DE19632837A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes

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DE19632837A1
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    • H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansteuern wenig­ stens eines kapazitiven Stellgliedes mittels einer Steuer­ schaltung, insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2. Die Erfindung be­ trifft auch ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung.
Aus EP 0 464 443 A1 ist ein Piezo-Stellglied bekannt, welches aus einem Kondensator über eine Ladespule geladen wird. Ein Teil der aufgebrachten Energie wird beim Entladen des Piezo- Stellgliedes über eine Entladespule in den Kondensator zu­ rückgespeist, während der letzte Teil, ebenfalls über die Entladespule, durch Kurzschließen vernichtet wird. Beim Ent­ laden liegt am Piezo-Stellglied eine negative Spannung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst ver­ lustarm arbeitende und einfach aufgebaute Vorrichtung zum An­ steuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes zu schaf­ fen, an dem keine negative Spannung auftreten soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Pa­ tentansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Von Vorteil ist unter anderem, daß die Spannungsquelle für eine Ausgangsspannung ausgelegt sein kann, die geringer als die Ladespannung für ein Stellglied ist, und daß das Laden und Entladen jedes Stellgliedes mit einer kompletten Sinus­ halbschwingung des Stromes erfolgt. Dadurch erreicht das Stellglied seine Betriebsspannung und damit seinen Endhub mit "langsamer" Geschwindigkeit (im Maximalwert einer Cosinus­ schwingung). Dadurch entstehen im Frequenzspektrum nur Fre­ quenzen unterhalb einer Grundfrequenz von - beim Betrieb ei­ nes piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffeinspritzventils - maximal 300 Hz, wodurch kaum EMV-Probleme entstehen. Durch Spannungsregelung der Spannungsquelle, vorzugsweise eines Schaltnetzteils, erfolgt eine einfache Aufladung des Stell­ gliedes. Es sind auch keine Nachladeelemente erforderlich, da die Spannungsquelle immer mit dem Ladekondensator verbunden ist. Außerdem kann die Umschwingspule aus einem für die Schaltung vorgesehenen Gehäuse näher zu den Stellgliedern verlagert werden, da zwischen ihr und den Stellgliedern kein Schalter angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Schaltung eines erstes Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 ein Flußdiagramm dazu, und
Fig. 3 die Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Fig. 1 zeigt die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels nach der Erfindung zum Ansteuern von weiter nicht dargestell­ ten n Kraftstoffeinspritzventilen einer Brennkraftmaschine über piezoelektrische Stellglieder P1 bis Pn mittels einer Steuerschaltung ST, die Teil eines weiter nicht dargestellten mikroprozessor-gesteuerten Motorsteuergerätes ist.
Zwischen dem Pluspol +SNT und dem Minuspol -SNT einer gere­ gelten, massepotentialfreien Spannungsquelle SNT, vorzugswei­ se eines Schaltnetzteils, ist ein Ladekondensator C1 ange­ schlossen. Parallel zum Ladekondensator C1 ist eine Reihen­ schaltung aus einem mit dem Pluspol +SNT verbundenen, von ihm weg stromdurchlässigen Ladeschalter X1 und einem mit dem Mi­ nuspol -SNT verbundenen, zu ihm hin stromdurchlässigen Entla­ deschalter X2 angeordnet.
Wenn von Schaltern X1 und X2 die Rede ist, handelt es sich um elektronische, nur in einer Richtung stromdurchlässige, aus wenigstens einem Halbleiterelement bestehende Schalter, vor­ zugsweise Thyristorschalter, die von der Steuerschaltung lei­ tend gesteuert werden.
Zwischen dem massepotentialfreien Minuspol -SNT des Schalt­ netzteils und einem Masseanschluß GND der Schaltung ist ein Umladekondensator C2 angeordnet.
Zwischen dem Verbindungspunkt von Ladeschalter X1 und Entla­ deschalter X2 und dem Masseanschluß GND liegt eine Reihen­ schaltung aus einer mit dem Ladeschalter X1 verbundenen Um­ schwingspule L, einem ersten Stellglied P1 und einem ersten, gesteuerten Power-MOSFET-Schalter T1.
Parallel zur Reihenschaltung aus dem Stellglied P1 und dem Power-MOSFET-Schalter T1 ist eine vom Masseanschluß GND zur Umschwingspule L hin stromdurchlässige Diode D angeordnet.
Für jedes weitere Stellglied P2 bis Pn ist eine Reihenschal­ tung aus diesem Stellglied und einem weiteren Power-MOSFET-Schal­ ter T2 bis Tn der Reihenschaltung aus dem ersten Stell­ glied P1 und dem ersten Power-MOSFET-Schalter T1 parallel ge­ schaltet.
Power-MOSFET-Schalter enthalten üblicherweise Inversdioden, deren Funktion, wie weiter unten näher erläutert, beim Be­ trieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt wird.
Die Schalter X1, X2 und T1 bis Tn werden von der Steuerschal­ tung ST, abhängig von Steuersignalen st des Motorsteuergerä­ tes, von einem in diesem Ausführungsbeispiel in der Steuer­ schaltung ST gespeicherten oder ihr vom Motorsteuergerät zu­ geführten Sollwert US für die Spannung, mit welcher die Stellglieder P1 bis Pn aufgeladen werden sollen, und vom Ist­ wert UC2 der Spannung am Umladekondensator C2 gesteuert. Der Anschluß des massefreien Minuspols -SNT dient zugleich als Spannungsmeßpunkt für die am Umladekondensator C2 anliegende Spannung UC2. Der Ladekondensator C1 kann als Ausgangskonden­ sator des Schaltnetzteils SNT betrachtet werden.
Ein Verfahren zum Betreiben der beschriebenen Vorrichtung wird nachstehend anhand der Fig. 2 näher erläutert. Auf die Kästen I bis X der Fig. 2 wird im folgenden Text nur durch römische Zahlen hingewiesen.
Ausgehend von einem Zustand I, in welchem beispielsweise der Ladekondensator C1 auf UC1 = +60 V und der Umladekondensator C2 auf UC2 = +100 V, zusammen in Reihenschaltung also auf eine Sollspannung US = +160 V aufgeladen sind, die Umschwing­ spule L stromlos ist, alle Schalter X1, X2 und T1 bis Tn nichtleitend (hochohmig) und alle Stellglieder P1 bis Pn ent­ laden sind, soll das Stellglied P1 betätigt werden, um über das zugeordnete Einspritzventil Kraftstoff in einen Zylinder einzuspritzen. Der Wert der Sollspannung US ist in der Steu­ erschaltung ST gespeichert oder wird ihr vom nicht darge­ stellten Motorsteuergerät vorgegeben.
Zunächst wählt die Steuerschaltung das entsprechende Stell­ glied aus (II), indem sie den ihm zugeordneten Power-MOSFET- Schalter T1 leitend steuert. T1 kann über einen Kurbelwellen­ winkel KW = 720°KW/Z (Z = Zahl der Zylinder) leitend (nieder­ ohmig) bleiben, das sind beispielsweise bei Vierzylindermoto­ ren 180°KW und bei Sechszylindermotoren 120°KW.
Bei Einspritzbeginn, der durch den Beginn eines Steuersignals st vorgegeben wird (III), wird von der Steuerschaltung ST der Ladeschalter X1 gezündet (IV). Dadurch entlädt sich die an der Reihenschaltung aus C1 und C2 liegende Spannung US = +160 V (siehe oben) während einer kompletten Sinushalbschwin­ gung über die Umschwingspule L in das Stellglied P1 und die­ ses öffnet das nicht dargestellte Einspritzventil. Die Span­ nungsquelle - das Schaltnetzteil SNT - bleibt mit dem Lade­ kondensator C1 verbunden, so daß auch sie Energie in den Um­ schwingkreis einspeist.
Nach dem Umschwingen verlischt der Ladeschalter X1 (V), das Stellglied P1 bleibt geladen. Am Umladekondensator C2 ver­ bleibt eine von der Kapazität abhängige negative Restspannung (z. B. -10 V), die erforderlich ist, um das Stellglied P1 beim Entladen wieder vollständig entleeren zu können.
Zum Entladen des Stellgliedes am Ende eines Steuersignals st (VI) wird der Entladeschalter X2 gezündet (VII). Der Entlade­ stromkreis schließt sich über die Inversdiode des Power- MOSFET-Schalters T1. Die im Stellglied gespeicherte Energie schwingt über die Umschwingspule L in den Kondensator C2 zu­ rück, der beispielsweise wieder auf UC2 = +100 V geladen wird, und kann für den folgenden Zyklus genutzt werden. Sobald das Stellglied auf die Schwellspannung der dem "aktiven" Kanal parallel liegenden Diode D entladen ist, setzt sich der noch fließende Strom über diese Diode fort, wodurch ein Aufladen des Stellgliedes auf eine negative Spannung verhindert wird. Anschließend verlischt der Entladeschalter X2 (VIII).
Für den Ladezyklus des nächsten Stellgliedes müssen zunächst die entstandenen Verluste ausgeglichen werden. Dazu wird die am Minuspol -SNT des Schaltnetzteils SNT abgreifbare Spannung UC2 des Umladekondensators C2 gemessen (IX) und anschließend das Schaltnetzteil SNT auf einen Ausgangsspannungswert einge­ stellt (geregelt), der der Differenz zwischen Sollwert US = +160 V und gemessener Spannung UC2 = 100 V entspricht. Auf die­ se Spannung UC1 wird der mit dem Schaltnetzteil verbundene Ladekondensator C1 dementsprechend nachgeladen (X). Damit steht für den nächsten Ladevorgang an der Reihenschaltung der Kondensatoren C1 und C2 wieder die volle Spannung US = +160 V zur Verfügung (I).
Wird die Vorrichtung nach längerer Pause in Betrieb genommen, so ist zunächst der Umladekondensator C2 entladen und der La­ dekondensator C1 wird auf maximale Ausgangsspannung des Schaltnetzteils SNT aufgeladen, beispielsweise +75 V. Es fin­ det ein Einschwingvorgang statt, der einige Ladezyklen dau­ ert, bis die beim Entladen des Stellgliedes rückgelieferte Spannung am Umschwingkondensator C2 nach jedem Umschwingvor­ gang den angenommenen "stationären" Wert UC2 = +100 V er­ reicht.
Das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach Fig. 2, dessen Arbeitweise vollkommen derjenigen der Vorrichtung nach Fig. 1 entspricht, unterscheidet sich nur in wenigen Punkten von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Der Unterschied ist, daß hier der Minuspol des Schaltnetzteils SNT mit dem Mas­ seanschluß GND der Schaltung verbunden ist und daß dement­ sprechend der Umladekondensator C2 auf einen Platz zwischen dem Verbindungspunkt des Ladeschalters X1 mit dem Entlade­ schalter X2 und der Umschwingspule L versetzt ist.
Mit dem Bezugspotential auf Masse vereinfacht sich die Ent­ wicklung des Schaltnetzteils. Mit dieser Schaltungsauslegung erhält auch der Entladeschalter X2 einen Masseanschluß, wo­ durch sich seine Ansteuerung ohne einen zusätzlichen Wandler durchführen läßt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes (P1 bis Pn) mittels einer Steuerschaltung (ST), insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffein­ spritzventils einer Brennkraftmaschine,
  • - mit einem zwischen Pluspol (+SNT) und Minuspol (-SNT) einer von der Steuerschaltung (ST) regelbaren, massepotentialfreien Spannungsquelle (SNT) angeordneten und von ihr aufladbaren Ladekondensator (C1),
  • - mit einer parallel zum Ladekondensator (C1) angeordneten Reihenschaltung aus einem mit dem Pluspol (+SNT) verbundenen, von ihm weg stromdurchlässigen Ladeschalter (X1) und einem mit dem Minuspol (-SNT) verbundenen, zu ihm hin stromdurch­ lässigen Entladeschalter (X2),
  • - mit einem zwischen dem Minuspol (-SNT) und einem Massean­ schluß (GND) angeordneten Umladekondensator (C2),
  • - mit einer zwischen dem Verbindungspunkt von Ladeschalter (X1) und Entladeschalter (X2) und dem Masseanschluß (GND) liegenden Reihenschaltung aus einer mit dem Ladeschalter (X1) verbundenen Umschwingspule (L), einem ersten Stellglied (P1) und einem ersten, gesteuerten Power-MOSFET-Schalter (T1),
  • - wobei für jedes weitere Stellglied eine Reihenschaltung aus diesem Stellglied (P2 bis Pn) und einem weiteren Power-MOS- FET-Schalter (T2 bis Tn) der Reihenschaltung aus dem ersten Stellglied (P1) und dem ersten Power-MOSFET-Schalter (T1) par­ allel geschaltet ist, und
  • - mit einer parallel zu allen Reihenschaltungen aus Stell­ glied und Power-MOSFET-Schalter angeordneten, vom Massean­ schluß (GND) zur Umschwingspule (L) hin stromdurchlässigen Diode (D).
2. Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes (P1 bis Pn) mittels einer Steuerschaltung (ST), insbesondere eines piezoelektrisch betriebenen Kraftstoffein­ spritzventils einer Brennkraftmaschine,
  • - mit einem zwischen Pluspol (+SNT) und Minuspol (GND) einer von der Steuerschaltung (ST) regelbaren Spannungsquelle (SNT) angeordneten und von ihr aufladbaren Ladekondensator (C1),
  • - mit einer parallel zum Ladekondensator (C1) angeordneten Reihenschaltung aus einem mit dem Pluspol (+SNT) verbundenen, von ihm weg stromdurchlässigen Ladeschalter (X1) und einem mit dem Minuspol (GND) verbundenen, zu ihm hin stromdurchläs­ sigen Entladeschalter (X2),
  • - mit einer zwischen dem Verbindungspunkt von Ladeschalter (X1) und Entladeschalter (X2) und dem Masseanschluß (GND) liegenden Reihenschaltung aus einem mit dem Ladeschalter (X1) verbundenen Umladekondensator (C2), einer Umschwingspule (L), einem ersten Stellglied (P1) und einem ersten, gesteuerten Power-MOSFET-Schalter (T1),
  • - mit einer der Reihenschaltung des ersten Stellgliedes (P1) und des ersten Power-MOSFET-Schalters (T1) parallel geschal­ teten, für jedes weitere Stellglied vorgesehenen Reihenschal­ tung aus diesem Stellglied (P2 bis Pn) und einem weiteren Po­ wer-MOSFET-Schalter (T2 bis Tn), und
  • - mit einer parallel zu allen Reihenschaltungen aus Stell­ glied und Power-MOSFET-Schalter angeordneten, vom Massean­ schluß (GND) zur Umschwingspule (L) hin stromdurchlässigen Diode (D).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des massefreien Minuspols (-SNT) als Spannungs­ meßpunkt für die am Umladekondensator (C2) anliegende Span­ nung (UC2) dient.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die von der Steuerschaltung (ST) regelbare Spannungsquelle (SNT) ein Schaltnetzteil ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerschaltung (ST) ein Teil eines mi­ kroprozessorgesteuerten Motorsteuergerätes ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Ladeschalter (X1) und Entladeschalter (X2) gesteuerte, elektronische, nur in einer Richtung stromdurch­ lässige Schalter mit wenigstens einem Halbleiterelement sind.
7. Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das jeweils zu betreibende Stellglied (P1 bis Pn) über die Umschwingspule (L) mit einer vorgegebenen Sollspannung (US) aus der Reihenschaltung des Ladekondensators (C1) und des Umladekondensators (C2) geladen wird, und in den Umlade­ kondensator (C2) wieder entladen wird, und
daß vor dem nächsten Ladezyklus der Ladekondensator (C1) auf eine der Differenz zwischen der Sollspannung (US) und der Spannung (UC2) am Umladekondensator (C2) entsprechende Span­ nung (UC1 = US-UC2) aufgeladen wird.
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