-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines kapazitiven Stellglieds
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des
Verfahrens.
-
Aus
der
DE 197 33 560
A1 ist ein Verfahren zum Steuern eines kapazitiven Stellglieds
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein piezoelektrisches
Element als Stellglied verwendet, das über eine Spule mit einem Steuerstrom
geladen bzw. entladen wird und in Antwort auf den Steuerstrom eine
Hubbewegung durchführt.
Der Steuerstrom wird während
des Ladens bzw. Entladens des Stellglieds durch wiederholtes Betätigen eines
Ladeschalters bzw. eines Entladeschalters derart geregelt, daß das Stellglied
mit einem vorgegebenen mittleren Ladestrom bzw. Entladestrom geladen
bzw. entladen wird, wobei der Ladevorgang bzw. Entladevorgang beendet
wird, wenn die Spannung am Stellglied jeweils einen vorgegebenen
Spannungsendwert erreicht hat. Hierzu werden der Steuerstrom und
die sich am Stellglied einstellende Spannung mit geeigneten Sensoren
erfaßt
und von einer Regeleinrichtung ausgewertet.
-
Der
wesentliche Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Hubbewegung
einen fest vorgegeben Verlauf aufweist.
-
Aus
der
DE 199 21 456
A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Steuern eines kapazitiven
Stellglieds gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Aktor
beim Öffnen
und Schließen
des Ventils nur über
einen Teilhub mit maximaler Steigung umgeladen. Nach einer Pause
wird mit einem weiteren Hub und einer anderen Steigung, die kleiner
ist als die erste maximale Steigung, der endgültige Hub erreicht. Die Restladephase
wird so gewählt,
daß für das mechanische
System ein aperiodischer Übergang
zum Endwert angenähert
wird.
-
Der
wesentliche Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass zur Steuerung
des Stellglieds der Strom verwendet wird und nicht eine von der
Ladung und vom Steuerstrom direkt abhängige Größe.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 anzugeben, das auf einfache und kostengünstige Weise
die freie Vorgabe des Verlaufs der Hubbewegung ermöglicht.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur
Durchführung
des Verfahrens anzugeben.
-
Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch
die Merkmale des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird ein kapazitives Stellglied, insbesondere ein piezoelektrischer
Aktuator, durch einen Steuerstrom geladen oder entladen, woraufhin
das Stellglied eine vom Steuerstrom abhängige Hubbewegung durchführt. Zur
Steuerung der Hubbewegung wird eine von der Ladung des Stellglieds
abhängige
Größe als Regelgröße erfaßt und durch
Steuerung des Steuerstroms einer Führungsgröße nachgeregelt, wobei die
Steuerung des Steuerstroms durch wiederholtes Betätigen eines
Ladeschalters während
des Ladens des Stellglieds bzw. durch wiederholtes Betätigen eines
Entladeschalters während
des Entladens des Stellglieds erfolgt. Der zeitliche Verlauf der
Führungsgröße wird dabei
derart vorgegeben, daß aus
der Regelung der Regelgröße ein vorgegebener
zeitlicher Verlauf des Hubs des Stellglieds resultiert. Durch die
Regelung der Regelgröße wird
somit auch die Hubbewegung des Stellglieds geregelt.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Erfassung
der Regelgröße auf die Erfassung
einer am Stellglied anliegenden Spannung zurückgeführt, da diese Spannung von
der elektrischen Ladung des Stellglieds abhängig ist.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die
Regelgröße als Größe erfaßt, die
sowohl von der Ladung des Stellglieds als auch vom Steuerstrom,
also von der zeitlichen Änderung
der Ladung, abhängig
ist. Vorzugsweise wird die Regelgröße hierbei als gewichtete Summe
aus einer von der Ladung des Stellglieds abhängigen Größe, insbesondere aus einer
zur Ladung proportionalen Größe, und
einer vom Steuerstrom abhängigen
Größe, insbesondere
einer zum Steuerstrom proportionalen Größe, erfaßt.
-
Vorzugsweise
wird der Steuerstrom während des
Ladens bzw. Entladens des Stellglieds über eine zum Stellglied in
Reihe geschaltete kapazitive Shuntimpedanz geführt und die Regelgröße als Spannung erfaßt, die
an der Shuntimpedanz anliegt, wobei die Shuntimpedanz vorteilhafterweise
als Reihenschaltung aus einem Shunt kondensator und einem Shuntwiderstand
ausführt
ist. Durch den Shuntwiderstand wird sichergestellt, daß keine
unerwünschten Schwingungen
aufgrund der für
die Regelung unerläßlichen
Rückkopplung
entstehen. Die Verwendung eines Shuntkondensators zur Erfassung
der Regelgröße erweist
sich dabei als besonders vorteilhaft, da der der Ladung des Stellglieds
entsprechende Signalanteil aus der Regelgröße dann weitgehend unabhängig von
Temperaturänderungen
und Hystereseeffekten ist.
-
Das
Verfahren läßt sich
auf einfache Weise mit einer Schaltungsanordnung durchführen, die
in einem Lastzweig eine Reihenschaltung aus dem Stellglied, der
kapazitiven Shuntimpedanz und einem induktiven Bauelement enthält, wobei
der Lastzweig über
den Ladeschalter und eine zum Ladeschalter parallel geschaltete
erste Diode mit einem ersten Anschluß eines Speicherkondensators
sowie über
den Entladeschalter und eine zum Entladeschalter parallel geschaltete
zweite Diode mit einem zweiten Anschluß des Speicherkondensators
verbunden ist, der Speicherkondensator mit einer Gleichspannungsquelle
verbunden ist und eine Regeleinrichtung zur Regelung der Regelgröße durch
Betätigung
des Ladeschalters bzw. des Entladeschalters vorgesehen ist. Das
induktive Bauelement ist zur Begrenzung des Steuerstroms vorgesehen.
Es kann als Spule ausgeführt
sein, die bei Taktung des Lade- und
Entladeschalters mit kurzen Schaltzeiten klein dimensioniert sein
kann. Die Verwendung des induktiven Bauelements als strombegrenzendes
Bauelement führt
bei einem periodischen Betrieb zu einem hohen Wirkungsgrad, da ein
Teil der elektrischen Ladung aus einem Zyklus für den nächsten Zyklus gespeichert wird.
-
Ein
weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß es bestens
für den
Einsatz in Kraftfahrzeugen zur Steuerung piezoelektrischer Aktuatoren
in Kraftstoffeinspritzventilen geeignet ist. Bei einem derartigen
Anwendungsfall ermöglicht
das Verfahren die schnelle Betätigung
des Kraftstoffeinspritzventils, die Steuerung des Ventilhubs, beispielsweise
das Öffnen des
Ventils bis zu einer halb offenen Stellung, die Verlaufsformung
der Kraftstoffeinspritzmengen und die Einspritzung geringer Kraftstoffmengen
während einer
Vor- oder Nacheinspritzung. Von Vorteil ist hierbei die Regelung
der die elektrische Ladung des Stellglieds als maßgebende
Größe enthaltenden
Regelgröße, da die
Ladung ein Maß der
Hubbewegung des Stellglieds und des Ventilhubs ist und somit kein Hubsensor
zur Ermittlung des Ventilhubs benötigt wird.
-
Die
Dauer des Öffnungs-
und Schließvorgangs
bei der Betätigung
des Kraftstoffeinspritzventils läßt sich
aufgrund der Regelung der Hubbewegung unabhängig von Bauteiletoleranzen
und Umgebungseinflüssen,
insbesondere der Temperatur, steuern. Des weiteren läßt sich
die Hubbewegung durch die Vorgabe der Führungsgröße derart steuern, daß keine
mechanischen Schwingungen auftreten. Dies wird erreicht durch eine
gezielte Vorgabe des Hubverlaufs derart, daß dieser Verlauf in einer Endphase
der Hubbewegung eine abnehmende Steilheit aufweist und somit einer
Kurve entspricht, die sich beispielsweise kosinusförmig, parabelförmig oder
exponentiell allmählich
einem gewünschten Endwert
annähert.
Das Kraftstoffeinspritzventil wird dann sanft in seine Entstellungen
oder in eine gewünschte
frei vorgebbare Zwischenposition gefahren und somit nicht oder nur
in geringem Maße
zum Schwingen angeregt.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher beschrieben. Es
zeigen:
-
1a eine
Prinzipdarstellung eines Kraftstoffeinspritzventils mit einem kapazitiven
Stellglied,
-
1b eine
Prinzipdarstellung eines weiteren Kraftstoffeinspritzventils mit
einem kapazitiven Stellglied,
-
2 eine
Prinzipdarstellung einer Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stellglieds
aus 1a oder 1b,
-
3 den
Sollwert- und Istwertverlauf einer mit der Schaltungsanordnung aus 2 erfaßten und
geregelten Regelgröße,
-
4 den
Sollwert- und Istwertverlauf der elektrischen Ladung des Stellglieds
aus 1a oder 1b,
-
5 den
zeitliche Verlauf des Hubs des Stellglieds aus 1a oder 1b.
-
Gemäß 1a weist
ein in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Benzin-
oder Dieseldirekteinspritzung eingesetztes Kraftstoffeinspritzventil
ein kapazitives Stellglied P sowie ein Stellelement E1 auf, welches
in eine zur Kraftstoffeinsprit zung vorgesehene Ventilöffnung E0
hineinragt. Das Stellglied P ist als piezoelektrischer Aktuator
ausgeführt,
der durch einen Steuerstrom IP geladen oder entladen
wird und somit die Eigenschaft aufweist, sich in Abhängigkeit
der Änderung
seiner elektrischen Ladung auszudehnen oder zusammenzuziehen. Durch
diese aus dem Laden oder Entladen des Stellglieds P resultierende
Längenänderung – der Hubbewegung
Stellglieds P – wird
das Stellglied E1 um einen Hub h bewegt, was ein Öffnen oder
Schließen
der Ventilöffnung
E0 zur Folge hat.
-
1b zeigt
ein weiteres Beispiel eines Kraftstoffeinspritzventils, das im Gegensatz
zu dem Kraftstoffeinspritzventil aus 1a durch
eine Reduzierung des Hubs h geschlossen wird. Dieses weitere Kraftstoffeinspritzventil
weist ebenfalls eine Ventilöffnung
E0 und eine Stellelement E1 auf; das Stellelement E1 ist jedoch
durch die Ventilöffnung
E0 hindurchgeführt
und es weist an dem dem Stellglied P entgegengesetztem Ende einen
Kopf auf, der sich bei offenem Kraftstoffeinspritzventil in einer
von der Ventilöffnung
E0 beabstandeten Position befindet und der zum Schließen der
Ventilöffnung
E0 durch eine Kontraktion des Stellglieds P in eine Position gebracht
wird, in der er an einer der Kopfform angepaßten Wandung der Ventilöffnung E0
anliegt. Diese Position wird beispielsweise bei einer am Stellglied
P anliegenden Spannung UP von UP =
0 V, d. h. bei entladenem Stellglied P erreicht, so daß die Ruhestellung
des Kraftstoffeinspritzventils eine Geschlossen-Stellung ist.
-
Gemäß 2 weist
die Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stellglieds P einen Lastzweig
Z mit dem Stellglied P, mit einer Spule L zur Begrenzung des Steuerstroms
IP und mit einer kapazitiven Shuntimpedanz
X auf, die zwischen zwei Anschlüssen
N1, N2 des Lastzweigs in Reihe geschaltet sind. Die Shuntimpedanz
X weist ihrerseits einen Shuntkondensator CS und einen dazu in Reihe
geschalteten Shuntwiderstand RS auf. Einer der Anschlüsse N1 des
Lastzweigs Z ist über
einen Ladeschalter SW1 und eine dazu parallel geschaltete erste
Diode D1 mit einem ersten Anschluß eines Speicherkondensators
C0 verbunden und er ist ferner über
einen Entladeschalter SW2 und eine dazu parallel geschaltete zweite
Diode D2 mit dem anderen Anschluß N2 des Lastzweigs Z verbunden,
welcher seinerseits mit dem zweiten Anschluß des Speicherkondensators
C0 verbunden, ist und als Masseanschluß ausgeführt sein kann. Die beiden Anschlüsse des
Speicherkondensators C0 sind an eine über einen Versorgungsschalter
SW0 zuschaltbare Gleichspannungsquelle V0 angeschlossen. Der Lastzweig Z,
die Dioden D1, D2, die Schalter SW0, SW1, SW2 der Speicherkondensator
C0 und die Gleichspannungsquelle V0 bilden dabei einen Leistungsteil
der Schaltungsanordnung.
-
Die
Schaltungsanordnung umfaßt
weiterhin einen Regelteil mit einem Steuergerät S1, einem durch das Steuergerät S1 angesteuerten
Sollwertgenerator S0, einem durch den Sollwertgenerator S0 angesteuerten
Komparator K mit Hystereseschaltverhalten und einer durch das Steuergerät S1 und den
Komparator K angesteuerten Regelstufe S2, die ihrerseits den Ladeschalter
SW1 und den Entladeschalter SW2 ansteuert.
-
Bei
der Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung wird der Speicherkondensator
C0 über
den Versorgungsschalter SW0 aus der Gleichspannungsquelle V0 auf
eine zum Betrieb des Stellglieds P erforderliche Spannung aufgeladen.
Anschließend
wird der Versorgungsschalter SW0 geöffnet und während des Betriebs wiederholt
nur kurzzeitig geschlossen, um Ladungsverluste, die aus ohmschen
Verlusten resultieren, zu kompensieren. Während des Betriebs werden der
Ladeschalter SW1 bzw. der Entladeschalter SW2 wiederholt geöffnet und
geschlossen, so daß hieraus
ein getaktetes Laden bzw. Entladen des Stellglieds P resultiert.
Der hierbei durch das Stellglied P fließende Steuerstrom IP fließt
gleichzeitig auch durch den Shuntkondensator CS, so daß die im
Shuntkondensator CS gespeicherte elektrische Ladung proportional
zur Ladung des Stellglieds P ist und der Shuntkondensator CS somit
ebenfalls getaktet geladen bzw. entladen wird.
-
Beim
Ladevorgang ist der Entladeschalter SW2 stets offen und die erste
Diode D1 stets gesperrt während
beim Entladevorgang der Ladeschalter SW1 stets offen und die zweite
Diode D2 stets gesperrt ist. Der Leistungsteil der Schaltungsanordnung setzt
sich somit aus einem beim Ladevorgang wirksamen Tiefsetzsteller
und einem beim Entladevorgang wirksamen Hochsetzsteller zusammen,
wobei der Tiefsetzsteller den Speicherkondensator C0, den Ladeschalter
SW1, die zweite Diode D2 und den Lastzweig Z und der Hochsetzsteller
den Speicherkondensator C0, den Entladeschalter SW2, die erste Diode
D1 und den Lastzweig Z umfaßt.
-
Die
Spule L wirkt als Energiespeicher, dem elektrische Energie vom Speicherkondensator
C0 (beim Ladevorgang) bzw. vom Stellglied P (beim Entladevorgang)
zugeführt
wird. Diese Energie wird in der Spule L als magnetische Energie
gespeichert und nach einer Betätigung
des Ladeschalters SW1 (beim Ladevorgang) bzw. des Entladeschalters
SW2 (beim Entladevorgang) an das Stellglied P bzw. den Speicherkondensator
C0 als elektrische Energie abgegeben. Die Zeitpunkte und die Dauer
der Energiespeicherung und der Energieabgabe werden dabei durch die
Schalterbetätigungen
bestimmt. Somit läßt sich auch
der dem Stellglied P zugeführte
oder vom Stellglied P abgeführte
Steuerstrom IP durch die Schalterbetätigungen
steuern.
-
Als
Folge des durch das Stellglied P fließenden Steuerstroms IP liegt an der Shuntimpedanz X eine Regelspannung
UX an, die sich aus einer am Shuntwiderstand
RS anliegenden Spannung UR und einer am
Shuntkondensator CS anliegenden Spannung UC zusammensetzt.
Die am Shuntwiderstand RS anliegende Spannung UR ist
dabei proportional zum Steuerstrom IP und
die am Shuntkondensator CS anliegende Spannung UC proportional
zu der elektrischen Ladung des Stellglieds P. Die Regelspannung
UX entspricht somit der gewichteten Summe
aus elektrischer Ladung des Stellglieds P und Steuerstrom IP und sie stellt die mit dem Regelteil der Schaltungsanordnung
zu regelnde Regelgröße dar, aus
deren Regelung die Regelung des Hubverlaufs h des Stellglieds P
resultiert.
-
Zur
Regelung des Hubverlaufs h des Kraftstoffeinspritzventils ist es
erforderlich die gewünschten
Zeitpunkte der Betätigung
des Kraftstoffeinspritzventils, die gewünschte Bewegungsrichtung des Kraftstoffeinspritzventils
sowie die gewünschte
Höhe des
Hubs h vorzugeben. Diese Aufgabe wird im vorliegenden Beispiel vom
Steuergerät
S1 übernommen.
Das Steuergerät
S1 kann weiterhin bestimmen, ob eine Vor- oder Nacheinspritzung
vorgenommen werden soll. Der Sollwertgenerator S0 erzeugt in Abhängigkeit
der Vorgaben des Steuergeräts
S1 eine Sollspannung US, die im Komparator
K mit der als Regelgröße erfaßten Regelspannung
UX verglichen wird. Das Ergebnis dieses
Vergleichs wird der Regelstufe S2 zugeführt, die in Abhängigkeit
dieses Ergebnisses beim Ladevorgang den Ladeschalter SW1 und beim
Entladevorgang den Entladeschalter SW2 wiederholt betätigt und
den Steuerstrom IP hierdurch derart steuert,
daß die
Regelspannung UX der Sollspannung US nachgeregelt wird. Die Entscheidung, welcher
der Schalter SW1, SW2 betätigt
werden soll, wird dabei vom Steuergerät S1 getroffen.
-
Aus
der Regelung der Regelspannung UX resultiert
ein durch die Sollspannung US bestimmter Verlauf
der elektrischen Ladung des Stellglieds P. Die Ladung des Stellglieds
P ist proportional zum Hub h des Stellglieds P und sie ist zudem,
was sich als besonders vorteilhaft erweist, temperaturunabhängig. Somit
resultiert aus der Re gelung der Regelspannung UX auch
ein durch die Sollspannung US bestimmter
Verlauf des Hubs h. Der Sollwertverlauf der Sollspannung US wird vom Sollwertgenerator S0 daher derart
vorgegeben, daß aus
der Regelung der Regelspannung UX ein Verlauf
der elektrischen Ladung des Stellglieds P resultiert, der dem gewünschten
Verlauf des Hubs h entspricht.
-
Mit
der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung wird aufgrund des Hystereseschaltverhaltens des
verwendeten Komparators K eine Zwei-Punkt-Regelung durchgeführt, so
daß man
als Regelspannung UX ein Signal erhält, das,
wie in 3 gezeigt, innerhalb eines durch die Schaltschwellen
des Komparators K definierten Bandes um die Sollspannung US schwankt.
-
Gemäß 4 resultiert
aus der Regelung der Regelspannung UX eine
Ladung QX des Stellglieds P, deren Verlauf
einem Sollwertverlauf QS nacheilt. Der Sollwertverlauf
QS ist dabei proportional zum Sollwertverlauf
der Sollspannung US. Die Ursache dieser
Nacheilung ist im Shuntwiderstand RS zu finden, der bewirkt, daß für die Regelspannung
UX bei Vernachlässigung des Hystereseschaltverhaltens des
Komparators K in guter Näherung
gilt: UX = k1·QX + k2·IP
= k1·QX +
k2·dQX/dt,wobei k1, k2 Proportionalitätskonstanten
darstellen, die von dem Shuntkondensator CS bzw. dem Shuntwiderstand
RS abhängig
sind, QX die Ladung des Stellglieds P darstellt,
IP den Steuerstrom, d. h. die zeitliche Änderung
der Ladung QX darstellt, k1·QX den Spannungsabfall am Shuntkondensator
CS darstellt und k2·IP den Spannungsabfall am Shuntwiderstand
RS darstellt. Das Verhältnis
Ladung QX zu Regelspannung UX entspricht
somit der Übertragungsfunktion
eines Verzögerungsglieds
erster Ordnung, dessen Zeitkonstante allein durch die Proportionalitätskonstanten
k1, k2 und somit allein durch die Werte des Shuntkondensators CS
und des Shuntwiderstands RS bestimmt wird. Die Ladung QX eilt
somit einer der Regelspannung UX entsprechenden
Ladung nach. Bei auf die Sollspannung US eingeregelter
Regelspannung UX eilt die Ladung QX somit auch einer der Sollspannung US entsprechenden Ladung Q, also dem Sollwertverlauf
QS, nach.
-
5 zeigt
den aus der Regelung der Regelspannung UX resultierenden
zeitlichen Verlauf des Hubs h. Dieser Verlauf entspricht dem in 4 gezeigten
Verlauf der Ladung QX und er läßt sich
ohne weiteres durch eine entsprechende Vorsteuerung der Sollspannung
US zeitlich verschieben. Der Hub h weist
im vorliegenden Fall eine kosinusförmige Zeitabhängigkeit
auf, d. h sein Verlauf weist in der Bewegungsendphase keine Knickstellen
auf. Dies hat zur Folge, daß die
Nadel E1 des Kraftstoffeinspritzventils sanft in ihre gewünschte Zwischen-
oder Endstellung bewegt wird, so daß keine unerwünschten
mechanischen Belastungen auftreten, die das Entstehen von mechanischen
Schwingungen in Kraftstoffeinspritzventil begünstigen würden.
-
Der
wesentliche Vorteil des beschriebenen Regelverfahrens liegt jedoch
in der Regelung einer die Ladung QX des
Stellglieds als maßgebende
Größe enthaltenden
Regelgröße. Da die
Ladung QX unabhängig von Temperaturänderungen
ist, erhält
man somit ein von Temperaturschwankungen weitgehend unabhängiges Regelverfahren.