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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen
Elements mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten
Merkmalen.
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Piezoelektrische
Elemente werden in der Technik in zunehmendem Maße als Aktoren oder Stellglieder
eingesetzt, bei denen das betreffende Stellglied schnelle und/oder
häufige
Bewegungen auszuführen
hat. Dabei wird der Effekt genutzt, dass die piezoelektrischen Elemente
kapazitive Verbraucher sind, die sich entsprechend dem jeweiligen
Ladezustand bzw. der sich daran einstellenden oder angelegten Spannung
zusammenziehen oder ausdehnen.
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So
ist es beispielsweise gemäß der
DE 198 39 732 C2 vorbekannt,
ein piezoelektrisches Element als Betätigungseinrichtung zum Öffnen und
Verschließen
der Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren einzusetzen. Bei den
zu realisierenden schnellen Öffnungs-
und Verschließvorgängen der Gaswechselventile
sind zur Betätigung
des Piezos schnelle Lade- und Entladevorgänge bei einem hohen Lade- bzw.
Entladestrom erforderlich. Als Folge können dazu im piezoelektrischen
Element mehr oder weniger stark ausgeprägte Eigenschwingungen auftreten,
die sich mit den gewünschten
Bewegungen des Piezos überlagern
und somit zu Störungen des Öffnungs-
und Schließvorganges
der Ventile führen
können.
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In
der 1 ist die Ansteuerung
eines piezoelektrischen Elements mit einem Stromimpuls und eine
entsprechende Ausdehnung des piezoelektrischen Elements gemäß dem Stand
der Technik dargestellt. Dabei zeigt die Kurve 1 die Bewegung
des piezoelektrischen Elements durch den als Kurve 3 dargestellten
Stromimpuls. Die Kurve 2 stellt die Spannung am Piezo dar.
Aus der 1 ist zu entnehmen,
dass das piezoelektrische Element seine Zielposition erstmals nach
ca. 40 μs
erreicht, aber starke Eigenschwingungen aufweist. Diese klingen
erst nach mehr als 500 μs
ab.
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Es
ist bekannt, das piezoelektrische Element mit einem geglätteten Stromverlauf
anzusteuern, um somit dessen Eigenschwingungen zu vermindern. In 2 ist ein derartiger Vorgang
dargestellt. Dabei ist mit der Kurve 1 wiederum die Bewegung
des piezoelektrischen Elements, mit der Kurve 2 die Spannung am
Piezo und mit der Kurve 3 der eingeleitete Stromimpuls
dargestellt. Aus der 2 ist
erkennbar, dass der Piezo seine angestrebte Zielposition erst nach
ca. 200 μs
erreicht. Dieses ist bei einem Einsatz im Einspritzsystem eines
Kraftfahrzeuges zum Öffnen
und Schließen
der Ventile unakzeptabel.
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Aus
der
DE 197 33 560
A1 ist ein Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements
vorbekannt, bei dem zur Verringerung der auftretenden Eigenschwingungen
das Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements getaktet durch
Schließen
und Öffnen
eines im Ladestromkreis angeordneten Schalters erfolgt. Durch das
wiederholte Schließen
und Öffnen
des Ladeschalters steigt die sich am piezoelektrischen Element einstellende Spannung
und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements stufenweise an.
Dadurch kann das piezoelektrische Element in beliebig vielen, beliebig großen und
in beliebigen Zeitabständen
aufeinanderfolgenden Stufen geladen und entladen werden.
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Nachteil
dabei ist, dass durch das getaktete Laden und Entladen die angestrebte
Zielposition des Piezos erst nach einer unbefriedigenden Zeitdauer, so
wie in 2 dargestellt,
erreicht wird.
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Aus
der
DE 199 21 456
A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen
Aktors vorbekannt, bei dem zur Vermeidung des Überschwingens und Prellens
eines mit einem piezoelektrischen Aktor ausgestatteten Hochdruckeinspritzventils
der Aktor beim Öffnen
und Schließen
nur über
einen Teilhub mit maximaler Stromstärke umgeladen und nach einer
Pause über
einen weiteren Hub geringerer Stromstärke auf den endgültigen Hub
umgeladen wird.
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Vorbekannt
ist aus der
DE 101
51 421 A1 eine Antriebsschaltung für einen Piezostapel, der zu dessen
Längenänderung
elektrisch auf- und entladen wird. Die Aufladung des Piezoelements
erfolgt mittels eines Aufladestroms aus einer Gleichstromversorgung.
Durch wiederholtes Ein- und Ausschalten des zum Aufladen zugeführten Aufladestromes bildet
der Signalverlauf des Aufladestroms dabei eine Dreiecksform. Mit
ansteigender Spannung im Piezostapel erfolgt eine Verringerung des
Aufladestroms. Der Endwert für
die Aufladung des Piezostapels wird erst nach ca. 150 μs bis ca.
200 μs erreicht.
Eine Dämpfung
der auftretenden Eigenschwingungen bei einem Lade- und Entladevorgang
des Piezos sowie die Ansteuerung mit einem abklingenden Wechselstrom
als Lade- bzw. Entladestrom erfolgt nicht.
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Vorbekannt
ist aus der
DE 298
24 221 U1 die Ansteuerung eines piezoelektrischen Biegewandlers mittels
einer Gleichspannung, wobei bei einer positiven Amplitude des Spannungsimpulses
eine Ausbiegung des Biegewandlers in eine Richtung und bei einer
negativen Amplitude in die entgegengesetzte Richtung erfolgt. Die
zwischen den jeweiligen maximalen Auslenkungen des Biegewandlers
liegende Zeit liegt zwischen 5 ms und 200 ms. Zum Abbremsen der
Ausbiegungsbewegung des Biegewandlers und zum Vermeiden von Schwingungen
infolge des Aufpralls des mit dem Biegewandler verbundenen Antriebshebels
wird dem Spannungsimpuls ein Gegenimpuls überlagert. Es erfolgt die Ansteuerung
mittels einer Gleichspannung, die zum Vermeiden von Schwingungen
mit einem Gegenimpuls überlagert wird.
Eine Ansteuerung mit einem abklingenden Wechselstrom, dessen Frequenz
oberhalb der mechanischen und elektrischen Grenzfrequenz des piezoelektrischen
Elements liegt, erfolgt nicht.
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Vorbekannt
ist aus der
DE 103
14 566 A1 eine Ansteuerung eines Piezos mittels einer Gleichstromquelle,
die von einem Gleichspannungswandler des Zerhackertyps gebildet
wird. Die Aufladung und Entladung erfolgt analog der
DE 101 51 421 A1 . Eine Ansteuerung
mit einem abklingenden Wechselstrom wird nicht vorgenommen.
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Aus
der
DE 199 52 950
A1 ist die Ansteuerung des Lade- und Entladevorgangs eines
Piezos durch ein pulsweitenmoduliertes Signal vorbekannt. Auch hier
wechselt der Ladestrom sein Vorzeichen nicht.
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Eine
Ansteuerung zum Laden und Entladen eines Piezos mittels einer getakteten
Gleichspannung ist der
DE
198 14 594 A1 zu entnehmen. Auch hier wird kein abklingender
Wechselstrom zur Ansteuerung genutzt.
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Der
Stand der Technik zeigt kein Verfahren zum Laden und Entladen und
zur Dämpfung
der Eigenschwingungen eines piezoelektrischen Elements mittels eines
abklingenden Wechselstromes, dessen Frequenz oberhalb der mechanischen
und elektrischen Grenzfrequenz des piezoelektrischen Elements liegt
und bei dem der Stromverlauf während des
Ladens bzw. Entladens des Piezos sein Vorzeichen wechselt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden und
Entladen eines piezoelektrischen Elements dahingehend weiter zu
entwickeln, dass die zu erreichende Zielposition des piezoelektrischen
Elements nach dessen Ansteuerung in einem kurzen Zeitraum erreicht
wird und auftretende Eigenschwingungen des piezoelektrischen Elements aktiv
bedämpft
werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Dadurch,
dass dem piezoelektrischen Element ein abklingender Wechselstrom
zur Auslösung einer
Längenänderung
des piezoelektrischen Elements zugeführt wird, werden auftretende
Eigenschwingungen des piezoelektrischen Elements aktiv bedämpft. Der
abklingende Wechselstrom wird dabei vorteilhafterweise mit dem an
sich bekannten Lade- bzw. Entladestrom überlagert. Die Frequenz des überlagerten
Wechselstroms liegt dabei oberhalb der Grenzfrequenz des piezoelektrischen
Elements. Das hat zur Folge, dass der überlagerte Wechselstrom gezielt
die innere Spannungs-Weg-Hystrese des piezoelektrischen Elements
durchläuft,
wobei die Bewegungsenergie der Eigenschwingungen in thermische Energie
umgewandelt wird.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass beim
Laden und Entladen des piezoelektrischen Elements der Aktuator bereits nach
ca. 50 μs
seine Endlage erreicht, wobei Eigenschwingungen des piezoelektrischen
Elements durch die aktive Bedämpfung
weitestgehend vermieden werden. Dadurch kann man die Vorteile eines
piezoelektrischen Elements für
deutlich schnellere Bewegungsvorgänge bei entsprechend großen Stellkräften und
bei variablen, steuerbaren Verstellwegen nutzen. Damit sind die
piezoelektrischen Elemente im Kraftfahrzeugbau beispielsweise zum Öffnen und Schließen von
Gaswechselventilen, von Ventilen des Kraftstoffeinspritzungssystems
und zur hochdynamischen Nockenwellenverstellung einsetzbar. Die
erfindungsgemäße Lösung ist
aber für
alle Einsatzgebiete nutzbar, in dem piezoelektrische Elemente als
Verstellelemente eingesetzt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben,
sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
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Anhand
von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
In den dazugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1:
ein Diagramm zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements gemäß dem Stand
der Technik,
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2:
ein weiteres Diagramm zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements
gemäß dem Stand
der Technik und
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3:
ein Diagramm zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements gemäß der erfindungsgemäßen Lösung.
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In
der 1 und 2 ist, wie bereits oben beschrieben,
jeweils ein Diagramm dargestellt, aus dem gemäß den bekannten Verfahren die
Auslenkung 1 bzw. Bewegung des piezoelektrischen Elements
bei Ansteuerung des piezoelektrischen Elements mit einem Stromimpuls 3 zu
entnehmen ist. Mit 2 ist die Spannung dargestellt, die
am piezoelektrischen Element bei einem entsprechenden Stromimpuls 3 anliegt.
Aus der 1 ist erkennbar, dass bei Ansteuerung
mit einem Stromimpuls 3 die Auslenkung 1 des piezoelektrischen
Elements durch starke Eigenschwingungsbewegungen gekennzeichnet
ist, die dann schwach gedämpft
abklingen. Außerdem
ist ersichtlich, dass die Auslenkung 1 und die Spannung 2 gegenläufig sind,
wenn das piezoelektrische Element mit einer Eigenfrequenz schwingt.
Aus der 2 ist zu entnehmen, dass bei
Ansteuerung des piezoelektrischen Elements mit einem verschliffenen Stromimpuls 3 die
Eigenfrequenz des piezoelektrischen Elements kaum noch angeregt
wird. Das piezoelektrische Element benötigt aber ca. 200 μs, um seine
Endlage zu erreichen. Diese Zeitspanne ist aber in der Automobilindustrie
zur Betätigung
von Gaswechselventilen oder Einspritzventilen unakzeptabel.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements basiert
auf einer aktiven Dämpfung
der beim Laden und Entladen entstehenden Eigenschwingungen des piezoelektrischen
Elements. Erreicht wird das da durch, dass der dem piezoelektrischen
Element zugeführte
Lade- bzw. Entladestrom IA ein abklingender Wechselstrom
IW(t) ist.
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In
vorteilhafter Weise wird der abklingende Wechselstrom IW(t)
mit einem an sich bekannten Lade- bzw. Entladestrom (IA)
zu einem resultierenden Stromverlauf (3), so wie er in
der 3 dargestellt ist, überlagert. Der zum Laden bzw.
Entladen des piezoelektrischen Elements eingeprägte resultierende Stromverlauf 3 wechselt
dabei sein Vorzeichen, so wie es in 3 ersichtlich
ist. Weiterhin besteht vorzugsweise der Stromverlauf des abklingenden
Wechselstroms IW(t) aus einzelnen Rechteckimpulsen.
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Der
Wechselstrom I
W für sich erzeugt Spannungsänderungen
U
W(t) an dem piezoelektrischen Element,
die sich aus dem Integral des Stroms I
W(t) und
der Kapazität
C
P(t) des piezoelektrischen Elements berechnen
lassen:
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Normalerweise
wird angenommen, dass die Längenänderung
des piezoelektrischen Elements ungefähr proportional zur Piezo-Spannung
ist. Dieser Zusammenhang gilt aber nur, wenn das piezoelektrische
Element deutlich unterhalb seiner mechanischen und elektrischen
Grenzfrequenz betrieben wird. Die Frequenz des überlagerten Wechselstroms IW und somit auch die an dem piezoelektrischen
Element anliegende Spannung UW wird bewusst
so hoch gewählt,
dass für
sie dieses Kriterium nicht erfüllt
ist und dass somit die Wechselspannung UW nur
geringe direkte Auswirkungen auf die Bewegung des piezoelektrischen
Elements hat.
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Der
dem Lade- bzw. Entladestrom IA überlagerte
abklingende Wechselstrom IW(t), mit einer
Frequenz oberhalb der mechanischen und elektrischen Grenzfrequenz
des piezoelektrischen Elements, durchläuft gezielt die innere Spannungs-Weg-Hysterese
des piezoelektrischen Elements. Die durch die Eigenschwingungen
des piezoelektrischen Elements hervorgerufene Bewegungsenergie wird
dadurch in thermische Energie umgewandelt. Das piezoelektrische
Element erfährt
durch dieses Verfahren eine zusätzliche
innere Dämpfung,
die die Eigenschwingungen stark dämpft. Die Umwandlung der Bewegungsenergie
in Wärmeenergie
und der damit verbundene Energieverlust durch den höheren resultierenden Stromverlauf
zur Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente wird bewusst in Kauf
genommen, da die Vorteile eines schnellen Erreichens einer Endstellung des
piezoelektrischen Elements bei stark gedämpften Eigenschwingungen überwiegen.
Die bei der Dämpfung
entstehende Wärme
ist jedoch in vielen Applikationen vertretbar. Die Stärke der
Dämpfung der
Eigenschwingungen des piezoelektrischen Elements ist durch Änderung
der Amplitude und/oder der Frequenz des überlagerten Wechselstroms IW(t) einstellbar.
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Wichtig
ist, dass die Frequenz des überlagerten
Wechselstroms IW(t) nicht in einem festen
Verhältnis
zur Eigenfrequenz des piezoelektrischen Elements gewählt werden
muss. Sie kann unter Abwägung
der zulässigen
Verlustleistung im piezoelektrischen Element, der Schnelligkeit
und der Größe des zu
erreichenden Endzustandes des piezoelektrischen Elements sowie dem
jeweils zulässigen
Einfluss auf die Länge
des piezoelektrischen Elements frei im Bereich oberhalb der Grenzfrequenz
des piezoelektrischen Elements gewählt werden.
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In 3 ist
das Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements bei entsprechender
erfindungsgemäßer Ansteuerung
dargestellt. Dem Lade- bzw. Entladestrom ist dabei ein abklingender
Wechselstrom mit ca. 10 kHz überlagert
worden, wobei in der 3 der dabei entstehende resultierende Stromverlauf
durch die Kurve 3 gekennzeichnet ist. Der abklingende Wechselstrom
setzt dabei die Bewegungsenergie der Eigenschwingungen des piezoelektrischen
Elements beim Durchlaufen der inneren Hysterese des piezoelektrischen
Elements in Wärmeenergie
um. Aus der 3 ist zu erkennen, dass das
piezoelektrische Element bereits nach ca. 50 μs seine gewünschte Endlage bei stark gedämpften Eigenschwingungen
des piezoelektrischen Elements erreicht hat. (Kurve 1)
Mit 2 ist der Spannungsverlauf am piezoelektrischen Element
dargestellt.
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- 1
- Auslenkung
des piezoelektrischen Elements
- 2
- Spannung
am piezoelektrischen Element
- 3
- resultierender
Stromverlauf