behavior of the piezoactuator in an equivalent circuit diagram.
  • said steps (a) to (f) are carried out in the order given.
  • the closing of the first controllable switch initiates the charging phase for the piezoactuator, and the opening of the first switch terminates the same.
  • Analog then directs the closing of the second ansteu ⁇ trollable switch the discharge for the piezoelectric actuator, and the opening of the second switch ends this.
  • a switch will be understood by the current transport is possible, and open under a Switch a switch are understood, in which the power transport is interrupted.
  • steps (a) to (f) are carried out in a periodic sequence several times in succession.
  • This type of repeated execution of these steps is easily generated Wei ⁇ se a periodic voltage profile to control the piezo zoaktors in the piezo-hydraulic actuator.
  • a pumping effect in the piezohydraulic actuator can advantageously be effected.
  • the repeat ⁇ frequency of the periodic sequence carries at least 100 Hz, in particular ⁇ sondere least 200 Hz or even at least 500 Hz loading.
  • the repetition frequency can be in a range between 100 Hz and 2 kHz in order to be able to move a drive piston element of the piezo-hydraulic actuator at a speed and frequency suitable for fluidics.
  • step (e) the following step may be carried out (f) ⁇ additionally:
  • the third controllable switch is then geöff ⁇ net before charging, so before the next step (a). In principle, this opening can take place before, after or simultaneously with the opening of the second controllable switch. The only important thing is that both the second
  • Switch and the third switch are opened before the next charging phase is initiated.
  • Generally preferred applications of the described actuator device are mainly in the field of robotics.
  • a muscle movement can be described with the actuator device to be imitated, for example, to simulate the function of human body parts, in particular for a Ro ⁇ boterhand or a robot arm.
  • Figure 1 is a schematic representation of a hydraulic
  • FIG. 2 shows a schematic electrical equivalent circuit diagram for a circuit arrangement according to an example of the invention
  • FIG. 3 shows an exemplary representation for a signal sequence of the control signals Q1, Q2 and Q3,
  • Figure 4 is an exemplary representation of a from the
  • Figure 5 is an exemplary illustration of two of the
  • Figure 6 is an exemplary illustration of two of the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a hydrauli ⁇ rule diagram for a piezo-hydraulic actuator 10.
  • a piezo-hydraulic actuator 10 may be driven by a non-illustrated circuit arrangement according to one embodiment of the invention. Accordingly, it may be part of an actuator device according to an example invention together with such a circuit arrangement.
  • the piezohydraulic actuator 10 shown comprises a piezoactuator 12 and a hydraulic unit 13. In the following, the principle of operation for this example of a piezohydraulic actuator 10 will be explained in more detail.
  • the piezoelectric actuator 12 is formed in this example as a piezo stack actuator.
  • the hydraulic unit 13 is mechanically coupled to one side of the piezoelectric actuator 12 and can be filled for operation with a hydraulic fluid. It comprises a drive chamber 16 in which the hydraulic fluid can be received.
  • a drive piston element 18, which has a drive surface 37 partially restricts the An ⁇ operation chamber 16.
  • the drive chamber 16 is partially defined by a drive cylinder 54th
  • the drive chamber 16 and the drive piston element and the drive cylinder 54 are, for example, components of an on ⁇ drive, which may also include the piezoelectric actuator 12.
  • the drive piston element 18 can be driven by means of the piezoelectric actuator 12 and thereby translationally movable relative to the drive cylinder 54.
  • the drive piston element can be driven by means of the piezoelectric actuator 12 and thereby translationally movable relative to the drive cylinder 54.
  • the piezo-hydraulic actuator 10 comprises two non-return valves 22, 24, which are arranged in the line 14.
  • the line 14 comprises a plurality of line parts, which fluid-conductively connected to each other via a coupling 26 are.
  • a first of the line parts is denoted by 28 and connects a reservoir chamber 30 fluidly with the clutch 26.
  • the check valve 24 blocks in the direction of the reservoir chamber 30 and opens in the direction of the clutch 26 or the drive chamber 16.
  • a second of the line parts is designated 32 and connects the clutch
  • the check valve 22 blocks in the direction of the coupling 26 relationship ⁇ drive chamber 16 and opens in the direction of the output chamber 34.
  • the check valve 22 prevents backflow of the hydraulic fluid from the output chamber 34 to the clutch 26 and into the drive chamber 16.
  • a third of the line parts is denoted by 36 and connects the on ⁇ drive chamber 16 with the coupling 26, so that the third line part 36 via the coupling 26 fluidly with the line ⁇ share 28 and 32 is connected.
  • the coupling 26 thus forms a connection point at which the line parts 28, 32 and 36 are fluidly connected to each other.
  • the piezohydraulic actuator 10 shown schematically in FIG. 1 has an output piston element 38 which partially delimits the output chamber 34 connected fluidically via the line 14 with the drive chamber 16.
  • the Ab ⁇ drive piston member 38 is charged with the introduced via the line 14 in the output chamber 34 hydraulic fluid. can be beat and thereby, in particular translationally, be moved.
  • the line parts 36 and 32 connect the on ⁇ drive chamber 16 and the output chamber 34 fluidly via the clutch 26, the check valve 22 opens in the line part 32 in the direction of the output chamber 34 and blocks in the direction of the drive chamber 16.
  • the drive chamber 16 and the reservoir chamber 30 are fluidly connected to each other by means of the line parts 36 and 28 via the coupling 26, wherein the check valve 24 opens in the direction of the drive chamber 16 and blocks in the direction of the reservoir chamber 30.
  • the piezohydraulische actuator 10 further includes a Reservoir piston member 40 which limits the Re ⁇ servoirhunt 30 at least partially.
  • piezoelectric actuator 12 driven by a periodically rising and falling voltage profile of piezohyd ⁇ raulische actuator 10 operates in a particularly advantageous manner as hyd ⁇ raulische pump.
  • the piezoelectric actuator 12 extends by means of a rising edge of the periodic current
  • the An ⁇ drove piston rod 20 is fixedly connected to the drive piston element 18 here.
  • the drive piston element 18 and the drive piston rod 20 can be moved in translation along a movement direction 42 relative to the drive cylinder 54.
  • the drive piston element 18 is movable in a first direction and in a second direction opposite to the first direction.
  • the drive piston member 18 is moved in the drive chamber 16 along the direction of movement in the first direction such that the volume of the drive chamber 16 is reduced, that is, there is a compression of the drive chamber 16.
  • Through a fluid connection 44 thereby flows through the hydraulic fluid from the drive chamber 16.
  • the respective check valve 22 or 24 opens, in particular, when the hydraulic fluid acting on the respective check valve 22 or 24 reaches or exceeds a respective opening pressure of the respective check valve 22 or 24. This is the case with the first flow, so that the check valve 22 opens while the check valve 24 remains closed.
  • the hydraulic fluid is introduced in the course of the first Strö ⁇ mung in the output chamber 34, whereby the driven piston member 38 is beauf ⁇ strike with the hydraulic fluid.
  • the output piston element 38 is moved translationally relative to a power take-off cylinder 52 which partially delimits the output chamber 34 along a second direction of movement 46 in a third direction.
  • the output piston element 38 can be moved in translation relative to the output cylinder 52 in addition to a fourth direction opposite to the third direction along the second direction of movement 46.
  • the driven piston element 38 in this case has a drive chamber 34 partially limiting output surface 48, on which the introduced into the output chamber 34 hydraulic fluid, in particular their pressure acts.
  • the driven piston member 38 in this case has the hydraulically effective output surface 48 which is acted upon by the introduced into the power chamber 34 from ⁇ hydraulic fluid.
  • hydraulic fluid comes into contact with the Abretesflä ⁇ surface 48 and acts on the output surface 48, from which in combination ⁇ nation with the aforementioned pressure of the hydraulic fluid acting on the output piston member 38 force resul ⁇ advantage.
  • the driven piston member can be moved translationally 38 along the second direction of movement 46 in the third direction, to thereby effect in particular an increase in volume of the output chamber 34 and consequently the output piston rod 50 at least teilwei ⁇ se from the driven cylinder 52, which partly the output chamber 34 limited, extend.
  • the output piston member 38 is driven by applying the output surface 48 with the introduced into the output chamber 34 hydraulic fluid and thereby relatively translatable relative to the output cylinder 52.
  • the piezo reduced actuator 12 After the voltage pulse, for example, the piezo reduced actuator 12 along its length dimension along the direction of movement 42.
  • the drive piston rod 20 and thus the drive piston member 18 along the first direction of movement 42 are in the said first direction moves opposite second Rich ⁇ tung, whereby the volume of the drive chamber 16 enlarged.
  • Proportional to the size of the drive surface 37 ver ⁇ thereby reduces the pressure in the drive chamber 16. Since the check valve 22 closes in the direction of the drive chamber 16, and since the check valve 24 opens in the direction of ⁇ on drive chamber 16, resulting from the increase in the volume of Drive chamber 16 a second flow of hydraulic raulik lambkeit that flows out of the reservoir chamber 30 in the course of the second flow, the conduit parts 28 and 36 flows through and flows into the drive chamber 16.
  • the volume of the drive ⁇ chamber 16 alternately increases by the applied periodically rising and fal ⁇ loin voltage at the piezo actuator 12 and decreases with the frequency of the periodicistspro ⁇ fils, whereby a pump of the hydraulic fluid from the re ⁇ servoirhunt 30 is effected in the output chamber 34.
  • the re ⁇ servoirhunt 30 partially delimiting the reservoir cylinder 58 moves by a distance or by a distance s res becomes.
  • FIG. 2 shows a schematic electrical equivalent circuit diagram for a circuit arrangement 110 in an actuator device 100 according to an example of the invention.
  • the actuator device 100 here includes both the circuitry 110 and a piezo-hydraulic actuator 10.
  • the piezo-hydraulic actuator 10 may, for example, similar to shown in Figure 1 be designed and in any case includes a piezoelectric actuator 12 and an only very schematically indicated Hydrauli ⁇ not uniform. 13
  • the piezoelectric actuator 12 is electrically connected to the first output terminal AI and the second output terminal A2 of the circuit arrangement 110.
  • the circuit arrangement 110 comprises a first supply connection E1 and a second supply connection E2, this supply connection being itself Here are connected to a DC voltage source Ul.
  • the voltage source Ul for generating ei ⁇ ner DC voltage of +100 V is configured.
  • a series circuit of a Indukti ⁇ tivity LI and a first circuit portion Bl is arranged in the current path between the second input terminal E2 and the second input terminal A2 off a series circuit of a Indukti ⁇ tivity LI and a first circuit portion Bl is arranged.
  • the first circuit region B1 in turn has a parallel connection of a first current path PI and a second current path P2.
  • the path PI comprises a series circuit comprising a first controllable switch S1 and a first diode D1. This first diode is connected so that a piezoactuator 12 arranged between the output terminals can be charged with a positive voltage via the first current path, if the first switch Sl is closed. In this state, a backflow of the charge is prevented by the blocking of the diode Dl.
  • the path P2 also includes a series ⁇ circuit of a second controllable switch S2 and a second diode D2.
  • This second diode D2 is maral ⁇ tet, that a voltage applied to the piezoelectric actuator 12 positive voltage can be discharged via the second current path when the second switch S2 is closed. In this state, a backflow of charge (in the sense of recharging) is prevented by the blocking of the diode D2.
  • This second circuit ⁇ area comprises a series circuit of a third switch S3 and a discharge resistor Rl, which are connected in total to the piezoelectric actuator 12 in parallel. With the switch S3 closed, this additional path achieves an even greater discharge of the piezoactuator in the corresponding part of the voltage profile.
  • FIG. 3 shows the signal levels 120 for the control signals Q1, Q2 and Q3 as a function of the time 200 in ms.
  • These signals are logic signals which can assume the value 0 or 1, where 0 each egg ⁇ nem open switch and 1 corresponds to a closed switch.
  • the first control signal Q1 is closed at 1 and, accordingly, the first switch is closed while the other switches are open. This corresponds to a charging phase for the piezoelectric actuator.
  • FIG. 4 shows the corresponding time curve 132 of the voltage at the piezoelectric actuator, which is plotted as voltage 130 in volts.
  • This voltage curve has for the first time tl corresponding to an increase in the form of a charge ⁇ edge 135th
  • FIG. 5 shows the corresponding time profile for the current 140 in amperes at two different locations: For example, the curve 142 shows the current through the inductance LI and the curve 144 shows the current through the discharge resistor R1. During the first time interval t1, a positive current through the inductance can be detected here with a maximum.
  • FIG. 6 shows the corresponding time profile for the energy 150 in joules.
  • the curve 152 shows the energy in the piezoactuator 12 and the curve 154 shows the energy in the inductance LI.
  • T1 a short-term, low energy peak in the inductance and a flank-like continuous increase of the energy 152 in the piezoelectric actuator result.
  • the second time period t2 is followed by a third time period t3 in which the second control signal Q2 is set to 1 and, accordingly, the second switch is closed.
  • This ent ⁇ speaks a discharge phase for the piezoelectric actuator.
  • the voltage waveform 132 in Figure 4 here one from ⁇ falling Entladeflanke 136.
  • the curve 142 for the current through the inductor to a negative current flow.
  • the curve 152 for the energy in the piezoelectric actuator also has a falling edge and the curve 154 for the energy in the inductance has a short-term maximum, similar to within the ers ⁇ th time period tl.
  • a piezoelectric actuator 12 which in particular Is part of a piezo-hydraulic actuator 10 may be driven with a geeig ⁇ Neten voltage amplitude and a suitable Wiederholfre acid sequence. This can be realized according to the invention with a comparatively very simple circuit.

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung (110) zum Betreiben eines piezohydraulischen Aktors (10) angegeben, umfassend - einen ersten Versorgungsanschluss (E1) und einen zweiten Versorgungsanschluss (E2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung, - einen ersten Ausgangsanschluss (AI) und einen zweiten Ausgangsanschluss (A2) zum Anschluss des piezohydraulischen Aktors, wobei der erste Ausgangsanschluss (A1) mit dem ersten Versorgungsanschluss (E1) verbunden ist - eine zwischen einem ersten Schaltungsknoten (K1) und einem zweiten Schaltungsknoten (K2) angeordneten ersten Schaltungsbereich (Bl), welcher insgesamt zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss (E2) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordnet ist, - eine Induktivität (L1), welche zwischen dem zweiten Schaltungsknoten (K2) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordnet ist, - wobei der erste Schaltungsbereich (B1) eine Parallelschaltung von einem ersten Strompfad (P1) und einem zweiten Strompfad (P2) umfasst, - wobei der erste Strompfad (P1) eine Serienschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Schalter (S1) und einer ersten Diode (D1) umfasst und der zweite Strompfad (P2) eine Serienschaltung aus einem zweiten ansteuerbaren Schalter (S2) und einer zweiten Diode (D2) umfasst. Weiterhin wird eine Aktoreinrichtung mit einer derartigen Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum ansteuern eines piezohydraulischen Aktors mit einer solchen Schaltungsanordnung angegeben

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Ansteuerungsverfahren für einen piez- ohydraulischen Aktor
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines piezohydraulischen Aktors, umfassend zwei Versorgungsanschlüsse zum Anlegen einer Versorgungsspannung sowie zwei Ausgangsanschlüsse zum Anschluss des piezohydrau- lischen Aktors. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Aktoreinrichtung mit einem piezohydraulischen Aktor und einer solchen Schaltungsanordnung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines piezohydraulischen Aktors mittels einer solchen Schaltungsanordnung.
Aus dem Stand der Technik sind piezohydraulische Aktoren be¬ kannt, die typischerweise einen Piezoaktor und eine Hydrauli¬ keinheit umfassen, wobei der Piezoaktor als Antrieb (genauer: als Pumpantrieb) für die Hydraulikeinheit wirkt. Derartige piezohydraulische Aktoren benötigen eine Ansteuerelektronik für den Piezoaktor, um diesen mit einer zeitlich variierenden Spannung zu versorgen, welche geeignet ist, in der Hydrauli¬ keinheit einen Pumpeffekt zu bewirken. Dies ist in vielen Fällen ein sich periodisch wiederholendes Spannungsprofil. Ein derartiges Spannungsprofil kann aus einer Serie von ei¬ nander abwechselnden ansteigenden und abfallenden Flanken zusammengesetzt sein, wobei beispielsweise während der anstei¬ genden Flanken die durch den Piezoaktor gebildete Kapazität geladen wird und während der abfallenden Flanken diese Kapa- zität wieder entladen wird.
Durch ein derartiges Spannungsprofil kann eine periodische Hin- und Her-Bewegung des Piezoaktors bewirkt werden, welche dann einen Pumpeffekt in der Hydraulikeinheit zur Folge hat. Um ein solches vorgegebenes Spannungsprofil zu erzeugen, wird nach dem Stand der Technik eine komplexe Ansteuerungselektro- nik eingesetzt, welche typischerweise einen oder mehrere in¬ tegrierte Schaltkreise umfasst. Mit einer solchen integrier- ten Elektronik können Form und Dauer der ansteigenden und abfallenden Flanken des Spannungsprofils relativ variabel ein¬ gestellt werden. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch einerseits, dass eine solche Ansteuerungselektronik vergleichs- weise komplex ist. Ein weiterer möglicher Nachteil ist, dass sich mit einer solchen Elektronik relativ leicht unerwünschte Oberwellen auf dem Spannungsprofil ausbilden. Hierdurch werden dann im piezohydraulischen Aktor mechanische Schwingungen mit unerwünschten Frequenzen induziert, und es werden insge- samt höhere elektrische und/oder mechanische Verluste verur¬ sacht .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbe- sondere soll eine Schaltungsanordnung zur Verfügung gestellt werden, welche möglichst einfach aufgebaut ist. Sie soll also eine geringe Komplexität aufweisen und somit auch einfach herzustellen sein, kostengünstig sein, einen geringen Bauraum aufweisen und/oder wenig fehleranfällig sein. Weiterhin soll sie eine geringe Anfälligkeit für die Ausbildung von Oberwel¬ len aufweisen. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Aktorein¬ richtung mit einem piezohydraulischen Aktor und einer derartigen Schaltungsanordnung anzugeben. Weiterhin soll ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezohydraulischen Aktors ange- geben werden.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Schaltungsanordnung, die in Anspruch 6 beschriebene Aktoreinrichtung sowie das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren ge- löst.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist zum Betreiben eines piezohydraulischen Aktors ausgelegt. Sie umfasst
- einen ersten Versorgungsanschluss und einen zweiten Versor- gungsanschluss zum Anlegen einer Versorgungsspannung,
- einen ersten Ausgangsanschluss und einen zweiten Ausgangs- anschluss zum Anschluss des piezohydraulischen Aktors, wobei der erste Ausgangsanschluss mit dem ersten Versorgungsanschluss verbunden ist,
- eine zwischen einem ersten Schaltungsknoten und einem zweiten Schaltungsknoten angeordneten ersten Schaltungsbereich, welcher insgesamt zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet ist,
- eine Induktivität, welche zwischen dem zweiten Schaltungs¬ knoten und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet ist,
- wobei der erste Schaltungsbereich eine Parallelschaltung von einem ersten Strompfad und einem zweiten Strompfad um- fasst ,
- wobei der erste Strompfad eine Serienschaltung aus einem ersten ansteuerbaren Schalter und einer ersten Diode umfasst und der zweite Strompfad eine Serienschaltung aus einem zwei- ten ansteuerbaren Schalter und einer zweiten Diode umfasst.
Unter dem Wort „verbunden" soll dabei im vorliegenden Zusammenhang jeweils eine elektrisch leitende Verbindung verstanden werden. Entsprechend soll unter der beschriebenen „Anord- nung" eines Elements „zwischen" zwischen zwei anderen Elementen eine entsprechende dazwischen liegende Anordnung in einem derart elektrisch verbundenen Strompfad verstanden werden (im Gegensatz zu „geometrisch zwischen") . Die beschriebene elektrische Parallelschaltung von dem ersten und dem zweiten
Strompfad soll entsprechend eine elektrische Parallelschal¬ tung in der elektrischen Verbindung zwischen zweitem Versorgungsanschluss und zweiten Ausgangsanschluss sein.
Insbesondere soll unter der genannten Verbindung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und dem ersten Versorgungsanschluss eine direkte Verbindung verstanden werden. Eine solche „direkte" Verbindung soll allgemein eine solche elektrische Ver¬ bindung sein, die der Schaltungsanordnung mit Ausnahme des Leiters, der die Verbindung ausbildet, keine (n) weiteren Wi- derstand, Induktivität oder Kapazität hinzufügt.
Der genannte piezohydraulische Aktor, für den die Schaltung konzipiert ist, kann beispielsweise ein aus dem Stand der Technik bekannter piezohydraulischer Aktor sein, welcher insbesondere einen Piezoaktor und eine Hydraulikeinheit umfasst. Solche piezohydraulischen Aktoren sind dem Fachmann hinreichend bekannt und werden auch weiter unten noch im Zusammen- hang mit den Ansprüchen 6 bis 12 beispielhaft detaillierter beschrieben. Zweckmäßig wird beim Betrieb der Schaltungsanordnung der Piezoaktor des piezohydraulischen Aktors mit den beiden Ausgangsanschlüssen verbunden, sodass er mit einem bei angeschlossener Spannungsquelle durch die Schaltungsanordnung generierten Spannungsprofil beaufschlagt werden kann. Dabei wirkt dann der zwischen den Ausgangsanschlüssen angeordnete Piezoaktor im Wesentlichen als Kapazität, deren Größe die Geschwindigkeit des Aufladens und Entladens mit beeinflusst.
Zweckmäßig sind die beiden Dioden in den beiden zueinander parallelen Stromfaden so ausgestaltet, dass ihre Sperrrichtungen einander entgegengesetzt sind. Bei einer solchen Konfiguration kann dann jeweils ein Strompfad (durch Schließen des entsprechenden Schalters) zum Laden des Aktors und wechselweise der jeweils andere Strompfad (durch Schließen des dortigen Schalters) zum Entladen des Aktors verwendet werden. Mit anderen Worten kann durch ein alternierendes Öffnen und Schließen der beiden Schalter eine wechselnde Abfolge von Ladezeiten und Entladezeiten eingestellt werden. Hierzu können die beiden Schalter zweckmäßig mit entsprechend zeitlich ge¬ takteten (insbesondere periodischen) Schaltsignalen versorgt werden .
Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Schaltungsanordnung ist, dass sie entsprechend der beschriebenen Topologie ein sehr einfaches Grundprinzip aufweist. Es können zwar optional noch weitere Komponenten in der Schaltungsanordnung vorgesehen sein (parallel und/oder in Serie zu den beschriebenen Komponenten) . Die Grundfunktion wird jedoch durch die wenigen beschriebenen Komponenten schon erreicht: So kann ein abwechselndes Laden und Entladen des Aktors bewirkt werden, wobei nur ein passender externer Taktgeber in Form der Schaltsignale benötigt wird. Die beschriebene Primärschaltung (also die Schaltungsanordnung mit den beschriebenen Komponenten, aber ohne eine Elektronik, welche die Taktgeber für die Schalter generiert) kann damit sehr einfach und insbesondere ohne in¬ tegrierte Schaltkreise realisiert werden.
Die Geschwindigkeit der Lade- und Entladevorgänge wird ent¬ scheidend durch den Wert der Induktivität sowie der Kapazität der an die Schaltungsanordnung angeschlossenen Piezoaktors bestimmt. Diese beiden Größen sollten zweckmäßig so gewählt werden, dass die hierdurch gegebene minimale Ladezeit und
Entladezeit kleiner ist (oder höchstens so groß ist) wie die durch die Taktgeber für das Laden und Entladen vorgegebenen Zeitspannen. Mit anderen Worten ist durch die minimale Ladezeit und Entladezeit eine untere Grenze für die Wiederho- lungsfrequenz eines durch die Schaltungsanordnung generierten periodischen Spannungsprofils bestimmt. Bei typischen Kapazi¬ täten von verfügbaren Piezoaktoren lassen sich jedoch bei geeigneter Wahl der Größe der Induktivität Wiederholungsfre¬ quenzen beispielsweise im Bereich von mehreren 100 Hz errei- chen.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt also darin, die Form (insbesondere die Steigung) der Ladeflanken und Entladeflanken nicht durch eine komplexe Schaltung zu generie- ren, sondern durch einen LC-Schwingkreis als Teil einer sehr einfachen Schaltung vorzugeben. Hierdurch werden die oben erwähnten Vorteile einer sehr einfachen Primärschaltung erreicht, die insbesondere klein und günstig ausgeführt werden kann. Durch die beschriebene feste Einstellung der Lade- und Entlade-Geschwindigkeit wird weiterhin die Ausbildung von störenden Oberwellen vorteilhaft vermieden.
Die erfindungsgemäße Aktoreinrichtung umfasst eine derartige erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie einen piezohydrau- lischen Aktor. Zweckmäßig ist der piezohydraulische Aktor
(und insbesondere dessen Piezoaktor) elektrisch an die beiden Ausgangsanschlüsse der Schaltungsanordnung angeschlossen. Die Vorteile einer solchen Aktoreinrichtung ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Sehaltungsanordnung .
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zum Ansteu- ern eines piezohydraulischen Aktors mittels einer erfindungs¬ gemäßen Schaltungsanordnung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
(a) Schließen des ersten ansteuerbaren Schalters,
(b) Aufladen des Piezoaktors,
(c) Öffnen des ersten ansteuerbaren Schalter,
(d) Schließen des zweiten ansteuerbaren Schalters,
(e) zumindest teilweises Entladen des Piezoaktors,
(f) Öffnen des zweiten ansteuerbaren Schalters.
Auch die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1, 6 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung, der Aktoreinrichtung und des Verfahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Schaltungsanordnung zusätzlich einen zwischen der Induktivität und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordneten dritten Schaltungsknoten und einen zwischen erstem Versorgungsan- schluss und erstem Ausgangsanschluss angeordneten vierten Schaltungsknoten, wobei zwischen drittem Schaltungsknoten und viertem Schaltungsknoten ein zweiter Schaltungsbereich angeordnet ist, welcher eine Serienschaltung aus einem dritten ansteuerbaren Schalter und einem Entladewiderstand aufweist. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist, dass durch ein Schließen des dritten Schalters eine noch weitergehende (und insbesondere nahezu vollständige) Entladung des Piezoaktors ermöglicht wird, als dies allein durch ein Entladen über den ersten Schaltungsbereich der Fall wäre. Durch dieses nahezu vollständige Entladen über den zweiten Schaltungsbereich - welcher insbesondere dem Piezoaktor parallel geschaltet ist - wird vorteilhaft eine allmähliche Verschiebung in der Basis¬ linie des Spannungsprofils vermieden. Mit anderen Worten wird ein schleichendes Aufladen der Kapazität des Piezoaktors ver¬ mieden, wodurch das entstehende Spannungsprofil mehr einem symmetrischen und periodisch wiederkehrenden Profil entspricht, so wie es zur Ansteuerung eines piezohydraulischen Aktors gewünscht wird. Durch den zusätzlichen Entladungspfad wird also die Spannung zwischen zwei vollständigen Lade- und Entladezyklen insbesondere näher an die Nulllinie herange¬ führt. Besonders vorteilhaft kann der Entladewiderstand als ohmscher Widerstand mit einer Größe zwischen 10 Ohm und 500 Ohm ausgebildet sein. Mit einem derartigen Widerstand kann für typische Piezoaktoren eine nahezu vollständige Entladung bewirkt werden.
Grundsätzlich ist der oben beschriebene zusätzliche geschal¬ tete Entladungspfad jedoch nicht unbedingt nötig, um mit der Schaltungsanordnung ein geeignetes Spannungsprofil für den piezohydraulischen Aktor zu generieren. Alternativ kann beispielsweise entweder ein geringes schleichendes Aufladen des Piezoaktors toleriert werden oder aber es ist auch möglich, einen parallelen Entladewiderstand vorzusehen, welcher nicht durch einen ansteuerbaren Schalter geschaltet wird, sondern welcher permanent zu einer Entladung des Aktors beiträgt.
Allgemein vorteilhaft kann die Induktivität der Schaltungsanordnung einen Wert im Bereich zwischen 1 mH und 50 mH aufwei- sen. Besonders vorteilhaft kann dieser Wert zwischen 5 mH und 10 mH liegen. Mit einer Induktivität in einem der genannten Bereiche kann vorteilhaft im Zusammenspiel mit der Kapazität eines typischen angeschlossenen Piezoaktors (als Teil eines piezohydraulischen Aktors) eine geeignete Ladedauer bezie- hungsweise Entladedauer erreicht werden, welche jeweils bei¬ spielsweise im Bereich von wenigen 100 ys liegt. Die genannte Induktivität kann beispielsweise durch eine elektrische Spule mit einem magnetischen Kern realisiert sein. In dieser Ausführungsform kann die Induktivität besonders kompakt ausgeführt sein. Alternativ ist jedoch grund- sätzlich auch beispielsweise die Ausführung als Luftspule möglich .
Der erste ansteuerbare Schalter und/oder der zweite ansteuerbare Schalter und/oder der optionale dritte ansteuerbare Schalter können vorteilhaft jeweils als Transistor ausgebil¬ det sein. Besonders vorteilhaft können sie jeweils als Feld¬ effekt-Transistor, insbesondere als Leistungs-MOSFET, ausgebildet sein. Alternativ können ein oder mehrere dieser Schalter jedoch auch als IGBT (englisch für „insulated-gate bipo- lar transistor") ausgebildet sein. Diese Ausführungsformen sind besonders vorteilhaft, um auf einfache Weise eine vorge¬ gebene zeitliche Taktung mit ausreichend schnellem Ansprech¬ verhalten des jeweiligen Schalters zu erreichen. Eine besonders bevorzugte Variante für den dritten ansteuerbaren Schal- ter ist es, diesen als stromgeregelten Entlader mit einem vergleichsweise kleinen Operationsverstärker auszuführen.
Vorteilhaft kann die Schaltungsanordnung zusätzlich zu den beschriebenen Komponenten eine Spannungsquelle umfassen wel- che zwischen erstem Versorgungsanschluss und zweitem Versor- gungsanschluss angeordnet ist. Diese Spannungsquelle ist zweckmäßig als Gleichspannungsquelle ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist sie zumindest für eine Ausgabespannung ausge¬ legt, welche in einem Bereich zwischen 30 V und 300 V liegt. Zusätzlich zu dieser einen besonders vorteilhaften vorgegebenen Ausgabespannung können selbstverständlich optional auch weitere Spannungswerte eingestellt werden, welche entweder ebenfalls in dem genannten Bereich oder aber auch außerhalb des Bereichs liegen können. Eine mögliche Ausgabespannung in- nerhalb des genannten Bereiches ist jedenfalls besonders ge¬ eignet, um den Piezoaktor eines piezohydraulischen Aktors mit der Schaltungsanordnung betreiben zu können. Durch die beschriebene Schaltungstopologie wird erreicht, dass nach einer Ladephase über den LC-Schwingkreis aus Induktivität und Aktor sogar eine höhere Spannung als die Ausgabespannung über dem Aktor anliegt. Aufgrund der ohmschen Verluste im System ist jedoch der Faktor zwischen der über dem Aktor anliegenden Spannung und der Ausgabespannung geringer als 2.
Der piezohydraulische Aktor der Aktoreinrichtung umfasst vorteilhaft wenigstens einen Piezoaktor und eine Hydraulikeinheit. Dabei weist die Hydraulikeinheit insbesondere wenigs¬ tens eine Antriebskammer, wenigstens eine Abtriebskammer und wenigstens eine diese beiden Kammern verbindende hydraulische Leitung auf. Die Hydraulikeinheit ist dabei insgesamt mit ei¬ ner hydraulischen Flüssigkeit befüllbar. Derartige piezohyd¬ raulische Aktoren eignen sich besonders gut, über den
elektrisch angesteuerten Piezoaktor einen Pumpeffekt innerhalb der Hydraulikeinheit zu bewirken und somit beispielswei¬ se auch bei geringem Hub des Piezoaktors einen vergleichswei¬ se großen Hub im Bereich der Abtriebskammer der Hydraulikeinheit zu bewirken. Mit anderen Worten lässt sich durch das Zusammenspiel zwischen Piezoaktor und Hydraulikeinheit ein für viele Anwendungen günstiges Übersetzungsverhältnis für die Bewegung erreichen.
Bei dieser Ausführungsvariante ist es besonders bevorzugt, wenn die Hydraulikeinheit der Aktoreinrichtung wenigstens ein Antriebskolbenelement aufweist, welches die Antriebskammer teilweise begrenzt und welches mittels des Piezoaktors beweg¬ bar ist. Dabei ist durch Bewegen des Antriebskolbenelements eine Strömung der hydraulischen Flüssigkeit zwischen Antriebskammer und Abtriebskammer bewirkbar. Bevorzugt weist die Hydraulikeinheit ferner in der Leitung zwischen Antriebs¬ kammer und Abtriebskammer wenigstens ein Rückschlagventil auf. Mit einer solchen Ausgestaltung ist auf besonders einfa¬ che Weise ein Pumpeffekt innerhalb der Hydraulikeinheit er¬ reichbar, welcher durch den Piezoaktor ausgelöst werden kann. Das Antriebskolbenelement vermittelt dabei die mechanische Kraftübertragung zwischen dem Piezoaktor (da es durch diesen bewegbar ist) und den übrigen Bereichen der Hydraulikeinheit. Durch die fluidische Kopplung von Antriebskammer und Abtriebskammer mittels der hydraulischen Flüssigkeit wird erreicht, dass eine Übertragung dieser Bewegung von der Antriebskammer in die Abtriebskammer möglich ist. Abhängig von der Ausgestaltung der Kammern und der Kolbenelemente ist schon bei einer einmaligen Bewegung die Einstellung eines Übersetzungsverhältnisses ungleich 1 möglich. Ein noch stärkeres Übersetzungsverhältnis wird jedoch durch den Pumpeffekt erreicht: durch das wenigstens ein Rückschlagventil, dass fluidisch zwischen Antriebskammer und Abtriebskammer angeordnet ist, ist für eine Flussrichtung der Hydraulikflüssigkeit eine fluidische Sperre gegeben. Da der Rückfluss auf diese Weise unterbunden ist, kann durch eine wiederholt ausgeführte Bewegung des Antriebskolbenelements in der Antriebskammer ei- ne Gesamtbewegung mit größerer Amplitude für ein entsprechendes in der Abtriebskammer angeordnetes Abtriebskolbenelement erreicht werden. Über dieses Abtriebskolbenelement kann dann insgesamt eine mechanische Bewegung eines äußeren zu bewegen¬ den Elements erreicht werden. Diese Bewegung kann durch den beschriebenen Pumpeffekt eine wesentlich höhere Amplitude aufweisen, als es durch die direkte Bewegung mittels des Pie- zoaktors möglich wäre. Die für den Pumpeffekt nötige wieder¬ holt ausgeführte Bewegung des Antriebskolbenelements wird wiederum über den Piezoaktor vermittelt und von der Schal- tungsanordnung durch das beschriebene sich periodisch wiederholende Spannungsprofil eingeleitet.
Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor der Aktoreinrichtung als Piezostapelaktor ausgebildet. Ein Piezostapelaktor ist eine aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Serienschaltung aus mehreren einzelnen Piezoelementen, welche als Schichtstapel angeordnet sind. Ein solcher Stapelaktor ist besonders vorteilhaft, um auch schon mit den Piezoaktor eine höhere Bewegungsamplitude zu erreichen als dies mit einem einzelnen Piezoelement möglich wäre.
Allgemein bevorzugt weist der Piezoaktor der Aktoreinrichtung eine elektrische Kapazität im Bereich zwischen 1 yF und 20 yF auf. Besonders bevorzugt liegt diese Kapazität im Bereich zwischen 2 yF und 8 yF, insbesondere zwischen 4 yF und 6 yF. Derartige Kapazitäten sind typisch für Piezoaktoren, wie sie in piezohydraulischen Aktoren - insbesondere für die Robotik - eingesetzt werden. Mit der beschriebenen Schaltungsanord¬ nung, und insbesondere deren besonders vorteilhaften Ausge¬ staltungen, was die Dimensionierung der Induktivität angeht, kann im Zusammenspiel mit einem solchen Piezoaktor vorteilhaft eine Ladezeit und eine Entladezeit in einem günstigen Bereich eingestellt werden.
Gemäß einer allgemein besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Aktoreinrichtung eine Beladezeit für den Aktor und/oder eine Entladezeit für den Aktor auf, welche im We- sentlichen durch die Zeit
t = ^ Ll x Cl
gegeben ist, wobei LI der Wert der Induktivität ist und Cl die Kapazität des Aktors ist.
Unter der genannten Beladezeit für den Aktor soll im vorlie- genden Zusammenhang eine intrinsische Beladezeit verstanden werden, welche durch die „Ladegeschwindigkeit" des gesamten Schaltkreises (Schaltungsanordnung und Piezoaktor) und nicht durch die Taktung der ansteuerbaren Schalter gegeben ist. Entsprechendes gilt für die genannte Entladezeit. Insbesonde- re soll unter der Beladezeit eine intrinsische Beladezeit verstanden werden, welche benötigt wird, um von einem im Wesentlichen entladenen Zustand des Aktors in einen im Wesentlichen vollständig geladenen Zustand des Aktors zu gelangen. Ein im Wesentlichen entladener Zustand soll hier ein Zustand sein, in dem der Aktor zu höchstens 3% seines bei der gegebe¬ nen Schaltanordnung und der gegebenen Eingangsspannung maximal beladenen Zustands geladen ist. Ein im Wesentlichen vollständig geladener Zustand soll ein Zustand sein, in dem der Aktor zu wenigstens 97% seines bei der gegebenen Schaltanord- nung und der gegebenen Eingangsspannung maximal beladenen ZuStands geladen ist. Die Angabe, dass die Beladezeit und/oder die Entladezeit für den Aktor „im Wesentlichen" durch die Zeit nach der angegebenen Formel gegeben ist, soll bedeuten, dass die genannte Bel¬ adezeit und/oder Entladezeit nicht um mehr als 20% von dem Ergebnis der Formel abweicht. Eine derartige geringe Abwei¬ chung kann sich beispielsweise aus dem Effekt von zusätzlichen parasitären Kapazitäten, Induktivitäten beziehungsweise Widerständen aus dem Schaltkreis ergeben.
Ein wesentlicher Vorteil davon, dass bei der genannten Ausführungsform die Beladezeit und/oder die Entladezeit im We¬ sentlichen die genannte Bedingung erfüllt, ergibt sich darin, dass so über die Wahl der Werte von LI und Cl feste Ladezei¬ ten einstellbar sind. Dies ist insbesondere möglich, ohne dass hierfür eine komplexe elektronische Schaltung erforder¬ lich ist.
Der Piezoaktor weist vorteilhaft einen effektiven ohmschen Widerstand im Bereich zwischen 0,1 Ohm und 10 Ohm auf. Ein
Gesamtwiderstand des Piezoaktors im genannten Bereich ist ty¬ pisch für die Piezoaktoren, welche in piezohydraulischen Aktor Einrichtungen zum Einsatz kommen. Unter dem genannten „effektiven ohmschen Widerstand" soll dabei ein Widerstands- wert verstanden werden, der in einem Ersatzschaltbild das Verhalten des Piezoaktors am besten wiedergibt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die genannten Schritte (a) bis (f) in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. So leitet insbesondere das Schließen des ersten ansteuerbaren Schalters die Aufladephase für den Piezoaktor ein, und das Öffnen des ersten Schalters beendet diese. Analog leitet danach das Schließen des zweiten ansteu¬ erbaren Schalters die Entladephase für den Piezoaktor ein, und das Öffnen des zweiten Schalters beendet diese. Wie all¬ gemein üblich, soll im vorliegenden Zusammenhang unter einem geschlossenen Schalter ein Schalter verstanden werden, durch den ein Stromtransport möglich ist, und unter einem offenen Schalter ein Schalter verstanden werden, bei dem der Stromtransport unterbrochen ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfah- rens werden die Schritte (a) bis (f) in periodischer Abfolge mehrfach hintereinander ausgeführt. Durch diese Art der wiederholten Durchführung dieser Schritte wird auf einfache Wei¬ se ein periodisches Spannungsprofil zur Ansteuerung des Pie- zoaktors in dem piezohydraulischen Aktor erzeugt. Hiermit kann wie weiter oben beschrieben vorteilhaft ein Pumpeffekt in dem piezohydraulischen Aktor bewirkt werden. Bei dieser Ausführungsvariante ist es vorteilhaft, wenn die Wiederhol¬ frequenz der periodischen Abfolge wenigstens 100 Hz, insbe¬ sondere wenigstens 200 Hz oder sogar wenigstens 500 Hz be- trägt. Mit einer derart hohen Wiederholfrequenz ist es besonders vorteilhaft möglich, auf der Abtriebsseite des piezohyd¬ raulischen Aktors eine relativ gleichmäßige und zügige Bewe¬ gung zu erzeugen. Beispielsweise kann die Wiederholfrequenz in einem Bereich zwischen 100 Hz und 2 kHz liegen, um ein An- triebskolbenelement des piezohydraulischen Aktors mit einer für die Fluidik geeigneten Geschwindigkeit und Frequenz bewegen zu können.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfah- rens kann jeweils zwischen Schritt (e) und Schritt (f) zu¬ sätzlich der folgende Schritt ausgeführt werden:
- Schließen des dritten ansteuerbaren Schalters.
Durch das Schließen dieses dritten Schalters kann vorteilhaft eine noch weitergehende Entladung des Aktors über den Strom- pfad des Entladewiderstand erreicht werden. Zweckmäßig wird dann vor dem Aufladen, also vor dem Ausführen des nächsten Schritts (a) , der dritte ansteuerbare Schalter wieder geöff¬ net. Dieses öffnen kann prinzipiell vor, nach oder auch gleichzeitig mit dem Öffnen des zweiten ansteuerbaren Schal- ters erfolgen. Wesentlich ist nur dass sowohl der zweite
Schalter als auch der dritte Schalter geöffnet sind, bevor die nächste Aufladephase eingeleitet wird. Allgemein bevorzugte Anwendungen der beschriebenen Aktoreinrichtung liegen vor allem im Bereich der Robotik. Insbesondere kann mit der beschriebenen Aktoreinrichtung eine Muskelbewegung nachgeahmt werden, beispielsweise zur Nachbildung der Funktion menschlicher Körperteile, insbesondere für eine Ro¬ boterhand oder einen Roboterarm.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen
Schaltbilds eines piezohydraulischen Aktors für ein erstes Ausführungsbeispiel zeigt,
Figur 2 ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild für eine Schaltungsanordnung nach einem Beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 3 eine beispielhafte Darstellung für eine Signalabfolge der Steuersignale Ql, Q2 und Q3 zeigt,
Figur 4 eine beispielhafte Darstellung eines sich aus den
Signalen der Figur 3 ergebenden Spannungsverlaufs zeigt,
Figur 5 eine beispielhafte Darstellung von zwei sich aus den
Signalen der Figur 3 ergebenden Stromverläufen zeigt und
Figur 6 eine beispielhafte Darstellung von zwei sich aus den
Signalen der Figur 3 ergebenden Energieverläufen zeigt . Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines hydrauli¬ schen Schaltbilds für einen piezohydraulischen Aktor 10. Ein solcher piezohydraulische Aktor 10 kann mit einer hier nicht dargestellten Schaltungsanordnung nach einem Beispiel der Erfindung angesteuert werden. Entsprechend kann er zusammen mit einer solchen Schaltungsanordnung Teil einer Aktoreinrichtung nach einem Beispiel Erfindung sein. Der gezeigte piezohydraulische Aktor 10 umfasst einen Piezo- aktor 12 und eine Hydraulikeinheit 13. Im Folgenden wird das Wirkungsprinzip für dieses Beispiel eines piezohydraulischen Aktors 10 genauer erklärt. Es sind jedoch zahlreiche alterna- tive Konstellationen für die Wirkungsweise der Hydraulikeinheit 13 möglich (siehe beispielsweise das in DE102013219759A1 beschriebene Prinzip) und die Erfindung soll nicht auf die hier dargestellte Wirkungsweise beschränkt sein. Der Piezoaktor 12 ist in diesem Beispiel als Piezostapelaktor ausgebildet. Die Hydraulikeinheit 13 ist mechanisch an eine Seite des Piezoaktors 12 angekoppelt und kann zum Betrieb mit einer hydraulischen Flüssigkeit befüllt werden. Sie umfasst eine Antriebskammer 16, in welcher die hydraulische Flüssig- keit aufnehmbar ist. Ein Antriebskolbenelement 18, welches eine Antriebsfläche 37 aufweist, begrenzt teilweise die An¬ triebskammer 16. Des Weiteren wird die Antriebskammer 16 teilweise von einem Antriebszylinder 54 begrenzt. Die Antriebskammer 16 und das Antriebskolbenelement sowie der An- triebszylinder 54 sind beispielsweise Bestandteile eines An¬ triebs, welcher auch den Piezoaktor 12 umfassen kann.
Das Antriebskolbenelement 18 ist mittels des Piezoaktors 12 antreibbar und dadurch relativ zu dem Antriebszylinder 54 translatorisch bewegbar. Mittels des Antriebskolbenelements
18, welches zumindest mittelbar über eine Antriebskolbenstange 20 durch den Piezoaktor 12 antreibbar ist, ist eine Strömung der Hydraulikflüssigkeit bewirkbar. Mit anderen Worten kann das Antriebskolbenelement 18 über die Antriebskolben- Stange 20 mittels des Piezoaktors 12 translatorisch hin- und herbewegt werden, wodurch eine jeweilige Strömung der Hydrau¬ likflüssigkeit, insbesondere in der Leitung 14, bewirkt wird. Ferner umfasst der piezohydraulische Aktor 10 im gezeigten Beispiel zwei Rückschlagventile 22, 24, welche in der Leitung 14 angeordnet sind.
Dabei umfasst die Leitung 14 mehrere Leitungsteile, welche fluidleitend miteinander über eine Kupplung 26 verbunden sind. Ein erster der Leitungsteile ist mit 28 bezeichnet und verbindet eine Reservoirkammer 30 fluidisch mit der Kupplung 26. Dabei ist das Rückschlagventil 24 in dem ersten Leitungs¬ teil 28 und - bezogen auf eine Strömungsrichtung der von der Reservoirkammer 30 in die Antriebskammer 16 strömenden Hydraulikflüssigkeit - stromauf, das heißt von der Kupplung 26 angeordnet. Dabei sperrt das Rückschlagventil 24 in Richtung der Reservoirkammer 30 und öffnet in Richtung der Kupplung 26 beziehungsweise der Antriebskammer 16. Ein zweiter der Lei- tungsteile ist mit 32 bezeichnet und verbindet die Kupplung
26 fluidisch mit einer Abtriebskammer 34. Dabei ist das Rückschlagventil 22 in dem Leitungsteil 32 und - bezogen auf eine Strömungsrichtung der aus der Antriebskammer 16 in die Abtriebskammer 34 strömenden Hydraulikflüssigkeit - stromab, das heißt nach der Kupplung 26 angeordnet. Dabei sperrt das Rückschlagventil 22 in Richtung der Kupplung 26 beziehungs¬ weise Antriebskammer 16 und öffnet in Richtung der Abtriebskammer 34. Somit verhindert das Rückschlagventil 22 einen Rückfluss der Hydraulikflüssigkeit von der Abtriebskammer 34 zur Kupplung 26 hin und in die Antriebskammer 16. Ein dritter der Leitungsteile ist mit 36 bezeichnet und verbindet die An¬ triebskammer 16 mit der Kupplung 26, sodass der dritte Leitungsteil 36 über die Kupplung 26 fluidisch mit den Leitungs¬ teilen 28 und 32 verbunden ist. Die Kupplung 26 bildet somit eine Verbindungsstelle, an welcher die Leitungsteile 28, 32 und 36 fluidisch miteinander verbunden sind. Dabei ist das Rückschlagventil 22 stromab der Verbindungsstelle und strom¬ auf der Abtriebskammer 34 in der Leitung 14 angeordnet, während das Rückschlagventil 24 stromab der Reservoirkammer und stromauf der Verbindungsstelle in der Leitung 14 angeordnet ist .
Ferner weist der in FIG 1 schematisch dargestellte piezohyd- raulische Aktor 10 ein Abtriebskolbenelement 38 auf, welches die fluidisch über die Leitung 14 mit der Antriebskammer 16 verbundene Abtriebskammer 34 teilweise begrenzt. Das Ab¬ triebskolbenelement 38 ist mit der über die Leitung 14 in die Abtriebskammer 34 eingeleiteten Hydraulikflüssigkeit beauf- schlagbar und kann dadurch, insbesondere translatorisch, bewegt werden. Die Leitungsteile 36 und 32 verbinden die An¬ triebskammer 16 und die Abtriebskammer 34 fluidisch über die Kupplung 26, wobei das Rückschlagventil 22 im Leitungsteil 32 in Richtung der Abtriebskammer 34 öffnet und in Richtung der Antriebskammer 16 sperrt.
Die Antriebskammer 16 und die Reservoirkammer 30 sind mittels der Leitungsteile 36 und 28 fluidisch über die Kupplung 26 miteinander verbunden, wobei das Rückschlagventil 24 in Richtung der Antriebskammer 16 öffnet und in Richtung der Reservoirkammer 30 sperrt. Der piezohydraulische Aktor 10 weist ferner einen Reservoirkolbenelement 40 auf, welches die Re¬ servoirkammer 30 zumindest teilweise begrenzt.
Wird der Piezoaktor 12 mit einem periodisch steigenden und fallenden Spannungsprofil betrieben, arbeitet der piezohyd¬ raulische Aktor 10 in besonders vorteilhafter Weise als hyd¬ raulische Pumpe. Dabei dehnt sich beispielsweise der Piezoak- tor 12 mittels einer ansteigenden Flanke des periodischen
Spannungsprofils aus. Dabei wird ein Druck mittelbar oder un¬ mittelbar auf die Antriebskolbenstange 20 ausgeübt. Die An¬ triebskolbenstange 20 ist mit dem Antriebskolbenelement 18 hier fest verbunden. Das Antriebskolbenelement 18 und die An- triebskolbenstange 20 können entlang einer Bewegungsrichtung 42 translatorisch relativ zu dem Antriebszylinder 54 bewegt werden. Entlang der Bewegungsrichtung 42 ist das Antriebskolbenelement 18 in eine erste Richtung und in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegbar. Mittels des Drucks des Piezoaktors 12 auf die Antriebskolbenstange 20 wird das Antriebskolbenelement 18 in der Antriebskammer 16 entlang der Bewegungsrichtung in die erste Richtung derart bewegt, dass sich das Volumen der Antriebskammer 16 verkleinert, das heißt es findet eine Kompression der Antriebskammer 16 statt. Durch eine fluidische Verbindung 44 strömt dabei die Hydraulikflüssigkeit aus der Antriebskammer 16. Mit ande¬ ren Worten wird durch das Verkleinern des Volumens der Antriebskammer 16 eine erste Strömung der Hydraulikflüssigkeit in der Leitung 14 bewirkt. Da das Rückschlagventil 24 in Richtung der Reservoirkammer 30 sperrt und das Rückschlagventil 22 in Richtung der Abtriebskammer 34 öffnet, strömt die Hydraulikflüssigkeit im Rahmen der ersten Strömung über die Verbindung 44 aus der Antriebskammer 16 aus und durch die Leitungsteile 36 und 32 und in die Abtriebskammer 34.
Das jeweilige Rückschlagventil 22 beziehungsweise 24 öffnet insbesondere dann, wenn die auf das jeweilige Rückschlagven- til 22 beziehungsweise 24 wirkende Hydraulikflüssigkeit einen jeweiligen Öffnungsdruck des jeweiligen Rückschlagventils 22 beziehungsweise 24 erreicht oder überschreitet. Dies ist bei der ersten Strömung der Fall, sodass das Rückschlagventil 22 öffnet, während das Rückschlagventil 24 geschlossen bleibt.
Somit wird die Hydraulikflüssigkeit im Zuge der ersten Strö¬ mung in die Abtriebskammer 34 eingeleitet, wodurch das Abtriebskolbenelement 38 mit der Hydraulikflüssigkeit beauf¬ schlagt wird. Dadurch wird das Abtriebskolbenelement 38 translatorisch relativ zu einem die Abtriebskammer 34 teilweise begrenzenden Abtriebszylinder 52 entlang einer zweiten Bewegungsrichtung 46 in eine dritte Richtung bewegt. Das Abtriebskolbenelement 38 kann zusätzlich zu einer der dritten Richtung entgegengesetzten vierten Richtung entlang der zwei- ten Bewegungsrichtung 46 translatorisch relativ zu dem Abtriebszylinder 52 bewegt werden. Das Abtriebskolbenelement 38 weist dabei eine die Abtriebskammer 34 teilweise begrenzende Abtriebsfläche 48 auf, auf welche die in die Abtriebskammer 34 eingeleitete Hydraulikflüssigkeit, insbesondere deren Druck, wirkt. Durch das Einleiten der Hydraulikflüssigkeit in die Abtriebskammer 34 wird deren Volumen vergrößert, und das Abtriebskolbenelement 38 wird durch den auf die Abtriebsflä¬ che 48 wirkenden Druck entlang der zweiten Bewegungsrichtung 46 in die dritte Richtung translatorisch relativ zu dem Ab- triebszylinder 52 bewegt.
Dabei ist in FIG 1 mit sout ein Weg beziehungsweise eine Stre¬ cke bezeichnet, um den beziehungsweise die das Abtriebskol- benelement 38 und mit diesem eine mit dem Abtriebskolbenele¬ ment 38 verbundene Abtriebskolbenstange 50 infolge der ge¬ nannten Volumenvergrößerung der Abtriebskammer 34 translatorisch bewegt werden.
Das Abtriebskolbenelement 38 weist dabei die hydraulisch wirksame Abtriebsfläche 48 auf, welche mit der in die Ab¬ triebskammer 34 eingeleiteten Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbar ist. Die in die Abtriebskammer 34 eingeleitete Hyd- raulikflüssigkeit kommt somit in Kontakt mit der Abtriebsflä¬ che 48 und wirkt auf die Abtriebsfläche 48, woraus in Kombi¬ nation mit dem zuvor genannten Druck der Hydraulikflüssigkeit eine auf den Abtriebskolbenelement 38 wirkende Kraft resul¬ tiert. Mittels dieser Kraft kann das Abtriebskolbenelement 38 entlang der zweiten Bewegungsrichtung 46 in die dritte Richtung translatorisch bewegt werden, um dadurch insbesondere eine Volumenvergrößerung der Abtriebskammer 34 zu bewirken und demzufolge die Abtriebskolbenstange 50 zumindest teilwei¬ se aus dem Abtriebszylinder 52, welcher teilweise die Ab- triebskammer 34 begrenzt, auszufahren. Somit ist das Abtriebskolbenelement 38 durch Beaufschlagen der Abtriebsfläche 48 mit der in die Abtriebskammer 34 eingeleiteten Hydraulikflüssigkeit antreibbar und dadurch relativ zu dem Abtriebszylinder 52 translatorisch bewegbar.
Nach dem Spannungsimpuls verringert beispielsweise der Piezo- aktor 12 seine Längenausdehnung entlang der Bewegungsrichtung 42. Dadurch werden die Antriebskolbenstange 20 und somit das Antriebskolbenelement 18 entlang der ersten Bewegungsrichtung 42 in die der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Rich¬ tung bewegt, wodurch sich das Volumen der Antriebskammer 16 vergrößert. Proportional zur Größe der Antriebsfläche 37 ver¬ ringert sich dadurch der Druck in der Antriebskammer 16. Da das Rückschlagventil 22 in Richtung der Antriebskammer 16 schließt, und da das Rückschlagventil 24 in Richtung der An¬ triebskammer 16 öffnet, resultiert aus der Vergrößerung des Volumens der Antriebskammer 16 eine zweite Strömung der Hyd- raulikflüssigkeit , die im Zuge der zweiten Strömung aus der Reservoirkammer 30 ausströmt, die Leitungsteile 28 und 36 durchströmt und in die Antriebskammer 16 einströmt. Da das Rückschlagventil 22 dabei geschlossen bleibt, können die Ver- größerung des Volumens der Antriebskammer 16 und somit ein in der Antriebskammer 16 entstehender Unterdruck nicht durch Hydraulikflüssigkeit aus der Abtriebskammer 34 ausgeglichen werden, sodass das Volumen der Abtriebskammer 34 unverändert bleibt beziehungsweise sodass das Abtriebskolbenelement 38 nicht zurückbewegt.
Insgesamt ist erkennbar, dass sich das Volumen der Antriebs¬ kammer 16 durch die angelegte periodisch steigende und fal¬ lende Spannung am Piezoaktor 12 abwechselnd vergrößert und verkleinert mit der Frequenz des periodischen Spannungspro¬ fils, wodurch ein Pumpen der Hydraulikflüssigkeit aus der Re¬ servoirkammer 30 in die Abtriebskammer 34 bewirkt wird. Wird beispielsweise zumindest ein Teil der Hydraulikflüssigkeit aus der Reservoirkammer 30 abgeführt, so kommt es zu einer Volumenverkleinerung der Reservoirkammer 30, wodurch das Reservoirkolbenelement 40 translatorisch relativ einem, die Re¬ servoirkammer 30 teilweise begrenzenden Reservoirzylinder 58 um einen Weg beziehungsweise um eine Strecke sres bewegt wird. Figur 2 zeigt ein schematisches elektrisches Ersatzschaltbild für eine Schaltungsanordnung 110 in einer Aktoreinrichtung 100 nach einem Beispiel der Erfindung. Die Aktoreinrichtung 100 umfasst hier sowohl die Schaltungsanordnung 110 als auch einen piezohydraulischen Aktor 10. Der piezohydraulische Ak- tor 10 kann beispielsweise ähnlich wie in Figur 1 gezeigt ausgestaltet sein und umfasst jedenfalls einen Piezoaktor 12 sowie eine hier nur sehr schematisch angedeutete Hydrauli¬ keinheit 13. Der Piezoaktor 12 ist elektrisch mit dem ersten Ausgangsanschluss AI und dem zweiten Ausgangsanschluss A2 der Schaltungsanordnung 110 verbunden. Wie auf der linken Seite der Figur 2 zu erkennen, umfasst die Schaltungsanordnung 110 einen ersten Versorgungsanschluss El und einen zweiten Ver- sorgungsanschluss E2, wobei diese Versorgungsanschluss sich hier mit einer Gleichspannungsquelle Ul verbunden sind. In diesem Beispiel ist die Spannungsquelle Ul zur Erzeugung ei¬ ner Gleichspannung von +100 V konfiguriert. Im Strompfad zwischen dem zweiten Eingangsanschluss E2 und dem zweiten Aus- gangsanschluss A2 ist eine Serienschaltung aus einer Indukti¬ vität LI und einem ersten Schaltungsbereich Bl angeordnet. Der erste Schaltungsbereich Bl weist wiederum eine Parallelschaltung aus einem ersten Strompfad PI und einem zweiten Strompfad P2 auf. Dabei umfasst der Pfad PI eine Serienschal- tung aus einem ersten ansteuerbaren Schalter Sl und einer ersten Diode Dl. Diese erste Diode ist so geschaltet, dass über den ersten Strompfad ein zwischen den Ausgangsanschlüssen angeordneter Piezoaktor 12 mit einer positiven Spannung beladen werden kann, wenn der erste Schalter Sl geschlossen ist. In diesem Zustand wird ein Rückfluss der Ladung durch das Sperren der Diode Dl verhindert.
In ähnlicher Weise umfasst der Pfad P2 ebenfalls eine Serien¬ schaltung aus einem zweiten ansteuerbaren Schalter S2 und ei- ner zweiten Diode D2. Diese zweite Diode D2 ist so geschal¬ tet, dass eine am Piezoaktor 12 anliegende positive Spannung über den zweiten Strompfad entladen werden kann, wenn der zweite Schalter S2 geschlossen ist. In diesem Zustand wird ein Rückfluss der Ladung (im Sinne eines erneuten Beiadens) durch das Sperren der Diode D2 verhindert.
Aufgrund der beschriebenen Schaltungsanordnung kann durch periodisches Anlegen geeigneter Steuersignale Ql und Q2 an den beiden Schalter Sl und S2 ein Zyklus aus periodisch wechseln- den Ladeflanken und Entladeflanken im Spannungsprofil, welches am Piezoaktor 12 wirksam ist, erzeugt werden. Die Breite der entsprechenden Flanken - also die Ladezeit und/oder die Entladezeit - wird dabei im wesentlichen nach der weiter oben angegebenen Formel durch das Zusammenwirken der Induktivität und der Kapazität Cl des Piezoaktors 12 bestimmt. Um ein noch vollständigeres Entladen des Piezoaktors 12 zu bewirken, als es allein über den Strompfad PII möglich wäre, ist zusätzlich zu den bisher beschriebenen Schaltelementen noch ein zweiter Schaltungsbereich B2 vorgesehen, welcher zwischen einem zusätzlichen dritten Schaltungsknoten K3 und einem vierten Schaltungsknoten K4 angeordnet ist. Dieser zweite Schaltungs¬ bereich umfasst eine Serienschaltung aus einem dritten Schal- ter S3 und einem Entladewiderstand Rl, welche insgesamt dem Piezoaktor 12 parallel geschaltet sind. Bei geschlossenem Schalter S3 wird durch diesen zusätzlichen Pfad eine noch weitergehende Entladung des Piezoaktors im entsprechenden Teil des Spannungsprofils erreicht.
Die Figuren 3 bis 6 zeigen zeitliche Verläufe für die Steuer¬ signale Ql, Q2, Q3 und die sich daraus ergebenden Spannungs¬ verläufe, Stromverläufe und Energieverläufe. So zeigt Figur 3 die Signalhöhen 120 für die Steuersignale Ql, Q2 und Q3 als Funktion der Zeit 200 in ms. Diese Signale sind Logiksignale welche den Wert 0 oder 1 annehmen können, wobei 0 jeweils ei¬ nem geöffneten Schalter und 1 einem geschlossenen Schalter entspricht. So ist während einer ersten Zeitspanne tl das erste Steuersignal Ql auf 1 und entsprechend der erste Schal- ter geschlossen, während die anderen Schalter geöffnet sind. Dies entspricht einer Ladephase für den Piezoaktor. In Figur 4 ist der entsprechende zeitliche Verlauf 132 der Spannung am Piezoaktor gezeigt, welcher als Spannung 130 in Volt aufgetragen ist. Dieser Spannungsverlauf weist während der ersten Zeitspanne tl entsprechend einen Anstieg in Form einer Lade¬ flanke 135 auf. In Figur 5 ist der entsprechende zeitliche Verlauf für den Strom 140 in Ampere an zwei unterschiedlichen Stellen gezeigt: So zeigt die Kurve 142 den Strom durch die Induktivität LI und die Kurve 144 zeigt den Strom durch den Entladewiderstand Rl . Während der ersten Zeitspanne tl ist hier ein positiver Strom durch die Induktivität mit einem Maximum zu erkennen. In Figur 6 ist der entsprechende zeitliche Verlauf für die Energie 150 in Joule gezeigt: So zeigt die Kurve 152 die Energie im Piezoaktor 12 und die Kurve 154 zeigt die Energie in der Induktivität LI . Während der ersten Zeitspanne Tl ergibt sich ein kurzzeitiger, niedriger Ener- giepeak in der Induktivität sowie ein flankenartiger kontinuierlicher Anstieg der Energie 152 im Piezoaktor. Auf die erste Zeitspanne tl folgt eine zweite Zeitspanne t2, in welcher alle Steuersignale auf Null gesetzt sind und ent¬ sprechend alle Schalter geöffnet sind. Während dieser Phase ergeben sich entsprechend keine Stromflüsse und keine nen¬ nenswerten Änderungen in den Spannungen und Energien.
Auf die zweite Zeitspanne t2 folgt eine dritte Zeitspanne t3, in welcher das zweite Steuersignal Q2 auf 1 gesetzt ist und entsprechend der zweite Schalter geschlossen ist. Dies ent¬ spricht einer Entladephase für den Piezoaktor. Entsprechend weist der Spannungsverlauf 132 in der Figur 4 hier eine ab¬ fallende Entladeflanke 136 auf. In Figur 5 weist die Kurve 142 für den Strom durch die Induktivität einen negativen Stromfluss auf. In der Figur 6 weist die Kurve 152 für die Energie im Piezoaktor ebenfalls eine abfallende Flanke auf und die Kurve 154 für die Energie in der Induktivität weist ein kurzzeitiges Maximum auf, ähnlich wie innerhalb der ers¬ ten Zeitspanne tl.
Im späteren Teil der dritten Zeitspanne t3 ist als Teil die¬ ser eine vierte Zeitspanne t4 enthalten, in welcher zusätzlich zum zweiten Schalter ebenfalls der dritte Schalter S3 geöffnet ist. Dies ist in Figur 3 dadurch erkennbar, dass das zugehörige an Steuersignal Q3 ebenfalls auf 1 gesetzt ist. Hierdurch wird eine zusätzliche Entladung des Piezoaktors über den parallelen Strompfad B2 bewirkt. Diese zusätzliche Entladung äußert sich in Figur 4 durch einen Knick in der Entladeflanke 136. In Figur 5 ist sie in Form eines negativen Strompeaks in der Kurve 144 erkennbar.
Auf die vierte Zeitspanne t4 folgt anschließend eine fünfte Zeitspanne t5, in welcher ähnlich wie beim Zeitpunkt 0 ms al¬ le Schalter geöffnet sind. Nach Ablauf der fünften Zeitspanne t5 kann die beschriebene Signalfolge in periodisch wiederkeh¬ render Weise wiederholt werden, wodurch sich ein periodisches Spannungsprofil aus Ladeflanken und Entladeflanken ergibt. Auf diese Weise kann ein Piezoaktor 12, welcher insbesondere Teil eines piezohydraulischen Aktors 10 ist, mit einer geeig¬ neten Spannungsamplitude und einer geeigneten Wiederholfre¬ quenz angesteuert werden. Dies ist gemäß der Erfindung mit einer vergleichsweise sehr einfachen Schaltung realisierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Aktoreinrichtung mit einem piezohydraulischen Aktor und einer Schaltungsanordnung (110) zum Betreiben eines piezohyd- raulischen Aktors (10), umfassend
- einen ersten Versorgungsanschluss (El) und einen zweiten Versorgungsanschluss (E2) zum Anlegen einer Versorgungsspannung,
- einen ersten Ausgangsanschluss (AI) und einen zweiten Aus- gangsanschluss (A2) zum Anschluss des piezohydraulischen Ak¬ tors, wobei der erste Ausgangsanschluss (AI) mit dem ersten Versorgungsanschluss (El) verbunden ist
- eine zwischen einem ersten Schaltungsknoten (Kl) und einem zweiten Schaltungsknoten (K2) angeordneten ersten Schaltungs- bereich (Bl), welcher insgesamt zwischen dem zweiten Versorgungsanschluss (E2) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordnet ist,
- eine Induktivität (LI), welche zwischen dem zweiten Schal¬ tungsknoten (K2) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) ange- ordnet ist,
- wobei der erste Schaltungsbereich (Bl) eine Parallelschal¬ tung von einem ersten Strompfad (PI) und einem zweiten Strompfad (P2) umfasst,
- wobei der erste Strompfad (PI) eine Serienschaltung aus ei- nem ersten ansteuerbaren Schalter (Sl) und einer ersten Diode
(Dl) umfasst und der zweite Strompfad (P2) eine Serienschal¬ tung aus einem zweiten ansteuerbaren Schalter (S2) und einer zweiten Diode (D2) umfasst.
2. Aktoreinrichtung nach Anspruch 1, welche ferner
- einen zwischen der Induktivität (LI) und dem zweiten Ausgangsanschluss (A2) angeordneten dritten Schaltungsknoten (K3) und einen zwischen erstem Versorgungsanschluss (El) und erstem Ausgangsanschluss (AI) angeordneten vierten Schal- tungsknoten (K4) aufweist,
- wobei zwischen drittem Schaltungsknoten (K3) und viertem Schaltungsknoten (K4) ein zweiter Schaltungsbereich (B2) angeordnet ist, welcher eine Serienschaltung aus einem dritten ansteuerbaren Schalter (S3) und einem Entladewiderstand (Rl) aufweist .
3. Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher die Induktivität (LI) einen Wert im Bereich zwischen 1 mH und 50 mH, insbesondere zwischen 5 mH und 10 mH auf¬ weist.
4. Aktoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste ansteuerbare Schalter (Sl) und/oder der zweite ansteuerbare Schalter (S2) als Transistor, insbesonde¬ re als Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist.
5. Aktoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zusätzlich eine Spannungsquelle (Ul) zwischen erstem
Versorgungsanschluss (El) und zweitem Versorgungsanschluss (E2) umfasst, welche als Gleichspannungsquelle ausgebildet ist und zumindest für eine Ausgabespannung ausgelegt ist, die in einem Bereich zwischen 30 V und 300 V liegt.
6. Aktoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche zur Erzeugung eines periodischen Spannungsprofils mit einer Wiederholfrequenz von wenigstens 100 Hz ausgelegt ist.
7. Aktoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren piezohydraulischer Aktor
- wenigstens einen Piezoaktor und
- eine Hydraulikeinheit umfasst, welche wenigstens eine An¬ triebskammer, eine Abtriebskammer und eine diese beiden Kam- mern verbindende hydraulische Leitung aufweist, und welche insgesamt mit einer hydraulischen Flüssigkeit befüllbar ist.
8. Aktoreinrichtung nach Anspruch 7,
- welche wenigstens ein die Antriebskammer teilweise begren- zendes Antriebskolbenelement aufweist, welches mittels des
Piezoaktors bewegbar ist, wobei durch Bewegen des Antriebs¬ kolbenelements eine Strömung der hydraulischen Flüssigkeit zwischen Antriebskammer und Abtriebskammer bewirkbar ist, - und welche in der Leitung zwischen Antriebskammer und Abtriebskammer wenigstens ein Rückschlagventil aufweist.
9. Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem der Piezoaktor als Piezostapelaktor ausgebildet ist.
10. Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei welcher der Piezoaktor eine elektrische Kapazität im Bereich zwischen 1 yF und 20 yF, insbesondere zwischen 4 yF und 6 yF, aufweist.
11. Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei welcher eine Beladezeit (Tc) für den Aktor und/oder eine Ent- ladezeit (Td) für den Aktor im Wesentlichen durch die Zeit t = ^ Ll x Cl
gegeben ist, wobei LI der Wert der Induktivität ist und Cl die Kapazität des Aktors ist.
12. Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei welcher der Piezoaktor einen effektiven ohmschen Gesamtwider- stand im Bereich zwischen 0,1 Ohm und 10 Ohm aufweist.
13. Verfahren zum Ansteuern eines piezohydraulischen Aktors mittels einer Schaltungsanordnung innerhalb einer Aktoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ,
welches wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
(a) Schließen des ersten ansteuerbaren Schalters (Sl),
(b) Aufladen des Piezoaktors,
(c) Öffnen des ersten ansteuerbaren Schalter (Sl),
(d) Schließen des zweiten ansteuerbaren Schalters (S2),
(e) zumindest teilweises Entladen des Piezoaktors,
(f) Öffnen des zweiten ansteuerbaren Schalters (S2) .
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Schritte (a) bis (f) in periodischer Abfolge mehrfach hintereinander aus- geführt werden, wobei die Wiederholfrequenz wenigstens 10 Hz, insbesondere wenigstens 100 Hz beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der zwischen Schritt (e) und Schritt (f) zusätzlich der folgende Schritt ausgeführt wird:
- Schließen des dritten ansteuerbaren Schalters (S3) .
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