專利名稱：用于控制容性執(zhí)行機構的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于控制壓電執(zhí)行機構、尤其是控制內燃機噴油閥的壓電執(zhí)行器的方法和裝置。
在控制容性執(zhí)行機構時，也即在充電和/或放電容性執(zhí)行機構時，對執(zhí)行機構的控制電子裝置提出許多要求。因此在該情形下必須提供位于幾百伏范圍內的電壓和大于10A的短時充放電電流?？刂拼蠖嘣趲缀撩雰冗M行。同時在該控制階段中電流與電壓應當被可控地輸入到執(zhí)行機構。
容性執(zhí)行機構的實施形式表現(xiàn)為壓電執(zhí)行器，正如其被用于操縱噴油閥一樣。這種噴油閥在內燃機中被用于將燃料噴入燃燒室。這里對閥的精確和可再現(xiàn)的開閉提出了非常高的要求，并由此對執(zhí)行器的控制也提出了非常高的要求。為了能遵守將來的尾氣排放極限值，每個燃燒脈沖的燃料噴射次數(shù)被提高。所以，噴射時間以及因此還有壓電執(zhí)行器的控制數(shù)據(jù)將會變得更短，這對執(zhí)行器的控制電子裝置提出了另外的要求。
在已知的電路裝置中(DE 19944733A1)，壓電執(zhí)行器由充電電容通過變壓器進行充電。為此，被安排在變壓器一次側的充電開關利用脈寬調制的控制信號進行控制。充電開關以及還有放電開關在那里被實施為可控的半導體開關。為了充電或放電，向壓電執(zhí)行器輸入或抽出預定的能束。
如果需要小于預定能束的能束，則該已知的電路裝置需要一個高效的輸出濾波器，以便對輸入壓電執(zhí)行器并再次從其抽出的能量進行時間上的平均。另外，只要執(zhí)行器的控制特性曲線無需有中斷點，那么這里假定為相同的充電和放電電流。
本發(fā)明的任務是創(chuàng)造一種用于控制容性執(zhí)行機構的方法和裝置，其特征在于高的分辨率和可再現(xiàn)性。
該任務根據(jù)本發(fā)明通過具有權利要求1的特征的方法以及通過具有權利要求11的特征的裝置來解決。
根據(jù)本發(fā)明的方法，所述執(zhí)行機構在至少三個步驟中分別利用預定的時延被充電。在所述至少三個時延期間，電流在充電執(zhí)行機構時流入該執(zhí)行機構。
在所述第一時延期間，所述電流的幅值從預定的最小值被增加到預定的最大值。在所述第二時延期間，所述電流的幅值被保持大致恒定。最后，在所述第三時延期間，所述電流的幅值從預定的最大電流被降低到同樣預定的最終值。
本發(fā)明的裝置具有控制裝置和末級，其中所述末級通過所述控制裝置的控制信號被控制。所述控制裝置在預定的第一時延內提供一個控制信號，該控制信號在該第一時延期間從預定的最小值增加到預定的第一最大值。在緊隨于所述第一時延之后的預定的第二時延內，所述控制裝置提供一個充分恒定的控制信號。在預定的第三時延內該控制裝置提供一個控制信號，其在該第三時延期間從預定的最大值降低到一預定的最終值。
相應的假定也適用于執(zhí)行機構的放電。在該情形下，在第一時延期間電流的最大幅值同樣從最小值增加到最大值。在第二時延期間幅值保持恒定，并且在第三時延期間電流的幅值從最大值降低到同樣預定的最終值。這里如此地調整放電電流，使得在執(zhí)行器內存儲的能量被減少。
通過按照本發(fā)明控制執(zhí)行機構，實現(xiàn)了被輸入給執(zhí)行機構的電荷的軟開始和結束過程。因為例如在壓電執(zhí)行機構中，輸入給該壓電機構的電荷與其路程變化和力變化成比例，所以通過在充電或放電的開始和結束過程中在時間上緩慢地改變電荷而避免了執(zhí)行機構的過調。從而減少了干擾的機械或聲作用。
只需要在充電或放電的時延內控制充電或放電電流。
本發(fā)明的優(yōu)選改進方案在從屬權利要求中被給出。
在第一優(yōu)選實施方式中，可以在不改變整個充電時延的情況下調整被輸入到執(zhí)行機構的電荷。這里僅僅改變在充電或放電的第一和第三時延內的陡度。通過陡度的匹配可以影響控制的線性。
在另一優(yōu)選實施方式中，通過改變第二時延來變化被輸入給執(zhí)行機構的電荷量。以這種方式，不管例如通過脈沖式末級所引起的量化，也能線性地控制執(zhí)行機構。此時所述第一和/或第三時延保持不變，由此關斷斜坡僅僅被時移，而且關斷特性保持相同。
因此能實現(xiàn)更線性的控制區(qū)域。在該情形下，就能量而言10-100％的變化是可能的，或就時間而言20-100％的變化是可能的。從而可實現(xiàn)小于0.5％的線性誤差。不同的充放電電流不影響控制方法的線性。
在一優(yōu)選實施形式中，被輸入給末級的控制信號導致預定的輸出電流?？刂菩盘柨梢酝ㄟ^模擬或數(shù)字電路來產(chǎn)生。因此被輸入給執(zhí)行機構的電流的形狀是可調的，而與末級本身的控制無關。
優(yōu)選地，所述電流在第二時延期間的最大幅值以及第三時延的最大值大致對應于第一時延的預定最大值。
在另一優(yōu)選實施例中，所述最大幅值在所述三個預定的時延上的包絡大致相當于梯形的形狀。
在另一優(yōu)選實施形式中，所述充電電流和/或放電電流是斷續(xù)的電流，其例如通過脈沖式的電流源或電壓源來提供。
另外，所述電流可以由脈沖序列組成，其最大幅值分別位于包絡曲線的針對該時延而預定的點上。
優(yōu)選地，三角形脈沖適用于該脈沖。
在所述方法的另一優(yōu)選實施形式中，所述執(zhí)行機構可以無間隙地被控制，也即所述電流的幅值在達到預定的最小值之后馬上上升。
下面借助實施例參考示意性附圖來詳細講述本發(fā)明。
圖1示出了輸入至執(zhí)行機構的電流以及由此所產(chǎn)生的執(zhí)行機構電荷的時間曲線的實施例，圖2示出了輸入至執(zhí)行機構的電流曲線的另一實施例，圖3示出了用于控制容性執(zhí)行機構的裝置的電路框圖，圖4a示出了控制單元的第一實施例，以及圖4b示出了控制單元的第二實施例。
圖1和2描繪出輸入至執(zhí)行機構的電流I的曲線。在圖1中另外還以時間t為函數(shù)描繪了由于電流I而被存入到執(zhí)行機構中的電荷量Q。
所述執(zhí)行機構在這里是一種容性的、尤其是壓電的執(zhí)行機構P，如同其被用來操縱噴油閥一樣。這種噴油閥例如被應用在內燃機中。
圖1的上部示出了被輸入至執(zhí)行機構的電流I的曲線。這里，脈沖時延為Tp的三角形電流脈沖PU彼此相隨。這里最大幅值1～n跟隨于控制曲線k。
控制曲線k的過程這里相對于一個梯形。在第一時延T1內，電流I的最大幅值n從預定的最小值minT1(這里為0)上升到預定的最大值maxT1。該最大值maxT1是根據(jù)執(zhí)行機構P在充電階段結束時(T1+T2+T3)所期望的電荷Q而從預定的特性曲線簇中被選擇的。所述特性曲線簇例如可以包含有從內燃機的各種參數(shù)(例如轉數(shù)和/或負荷)到所需要的燃料量以及由此到所需要的電荷Q的分配關系。該特性曲線簇例如可以用實驗的方式求得，或也可以用計算機的方式求得。這里，在執(zhí)行機構P上的路程變化Δd對應于被輸入至執(zhí)行機構P中的電荷Q。對于電荷Q適用Q＝∫I(dt)。
在圖1的下部，描繪了在執(zhí)行機構P中存入的電荷Q相對于時間t的時間曲線。在第一時延T1內，存儲在執(zhí)行機構P中的電荷量Q與t2成比例地增加。
在第二時延T2內電流脈沖PU的最大幅值保持恒定。這里，最大幅值為T2且脈沖寬度為Tp的電流脈沖PU直接相隨。在此，T2大致相當于時延T1的最大電流maxT1。在該時延T2內，被輸入到執(zhí)行機構P的電荷量Q與時間t成比例地增加。
在最后一段T3中，電流脈沖PU的幅值n從預定的最大值maxT3下降到同樣預定的最終值minT3(這里為0)。在此，maxT3大致相當于在時延T1內所出現(xiàn)的最大幅值maxT1。被輸入到執(zhí)行機構P中的電荷量Q在該時延T3內表現(xiàn)為與(t3-t)2成比例。
時延T1和T3在這里被如此選擇，使得在T1或T3內存在足夠多的脈沖PU。與此相應地選擇開關頻率fp＝1/2Tp。
優(yōu)選地，應該大約有5-10個脈沖經(jīng)過曲線的上升沿或下降沿。與此相應地必須選擇控制所述執(zhí)行機構的末級E的開關頻率ft。通過合適地選擇脈沖寬度Tp，實現(xiàn)因脈沖寬度Tp所產(chǎn)生的量化的足夠平均，并在整個充電時間T1+T2+T3上線性地控制所述的電荷量。
脈沖寬度Tp在控制的時延T1、T2和T3內可以保持恒定。
為了實現(xiàn)對執(zhí)行機構P上的路程變化Δd的線性控制，主要通過改變第二時延T2來實現(xiàn)被輸入到執(zhí)行機構的電荷量。這里，在第三時延T3內形成幅值的包絡曲線的下降斜坡被時移，第三時延T3保持不變。
控制執(zhí)行機構P的電流I的替代實施形式被示于圖2。這里脈沖寬度Tp在時延T3內被減小，并由此提高開關頻率ft。
圖3示出了用于控制執(zhí)行機構的裝置的實施例的電路框圖。所述執(zhí)行機構(這里為壓電執(zhí)行機構P)通過電感L與末級E相連。末級E提供一個經(jīng)電感L而充電壓電執(zhí)行機構的電流I。末級E可以被實施為常規(guī)的開關轉換器，例如被實施為升降壓變換器、反激變換器或SEPIC變換器。末級E根據(jù)由控制單元ST提供的控制電壓UST來提供對壓電執(zhí)行機構P的充電或放電電流I。圖3所示的電流I的方向給出了在充電過程時的電流方向。
圖4a示出了控制單元ST的第一實施例。該控制單元具有一個數(shù)模變換器，優(yōu)選地是一個快乘的數(shù)模變換器D/A1，其后面連接有低通濾波器R1’、C1’。在數(shù)字輸入端Din向數(shù)模變換器D/A1輸入一個預定值X，并且在其另一輸入端Ref輸入一個對所述電流I的最大幅值max進行預給定的控制電壓Umax。于是，被施加的控制電壓Umax被乘以所設置的數(shù)字值X，并且在輸出端作為控制電壓UST被輸出，使得數(shù)模變換器象精確的數(shù)字電位計一樣工作。預給定值X以及最大幅值均由微控制器μC提供。這里，控制電壓Umax由微控制器μC的數(shù)字信息通過第二數(shù)模變換器D/A2產(chǎn)生。通過由電阻R1′和電容C1′所構成的低通濾波器，將如此產(chǎn)生的控制信號UST輸入到末級E。于是可以預給定所述的包絡曲線k，而不改變末級對執(zhí)行器P的時間控制。
圖4b示出了由模擬器件構成的用于產(chǎn)生控制信號UST的電路裝置實施例。在那里示出的電路裝置具有充電電容C1，該充電電容一方面與地電位GND相連接，另一方面通過限壓器B與所述電路裝置的輸出端UST相連接。
限壓器B在非反相輸入端+處與對應于要被限制的電壓的電壓U/2相連接。反相輸入端-與電容C1的背離地電位的一側相連接。限壓器B的輸出端UST同樣與電容C1的該端子電連接。電容C1另外通過電阻R5和選擇開關S1(在放電開關位置“E”)與供電電壓U電連接。在開關S1的第二充電開關位置“L”，電容C1通過電阻R5與被作為反相電壓放大器接入的運算放大器OP的輸出端相連接。運算放大器OP利用其非反相輸入端+與地電位GND相連，以及利用其反相輸入端-經(jīng)電阻R3與這里通過分壓器R1、R2(R1＝R2)減半的供電電壓U相連。運算放大器OP的輸出端通過另一電阻R4被反饋到其反相輸入端。
這里通過以下方式來產(chǎn)生控制信號UST的斜坡，即電容C1在開關位置L被充電，接著在開關位置E被放電。通過限流器B來實現(xiàn)電容C1的放電電壓被如此限制，使得控制信號UST位于電容C1的放電電壓的線性區(qū)域。但也可以采用理想的積分器來代替RC環(huán)節(jié)R5、C1。
權利要求
1.用于控制執(zhí)行機構、尤其是控制壓電執(zhí)行機構的方法，其具有以下步驟所述執(zhí)行機構在至少三個步驟中分別利用預定的時延(T1，T2，T3)通過電流(I)被充電或放電，在所述第一時延(T1)期間，所述電流(I)的最大幅值(n)從預定的最小值(minT1)被增加到預定的第一最大值(maxT1)，在所述第二時延(T2)期間，所述電流(I)的最大幅值(n)被保持大致恒定，以及在所述第三時延(T3)期間，所述電流(I)的最大幅值(n)從另一預定的最大值(maxT3)被降低到另一預定的最小值(minT3)。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一最大值(maxT1)根據(jù)要被輸入給所述執(zhí)行機構(p)的電荷量(Q)被選擇。
3.按照權利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，所述第二時延(T2)根據(jù)要被輸入給所述執(zhí)行機構(p)的電荷量(Q)被選擇。
4.按照權利要求2或3之一所述的方法，其特征在于，所述第一最大值(maxT1)和/或所述第二時延(T2)根據(jù)預定的長度變化(Δd)而從特性曲線簇被讀出。
5.按照上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述最大幅值(n)位于包絡曲線(k)上，該包絡曲線在所述三個預定的時延(T1，T2，T3)上大致具有梯形的形狀。
6.按照上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述電流(I)是斷續(xù)的。
7.按照權利要求6所述的方法，其特征在于，所述電流(I)由脈沖序列(PU)組成，其中所述最大幅值()分別對應于相應脈沖(PU)的最大電流。
8.按照權利要求7所述的方法，其特征在于，所述脈沖(PU)具有三角形的形狀。
9.按照權利要求3-4之一所述的方法，其特征在于，所述電流(I)的幅值(n)在達到預定的最小值之后馬上上升。
10.按照上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述電流(I)由末級(E)根據(jù)控制電壓(UST)提供，其中所述控制電壓(UST)由數(shù)模變換器(DA1)提供。
11.用于控制執(zhí)行機構、尤其是控制壓電執(zhí)行機構的裝置，其具有帶有控制輸入端(UST)的末級(E)，以及提供用于驅動所述末級(E)的控制電壓(UST)的控制裝置(ST)，其中控制信號(UST)在預定的第一時延(T1)期間從預定的最小值(minT1)增加到預定的第一最大值(maxT1)、在預定的第二時延(T2)期間保持恒定、以及在預定的第三時延(T3)期間從預定的最大值(maxT3)降低到一預定的最終值(minT3)。
12.按照權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述裝置具有提供所述控制電壓(UST)的數(shù)模變換器(DA1)。
全文摘要
通過預給定一個控制曲線(k)來控制噴油閥的壓電執(zhí)行器，其中控制執(zhí)行機構的電流(I)的最大幅值(
文檔編號F02D41/20GK1922398SQ200580005892
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月7日 優(yōu)先權日2004年2月27日
發(fā)明者C·G·奧格斯基 申請人:西門子公司