DE10360702B4

DE10360702B4 - Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements

Info

Publication number: DE10360702B4
Application number: DE10360702A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kracke
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2023-12-20
Also published as: DE10360702A1

Abstract

Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements, wobei das piezoelektrische Element zu dessen Längenänderung mittels eines Stromes angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung der Eigenschwingungen des piezoelektrischen Elements dem piezoelektrischen Element ein abklingender Wechselstrom (I_W(t)) als Lade- bzw. Entladestrom zugeführt wird, dessen Frequenz oberhalb der mechanischen und elektrischen Grenzfrequenz des piezoelektrischen Elements liegt und der Stromverlauf (3) während des Ladens bzw. Entladens des piezoelektrischen Elements sein Vorzeichen wechselt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

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.

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.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: ein Diagramm zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements gemäß dem Stand der Technik,
2: ein weiteres Diagramm zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements gemäß dem Stand der Technik und
3: ein Diagramm zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements gemäß der erfindungsgemäßen Lösung.
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.
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 I_A ein abklingender Wechselstrom I_W(t) ist.
In vorteilhafter Weise wird der abklingende Wechselstrom I_W(t) mit einem an sich bekannten Lade- bzw. Entladestrom (I_A) 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 I_W(t) aus einzelnen Rechteckimpulsen.
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:
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 I_W und somit auch die an dem piezoelektrischen Element anliegende Spannung U_W wird bewusst so hoch gewählt, dass für sie dieses Kriterium nicht erfüllt ist und dass somit die Wechselspannung U_W nur geringe direkte Auswirkungen auf die Bewegung des piezoelektrischen Elements hat.
Der dem Lade- bzw. Entladestrom I_A überlagerte abklingende Wechselstrom I_W(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 I_W(t) einstellbar.
Wichtig ist, dass die Frequenz des überlagerten Wechselstroms I_W(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.
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.

1: Auslenkung des piezoelektrischen Elements
2: Spannung am piezoelektrischen Element
3: resultierender Stromverlauf

Claims

Verfahren zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements, wobei das piezoelektrische Element zu dessen Längenänderung mittels eines Stromes angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung der Eigenschwingungen des piezoelektrischen Elements dem piezoelektrischen Element ein abklingender Wechselstrom (I_W(t)) als Lade- bzw. Entladestrom zugeführt wird, dessen Frequenz oberhalb der mechanischen und elektrischen Grenzfrequenz des piezoelektrischen Elements liegt und der Stromverlauf (3) während des Ladens bzw. Entladens des piezoelektrischen Elements sein Vorzeichen wechselt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abklingende Wechselstrom (I_W(t)) mit einem an sich bekannten impulsförmigen Lade- bzw. Entladestrom (I_A) zu einem resultierenden Stromverlauf (3) überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeprägte resultierende Stromverlauf (3) so gewählt wird, dass der überlagerte Wechselstrom (I_W(t)) gezielt die innere Spannungs-Weg-Hysterese des piezoelektrischen Elements bei Umsetzung der Bewegungsenergie der Eigenschwingungen des piezoelektrischen Elements in Wärmeenergie durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Dämpfung der Eigenschwingungen des piezoelektrischen Elements durch Änderung der Amplitude und/oder der Frequenz des überlagerten Wechselstroms (I_W(t)) einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromverlauf des abklingenden Wechselstroms (I_W(t)) aus einzelnen Rechteckimpulsen besteht.