Beschreibung
Stromquelle, Steuervorrichtung und Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Stromquelle, eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung, insbesondere zum Einsatz für einen Piezoaktuator .
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff- Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die während des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff- Gemisches erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch mit einem Piezo-Aktuator als Stellantrieb. Piezo- Aktuatoren zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzeiten. Derartige Einspritzventile sind so gegebenenfalls geeignet mehrfach innerhalb eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine Kraftstoff zuzumessen.
Eine besonders gute Gemischaufbereitung lässt sich erreichen, wenn vor einer Haupteinspritzung eine oder mehrere Voreinspritzungen erfolgen, die auch als Piloteinspritzung bezeichnet werden, wobei für die einzelne Voreinspritzung gegebenenfalls eine sehr geringe Kraftstoffmasse zugemessen werden
soll. Ein präzises Ansteuern des Einspritzventils ist insbesondere für diese Fälle sehr wichtig.
Eine wichtige Rolle kommt im Zusammenhang mit dem präzisen Ansteuern des Einspritzventils dem Laden und Entladen des Piezoaktuators zu. Zu diesem Zweck ist regelmäßig eine Leistungsendstufe vorgesehen, die jedoch während des Entladevorgangs den Piezoaktuator nicht vollständig entladen kann. Zum vollständigen Entladen ist diesbezüglich dann ein Schaltelement vorgesehen, das diese Aufgabe übernehmen kann, dabei jedoch thermischen Belastungen unterliegt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, gemäß eines ersten Aspekts eine einfache Stromquelle zu schaffen, mittels der zwei unterschiedliche Ausgangsströme einstellbar sind. Gemäß eines weiteren Aspekts ist die Aufgabe der Erfindung, eine Steuervorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung zu schaffen, mittels der bzw. dem einfach zwei unterschiedliche Ausgangsströme einstellbar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten Aspekts aus durch eine Stromquelle mit einem ersten Schaltelement, das einen Steuereingang hat und so ausgebildet ist, dass abhängig von einem Steuersignal an seinem Steuereingang ein Ausgangsstrom ausgangsseitig der Stromquelle einstellbar ist. Sie hat ferner einen Referenz-Widerstand, der so mit dem ersten Schaltelement elektrisch gekoppelt ist, dass der Ausgangsstrom durch den Referenz-Widerstand fließt. Der Referenzwiderstand weist in Serie angeordnete erste und zweite Einzel- Referenz-Widerstände auf. Weiter ist eine Diode parallel zu
dem ersten Referenz-Widerstand geschaltet und zwar in Durchlassrichtung entsprechend der bestimmungsgemäßen Stromrichtung durch den Referenz-Widerstand. Der erste Einzel- Referenz-Widerstand ist hochohmiger als der zweite Einzel- Referenz-Widerstand. Die Stromquelle umfasst ferner ein Reglerelement, dem als Sollwert ein vorgegebenes Referenzpotenzial zugeführt ist und dessen Stellsignal das Steuersignal des ersten Schaltelements ist. Die Stromquelle hat ferner ein zweites Schaltelement, das ausgebildet ist und angeordnet ist zum Beaufschlagen des Reglerelements mit einer ersten Potenzialdifferenz als Sollwert, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über dem ersten und zweiten Einzel-Referenz- Widerstand in einer ersten Schaltstellung und mit einer zweiten Potenzialdifferenz als Sollwert, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über dem zweiten Einzel-Referenz- Widerstand, in einer zweiten Schaltstellung. Dies hat den Vorteil, dass lediglich ein Referenzpotenzial notwendig ist zum Realisieren von zwei unterschiedlichen Ausgangsströmen der Stromquelle. Damit geht ein geringer schaltungstechnischer Aufwand einher, insbesondere im Vergleich zu dem Vorsehen entsprechender Schaltungsanordnungen zum Realisieren von zwei verschiedenen Referenz-Potenzialen.
Darüber hinaus zeichnet sich der Referenz-Widerstand dadurch aus, dass er je nach dem Spannungsabfall über dem ersten und zweiten Referenz-Widerstand unterschiedliche Widerstandswerte aufweist. Dies ist besonders einfach durch das Parallelschalten der Diode zu dem ersten Einzel-Referenz-Widerstand realisiert. Dadurch, dass der erste Einzel-Referenz-Widerstand hochohmiger ist als der zweite Einzel-Referenz-Widerstand, lassen sich so deutlich unterschiedliche Ausgangsströme bei der Stromquelle einstellen und zwar mit jeweils einer hohen Genauigkeit, auch im Hinblick auf einen Offset des Stellsignals des Reglerelements. Darüber hinaus können die ersten und
zweiten Einzel-Referenz-Widerstände jeweils mit der für den jeweiligen Ausgangsstrom geeigneten geringen Toleranz ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist das Reglerelement und das zweite Schaltelement in einem integrierten Schaltkreis angeordnet und der Referenz-Widerstand und das erste Schaltelement sind extern zu dem integrierten Schaltkreis angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass wenige Ein- oder Ausgänge des integrierten Schaltkreises für die Realisierung der Stromquelle benötigt werden. Zum anderen kann der integrierte Schaltkreis auch unabhängig für die bei der jeweiligen Applikation gewünschten Ausgangsströme eingesetzt werden und durch geeignete Einzel-Referenz- Widerstände und ein entsprechend geeignetes erstes Schaltelement für die jeweilige Applikation angepasst werden. So ist insgesamt eine kostengünstige Fertigung der Stromquelle möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung koppelt ein erster Regelparameterpfad das Reglerelement ausgangsseitig mit einem ersten Knotenpunkt elektrisch, der elektrisch zwischen dem ersten Schaltelement und dem Referenz-Widerstand angeordnet ist. Der erste Regelparameterpfad weist eine vorgebbare Impedanz auf. So kann das Reglerverhalten einfach bezüglich eines ersten Ausgangsstroms eingestellt werden, der der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements zugeordnet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist ein zweiter Regelparameterpfad vorgesehen, der das Reglerelement ausgangsseitig mit einem zweiten Knotenpunkt elektrisch koppelt, der elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstand angeordnet
ist. Der zweite Regelparameterpfad hat eine vorgebbare Impedanz. Auf diese Weise kann einfach das Reglerverhalten bezüglich eines zweiten Ausgangsstroms eingestellt werden, der der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements zugeordnet ist .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts der Erfindung ist die vorgebbare Impedanz in dem ersten und/oder zweiten Regelparameterpfad so ausgebildet, dass ein Proportional- und Integral-Regelverhalten ausgebildet ist. Dies hat sich als besonders günstig erwiesen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts ist die vorgegebene Impedanz des zweiten Regelparameterpfads in etwa mindestens eine Größenordnung kleiner als die vorgebbare Impedanz des ersten Regelparameterpfads. Dies hat den Vorteil, dass das Regelverhalten im Hinblick auf das Einstellen der ersten bzw. der zweiten Ausgangsströme nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden kann.
Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Steuervorrichtung mit der Stromquelle, die vorgesehen ist zum Steuern eines Piezoaktuators, wobei die Stromquelle so mit dem Piezoaktuator koppelbar ist, dass sie den Piezoaktuator entladen kann.
Die Steuervorrichtung hat eine Leistungsendstufe zum Laden und Entladen des Piezoaktuators, die elektrisch parallel zu der Stromquelle angeordnet ist.
Die Vorteile des ersten Aspekts der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung korrespondieren mit denen des zweiten Aspekts der Erfindung.
Gemäß eines dritten Aspekts ist ein Verfahren zum Betreiben der Steuervorrichtung vorgesehen, bei dem die Leistungsendstufe zum Entladen des Piezoaktuators angesteuert wird und anschließend das zweite Schaltelement in seine zweite Schaltstellung gesteuert wird zum weiteren Entladen der Leistungsendstufe, wodurch sich der erste Ausgangsstroms einstellt. In einem Fehlerfall der Leistungsendstufe wird das zweite Schaltelement in seine erste Schaltstellung gesteuert zum Entladen des Piezoaktuators, wobei sich der zweite Ausgangsstrom einstellt. Dies hat den Vorteil, dass der Ausgangsstrom, und zwar der zweite Ausgangsstrom, geeignet hoch gewählt werden kann zum schnellen vollständigen Restentladen des Piezoaktuators, ohne das erste Schaltelement thermisch zu beschädigen. Ferner kann der Ausgangsstrom, und zwar der erste Ausgangsstrom, geeignet niedrig eingestellt werden, um das erste Schaltelement thermisch nicht zu überlasten und gleichzeitig den Piezoaktuator auch vollständig entladen zu können, wenn ein durch die Endstufe unterstütztes Entladen nicht möglich oder erschwert ist, insbesondere auch zur Herstellung eines sicheren Zustandes im Falle bestimmter Fehlerzustände oder Defekte der Endstufe. So können Personen gut geschützt werden, die die Regelvorrichtung austauschen wollen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Einspritzventil mit einer Steuervorrichtung und
Figur 2 eine detailliertere Darstellung von Teilen der Steuervorrichtung gemäß Figur 1.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein Einspritzventil (Figur 1) hat ein Injektorgehause 1 mit einer Ausnehmung, in die ein Piezo-Aktuator PAKTl, also ein Piezo-Stellantrieb, eingesetzt ist, der mit einem Übertrager 6 gekoppelt ist. Der Übertrager 6 ist in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10, das bevorzugt als Servoven- til ausgebildet ist, ist so angeordnet, dass es abhangig von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid, das in dieser Ausfuhrungsform bevorzugt der Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit dem Piezo-Aktuator PAKTl gekoppelt und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo- Aktuators PAKTl eingestellt. Gegebenenfalls kann der Piezo- Aktuator PAKTl auch ohne Zwischenschaltung des Übertragers 6 auf das Schaltventils 10 einwirken. Das Schaltventil 10 ist in einer Ventilplatte 12 angeordnet. Es umfasst ein Ventilglied, dessen Position mittels des Piezo-Aktuators PAKTl einstellbar ist und das in einer Schaltstellung in Anlage ist mit der Ventilplatte und so das Absteuern von Kraftstoff in den Leckageraum verhindert. In einer weiteren Schaltstellung ist es beabstandet zu einer Wandung der Ventilplatte 12 und ermöglicht so das Absteuern des Kraftstoffs in den Leckageraum 8. Der Piezo-Aktuator umfasst einen Stapel von Piezoele- menten. Der Stapel der Piezoelemente umfasst zum Beispiel etwa 200 Piezoelemente, die aufeinander geschichtet sind. Der Stapel der Piezoelemente ist bevorzugt von einer Rohrfeder umgeben, die den Stapel der Piezoelemente zwischen den U- bertrager 6 und einem Abschlusselement einspannt.
Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelfuhrungskorper 14 und einen Dusenkorper 16. Die Ventilplatte 12, der Nadelfuhrungskorper 14 und der Dusenkorper 16 bilden eine Dusen- baugruppe, die mittels einer Dusenspannmutter 18 an dem Injektorgehause 1 befestigt ist.
Der Nadelfuhrungskorper 14 hat eine Ausnehmung, die als Ausnehmung des Dusenkorpers 16 in dem Dusenkorper 16 fortgesetzt ist und in der eine Dusennadel 24 angeordnet ist. Die Dusen- nadel 24 ist in dem Nadelfuhrungskorper 14 gefuhrt. Eine Du- senfeder 26 spannt die Dusennadel 24 in eine Schließposition vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch ein Einspritzloch 28 unterbindet.
An dem axialen Ende der Dusennadel 24, das hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel 31 mit einer Hochdruckbohrung 32 hydraulisch gekoppelt ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließposition, so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem Schließen des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im wesentlichen dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht. Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispielsweise bis zu 2000 bar versorgt.
Über den Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf eine Stirnflache der Dusennadel 24 eine Kraft in Schließrichtung der Dusennadel 24 ausgeübt. Die Dusennadel 24 weist ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnflache einen Absatz auf, der mit Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart beaufschlagt wird, dass eine öffnend wirkende Kraft auf die Dusennadel 24 wirkt, also entgegen der Schließrichtung. In ihrer Schließposition unterbindet die Dusennadel 24 einen Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28. Bewegt sich die Dusennadel 24 ausgehend von ihrer Schließposition hinein in den Steuerraum 30, so gibt sie den Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28 frei, insbesondere
in ihrer Offenposition, in der sie in Anlage mit dem Bereich der Wandung des Steuerraums 30 ist, der durch die Ventilplatte 12 gebildet wird.
Ob die Düsennadel 24 sich in ihrer Offensposition oder in ihrer Schließposition befindet hängt davon ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird, größer oder kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den auf die Stirnfläche der Düsennadel 24 einwirkenden Druck hervorgerufen wird.
Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Offenposition, so strömt Fluid von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30, was schließlich zu einer Bewegung der Düsennadel in ihre Offenposition führt. Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung .
Eine Steuervorrichtung 38 ist dem Einspritzventil zugeordnet. Die Steuervorrichtung 38 ist ausgebildet zum Erzeugen eines Stellsignals SG für den Piezo-Aktuator PAKTl des Einspritzventils. Die Steuervorrichtung 38 ist bevorzugt ferner ausgebildet zum Erzeugen von Stellsignalen für weitere Piezo- Aktuatoren PAKT2-4, die weiteren Einspritzventilen zugeordnet sind.
Das Stellsignal SG ist bevorzugt ein Stromsignal, das bevorzugt pulshöhenmoduliert ist. Ausgehend von einem Start eines Ladevorgangs LV wird bevorzugt eine vorgegebene Anzahl Pulse, so zum Beispiel 20, mit einer vorgegebenen zeitlichen Dauer und Periode erzeugt, bis der Ladevorgang abgeschlossen ist.
Über die Hohe des jeweiligen Pulses wird die wahrend des Ladevorgangs dem Piezo-Aktuator PAKTl zuzuführende elektrische Energie eingestellt. Die dem Piezo-Aktuator PAKTl wahrend eines Ladevorgangs LV zuzuführende Energie wird abhangig von Betriebsparametern ermittelt. Die dem Piezo-Aktuator PAKTl zugefuhrte Energie beeinflusst dessen axialen Hub und somit auch den Verlauf des Drucks in dem Steuerraum 30.
Die Steuervorrichtung 40 ist ferner ausgebildet zum Durchfuhren eines Entladevorgangs des Piezo-Aktuators PAKTl. Bevorzugt wird dazu eine vorgegebene Anzahl an Entladepulsen erzeugt, so z.B. 20, mit einer vorgegebenen zeitlichen Dauer und Periode. Über die Hohe der jeweiligen Entladepulse wird die wahrend des Entladevorgangs dem Piezo-Aktuator PAKTl entnommene elektrische Energie eingestellt. Die dem Aktuator entnommene Energie beeinflusst dessen axiale Hub- Verringerung .
Ein Teil der Steuervorrichtung 38 ist anhand der Figur 2 dargestellt. Die Steuervorrichtung 38 umfasst einen Spannungs- verstarker, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet ist, und der mit einem Bordnetz 40 elektrisch gekoppelt ist, das ausgebildet ist zum Versorgen des Spannungsverstarkers 42 mit einer vorgegebenen Spannung und so eine Spannungsquelle bildet. Das Bordnetz umfasst beispielsweise eine Fahrzeugbatterie .
Der Spannungsverstarker 42 ist elektrisch mit einer Leistungsendstufe 46 gekoppelt. Bevorzugt ist ein Kondensator 44 zwischengeschaltet und zwar derart, dass in dem Kondensator 44 elektrische Energie bei dem Entladevorgang der jeweiligen Piezoaktuatoren PAKTl bis PAKT4 zwischengespeichert werden kann und für zukunftige Ladevorgange eingesetzt werden kann.
Die Leistungsendstufe 46 der Steuervorrichtung 38 ist elektrisch gekoppelt mit den Piezoaktuatoren PAKTl bis PAKT4, die separat zu der Steuervorrichtung 38 ausgebildet sind und zwar in den Einspritzventilen. Bevorzugt ist aus Kostengründen eine Leistungsendstufe 46 mehreren Piezoaktuatoren PAKTl bis PAKT4 zugeordnet. Die Auswahl des jeweils zu ladenden oder entladenden Piezoaktuators PAKTl bis PAKT4 erfolgt bevorzugt über Auswahlschaltelemente TSELl bis TSEL4.
Bei einem Entladevorgang, der durch die Leistungsendstufe 46 gesteuert ist, verbleibt nach der vorgegebenen Anzahl an Entladepulsen noch eine Restladung in dem jeweiligen Piezoaktua- tor PAKTl bis PAKT4. Soll auch diese Restladung von dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 abgeführt werden, so wird eine Stromquelle 48 der Steuervorrichtung 38 aktiviert, die zu diesem Zweck vorgesehen ist.
Die Stromquelle 48 umfasst einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis auf, der auch als ASIC bezeichnet wird. In dem ASIC 50 ist ein Reglerelement 52 ausgebildet, das vorzugsweise einen Operationsverstärker umfasst. Das Reglerelement 52 ist ausgangsseitig mit einem Steuereingang 54 eines ersten Schaltelements Tl elektrisch leitend gekoppelt. Während des Betriebs erzeugt das Reglerelement 52 an seinem Ausgang ein Stellsignal, das ein Steuersignal des ersten Schaltelements Tl ist.
Das erste Schaltelement Tl ist so ausgebildet und angeordnet, dass abhängig von dem Steuersignal ein Ausgangsstrom I_A ausgangsseitig der Stromquelle einstellbar ist. Der Ausgangsstrom I_A stellt in der eingezeichneten Stromrichtung einen Entladestrom für den jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 dar .
Ferner umfasst die Stromquelle 48 einen Referenz-Widerstand R S, der so mit dem ersten Schaltelement Tl elektrisch gekoppelt ist, dass der Ausgangsstrom I A durch den Referenz- Widerstand R_S fließt. Der Referenz-Widerstand R_S hat in Serie angeordnete erste und zweite Einzel-Referenz-Widerstände R5, R6 und eine Diode Dl, die parallel geschaltet ist zu dem ersten Einzel-Referenz-Widerstand R5 und zwar in Durchlassrichtung entsprechend der bestimmungsgemäßen Stromrichtung durch den Referenz-Widerstand R S. Der erste Einzel-Referenz- Widerstand R5 ist hochohmiger als der zweite Einzel-Referenz- Widerstand R6. Je nach einzustellenden Eingangsströmen I A beträgt das Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Einzel-Referenz-Widerstand R5, R6 beispielsweise in etwa 50.
Ferner ist in dem ASIC 50 das zweite Schaltelement T2 ausgebildet, das so ausgebildet und angeordnet ist, dass das Reglerelement 52 mit einer ersten Potenzialdifferenz Ul als Istwert beaufschlagt wird, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über dem ersten und zweiten Einzel-Referenz- Widerstand R5 und R6, in einer ersten Schaltstellung, und mit einer zweiten Potenzialdifferenz U2 als Istwert, die repräsentativ ist für einen Spannungsabfall über dem zweiten Referenz-Widerstand R6, in einer zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements. An einem weiteren Eingang des Reglerelements 52 kann dieses mit einem Referenz-Potenzial U REF beaufschlagt werden.
Ferner weist die Stromquelle 48 bevorzugt einen ersten Regelparameterpfad 56 auf, durch den ein erster Knotenpunkt 58 mit dem Reglerelement 52 ausgangsseitig elektrisch gekoppelt ist. Der erste Knotenpunkt 58 ist elektrisch zwischen dem ersten Schaltelement Tl und dem Referenz-Widerstand R S angeordnet. Der erste Regelparameterpfad 46 weist eine vorgebbare Impedanz auf.
Ferner ist bevorzugt ein zweiter Regelparameterpfad 60 vorgesehen, der das Reglerelement 52 ausgangsseitig mit einem zweiten Knotenpunkt 62 elektrisch koppelt. Der zweite Knotenpunkt 62 ist elektrisch zwischen dem ersten und zweiten Referenz-Widerstand R5, R6 angeordnet. Der zweite Regelparameterpfad 60 hat ebenfalls eine vorgebbare Impedanz.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erweisen, wenn der erste Regelparameterpfad 56 eine erste Impedanz hat, die bevorzugt als Widerstand Rl in Serienschaltung mit einer Kapazität Cl ausgebildet ist. Ferner hat vorteilhaft der erste Regelparameterpfad 56 eine zweite Impedanz, die bevorzugt als Widerstand R3 ausgebildet ist.
Ebenso hat bevorzugt der zweite Regelparameterpfad 60 eine dritte Impedanz, die bevorzugt als eine Serienschaltung aus einem Widerstand R2 und einer Kapazität C2 ausgebildet ist. Ferner ist in dem zweiten Regelparameterpfad 60 bevorzugt eine vierte Impedanz vorgesehen, die bevorzugt als Widerstand R4 ausgebildet ist. Durch die ersten und zweiten Impedanzen werden Regelparameter eingestellt, die in der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2 wirksam sind zum Einstellen des Ausgangsstroms I_A, der für diese Schaltstellung als erster Ausgangsstrom bezeichnet ist.
Durch die dritten und vierten Impedanzen können Regelparameter eingestellt werden, die relevant sind zum Einstellen des Ausgangsstroms I_A in der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2. Für diesen Fall wird der Ausgangsstrom I A als zweiter Ausgangsstrom bezeichnet.
Durch geeignete Wahl der ersten und zweiten bzw. der dritten und vierten Impedanzen kann ein beliebiges Regelverhalten, so
z. B. ein P-, PI- oder PID-Regelverhalten zum Einstellen des Ausgangsstroms I A eingestellt werden. Als besonders geeignet hat sich erwiesen, die ersten und zweiten Impedanzen bzw. die dritten und vierten Impedanzen so auszubilden, dass sich ein Proportional-Integral-Regelverhalten (PI) ergibt. Zu diesem Zweck sind dann die ersten und zweiten Impedanzen bzw. die dritten und vierten Impedanzen entsprechend der in der Figur 2 dargestellten Schaltungsanordnung mit den Widerständen R2, R3, R4 und den Kapazitäten Cl und C2 ausgebildet.
Ferner hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, die Regelparameter, die durch die Impedanzwerte der ersten und zweiten Impedanzen für den ersten Regelparameterpfad bzw. durch die dritten und vierten Impedanzen für den zweiten Regelparameterpfad 60 festgelegt werden, deutlich unterschiedlich auszubilden und zwar bevorzugt so, dass die dem zweiten Regelparameterpfad 60 zugeordneten Regelparameter bevorzugt mindestens eine Größenordnung kleiner sind als diejenigen, die dem ersten Regelparameterpfad 56 zugeordnet sind. Somit sind bevorzugt die dritten und vierten Impedanzen kleiner als die ersten und zweiten Impedanzen. Auf diese Weise lässt sich ein Einstellverhalten zum Einstellen des ersten bzw. zweiten Ausgangsstroms nahezu unabhängig voneinander einstellen.
Bei einem Fehlerfall, so zum Beispiel bei einem Fehler in der Leistungsendstufe 46, ist die Stromquelle geeignet zum Abführen der gesamten in dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 gespeicherten elektrischen Energie, die beispielsweise zwischen 70 und 100 mJ liegen kann. Zu diesem Zweck wird das Referenz-Potenzial U REF dem Reglerelement 52 als Sollwert zugeführt und das zweite Schaltelement T2 in die erste Schaltstellung gesteuert, in der dem Reglerelement 52 als Sollwert die erste Potenzialdifferenz Ul zugeführt wird. Das Stellsignal des Reglerelements hängt somit in diesem Fall ab
von der Differenz zwischen dem Referenzpotenzial U_REF und der ersten Potenzialdifferenz Ul. Das Referenz-Potenzial U REF ist im Zusammenwirken mit dem Referenz-Widerstand R S, und hier insbesondere mit dem ersten Einzel-Referenz- Widerstand R5, geeignet so ausgebildet, dass der erste Ausgangsstrom den gewünschten Wert einnimmt und in diesem Bereich die Diode Dl noch nicht in Durchlassrichtung betrieben wird, d. h. der Spannungsabfall an dem ersten Einzel- Referenz-Widerstand R5 noch geringer ist als die Durchlassspannung der Diode Dl. Der zweite Einzel-Referenz-Widerstand R6 ist deutlich niederohmiger ausgebildet als der erste Einzel-Referenz-Widerstand R5. Dies hat zur Folge, dass in der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2 nur eine sehr geringe Spannung über dem zweiten Einzel-Referenz- Widerstand R6 abfällt. Die Dimensionierung des ersten Einzel- Referenz-Widerstands R5, des Widerstands R3 und der Referenzpotentialdifferenz UREF beeinflussen den ersten Ausgangsstrom.
So kann dann der gewünschte geringe Betrag des ersten Ausgangsstroms in der ersten Schaltstellung des zweiten Schaltelements eingestellt werden und so beispielsweise bei einem Fehler der Leistungsendstufe der jeweilige Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 vollständig durch die Stromquelle 48 entladen werden, ohne das erste Schaltelement Tl thermisch zu stark zu belasten .
Bevorzugt sind die Regelparameter für die erste Schaltstellung des zweiten Schaltelements so eingestellt, dass auch ein relativ hartes Schalten des Ausgangsstroms I A möglich ist.
In einem Normalbetrieb der Steuervorrichtung wird zum Entladen des jeweiligen Piezoaktuators PAKTl bis PAKT4 zunächst die Leistungsendstufe 46 entsprechend der bereits oben ausge-
führten Vorgehensweise angesteuert. Im Anschluss daran wird zum Entnehmen der verbleibenden Restentladung in dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 das Referenz-Potenzial U_REF dem Reglerelement 52 als Sollwert zugeführt. Das zweite Schaltelement wird in seine zweite Schaltstellung gesteuert, in der das Reglerelement 52 mit der zweiten Potenzialdifferenz U2 als Istwert eingangsseitig beaufschlagt wird. Dies hat dann zur Folge, dass ausgangsseitig des Reglerelements 52 das Stellsignal derart erzeugt wird, dass das erste Schaltelement Tl den Ausgangsstrom I_A auf den zweiten Ausgangsstrom einstellt. Das erste Schaltelement Tl ist bevorzugt als selbstsperrender N-MOSFET-Transistor ausgebildet und wird im Abschnürbereich betrieben. In diesem Bereich ist somit bei gleich bleibendem Steuersignal an dem Steuereingang des ersten Schaltelements Tl ein nahezu konstanter Ausgangsstrom I A gewährleistet, unabhängig von der zu einem Bezugspotenzial abfallenden Potenzialdifferenz. Durch die Rückkopplung der ersten Potenzialdifferenz Ul bzw. in der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements der zweiten Potenzialdifferenz U2 auf das Reglerelement 52 können jedoch auch Störeinflüsse, wie beispielsweise eine temperaturabhängige Schaltcharakteristik des ersten Schaltelements Tl oder Fertigungsstreuungen des ersten Schaltelements Tl kompensiert werden. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, die Regelparameter, die in der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2 wirksam sind, so einzustellen, dass der Ausgangsstrom I A sich nicht zu sprunghaft ändert, also nicht zu hart geschaltet wird. Die speziellen am geeignetsten Charakteristiken der Regelparameter hängen wesentlich ab von der jeweiligen Charakteristik des jeweiligen Piezoaktuators PAKTl bis PAKT4.
Typischerweise hat der zweite Ausgangsstrom einen deutlich höheren Betrag als der erste Ausgangsstrom. Der zweite Aus-
gangsstrom kann beispielsweise in etwa 5 A betragen, während der erste Ausgangsstrom in etwa 100 mA betragen kann. Der erste Einzel-Referenz-Widerstand R5 ist so hochohmig ausgebildet, dass er bei dem zweiten Ausgangsstrom durch die Diode Dl überbrückt ist und so der Spannungsabfall über dem Widerstand R5 nahezu konstant ist, unabhängig von Abweichungen des zweiten Ausgangsstroms.
Durch das geeignete Dimensionieren der ersten und zweiten Einzel-Referenz-Widerstände R5 und R6 und des Widerstands R4 und der Referenzspannung U REF kann in der zweiten Schaltstellung des zweiten Schaltelements T2 sichergestellt werden, dass die Diode Dl im Durchlassbereich betrieben wird und die Widerstandscharakteristik in diesem Zustand des Referenz- Widerstands R S maßgeblich durch den zweiten Einzel-Referenz- Widerstand R6 bestimmt wird, der geeignet niederohmig ausgebildet ist. So kann dann der insbesondere recht hohe zweite Ausgangsstrom sehr präzise mit dem gleichen Referenzpotenzial U REF wie der erste Ausgangsstrom eingestellt werden.
Die insgesamt durch die Leistungsendstufe 46 und die Stromquelle 48 abzuführende elektrische Energie aus dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 beträgt beispielsweise zwischen 70 und 100 mJ. Typischerweise wird lediglich in etwa das letzte Zehntel der elektrischen Energie in dem Normalbetrieb durch die Stromquelle dem jeweiligen Piezoaktuator 1 entnommen .
Aufgrund des hohen zweiten Ausgangsstroms, der beispielsweise 5 A beträgt, kann die Restentladung durch eine sehr kurze entsprechende Durchsteuerung des ersten Schaltelements Tl erfolgen und geht somit zwar mit einer hohen thermischen Belastung für das erste Schaltelement einher, die jedoch nur sehr kurz andauert und so bei geeigneter Wärmekapazität des ersten
Schaltelements zu keiner thermischen Zerstörung des ersten Schaltelements führt. Im Gegensatz dazu wäre das Abführen in dem Fehlerfall der gesamten in dem jeweiligen Piezoaktuator PAKTl bis PAKT4 gespeicherten elektrischen Energie jedoch mit einer sehr hohen thermischen Belastung für das erste Schaltelement verbunden, wenn dies in der zweiten Schaltstellung des zweiten Elements, also mit dem zweiten Ausgangsstrom erfolgen würde und könnte so gegebenenfalls zu dessen thermischer Zerstörung führen oder würde andererseits bedingen, dass das erste Schaltelement Tl sehr großzügig dimensioniert wird, was einen hohen Platzbedarf und somit höhere Kosten zur Folge hat. Durch die Möglichkeit den zweiten Ausgangsstrom einzustellen ist ein kompaktes Dimensionieren des ersten Schaltelements Tl möglich.