EP1922772A1 - Circuit and method for controlling a piezoelectric or electrostrictive actuator - Google Patents

Circuit and method for controlling a piezoelectric or electrostrictive actuator

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Publication number
EP1922772A1
EP1922772A1 EP06793205A EP06793205A EP1922772A1 EP 1922772 A1 EP1922772 A1 EP 1922772A1 EP 06793205 A EP06793205 A EP 06793205A EP 06793205 A EP06793205 A EP 06793205A EP 1922772 A1 EP1922772 A1 EP 1922772A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
actuator
charge
reference capacitance
circuit
referenzkapazitat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06793205A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Juan Manuel Roldan Gomez
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1922772A1 publication Critical patent/EP1922772A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/062—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. for removing hysteresis
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the invention relates to a circuit for controlling a piezoelectric or electrostrictive actuator according to the preamble features of claim 1 and to a method for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator with such a circuit.
  • Piezoelectric actuators are used in many ways as actuators.
  • an adapted to the application electronics is required, which can control the actuator with high accuracy and efficiency.
  • a control electronics can have a very high complexity and significantly increase the costs of the entire drive system.
  • the precise, controlled or controlled change of actuator length is the basis of the function.
  • the length change is determined by parameters such as actuator charge, actuator charge history and actuator temperature.
  • the knowledge of the charge-time function is of crucial importance.
  • a control loop based on the charge of the actuator is generally used.
  • a functional block for measuring the charge of the piezoelectric actuator is an important part of the mechatronic system.
  • the charge measurement was performed on piezoelectric actuators via the intermediate step of measuring the Aktorstromes with subsequent integration.
  • a shunt resistor in series with the actuator is switched to zero potential.
  • the actuator current is converted via the resistor into a proportional voltage drop.
  • the voltage is integrated in a second step.
  • the integration takes place either analog or digital via an upstream A / D converter, through an FPGA or a microcontroller.
  • circuit and software costs and thus the costs for the function block for charge measurement are comparatively high in the known variant mentioned.
  • the A / D conversion must be done in response to the drive signal with a high sampling rate.
  • Digital integration requires additional resources in a microcontroller or FPGA. An adaptation to lower accuracy requirements depending on the application is limited in this approach possible.
  • the object of the invention is to simplify a circuit for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator in terms of their structure or a method for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator with such a circuit, in particular a cost reduction and, if necessary, allows an adaptation to lower requirements should be.
  • a circuit for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator with an upstream driver stage for providing a drive signal for driving the actuator is preferred, wherein the actuator is followed by a reference capacitance for measuring a charge of the actuator in series.
  • Voltage drop across the reference capacitance can be tapped as an output signal proportional to the charge of the actuator.
  • a circuit is advantageous in accordance with
  • the output signal u A (t) is proportional to a quotient of a reference capacitance value C M of the reference capacitance with ⁇ 3 M (t) as the charge of the reference capacitance.
  • i (t) current flowing through the actuator and through the reference capacitance.
  • a charge of the actuator q P (t) is equal to or proportional to a charge q M (t) of the reference capacitance.
  • circuit which is designed for approximately electroless measurement of a voltage above the reference capacitance.
  • a circuit with a reset circuit which is connected for discharging the reference capacitance wherein the reset circuit is preferably formed by a resistor connected in parallel with the reference capacitance or by a switch connected in parallel with the reference capacitance.
  • the circuit with a directly connected A / D converter or a directly connected analog controller is particularly advantageous.
  • a circuit with a calibration circuit for reducing an error caused by drift of component parameters wherein the calibration circuit is designed and switched so that at intervals a transmission factor in the form of a charge to a voltage drop is determined at the Referenzkapazitat ,
  • a circuit with a control or regulating device for controlling or regulating the driver stage due to a value of the measured charge of the actuator is provided.
  • a method for controlling, in particular, such a circuit with a piezoelectric or electrostrictive actuator and with a driver stage connected upstream thereof for providing a drive signal for driving the actuator, wherein the actuator is followed by a reference capacitance for measuring a charge of the actuator in series becomes.
  • a method is advantageous in which a voltage drop across the reference capacitance is tapped as an output signal proportional to the charge of the actuator.
  • a method in which a voltage across the Referenzkapazitat is measured approximately currentless.
  • a method is advantageous in which the reference capacitance is reset by a resistor connected in parallel with the reference capacitance or by a switch connected in parallel with the reference capacitance and closed at time intervals and opened again.
  • a method is advantageous in which, for reducing an error caused by drift of component parameters, by means of a calibration method at intervals, a transmission factor in the form of a tion to a voltage drop at the Referenzkapazitat is determined.
  • Particularly advantageous is a method in which the measured charge of the actuator is used to control or regulate the driver stage.
  • a series capacitance is utilized as a reference capacitance for measuring an actuator charge of a piezoelectric actuator.
  • the output variable is a voltage proportional to the actuator charge. Depending on the application, this voltage is fed to an A / D converter and further processed digitally or fed directly to an analog controller.
  • Such a preferred circuit for driving a piezoelectric actuator or such a method for driving a piezoelectric actuator with such a circuit have disadvantages over known embodiments.
  • the long-term stability of the component parameters and the temperature drift of the reference capacitance are worse in comparison to a shunt resistor.
  • An error or drift of the capacitance value has a direct influence on the measuring accuracy.
  • an error caused by drift of component parameters can also be significantly reduced when measuring by means of a reference capacitance by means of a suitable calibration circuit.
  • the calibration circuit determines the transmission factor at longer time intervals, in particular as a transmission factor in the form of a charge to a voltage drop.
  • a very simple structure is advantageous. Also advantageous is scalable accuracy at scalable costs, where cost is a choice of reference capacity. It is also advantageous that digital integration is not required, which leads to lower resource requirements.
  • a / D converter analog / digital
  • Also advantageous is a continuous measurement, which allows a lower speed request to the A / D converter in a digital system, especially when using pulsed piezo drivers.
  • FIG. 3 shows a further compared to FIG. 1 modified circuit
  • an essential aspect of a basic circuit is the use of a reference capacitance M connected in series with a piezoelectric actuator P for measuring a charge q P of the piezoelectric actuator P.
  • the reference capacitance M is connected in series with the piezoelectric actuator P to zero potential 0.
  • u (t) as a voltage of the driver stage G and C as the total capacitance value of the total capacitance.
  • a voltage drop across the reference capacitance M is proportional to the stored charge q M of the reference capacitance M.
  • the capacitance value C M of the reference capacitance M represents the proportionality factor.
  • the driver stage G provides a suitable drive signal, a voltage-time function or a current-time function for driving the piezoelectric actuator P.
  • the driver stage G is connected directly to the actuator P.
  • the actuator P is connected at its second terminal to the series-connected reference capacitance M.
  • the zero potential 0 of the circuit represents the reference potential of the reference capacitance M. If a voltage measurement above the reference capacitance M takes place approximately without current, the following applies
  • the same charge q (t) is stored in both capacitive elements, ie in the actuator P and in the reference capacitance M.
  • the stored charge q (t) causes a proportional voltage drop across the reference capacitance M.
  • the voltage drop across the reference capacitance M represents the output to the charge q P of the actuator P proportional output signal u A (t).
  • the determination of the charge q P of the actuator P takes place, for example, in a control device C, which applies the output signal u A (t).
  • the control device C preferably also determines a control or regulating signal c (t) which is applied to the driver stage G for controlling or regulating the driver stage G.
  • the reset can be done, for example, according to FIG. 2 with a resistor R or according to FIG. 3 with a switch S.
  • the reset via the resistor R is particularly simple and suitable for a periodic operation of the actuator P.
  • the circuit consisting of the actuator P, the reference capacitance M and the resistor R is a high pass. In this way, the stability of such an integrator formed, for. B. against bias currents, which would lead to a drift in an integration, improved.
  • Parasitic elements of the reference capacitance M form their apparent internal resistance.
  • the parasitic resistance in series with the reference capacitance M limits as an RC element (RC: resistance capacitance) with the capacitance C M of the actuator P to the use of high frequencies.
  • the parallel parasitic resistance of the reference capacitance M and the reference capacitance M form an RC element which limits the use at low frequencies by means of high-pass behavior.
  • a frequency band of in particular at least 10 MHz ⁇ f ⁇ IkHz can be used.
  • the use of special, low-loss and therefore expensive capacities, eg. As tantalum capacities, is advantageously no longer required depending on the application.
  • the parasitic resistance in series with the reference capacitance M amounts to 100 mOhms
  • a replacement series inductance of the reference capacitance M amounts to 30 nH

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

The invention relates to a circuit and/or a corresponding method for controlling a piezoelectric or electrostrictive actuator (P) having a series-connected driver stage (G) which provides a control signal which is used to drive the piezoelectric actuator (P). A reference capacitor (M), which is used to measure a charge (qP) of the actuator (P), is serially connected to the actuator (P). The reference capacitor (M) is used as a series capacitor in order to measure the actuator charge (qA(T) = qP(t)) of the piezoelectric actuator. The output variable is a voltage which is proportional to the actuator charge. Said voltage is guided to an A/D-converter and is processed further in a digital manner or guided directly to a analogue controller.

Description

Beschreibungdescription
Schaltung und Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven AktorsCircuit and method for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktors gemäß den Oberbegriffliehen Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktors mit einer solchen Schaltung.The invention relates to a circuit for controlling a piezoelectric or electrostrictive actuator according to the preamble features of claim 1 and to a method for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator with such a circuit.
Piezoelektrische Aktoren werden auf vielfaltige Weise als Stellglieder eingesetzt. Für den Einsatz dieser Aktoren ist eine an die Applikation angepasste Elektronik erforderlich, die den Aktor mit hoher Genauigkeit und Effizienz ansteuern kann. Eine solche Ansteuerelektronik kann je nach Anforderung eine sehr hohe Komplexität aufweisen und die Kosten des gesamten Antriebssystems signifikant erhohen.Piezoelectric actuators are used in many ways as actuators. For the use of these actuators an adapted to the application electronics is required, which can control the actuator with high accuracy and efficiency. Depending on the requirements, such a control electronics can have a very high complexity and significantly increase the costs of the entire drive system.
In einem auf einem solchen Aktor basierenden Antriebssystem ist die präzise, gesteuerte oder geregelte Änderung der Aktorlange Grundlage der Funktion. Die Langenanderung wird durch Parameter wie Aktorladung, Vorgeschichte der Aktorladung und Aktortemperatur bestimmt. Zur Ansteuerung des Aktors ist daher die Kenntnis der Ladungs-Zeitfunktion von entscheidender Bedeutung. Zur präzisen Ansteuerung des Aktors wird im Allgemeinen eine Regelschleife basierend auf der Ladung des Aktors verwendet. So stellt ein Funktionsblock zur Messung der Ladung des piezoelektrischen Aktors einen wichtigen Teil des mechatronischen Systems dar.In a drive system based on such an actuator, the precise, controlled or controlled change of actuator length is the basis of the function. The length change is determined by parameters such as actuator charge, actuator charge history and actuator temperature. To control the actuator therefore the knowledge of the charge-time function is of crucial importance. For precise control of the actuator, a control loop based on the charge of the actuator is generally used. Thus, a functional block for measuring the charge of the piezoelectric actuator is an important part of the mechatronic system.
Bisher erfolgte die Ladungsmessung an piezoelektrischen Aktoren über den Zwischenschritt der Messung des Aktorstromes mit anschließender Integration. Dazu wird ein Shunt-Widerstand in Reihe zum Aktor gegen Nullpotential geschaltet. Der Aktorstrom wird über den Widerstand in einen proportionalen Spannungsabfall gewandelt. Die Spannung wird in einem zweiten Schritt integriert. Die Integration erfolgt dabei entweder analog oder digital über einen vorgeschalteten A/D-Wandler, durch ein FPGA oder einen MikroController.So far, the charge measurement was performed on piezoelectric actuators via the intermediate step of measuring the Aktorstromes with subsequent integration. For this purpose, a shunt resistor in series with the actuator is switched to zero potential. The actuator current is converted via the resistor into a proportional voltage drop. The voltage is integrated in a second step. The integration takes place either analog or digital via an upstream A / D converter, through an FPGA or a microcontroller.
Der Schaltungs- und Softwareaufwand und damit die Kosten für den Funktionsblock zur Ladungsmessung sind bei der genannten bekannten Variante vergleichsweise hoch. Insbesondere die A/D-Wandlung muss in Abhängigkeit vom Ansteuersignal mit einer hohen Abtastrate erfolgen. Die digitale Integration erfordert zusätzliche Ressourcen in einem MikroController oder einem FPGA. Eine Adaption an geringere Genauigkeitsanforderungen in Abhängigkeit von der Anwendung ist bei dieser Vorgehensweise nur begrenzt möglich.The circuit and software costs and thus the costs for the function block for charge measurement are comparatively high in the known variant mentioned. In particular, the A / D conversion must be done in response to the drive signal with a high sampling rate. Digital integration requires additional resources in a microcontroller or FPGA. An adaptation to lower accuracy requirements depending on the application is limited in this approach possible.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktors hinsichtlich deren Aufbau bzw. ein Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktors mit einer solchen Schaltung zu vereinfachen, wobei insbesondere eine Kostenreduzierung und bei Bedarf eine Adaption an geringere Anforderungen ermöglicht werden sollen.The object of the invention is to simplify a circuit for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator in terms of their structure or a method for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator with such a circuit, in particular a cost reduction and, if necessary, allows an adaptation to lower requirements should be.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren zur An- Steuerung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst.This object is achieved by a circuit for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator having the features of patent claim 1 or by a method for controlling a piezoelectric or electrostrictive actuator having the features of claim 13.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen .Advantageous embodiments are the subject of dependent claims.
Bevorzugt wird demgemäß eine Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktors mit einer vorgeschalteten Treiberstufe zum Bereitstellen eines Ansteuersignals zum Treiben des Aktors, wobei dem Aktor eine Refe- renzkapazität zum Messen einer Ladung des Aktors in Serie nachgeschaltet ist. Vorteilhaft ist insbesondere eine Schaltung, bei der die Treiberstufe und die Referenzkapazität an ein gemeinsames Bezugspotential geschaltet sind.Accordingly, a circuit for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator with an upstream driver stage for providing a drive signal for driving the actuator is preferred, wherein the actuator is followed by a reference capacitance for measuring a charge of the actuator in series. Particularly advantageous is a circuit in which the driver stage and the reference capacitance are connected to a common reference potential.
Vorteilhaft ist insbesondere eine Schaltung, bei der einParticularly advantageous is a circuit in which a
Spannungsabfall über der Referenzkapazität als ein zur Ladung des Aktors proportionales Ausgabesignal abgreifbar ist. Vorteilhaft ist insbesondere eine Schaltung, bei der gemäßVoltage drop across the reference capacitance can be tapped as an output signal proportional to the charge of the actuator. In particular, a circuit is advantageous in accordance with
uA(t) = —-qM(t)u A (t) = --q M (t)
das Ausgabesignal uA(t) proportional ist zu einem Quotienten eines Referenzkapazität-Kapazitätswerts CM der Referenzkapazität mit <3M (t) als Ladung der Referenzkapazität.the output signal u A (t) is proportional to a quotient of a reference capacitance value C M of the reference capacitance with <3 M (t) as the charge of the reference capacitance.
Vorteilhaft ist insbesondere eine Schaltung mit nach einer verstrichenen Zeit T einer Ladung q(T) gemäßParticularly advantageous is a circuit with after an elapsed time T of a charge q (T) according to
mit i (t) als durch den Aktor und durch die Referenzkapazität fließendem Strom. Vorteilhaft ist insbesondere eine Schaltung, bei der eine Ladung des Aktors qP(t) gleich oder proportional einer Ladung qM(t) der Referenzkapazität ist.with i (t) as current flowing through the actuator and through the reference capacitance. Particularly advantageous is a circuit in which a charge of the actuator q P (t) is equal to or proportional to a charge q M (t) of the reference capacitance.
Vorteilhaft ist insbesondere eine Schaltung, welche ausgestaltet ist zum näherungsweise stromlosen Messen einer Spannung über der Referenzkapazität.Particularly advantageous is a circuit which is designed for approximately electroless measurement of a voltage above the reference capacitance.
Vorteilhaft ist insbesondere eine Schaltung mit einer Rück- setzschaltung, die zum Entladen der Referenzkapazität geschaltet ist, wobei die Rücksetzschaltung bevorzugt ausgebildet ist durch einen parallel zur Referenzkapazität geschalteten Widerstand oder durch einen parallel zur Referenzkapazität geschalteten Schalter. Vorteilhaft ist insbesondere eine Schaltung mit einem direkt angeschlossenen A/D-Wandler oder einem direkt angeschlossenen Analogregler .Particularly advantageous is a circuit with a reset circuit which is connected for discharging the reference capacitance, wherein the reset circuit is preferably formed by a resistor connected in parallel with the reference capacitance or by a switch connected in parallel with the reference capacitance. Particularly advantageous is a circuit with a directly connected A / D converter or a directly connected analog controller.
Vorteilhaft ist insbesondere eine Schaltung mit einer Kalibrierschaltung zum Verringern eines Fehlers, der durch Drift von Bauteilparametern verursacht wird, wobei die Kalibrierschaltung so ausgelegt und geschaltet ist, dass in zeitlichen Abstanden ein Ubertragungsfaktor in Form einer Ladung zu ei- nem Spannungsabfall an der Referenzkapazitat bestimmt wird.Particularly advantageous is a circuit with a calibration circuit for reducing an error caused by drift of component parameters, wherein the calibration circuit is designed and switched so that at intervals a transmission factor in the form of a charge to a voltage drop is determined at the Referenzkapazitat ,
Vorteilhaft ist eine Schaltung mit einer Steuer- oder Regeleinrichtung zum Ansteuern oder Regeln der Treiberstufe aufgrund eines Wertes der gemessenen Ladung des Aktors.Advantageously, a circuit with a control or regulating device for controlling or regulating the driver stage due to a value of the measured charge of the actuator.
Bevorzugt wird verfahrensgemaß ein Verfahren zur Ansteuerung insbesondere einer solchen Schaltung mit einem piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktor und mit einer diesem vorgeschalteten Treiberstufe zum Bereitstellen eines Ansteuer- Signals zum Treiben des Aktors, wobei dem Aktor eine Refe- renzkapazitat zum Messen einer Ladung des Aktors in Serie nachgeschaltet wird.According to the method, a method is preferred for controlling, in particular, such a circuit with a piezoelectric or electrostrictive actuator and with a driver stage connected upstream thereof for providing a drive signal for driving the actuator, wherein the actuator is followed by a reference capacitance for measuring a charge of the actuator in series becomes.
Vorteilhaft ist insbesondere ein Verfahren, bei dem ein Span- nungsabfall über der Referenzkapazitat als ein zur Ladung des Aktors proportionales Ausgabesignal abgegriffen wird. Vorteilhaft ist insbesondere ein Verfahren, bei dem eine Spannung über der Referenzkapazitat naherungsweise stromlos gemessen wird. Vorteilhaft ist insbesondere ein Verfahren, bei dem die Referenzkapazitat ruckgesetzt wird durch einen parallel zur Referenzkapazitat geschalteten Widerstand oder durch einen parallel zur Referenzkapazitat geschalteten und in zeitlichen Abstanden geschlossenen und wieder geöffneten Schalter. Vorteilhaft ist insbesondere ein Verfahren, bei dem zum Verringern eines Fehlers, der durch Drift von Bauteilparametern verursacht wird, durch ein Kalibrationsverfahren in zeitlichen Abstanden ein Ubertragungsfaktor in Form einer La- dung zu einem Spannungsabfall an der Referenzkapazitat bestimmt wird.In particular, a method is advantageous in which a voltage drop across the reference capacitance is tapped as an output signal proportional to the charge of the actuator. Particularly advantageous is a method in which a voltage across the Referenzkapazitat is measured approximately currentless. In particular, a method is advantageous in which the reference capacitance is reset by a resistor connected in parallel with the reference capacitance or by a switch connected in parallel with the reference capacitance and closed at time intervals and opened again. In particular, a method is advantageous in which, for reducing an error caused by drift of component parameters, by means of a calibration method at intervals, a transmission factor in the form of a tion to a voltage drop at the Referenzkapazitat is determined.
Vorteilhaft ist insbesondere ein Verfahren, bei dem die ge- messene Ladung des Aktors verwendet wird zum Ansteuern oder Regeln der Treiberstufe.Particularly advantageous is a method in which the measured charge of the actuator is used to control or regulate the driver stage.
Vorteilhaft sind eine solche Schaltung oder ein solches Verfahren, bei denen ein Frequenzband im Bereich von 1OmHz < f < IkHz genutzt wird.Advantageous are such a circuit or such a method in which a frequency band in the range of 1OmHz <f <IkHz is used.
Ausgenutzt wird demgemäß eine Serienkapazitat als eine Refe- renzkapazitat zur Messung einer Aktorladung eines piezoelektrischen Aktors. Ausgangsgroße ist eine zur Aktorladung pro- portionale Spannung. Je nach Anwendung wird diese Spannung einem A/D-Wandler zugeführt und digital weiterverarbeitet o- der direkt einem Analogregler zugeführt.Accordingly, a series capacitance is utilized as a reference capacitance for measuring an actuator charge of a piezoelectric actuator. The output variable is a voltage proportional to the actuator charge. Depending on the application, this voltage is fed to an A / D converter and further processed digitally or fed directly to an analog controller.
Eine solche bevorzugte Schaltung zur Ansteuerung eines piezo- elektrischen Aktors bzw. ein solches Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors mit einer solchen Schaltung haben gegenüber bekannten Ausfuhrungsformen auch Nachteile. So sind die Langzeitstabilitat der Bauteilparameter und die Temperaturdrift der Referenzkapazitat im Ver- gleich zu einem Shunt-Widerstand schlechter. Ein Fehler bzw. eine Drift des Kapazitatswertes haben direkt Einfluss auf die Messgenauigkeit. Wie bei einer Messung über einen Shunt- Widerstand, so kann auch bei der Messung mittels einer Refe- renzkapazitat durch eine geeignete Kalibrierschaltung ein Fehler, der durch Drift von Bauteilparametern verursacht wird, signifikant verringert werden. Die Kalibrierschaltung bestimmt in größeren zeitlichen Abstanden den Ubertragungs- faktor, insbesondere als Ubertragungsfaktor in Form einer Ladung zu einem Spannungsabfall.Such a preferred circuit for driving a piezoelectric actuator or such a method for driving a piezoelectric actuator with such a circuit have disadvantages over known embodiments. Thus, the long-term stability of the component parameters and the temperature drift of the reference capacitance are worse in comparison to a shunt resistor. An error or drift of the capacitance value has a direct influence on the measuring accuracy. As with a measurement via a shunt resistor, an error caused by drift of component parameters can also be significantly reduced when measuring by means of a reference capacitance by means of a suitable calibration circuit. The calibration circuit determines the transmission factor at longer time intervals, in particular as a transmission factor in the form of a charge to a voltage drop.
Jedoch überwiegen gegenüber den Nachteilen die Vorteile. Vorteilhaft ist ein sehr einfacher Aufbau. Vorteilhaft ist außerdem eine skalierbare Genauigkeit bei skalierbaren Kosten, wobei kostenbestimmend eine Wahl der Referenzkapazitat ist. Vorteilhaft ist außerdem, dass eine digitale Integration nicht erforderlich ist, was zu einem geringeren Ressourcenbedarf fuhrt.However, the benefits outweigh the disadvantages. A very simple structure is advantageous. Also advantageous is scalable accuracy at scalable costs, where cost is a choice of reference capacity. It is also advantageous that digital integration is not required, which leads to lower resource requirements.
Vorteilhaft ist außerdem ein direkter, insbesondere verstar- kerloser Anschluss eines A/D-Wandlers (A/D: Analog / Digital) möglich, weil das zu messende Signal bereits eine hohe Energie hat.In addition, a direct, in particular amplifierless, connection of an A / D converter (A / D: analog / digital) is advantageously possible because the signal to be measured already has a high energy.
Vorteilhaft ist außerdem eine kontinuierliche Messung, welche eine geringere Geschwindigkeitsanforderung an den A/D-Wandler in einem digitalen System ermöglicht, dies insbesondere bei einer Verwendung von getakteten Piezo-Treibern .Also advantageous is a continuous measurement, which allows a lower speed request to the A / D converter in a digital system, especially when using pulsed piezo drivers.
Vorteilhaft sind außerdem geringe Anforderungen an die Refe- renzkapazitat bzgl. parasitärer Elemente. Parasitare Elemente der Referenzkapazitat haben in einem begrenzten Frequenzband kaum nachteiligen Einfluss auf die Messgenauigkeit.In addition, low demands on the reference capacitance with respect to parasitic elements are also advantageous. Parasitic elements of Referenzkapazitat have in a limited frequency band hardly adverse effect on the measurement accuracy.
Ein Ausfuhrungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:An exemplary embodiment will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine beispielhafte Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors,1 shows an exemplary circuit for driving a piezoelectric actuator,
Fig. 2 eine gegenüber Fig. 1 modifizierte Schaltung,2 is a comparison with FIG. 1 modified circuit,
Fig. 3 eine weitere gegenüber Fig. 1 modifizierte Schaltung undFig. 3 shows a further compared to FIG. 1 modified circuit and
Fig. 4 einen Phasengang und eine Ubertragungsfunktion einer solchen Schaltung.4 shows a phase response and a transfer function of such a circuit.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht ein wesentlicher Aspekt einer Grundschaltung in der Verwendung einer zu einem piezoelektrischen Aktor P in Serie geschalteten Referenzkapazitat M zur Messung einer Ladung qP des piezoelektrischen Aktors P. Die Referenzkapazität M ist in Serie zum piezoelektrischen Aktor P gegen Nullpotential 0 geschaltet.As can be seen from FIG. 1, an essential aspect of a basic circuit is the use of a reference capacitance M connected in series with a piezoelectric actuator P for measuring a charge q P of the piezoelectric actuator P. The reference capacitance M is connected in series with the piezoelectric actuator P to zero potential 0.
Durch den Aktor P und durch die Referenzkapazität M fließt der gleiche Strom i (t) einer Treiberstufe G in Form z.B. eines Generators. Dadurch wird in beiden Elementen die gleiche Ladung q(t) = qP(t) bzw. q(t) = qM(t) gespeichert. Gemäß gilt allgemein bzw. für die spezielle Referenzkapazität mit einem Referenz-Kapazitätswert CM Through the actuator P and through the reference capacitance M, the same current i (t) flows to a driver stage G in the form of, for example, a generator. As a result, the same charge q (t) = q P (t) or q (t) = q M (t) is stored in both elements. In general, or for the specific reference capacitance with a reference capacitance value C M applies
"(t) = —-q(t) bzw. uA(t) = ——qM(t) (1)"(t) = - q (t) or u A (t) = - q M (t) (1)
mit u(t) als einer Spannung der Treiberstufe G und C als Gesamt-Kapazitätswert der Gesamtkapazität. Dabei ist ein Span- nungsabfall über der Referenzkapazität M proportional der gespeicherten Ladung qM der Referenzkapazität M. Der Kapazitätswert CM der Referenzkapazität M stellt den Proportionalitätsfaktor dar.with u (t) as a voltage of the driver stage G and C as the total capacitance value of the total capacitance. In this case, a voltage drop across the reference capacitance M is proportional to the stored charge q M of the reference capacitance M. The capacitance value C M of the reference capacitance M represents the proportionality factor.
Die Treiberstufe G stellt ein geeignetes Ansteuersignal, eine Spannungs-Zeitfunktion oder eine Strom-Zeitfunktion, zum Treiben des piezoelektrischen Aktors P bereit. Die Treiberstufe G ist direkt mit dem Aktor P verbunden. Der Aktor P ist an seinem zweiten Anschluss mit der in Serie geschalteten Re- ferenzkapazität M verbunden. Das Nullpotential 0 der Schaltung stellt das Bezugspotential der Referenzkapazität M dar. Sofern eine Spannungsmessung über der Referenzkapazität M näherungsweise stromlos erfolgt, giltThe driver stage G provides a suitable drive signal, a voltage-time function or a current-time function for driving the piezoelectric actuator P. The driver stage G is connected directly to the actuator P. The actuator P is connected at its second terminal to the series-connected reference capacitance M. The zero potential 0 of the circuit represents the reference potential of the reference capacitance M. If a voltage measurement above the reference capacitance M takes place approximately without current, the following applies
T q(T) = qp(T) = qM (T) = \i(t)dt + Q(t = 0) mit i(t) = ip(t) = iM (t) . ( 2 )T q (T) = q p (T) = q M (T) = \ i (t) dt + Q (t = 0) with i (t) = i p (t) = i M (t). (2)
Demgemäß wird in beiden kapazitiven Elementen, d.h. in dem Aktor P und in der Referenzkapazität M die gleiche Ladung q(t) gespeichert. Die gespeicherte Ladung q(t) verursacht ei- nen proportionalen Spannungsabfall über der Referenzkapazität M. Der Spannungsabfall über der Referenzkapazität M stellt das zur Ladung qP des Aktors P proportionale Ausgabesignal uA (t) dar.Accordingly, in both capacitive elements, ie in the actuator P and in the reference capacitance M, the same charge q (t) is stored. The stored charge q (t) causes a proportional voltage drop across the reference capacitance M. The voltage drop across the reference capacitance M represents the output to the charge q P of the actuator P proportional output signal u A (t).
Die Bestimmung der Ladung qP des Aktors P erfolgt beispiels- weise in einer Steuereinrichtung C, welcher das Ausgabesignal uA (t) anliegt. Die Steuereinrichtung C bestimmt vorzugsweise auch ein Steuer- oder Regelsignal c(t), welches der Treiberstufe G zum Steuern bzw. zum Regeln der Treiberstufe G angelegt wird.The determination of the charge q P of the actuator P takes place, for example, in a control device C, which applies the output signal u A (t). The control device C preferably also determines a control or regulating signal c (t) which is applied to the driver stage G for controlling or regulating the driver stage G.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in Fig. 2 und in Fig. 3 dargestellt. Durch eine Rücksetzschaltung wird die Referenzkapazität M entladen, wobei die in der Referenzkapazität M gespeicherte Ladung q(t=0) auf Null gesetzt wird. Das Rück- setzen kann beispielsweise nach Fig.2 mit einem Widerstand R oder nach Fig.3 mit einem Schalter S erfolgen. Das Rücksetzen über den Widerstand R ist besonders einfach und für einen periodischen Betrieb des Aktors P geeignet. Dabei stellt die Schaltung bestehend aus dem Aktor P, der Referenzkapazität M und dem Widerstand R einen Hochpass dar. Auf diese Weise wird die Stabilität eines derart gebildeten Integrators, z. B. gegenüber Biasströmen, die bei einer Integration zu einer Drift führen würden, verbessert.Further exemplary embodiments are shown in FIG. 2 and in FIG. 3. By a reset circuit, the reference capacitance M is discharged, wherein the stored in the reference capacitance M charge q (t = 0) is set to zero. The reset can be done, for example, according to FIG. 2 with a resistor R or according to FIG. 3 with a switch S. The reset via the resistor R is particularly simple and suitable for a periodic operation of the actuator P. In this case, the circuit consisting of the actuator P, the reference capacitance M and the resistor R is a high pass. In this way, the stability of such an integrator formed, for. B. against bias currents, which would lead to a drift in an integration, improved.
Parasitäre Elemente der Referenzkapazität M bildet deren scheinbarer Innenwiderstand aus. Der parasitäre Widerstand in Serie zur Referenzkapazität M begrenzt als RC-Glied (RC: Widerstands-Kapazität) mit der Kapazität CM des Aktors P den Einsatz hin zu hohen Frequenzen. Der parallele parasitäre Wi- derstand der Referenzkapazität M und die Referenzkapazität M bilden ein RC-Glied das durch Hochpass-Verhalten den Einsatz bei niedrigen Frequenzen begrenzt. Bei realistischen Bauteilparametern für typische Anwendungen ist ein Frequenzband von insbesondere mindestens 1OmHz < f < IkHz nutzbar. Der Einsatz von speziellen, verlustarmen und damit teueren Kapazitäten, z. B. Tantalkapazitäten, ist in Abhängigkeit von der Anwendung vorteilhafterweise nicht mehr zwingend erforderlich. Die Wirkung der parasitären Elemente der Referenzkapazitat M ist durch Grundlage von beispielhaften Parametern mit einem Referenzkapazitats-Kapazitatswert CM = lOOμF und einem Aktor- Kapazitatswert CP = lμF simulierbar. Der parasitäre Wider- stand in Serie zur Referenzkapazitat M betragt dabei 100 mOhm, eine Ersatz-Serien-Induktivitat der Referenzkapazitat M betragt dabei 30 nH und der parasitäre Widerstand parallel zur Referenzkapazitat M betragt dabei RpM = 6MOhm. Diese Daten entsprechen denen eines durchschnittlichen Elektrolytkon- densators. Das Simulationsergebnis ist in Fig.4 dargestellt. Dargestellt ist über der Frequenz f die Ubertragungsfunktion der Ausgangsspannung uA(t) im Bezug auf die Aktorladung qP(t) . Abgebildet sind dabei ein Phasengang in der oberen Abbildung und eine Verstärkung in der unteren Abbildung. Es zeigt sich, dass die parasitischen Elemente in überraschender Weise über einen großen Frequenzbereich hinweg keinen negativen Einfluss auf die Messgenauigkeit haben.Parasitic elements of the reference capacitance M form their apparent internal resistance. The parasitic resistance in series with the reference capacitance M limits as an RC element (RC: resistance capacitance) with the capacitance C M of the actuator P to the use of high frequencies. The parallel parasitic resistance of the reference capacitance M and the reference capacitance M form an RC element which limits the use at low frequencies by means of high-pass behavior. With realistic component parameters for typical applications, a frequency band of in particular at least 10 MHz <f <IkHz can be used. The use of special, low-loss and therefore expensive capacities, eg. As tantalum capacities, is advantageously no longer required depending on the application. The effect of the parasitic elements of the reference capacitance M can be simulated by setting exemplary parameters with a reference capacitance capacitance value C M = 100 μF and an actuator capacitance value C P = 1 μF. The parasitic resistance in series with the reference capacitance M amounts to 100 mOhms, a replacement series inductance of the reference capacitance M amounts to 30 nH and the parasitic resistance parallel to the reference capacitance M amounts to RpM = 6 Mohms. These data correspond to those of an average electrolytic capacitor. The simulation result is shown in FIG. Shown above the frequency f is the transfer function of the output voltage u A (t) with respect to the actuator charge q P (t). Shown here are a phase response in the upper figure and a gain in the lower figure. It turns out that the parasitic elements surprisingly have no negative influence on the measurement accuracy over a large frequency range.
Experimentell bestätigt wird somit eine vergleichbare Genau- igkeit zu bekannten Verfahren bei signifikant verringertem Schaltungsaufwand erreicht.Thus, experimentally confirmed, a comparable accuracy to known methods is achieved with significantly reduced circuit complexity.
Vorteilhaft umsetzbar ist beispielsweise ein direkter, insbesondere verstarkerloser Anschluss eines A/D-Wandlers (A/D: Analog / Digital), dem das Ausgabesignal uA(t) angelegt wird. In der Praxis zeigt sich mit einem beispielhaften Referenzka- pazitats-Kapazitatswert CM = 470μF und einer Ausgabespannung -2V < UA < 2V, dass das zu messende Signal bereits eine hohe Energie E = C-UA hat. Advantageously implementable, for example, is a direct, in particular amplifierless, connection of an A / D converter (A / D: analog / digital) to which the output signal u A (t) is applied. In practice, with an exemplary reference capacitance capacitance value C M = 470μF and an output voltage -2V <UA <2V, it can be seen that the signal to be measured already has a high energy E = CU A.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen oder e- lektrostriktiven Aktors (P) mit einer vorgeschalteten Trei- berstufe (G) zum Bereitstellen eines Ansteuersignals zum Treiben des Aktors (P) , dadurch gekennzeichnet, dass1. A circuit for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator (P) with an upstream driver stage (G) for providing a drive signal for driving the actuator (P), characterized in that
- dem Aktor (P) eine Referenzkapazität (M) zum Messen einer Ladung (qP) des Aktors (P) in Serie nachgeschaltet ist.- The actuator (P) is followed by a reference capacitance (M) for measuring a charge (q P ) of the actuator (P) in series.
2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Treiberstufe (G) und die Referenzkapazität (M) an ein gemeinsames Bezugspotential (0) geschaltet sind.2. A circuit according to claim 1, wherein the driver stage (G) and the reference capacitance (M) to a common reference potential (0) are connected.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Spannungsabfall über der Referenzkapazität (M) als ein zur Ladung (qP) des Aktors (P) proportionales Ausgabesignal (uA(t)) abgreifbar ist.3. A circuit according to claim 1 or 2, wherein a voltage drop across the reference capacitance (M) as a charge (q P ) of the actuator (P) proportional output signal (u A (t)) can be tapped.
4. Schaltung nach Anspruch 3, bei der gemäß4. The circuit of claim 3, wherein according to
das Ausgabesignal uA(t) proportional ist zu einem Quotienten eines Referenzkapazität-Kapazitätswerts CM der Referenzkapazität (M) mit <3M (t) als Ladung der Referenzkapazität (M).the output signal u A (t) is proportional to a quotient of a reference capacitance capacitance value C M of the reference capacitance (M) with <3 M (t) as the charge of the reference capacitance (M).
5. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch, mit nach einer verstrichenen Zeit T einer Ladung q(T) gemäß5. A circuit according to any preceding claim, having after an elapsed time T a charge q (T) according to
mit i (t) als durch den Aktor (P) und durch die Referenzkapazität (M) fließendem Strom. with i (t) as current flowing through the actuator (P) and through the reference capacitance (M).
6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5, bei der eine Ladung des Aktors qP(t) gleich oder proportional einer Ladung qM(t) der Referenzkapazitat (M) ist.6. A circuit according to claim 4 or 5, wherein a charge of the actuator q P (t) is equal to or proportional to a charge q M (t) of the Referenzkapazitat (M).
7. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch, welche ausgestaltet ist zum naherungsweise stromlosen Messen einer Spannung über der Referenzkapazitat (M) .7. A circuit according to any preceding claim, which is designed for approximately currentless measuring a voltage across the Referenzkapazitat (M).
8. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch, mit einer Rucksetzschaltung, die zum Entladen der Referenzkapazitat (M) geschaltet ist.8. A circuit according to any preceding claim, comprising a reset circuit connected to discharge the reference capacitance (M).
9. Schaltung nach Anspruch 8, bei der die Rucksetzschaltung ausgebildet ist durch einen parallel zur Referenzkapazitat (M) geschalteten Widerstand (R) oder durch einen parallel zur Referenzkapazitat (M) geschalteten Schalter (S) .9. A circuit according to claim 8, wherein the reset circuit is formed by a parallel to Referenzkapazitat (M) connected resistor (R) or by a parallel to Referenzkapazitat (M) connected switch (S).
10. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch mit einem direkt angeschlossenen A/D-Wandler oder einem direkt ange- schlossenen Analogregler.10. A circuit according to any preceding claim with a directly connected A / D converter or a directly connected analog controller.
11. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch mit einer Kalibrierschaltung zum Verringern eines Fehlers, der durch Drift von Bauteilparametern verursacht wird, wobei die Kalib- rierschaltung ausgelegt und geschaltet ist, in zeitlichen Abstanden einen Ubertragungsfaktor in Form einer Ladung zu einem Spannungsabfall an der Referenzkapazitat (M) zu bestimmen .11. A circuit according to any preceding claim comprising a calibration circuit for reducing an error caused by component parameter drift, wherein the calibration circuit is configured and switched, at intervals a transfer factor in the form of a charge to a voltage drop across the reference capacitance (M ).
12. Schaltung nach einem vorstehenden Anspruch mit einer12. A circuit according to any preceding claim with a
Steuer- oder Regeleinrichtung (C) zum Ansteuern oder Regeln der Treiberstufe (G) aufgrund eines Wertes der gemessenen Ladung des Aktors (P) .Control or regulating device (C) for controlling or regulating the driver stage (G) on the basis of a value of the measured charge of the actuator (P).
13. Verfahren zur Ansteuerung eines piezoelektrischen oder elektrostriktiven Aktors (P) mit einer vorgeschalteten Treiberstufe (G) zum Bereitstellen eines Ansteuersignals zum Treiben des Aktors (P) , dadurch gekennzeichnet, dass13. A method for driving a piezoelectric or electrostrictive actuator (P) with an upstream driver stage (G) for providing a drive signal to Driving the actuator (P), characterized in that
- dem Aktor (P) eine Referenzkapazitat (M) zum Messen einer Ladung (qP) des Aktors (P) in Serie nachgeschaltet wird.- The actuator (P) a reference capacitance (M) for measuring a charge (q P ) of the actuator (P) is connected in series.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem ein Spannungsabfall über der Referenzkapazitat (M) als ein zur Ladung (qP) des Aktors (P) proportionales Ausgabesignal (uA(t)) abgegriffen wird.14. The method of claim 13, wherein a voltage drop across the reference capacitance (M) as a charge (q P ) of the actuator (P) proportional output signal (u A (t)) is tapped.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem eine Spannung über der Referenzkapazitat (M) naherungsweise stromlos gemessen wird.15. The method of claim 13 or 14, wherein a voltage across the Referenzkapazitat (M) is measured approximately currentless.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 - 15, bei dem die Referenzkapazitat (M) ruckgesetzt wird durch einen parallel zur Referenzkapazitat (M) geschalteten Widerstand (R) oder durch einen parallel zur Referenzkapazitat (M) geschalteten und in zeitlichen Abstanden geschlossenen und wieder geoffne- ten Schalter (S) .16. The method according to any one of claims 13 - 15, wherein the Referenzkapazitat (M) is reset by a parallel to Referenzkapazitat (M) connected resistor (R) or by a parallel to Referenzkapazitat (M) connected and closed at intervals and again open switch (S).
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 - 16, bei dem zum Verringern eines Fehlers, der durch Drift von Bauteilparametern verursacht wird, durch ein Kalibrationsverfahren in zeitlichen Abstanden ein Ubertragungsfaktor in Form einer Ladung zu einem Spannungsabfall an der Referenzkapazitat (M) bestimmt wird.A method according to any one of claims 13 to 16, wherein to reduce an error caused by drift of component parameters, a transmission factor in the form of a charge to a voltage drop across the reference capacitance (M) is determined by a calibration method at time intervals.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 - 17, bei dem die gemessene Ladung des Aktors (P) verwendet wird zum Ansteuern oder Regeln der Treiberstufe (G) .18. The method according to any one of claims 13-17, wherein the measured charge of the actuator (P) is used for driving or regulating the driver stage (G).
19. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 - 12 oder Verfahren nach einem der Ansprüche 13 - 18, wobei ein Frequenzband im Bereich von 1OmHz < f < IkHz genutzt wird. 19. A circuit according to any one of claims 1-12 or a method according to any one of claims 13-18, wherein a frequency band in the range of 1OmHz <f <IkHz is used.
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