DE19723932C1 - Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents
Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven StellgliedesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern wenigstens
eines kapazitiven Stellgliedes nach dem Oberbegriff des Pa
tentanspruchs 1.
Aus der DE 36 21 541 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern kapa
zitiver Stellglieder, insbesondere piezoelektrisch betriebe
ner Kraftstoffeinspritzventile einer Brennkraftmaschine, be
kannt, nach welchem die Stellglieder mit konstanter Spannung
geladen werden.
Ein Piezo-Stellglied besteht aus einer Vielzahl piezokerami
scher Schichten und bildet einen sog. "Stack", der bei Anle
gen einer Spannung seine Abmessungen, insbesondere seine Län
ge, verändert, oder bei mechanischem Druck oder Zug eine
elektrische Spannung erzeugt.
Die elektrischen Eigenschaften eines derartigen Piezostacks
ändern sich mit der Temperatur, der er ausgesetzt ist. Mit
steigender Temperatur vergrößert sich seine Kapazität, aber
auch der Hub nimmt zu. Bei den für automotive Anwendungen zu
berücksichtigenden Temperaturen von etwa -40°C bis +150°C
sind dabei Kapazitätsänderungen bis zu einem Faktor 2 zu be
obachten.
Wird ein Piezo-Stellglied in allen Betriebspunkten beispiels
weise mit konstanter Spannung geladen, die bei niedrigen Tem
peraturen den benötigten Hub erbringt, so erhält man bei ho
hen Temperaturen einen Hub, der deutlich größer ist als er
forderlich - was bei Kraftstoffeinspritzventilen mit konstan
tem Kraftstoffdruck eine zu große Kraftstoffeinspritzmenge
bedeutet. Da bei hohen Temperaturen die Kapazität des Piezo
stacks ebenfalls größer ist, wird sehr viel mehr Ladung und
Energie benötigt, als erforderlich.
Das aus der DE 36 21 541 A1 bekannte Verfahren arbeitet des
halb nur bei vollständig unveränderten Randbedingungen (keine
Toleranzen der verwendeten Bauteile, keine Veränderungen der
elektrischen Eigenschaften, konstante Temperatur) hinreichend
genau.
Aus der US 5,387,834 ist eine Ansteuerschaltung für ein kapa
zitives Stellglied bekannt, welches mit einer konstanten La
despannung und einer in Abhängigkeit von der mittels eines
Sensors gemessenen Stellgliedtemperatur bestimmten Auflade
dauer angesteuert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ansteuern we
nigstens eines kapazitiven Stellgliedes anzugeben, welches
auch bei Veränderung der Randbedingungen ohne Verwendung ei
nes Temperatursensors hinreichend genau arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1
genannten Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vor
teilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Untersuchungen haben gezeigt, daß die einem kapazitiven
Stellglied zugeführte Energie ein sehr viel präziseres Maß
für den Hub ds darstellt als die angelegte Spannung, und daß
eine Aufladung mit konstanter Energie über den benötigten
Temperaturbereich einen wesentlich konstanteren Hub erbringt.
Der Hub ändert sich etwa linear mit der angelegten Spannung
bei konstanter Temperatur. Ändert sich die Temperatur, so än
dert sich auch der Hub bei gleichbleibender Spannung. Hinge
gen ändert sich der Hub proportional zum Quadrat der aufge
brachten Energie, jedoch unabhängig von der Temperatur.
Dazu wird aus der dem Stellglied zugeführten Ladung ΔQ und
der nach Beendigung des Aufladevorgangs am Stellglied, bei
spielsweise P1, gemessenen Spannung Up die Kapazität
Cp = ΔQ/Up des Stellgliedes und dann aus ΔQ und Cp die dem
Stell
glied zugeführte Energie Eist = 0,5 . Cp . Up 2 = 0,5 . ΔQ . Up ermit
telt. Dieser Wert Eist wird mit einem vorgegebenen Wert Esoll
verglichen und dem Vergleichsergebnis entsprechend die La
despannung UL für den nächsten Ansteuervorgang nachgeregelt
(UL wird vergrößert, wenn Eist < Esoll, und verkleinert, wenn
Eist < Esoll).
In einem für beliebige Ansteuerschaltungen verwendbaren Ver
fahren wird die aufgebrachte Ladungsmenge ΔQ durch Integrati
on des durch das Stellglied während des Aufladevorgangs flie
ßenden Stroms Ip ermittelt. Dann ist
ΔQ = ∫Ipdt → Cp = ∫Ipdt/Up → Eist = 0,5 . ∫Ipdt . Up.
Für Schaltungen mit Lade- und Entladekondensator in Reihen
schaltung, wie in der Zeichnung dargestellt, wird erfindungs
gemäß ein einfacheres Verfahren für die Ermittlung der dem
Stellglied zugeführten Ladungsmenge ΔQ angegeben, bei dem
keine Integration erforderlich ist. Bei diesem Verfahren wird
die am Entladekondensator C2 anliegende Spannung einmal vor
dem Ladevorgang und dann nach Beendigung des Ladevorgangs ge
messen und die Differenz ΔU = Uvor - Unach gebildet und daraus
die Ladungsmenge ΔQ = C2 . ΔU = C2 . (Uvor - Unach) errechnet; mit
der am Stellglied nach Beendigung des Ladevorgangs anliegen
den Spannung Up wird analog zu dem oben angegebenen Verfahren
die Stellgliedkapazität Cp und die dem Stellglied zugeführte
Energie Eist ermittelt:
ΔQ = C2 . (Uvor - Unach) → Cp = C2 . (Uvor - Unach)/Up →
Eist = 0,5 . C2 (Uvor - Unach) . Up.
Dieser Wert wird, wie bereits oben beschrieben, mit einem
vorgegebenen Sollwert Esoll verglichen und dem Ergebnis ent
sprechend die Ladespannung UL für den nächsten Ansteuervor
gang nachgeregelt.
Da die Stellgliedkapazität Cp etwa proportional zur Stell
gliedtemperatur Tp ist, kann die berechnete Stellgliedkapazi
tät Cp gemäß der Formel Cp = ΔQ/Up ≈ Tp zur Bestimmung der
Stellgliedtemperatur Tp herangezogen werden und ggf. ein Tem
peratursensor eingespart werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand einer aus der
Zeichnung ersichtlichen Schaltung zum Ansteuern wenigstens
eines kapazitiven Stellgliedes P1 bis Pn für die Betätigung
wenigstens eines nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzven
tils mittels einer Steuerschaltung ST, die Teil eines weiter
nicht dargestellten mikroprozessorgesteuerten Motorsteuerge
rätes ist, erläutert.
Zwischen dem Pluspol +USNT und dem Minuspol GND einer gere
gelten Spannungsquelle SNT, vorzugsweise eines Schaltnetz
teils, ist über eine Diode D1 ein Ladekondensator C1 ange
schlossen. Parallel zum Ladekondensator C1 ist eine Reihen
schaltung aus einem Ladeschalter Ta, zwei weiteren Dioden D2
und D3 und einem mit dem Minuspol GND verbundenen Entlade
schalter Tb angeordnet.
Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Dioden D2 und D3 und
dem Masseanschluß GND liegt eine Reihenschaltung aus einem
Umladekondensator C2, einer Umschwingspule L, einem ersten
Stellglied P1 und einem ersten, gesteuerten Auswahlschalter
T1.
Für jedes weitere Stellglied P2 bis Pn ist eine Reihenschal
tung aus diesem Stellglied und einem weiteren Auswahlschalter
T2 bis Tn der Reihenschaltung aus dem ersten Stellglied P1
und dem ersten Auswahlschalter T1 parallel geschaltet. Die
Auswahlschalter, der Entladeschalter Tb und der nachstehend
erwähnte Bypaßschalter Tc sind in diesem Ausführungsbeispiel
N-Power-MOSFET-Schalter, welche üblicherweise Inversdioden
enthalten. Der Ladeschalter Ta ist in diesem Ausführungsbei
spiel als P-Power-MOSFET-Schalter ausgebildet.
Außerdem ist ein bereits erwähnter Bypaßschalter Tc vorgese
hen, dessen Drainanschluß mit dem Verbindungspunkt zwischen
der Umschwingspule L und den Stellgliedern P1 bis Pn verbun
den ist, und dessen Sourceanschluß mit dem Sourceanschluß we
nigstens des Auswahlschalters T1 verbunden ist. Sämtliche
Schalter werden über ihre Gateanschlüsse von den Ausgangs
signalen der Steuerschaltung ST gesteuert.
Der parallel zu den Stellgliedern P1 bis Pn angeordnete
Bypaßschalter Tc wird von der Steuerschaltung ST angesteuert,
wenn die Stellgliedspannung einen vorgegebenen Grenzwert
überschreitet oder wenn ein in der Brennkraftmaschine bis hin
zu den Leistungsendstufen der Einspritzventile auftretender
Fehler erkannt wird, und entlädt die kapazitiven Stellglieder
P1 bis Pn kurzschlußartig über die Inversdioden der Auswahl
schalter T1 bis Tn. Der Bypaßschalter Tc wird auch zum Aufla
den des Entladekondensators C2 vor der ersten Stellgliedbetä
tigung oder zu dessen Nachladen zwischen zwei zeitlich aus
einanderliegenden Stellgliedbetätigungen benötigt. Anstelle
des Bypaßschalters Tc kann auch eine Diode oder Zenerdiode
mit gleicher Polung wie die Inversdiode des Bypaßschalters
vorgesehen sein, wobei dann aber die Aufladung des Entlade
kondensators C2 über eine Stellgliedbetätigung, bei einem
Kraftstoffeinspritzventil vorzugsweise ohne Kraftstoffdruck,
vorgenommen werden muß.
Die Schalter Ta, Tb, Tc und T1 bis Tn werden von der Steuer
schaltung ST abhängig von Steuersignalen st eines nicht dar
gestellten Motorsteuergerätes gesteuert. Der Ladekondensator
C1 kann als Ausgangskondensator des Schaltnetzteils SNT be
trachtet werden.
Nachstehend wird das Ansteuerverfahren für diese Schaltung
beschrieben. Während des Betriebes der Schaltung ist der La
dekondensator C1 auf eine von der Steuerschaltung ST bestimm
te Ausgangsspannung +USNT des Schaltnetzteils SNT aufgeladen.
Die Bestimmung dieser Spannung +USNT wird weiter unten erläu
tert.
Bei Betriebsbeginn wird der Ladekondensator C1 auf +USNT auf
geladen und ist der Entladekondensator C2 entladen und die
Umschwingspule L stromlos. Damit auch der Kondensator C2 vor
der ersten Stellgliedbetätigung aufgeladen wird, wird zu
nächst der Bypaßschalter Tc leitend gesteuert. Dadurch ent
lädt sich C1 über C2, L und Tc. Sodann wird Tc wieder nicht
leitend gesteuert und nun der Entladeschalter Tb leitend ge
steuert. Dadurch fließt ein Strom in Gegenrichtung durch L,
C2, Tb und die Inversdiode des Bypaßschalters Tc, wodurch C2
aufgeladen und so gepolt wird, daß nach einem oder mehreren
Lade- und Entladezyklen an der Reihenschaltung von C1 und C2
die Ladespannung UL = UC1 + UC2 anliegt.
Die Spannung UC2 am Kondensator C2 wird über eine in diesem
Ausführungsbeispiel als Sample-and-Hold-Schaltung S ausge
bildete Meßschaltung der Steuerschaltung ST mitgeteilt, wel
che die Ausgangsspannung +USNT ≈ UC1 des Schaltnetzteils SNT
so einstellt, daß an der Reihenschaltung von C1 und C2 eine
vorgegebene Anfangsspannung anliegt.
Da die Spannung UC2 am Kondensator C2 bei Nichtbetätigung
langsam abfällt, werden auch während des Betriebes, bei
spielsweise während des Ladevorgangs bei niedrigen Drehzahlen
(d. h., bei zeitlich weiter auseinanderliegenden Stellgliedbe
tätigungen) oder im Schiebebetrieb, solche Nachladungen des
Entladekondensators C2 vorgenommen.
Soll eine Stellgliedbetätigung stattfinden, so wird nach dem
ersten Verfahren der im Ladekreis fließende Strom Ip mittels
einer Meßschaltung M, die im einfachsten Fall aus einem
Shuntwiderstand bestehen kann, gemessen und in einem in der
Steuerschaltung befindlichen Integrator integriert. Da die
Meßschaltung M nur für dieses Verfahren erforderlich ist, ist
sie in der Zeichnung strichliert eingerahmt und das Bezugs
zeichen für den Strom Ip in Klammern gesetzt. Die weitere
Durchführung dieses Verfahrens erfolgt wie bei dem nachste
hend beschriebenen zweiten Verfahren.
Nach diesem zweiten, einfacheren Verfahren wird vor der
Stellgliedaufladung die Spannung UC2 = Uvor am Entladekonden
sator C2 gemessen und der Steuerschaltung ST mitgeteilt. An
schließend werden der Ladeschalter Ta und der dem entspre
chenden Stellglied, beispielsweise P1, zugeordnete Auswahl
schalter T1 leitend gesteuert. Es fließt Strom von SNT und C1
über Ta, C2, L, P1 und T1 nach GND, bis das Stellglied gela
den ist. Anschließend werden Ta und T1 nichtleitend gesteu
ert, das Stellglied ist weiterhin geladen. Nun werden die
Spannung UC2 = Unach am Entladekondensator C2 und die am
Stellglied P1 anliegende Spannung Up gemessen und der Steuer
schaltung ST mitgeteilt. Diese errechnet gemäß den oben er
läuterten Formeln die dem Stellglied zugeführte Energie Eist
und vergleicht diesen Wert mit einem vorgegebenen Sollwert
Esoll. Dementsprechend wird für den nächsten Ansteuervorgang
die erforderliche Ladespannung UL ermittelt. Ist Eist < Esoll,
so wird die Ladespannung UL gegenüber dem zuvor gültigen Wert
beispielsweise schrittweise um einen Schritt erhöht; ist
Eist < Esoll, so wird sie um einen Schritt verkleinert. Die
Ladespannung UL wird auf Eist = Esoll geregelt.
Der Ladezustand des Stellgliedes P1 bleibt erhalten, bis nach
Verschwinden des Steuersignals st der Entladeschalter Tb lei
tend gesteuert wird. Bei leitendem Entladeschalter Tb werden
alle Stellglieder P1 bis Pn über die Spule L in den Entlade
kondensator C2 entladen.
Die am Entladekondensator C2 nach dem Entladen des Stellglie
des anliegende Spannung UC2 wird über die Sample-and-Hold-
Schaltung S der Steuerschaltung ST mitgeteilt, welche die
Ausgangsspannung +USNT des Schaltnetzteils SNT so nachsteu
ert, daß die vorher ermittelte Ladespannung UL = UC1 + UC2
beim nächsten Ansteuervorgang erreicht wird. Mit dieser La
despannung kann dann der nächste Ladevorgang des Stellgliedes
P1 bzw. der Ladevorgang des nächsten Stellgliedes P2 erfolgen
u. s. w..
Claims (4)
1. Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven
Stellgliedes (P1 bis Pn) mittels einer Ladespannung (UL),
dadurch gekennzeichnet,
daß aus der dem Stellglied (P1 bis Pn) zugeführten Ladungs menge ΔQ und der nach Beendigung des Ladevorgangs am Stellglied anliegenden Stellgliedspannung Up die Stell gliedkapazität nach der Gleichung Cp = ΔQ/Up berechnet wird,
daß aus den Werten Stellgliedkapazität Cp und Stellgliedspan nung Up die dem Stellglied während des Ladevorgangs zuge führte Energie Eist nach der Gleichung
Eist = 0,5 . Cp . Up 2 = 0,5 . ΔQ . Up berechnet wird,
daß der zugeführte Energiebetrag Eist mit einem vorgegebenen Sollwert Esoll verglichen wird, und
daß die Ladespannung UL = UC1 + UC2 für den nächsten Ansteuer vorgang um einen vorgegebenen Betrag erhöht wird, wenn der zugeführte Energiebetrag Eist kleiner als der Sollwert Esoll ist, oder verkleinert wird, wenn der zugeführte Ener giebetrag Eist größer als der Sollwert Esoll ist.
daß aus der dem Stellglied (P1 bis Pn) zugeführten Ladungs menge ΔQ und der nach Beendigung des Ladevorgangs am Stellglied anliegenden Stellgliedspannung Up die Stell gliedkapazität nach der Gleichung Cp = ΔQ/Up berechnet wird,
daß aus den Werten Stellgliedkapazität Cp und Stellgliedspan nung Up die dem Stellglied während des Ladevorgangs zuge führte Energie Eist nach der Gleichung
Eist = 0,5 . Cp . Up 2 = 0,5 . ΔQ . Up berechnet wird,
daß der zugeführte Energiebetrag Eist mit einem vorgegebenen Sollwert Esoll verglichen wird, und
daß die Ladespannung UL = UC1 + UC2 für den nächsten Ansteuer vorgang um einen vorgegebenen Betrag erhöht wird, wenn der zugeführte Energiebetrag Eist kleiner als der Sollwert Esoll ist, oder verkleinert wird, wenn der zugeführte Ener giebetrag Eist größer als der Sollwert Esoll ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Stellglied (P1 bis Pn) zugeführte Ladungsmenge
ΔQ durch Integration des während eines Ladevorgangs durch
das Stellglied fließenden Stroms Ip nach der Gleichung
ΔQ = ∫Ipdt ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Schaltungen mit Lade- und Entladekondensator (C1,
C2) in Reihenschaltung, bei welchen an den Ladekondensator
(C1) eine regelbare Spannung (+USNT) anlegbar ist, die dem
Stellglied (P1 bis Pn) zugeführte Ladungsmenge ΔQ über die
Differenz ΔU = Uvor - Unach der am Entladekondensator (C2)
vor und nach dem Ladevorgang liegenden Spannungen Uvor und
Unach und die Kapazität C2 des Entladekondensators nach der
Gleichung ΔQ = C2 . ΔU = C2 . (Uvor - Unach) ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die berechnete Stellgliedkapazität Cp zur Bestimmung
der Stellgliedtemperatur Tp herangezogen wird.
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