本發(fā)明涉及一種壓電控制電路和用于控制壓電執(zhí)行器陣列(Piezoaktor-Anordnung)的方法。

背景技術(shù)：

在很多技術(shù)領(lǐng)域、特別是生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中，都使用壓電執(zhí)行器來控制機械運動。為了控制機械運動，在壓電執(zhí)行器上施加一定的電壓，該電壓基于逆壓電效應(yīng)而引發(fā)壓電執(zhí)行器的機械運動，更準確地說是引發(fā)壓電執(zhí)行器的收縮或伸展。壓電執(zhí)行器通過這種機械運動使操縱元件(例如挺桿或杠桿)運動。壓電執(zhí)行器包括至少一個壓電元件或由彼此串聯(lián)或并聯(lián)的壓電元件組成的組。串聯(lián)的壓電元件可以例如用作壓電柱(Piezostapel)(也叫壓電堆(Piezostacks))，在此，壓電堆的行程相應(yīng)地大于單個的壓電元件。

例如，在對稀液狀或糊狀的介質(zhì)進行涂覆和計量時，特別是在涂覆粘合材料時，會用到計量閥，計量閥包括閥門挺桿，該閥門挺桿受到執(zhí)行器(例如壓電執(zhí)行器)的控制。通過施加在壓電執(zhí)行器上的控制信號，利用控制電壓控制壓電執(zhí)行器并使其執(zhí)行機械運動，并通過這種機械運動來操縱閥門挺桿。計量閥打開的程度可以通過壓電執(zhí)行器的控制電壓值來控制。此外，所輸出的介質(zhì)的數(shù)量取決于閥門打開的持續(xù)時間。閥門打開的持續(xù)時間則取決于控制電壓的頻率。

傳統(tǒng)上，作為用于控制壓電執(zhí)行器的控制信號的基礎(chǔ)的信號通過專門的具有振蕩器的函數(shù)發(fā)生器(Funktionsgeneratoren)來產(chǎn)生。利用模擬電路技術(shù)實現(xiàn)的簡單的函數(shù)發(fā)生器包含可調(diào)節(jié)的三角波振蕩器，三角波振蕩器的輸出信號通過非線性電路轉(zhuǎn)換為近似于正弦波。在這些儀器中，正弦輸出通常具有相對較高的畸變系數(shù)。方波信號是利用比較器由三角波信號產(chǎn)生的，在此，可以通過改變比較電壓來調(diào)節(jié)方波的脈沖寬度。但是，這種類型的函數(shù)發(fā)生器的精度是非常有限的。數(shù)字式函數(shù)發(fā)生器利用直接數(shù)字式合成器(直接數(shù)字式頻率合成器)(DDS)工作，并能夠形成不同周期的信號波形其準確性顯著高于以模擬電路技術(shù)實現(xiàn)的儀器并且主要取決于DDS的內(nèi)部分辨率。一般情況下采用石英振蕩器作為脈沖源(Taktquelle)，石英振蕩器向DDS發(fā)出脈沖。雖然這種類型的電壓源能夠提供較高的精度，但是由于其在大多數(shù)情況下是針對廣泛的應(yīng)用范圍而設(shè)計的，因此相應(yīng)的設(shè)計成本很高并因此非常昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種低成本、高精度的用于壓電執(zhí)行器的控制電路，和一種相應(yīng)的用于控制壓電執(zhí)行器的方法。

本發(fā)明的目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的壓電控制電路、根據(jù)權(quán)利要求11的方法、根據(jù)權(quán)利要求14的壓電執(zhí)行器裝置和根據(jù)權(quán)利要求15的計量閥來實現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明的壓電控制電路具有輸入端，在輸入端上提供隨時間變化的電壓信號。提供給輸入端的電壓信號可以例如來源于標準電源，例如50Hz或60Hz電源。壓電控制電路還具有壓電接口，用于連接壓電執(zhí)行器陣列的觸點，壓電執(zhí)行器陣列具有至少一個電壓控制的壓電執(zhí)行器。壓電執(zhí)行器陣列包括至少一個壓電執(zhí)行器，但也可以是多個壓電執(zhí)行器并聯(lián)成為壓電執(zhí)行器陣列，或者壓電執(zhí)行器陣列還可以被分成由彼此并聯(lián)的壓電執(zhí)行器組成的單獨的多個組。接口例如可以包括觸點，一個或多個壓電執(zhí)行器或壓電執(zhí)行器陣列通過這些觸點與壓電控制電路電連接。此外，壓電控制電路包括被設(shè)計用于探測電壓信號的相位的同步控制電路和位于輸入端與壓電接口之間的變流電路(Umrichterschaltung)。變流電路例如可以是整流電路，通過該整流電路可以對交流電壓進行分解和組合，以獲得直流電壓。同步控制電路可以被看作是一種流序控制器(Ablaufsteuerung)。為此將同步控制電路設(shè)計為，根據(jù)電壓信號的相位來控制變流電路，從而能夠向壓電接口施加具有預(yù)設(shè)電壓時間曲線的控制電壓。換句話說，同步控制電路檢測電壓信號的時間特性，并在此信息的基礎(chǔ)上對電壓信號進行分解并進行相應(yīng)地組合，從而產(chǎn)生一信號，該信號所具有的電壓時間曲線具有預(yù)設(shè)的形式(Form，形狀)和頻率。由此，借助于受到壓電執(zhí)行器控制的計量閥，可以例如對稀液狀或糊狀的介質(zhì)進行精確的計量。在控制足夠精確的情況下，可以有利地去除高成本的交流電壓源，例如函數(shù)發(fā)生器。

本發(fā)明的特別有利之處在于，可以采用由交流電壓源(例如標準化電源)提供的標準電壓信號作為輸入電壓，并基于該標準電壓信號對電壓曲線的多個部分進行裁切并組合，以便得到具有所要求的形式和頻率的電壓時間曲線。

在根據(jù)本發(fā)明的用于控制壓電執(zhí)行器陣列的方法中，接收電壓信號，并通過根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電路圖使電壓信號換向來實現(xiàn)對電壓信號的曲線部分的分解和組合。被換向的電壓信號作為控制電壓施加在用于連接壓電執(zhí)行器陣列的觸點的壓電接口上，壓電執(zhí)行器陣列具有至少一個電壓控制的壓電執(zhí)行器。

根據(jù)本發(fā)明的壓電執(zhí)行器裝置包括：壓電控制電路，其具有根據(jù)本發(fā)明的特征；和壓電執(zhí)行器陣列。

根據(jù)本發(fā)明的計量閥包括壓電執(zhí)行器裝置，該壓電執(zhí)行器裝置具有根據(jù)本發(fā)明的特征。

本發(fā)明的其他特別優(yōu)選的設(shè)計方案和擴展方案由從屬權(quán)利要求以及隨后的說明給出。

在根據(jù)本發(fā)明的壓電控制電路的一種優(yōu)選的設(shè)計方案中，變流電路包括開關(guān)矩陣(Schaltmatrix)，開關(guān)矩陣具有多個沿行方向延伸的線路、多個沿列方向延伸的線路和多個開關(guān)，這些開關(guān)設(shè)置在開關(guān)矩陣的交叉點上并分別將沿行方向延伸的線路與沿列方向延伸的線路連接起來。為了利用控制信號來控制這些開關(guān)，將這些開關(guān)連接在同步控制電路上。例如，這些開關(guān)可以通過獨立的、分別配屬于各個開關(guān)的、并行的線路與同步控制電路相連接。替代地，這些開關(guān)還可以通過開關(guān)矩陣加以控制。

在一種特別優(yōu)選的設(shè)計方案中，壓電控制電路具有與壓電接口并聯(lián)的放電開關(guān)。放電開關(guān)用于使壓電觸點之間的電壓也異步地、即與通過輸入電壓預(yù)設(shè)的信號頻率無關(guān)地切換到零(auf Null zu schalten，置零)，或至少使壓電觸點上的電壓降低。通過放電開關(guān)可以特別靈活且在很大程度上與輸入電壓無關(guān)地設(shè)計控制信號的頻率和形式。

在根據(jù)本發(fā)明的壓電控制電路的一種替代的變型中，放電開關(guān)在接通狀態(tài)下具有電阻。根據(jù)放電開關(guān)的電阻和壓電執(zhí)行器的電容可以獲知開關(guān)特性(Schaltverhalten)或再充電時間(Umladezeit)，壓電執(zhí)行器利用該再充電時間通過放電開關(guān)被再次充電。替代地，放電開關(guān)還可以被串聯(lián)附加的電阻，該電阻與壓電執(zhí)行器的電阻和電容一起決定了壓電執(zhí)行器的開關(guān)特性或再充電時間。

在本發(fā)明的另一種優(yōu)選的設(shè)計方案中，壓電控制電路具有一附加的開關(guān)，該開關(guān)被串聯(lián)在放電開關(guān)與壓電接口之間，并并聯(lián)有分路電阻(跨接電阻)。通過該附加的開關(guān)可以消除電壓時間曲線中的不連續(xù)性。換句話說，可以通過該分路電阻導(dǎo)入一附加的時間常數(shù)，通過該時間常數(shù)可以影響控制信號的電壓時間曲線的進程。該附加的開關(guān)在斷開狀態(tài)下的電阻為無窮大，此時電流流過并聯(lián)的電阻。當處于閉合狀態(tài)、即接通狀態(tài)時，該開關(guān)的電阻近似為零，此時電流基本上流過該開關(guān)。

根據(jù)本發(fā)明的壓電控制電路所使用的電壓信號可以是交流信號或三相電流信號。與交流信號相比，通過三相電流信號可以使控制信號在相同的基礎(chǔ)頻率時達到更高的信號頻率，因為直觀地說在三相電流的各相之間可以往復(fù)躍變(hin und hergesprungen)。

在壓電控制電路的一種特別優(yōu)選的變型中，多個壓電執(zhí)行器被相互并聯(lián)。在這種連接狀況下，可以例如通過單一的控制電路實現(xiàn)并行的生產(chǎn)線。通過節(jié)省附加的控制開關(guān)，不僅可以實現(xiàn)適宜的成本效應(yīng)，而且還可以使被并行控制的單元實現(xiàn)精確的同步(Gleichtakt，共模)。

附加地，這些壓電執(zhí)行器也可以被分成多個壓電執(zhí)行器組，在此，沿列方向為每個組分配開關(guān)矩陣的兩個線路。在此可以將同步控制電路設(shè)計為，針對每個壓電執(zhí)行器組產(chǎn)生單獨的控制信號，從而使得壓電執(zhí)行器的各個組能夠被相互獨立地控制。因此，利用單一的控制電路還可以同時實現(xiàn)不同的控制模式。例如，可以利用單一的控制電路來控制多個不同的制造步驟。

壓電控制電路還可以包括連接在輸入端上的電壓源。在此，可以在電壓源與變流電路之間接入隔離變壓器(Trenntransformator)。隔離變壓器能夠可靠地防止例如由用戶意外導(dǎo)致的電壓源接地短路。由此提高了該陣列在使用和維護時的安全性。

在根據(jù)本發(fā)明方法的一種特別優(yōu)選的變型中，用于控制壓電執(zhí)行器的電壓信號可以經(jīng)由與壓電接口并聯(lián)連接的附加放電開關(guān)通過被電壓控制的壓電執(zhí)行器的放電而改變。

在此，用于控制壓電執(zhí)行器的電壓信號還可以附加地通過接入串聯(lián)電阻被改變。

在根據(jù)本發(fā)明方法的一種特別優(yōu)選的變型中，可以相對于電壓信號的交零(Nulldurchgang)時間同步地控制開關(guān)，由此使得開關(guān)被無電流地接通。通過這種類型的控制可以使控制電路的能耗特別低。

替代地，也可以相對于電壓信號的交零時間錯開地控制開關(guān)，從而改變施加在壓電接口上的電壓的極性。通過改變施加在壓電執(zhí)行器上的電壓的極性，可以有效地使壓電執(zhí)行器實現(xiàn)更大的偏轉(zhuǎn)或更大的行程。但是在此優(yōu)先需要注意的是：施加在壓電執(zhí)行器上的負電壓(也被稱為雙極電壓)不得超過工作電壓的某個值，而在壓電執(zhí)行器上施加雙極電壓的時間不得超過最大值。

附圖說明

下面參照附圖根據(jù)實施例再次對本發(fā)明進行詳細說明。在此，在不同的附圖中以相同的附圖標記標示相同或相似的構(gòu)件。其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的壓電控制電路，

圖2示出了施加在壓電執(zhí)行器陣列上的控制電壓的電壓時間曲線圖，

圖3示出了施加在壓電執(zhí)行器陣列上的控制電壓的電壓時間曲線圖，

圖4示出了施加在壓電執(zhí)行器陣列上的控制電壓的雙極電壓時間曲線圖，

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的壓電控制電路，

圖6示出了施加在壓電執(zhí)行器陣列上的控制電壓的電壓時間曲線圖，該控制電壓由根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的壓電控制電路產(chǎn)生，

圖7示出了施加在壓電執(zhí)行器陣列上的控制電壓的電壓時間曲線圖，該控制電壓由根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的壓電控制電路產(chǎn)生，

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的壓電控制電路。

具體實施方式

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的壓電執(zhí)行器裝置10，其具有壓電控制電路11。在該實施例中需要控制由壓電執(zhí)行器Pz1、Pz2…Pzn組成的壓電執(zhí)行器陣列PZA。壓電控制電路11包括輸入端12，在該輸入端上施加有根據(jù)時間變化的電壓U_E。根據(jù)時間變化的電壓U_E可以例如由交流電壓源(未示出)產(chǎn)生。在此，該交流電壓源在最簡單的情況下可以是標準交流電接口。輸入端包括相輸入端P1和零線N的輸入端。在這種情況下，施加在相輸入端上的相P1例如是供電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)電壓線路的相線路(Phasenstrang)。壓電控制電路11還包括具有2x2開關(guān)矩陣的變流電路16，該開關(guān)矩陣具有四個電子開關(guān)S10、S11、S00、S01，該變流電路矩陣式地與輸入端12以及壓電接口13電路連接。壓電接口13連接在壓電執(zhí)行器陣列14上，該壓電執(zhí)行器陣列具有多個彼此并聯(lián)連接的壓電執(zhí)行器Pz1、Pz2…Pzn。壓電執(zhí)行器Pz1、Pz2…Pzn的并聯(lián)使得能夠特別簡單、低成本地控制或構(gòu)建壓電執(zhí)行器的壓電控制電路11，因為對于較大數(shù)量的壓電執(zhí)行器只需要一個控制單元或壓電控制電路11。施加在輸入端12上的電壓U_E的相通過同步控制器SK檢測得到，并根據(jù)施加在同步控制器SK上的觸發(fā)信號Tr按照電路圖產(chǎn)生用于電子開關(guān)S10、S11、S00、S01的合適的控制信號，以便能夠產(chǎn)生被施加在壓電執(zhí)行器或壓電執(zhí)行器陣列14上的、特定的電壓時間曲線。為了將控制信號傳輸?shù)介_關(guān)S上，同步控制電路SK可以通過配屬于各個開關(guān)S的各個控制線路與開關(guān)S相連接。替代地也可以設(shè)有開關(guān)矩陣，同步控制電路SK通過該開關(guān)矩陣控制開關(guān)S。為清楚起見，該控制線路在圖1中未示出。通過根據(jù)輸入電壓U_E的相位周期性地交替控制電子開關(guān)S10、S11、S00、S01，可以符號正確地控制壓電執(zhí)行器Pz1、Pz2…Pzn并實現(xiàn)能量回收。在該實施例中，電子開關(guān)的聯(lián)接關(guān)于電壓波形(Spannungsverlauf)是持續(xù)發(fā)生的，從而能夠?qū)崿F(xiàn)無電流的聯(lián)接。這種無電流聯(lián)接的附加效果在于，能夠使壓電執(zhí)行器作為無功阻抗(電抗)來運行，并因此實際上不消耗電能，因為直觀上在壓電執(zhí)行器充電時所需要的來自電網(wǎng)的能量在放電時又被電網(wǎng)回收。附加地，相對于壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn或壓電執(zhí)行器陣列14并聯(lián)一開關(guān)Sc。開關(guān)Sc可以用于壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn的異步放電。異步放電是指：放電不與輸入電壓U_E的相同步進行。開關(guān)Sc具有電阻Rc，該電阻被設(shè)置為與開關(guān)Sc串聯(lián)的電阻。如果開關(guān)Sc斷開、即不接通，則根據(jù)輸入電壓U_E來控制施加在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上的電壓。如果開關(guān)Sc閉合、即被接通，則在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn的觸點之間有平衡電流流過，該平衡電流使位于壓電執(zhí)行器的觸點之間的電壓回歸零。因此，利用開關(guān)Sc可以為壓電執(zhí)行器的激活設(shè)定任意的時間間隔。此外，在開關(guān)Sc或電阻Rc與壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn之間設(shè)置開關(guān)Su，該開關(guān)具有并聯(lián)的分路電阻Ru。開關(guān)Su用于克服曲線合成中的可能的不連續(xù)處，并與開關(guān)Sc一起添加附加的時間常數(shù)。

圖2示出了施加在根據(jù)第一實施例的壓電執(zhí)行器陣列14或壓電執(zhí)行器陣列14的壓電執(zhí)行器上的控制電壓U_s的電壓時間曲線?？刂齐妷篣_s的與時間相關(guān)的特性將單獨通過開關(guān)S00、S01、S10和S11的接通和斷開來實現(xiàn)。在表1中示出了對應(yīng)的電路圖。在此，“0”表示開關(guān)狀態(tài)“斷開”，“1”表示開關(guān)狀態(tài)“閉合”、即接通。在時間間隔或階段A01中，兩個開關(guān)S00和S11斷開，開關(guān)S01和S10閉合。換句話說，施加在P1上的正半波的電壓施加在壓電執(zhí)行器陣列14的壓電執(zhí)行器上，從而通過開關(guān)S10分別在壓電執(zhí)行器的左邊端口上、即壓電執(zhí)行器的與開關(guān)S00和S10相關(guān)聯(lián)的端口上施加正電位，同時通過開關(guān)S01分別在壓電執(zhí)行器的右邊端口上、即壓電執(zhí)行器的與開關(guān)S01和S11相關(guān)聯(lián)的端口上施加零線的電位，即在理想情況下施加電位0?？傊?，在時間間隔A0中，在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上施加正電壓。在此情況下，壓電執(zhí)行器被激活期間的持續(xù)時間由施加在輸入端12(見圖1)上的輸入電壓U_E的頻率決定。

表1

在標準電流端口中，時間間隔A01的長度在頻率為50Hz的情況下例如為10ms。在時間間隔A01中所施加的信號U_E可以看作是100Hz半波序列(Halbwellenfolge)的單脈沖(Einzelpuls)。在A02期間，輸入電壓U_E被換向，現(xiàn)在施加在P1上的是負電壓。但是為了能夠符號正確地控制壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn，輸入電壓U_E通過接通開關(guān)S00和S11并斷開開關(guān)S01和S10而被反向。因此在時間間隔A02期間，在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上能夠記錄下與在A01期間相同的電壓波形。換句話說，在時間間隔A02期間，施加在壓電執(zhí)行器的左邊端口、即壓電執(zhí)行器的與開關(guān)S00和S10相關(guān)聯(lián)的端口上的現(xiàn)在是零線的電位，即在理想情況下為電位0，同時在壓電執(zhí)行器的右邊端口、即壓電執(zhí)行器的與開關(guān)S01和S11相關(guān)聯(lián)的端口上分別施加相P1的電位，即負電位?？傊?，在時間段A02期間，在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上施加有正電壓。開關(guān)S00、S01、S10和S11的切換通過前述的同步控制器SK與輸入電壓U_E的相特性同步。這可以例如通過利用同步控制器SK在輸入端10上探測相P1來實現(xiàn)，并且對開關(guān)S00、S01、S10和S11上的開關(guān)信號的觸發(fā)可以通過同步控制器SK利用該相信號來平衡。在相P1與同步控制器SK之間繪有沿同步控制器SK方向的箭頭。該箭頭表示：施加在相P1的電壓通過同步控制器來檢測。例如，可以在相P1與同步控制器之間設(shè)置用于檢測施加在相P1上的電壓信號的線路。時間間隔A03等于半個時間間隔A01。在時間間隔A04中，所有的開關(guān)S00、S01、S10和S11被斷開，從而使施加在壓電執(zhí)行器上的電壓U_s對于時間間隔A04是固定的。開關(guān)S00、S01、S10和S11的關(guān)閉可以例如通過同步控制器從控制裝置(未示出)獲得的觸發(fā)信號Tr來觸發(fā)。

同步控制器SK現(xiàn)在再次將其開關(guān)特性與輸入信號U_E的相同步，并觸發(fā)開關(guān)S00、S01、S10和S11的斷開，準確地說是在輸入信號具有最大值時。在間隔A04期間，壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn保持被激活，即在壓電執(zhí)行器的觸點之間施加電壓U_s。在時間間隔A05開始時，開關(guān)S01和S11閉合，使得施加在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上的電壓U_s到該間隔結(jié)束時相應(yīng)于反向的輸入電壓U_E再次回到零。在時間間隔A03至A05中，兩個半波近乎于結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生一信號脈沖，該信號脈沖相比于間隔A01和A02中的信號具有一半的頻率或雙倍的周期。在間隔A06至A08中將重復(fù)間隔A03至A05中的進程，其變化在于：現(xiàn)在，壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn的更長的激活間隔將通過三倍于時間間隔A01和A02的脈沖時間或周期來控制。在時間間隔A09期間，開關(guān)S00、S01、S10和S11斷開，此時施加在壓電執(zhí)行器上的電壓U_s為0V。在該時間間隔內(nèi)，壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn失活。在間隔A10中，壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn被再次激活，在間隔A11中再次出現(xiàn)與間隔A09中一樣的暫停。

圖3示出了施加在根據(jù)第一實施的壓電執(zhí)行器陣列14的壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上的控制電壓U_s的電壓時間曲線，現(xiàn)在在此借助于斬波器開關(guān)(Chopper-Schalters，斷路器開關(guān))Sc來影響施加在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上的電壓U_s。通過使用該附加的開關(guān)Sc，可以使壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn可自由選擇時間地放電。這使得能夠在充電之后與電網(wǎng)頻率無關(guān)的時間點上發(fā)出計量脈沖。例如，在輸入電壓U_E的第三半波期間，斬波器開關(guān)被激活，并且施加在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上的電壓U_s大約直至第四半波開始時下降至零。如圖3所示，在使用開關(guān)Sc與另外的開關(guān)S00至S11組合的條件下，可以縮短或延長信號電壓或控制電壓U_s的周期。

在圖4中可以闡明了電壓時間曲線的曲線波形，如果壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn的行程應(yīng)該特別高時，可以采用該曲線波形。壓電執(zhí)行器的行程取決于控制信號U_s的極值之間的電壓差。因此，壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn的行程可以通過使這些壓電執(zhí)行器換向來提高。暫時性地施加在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上的負電壓U_s也被稱為雙極電壓U_bi。雙極電壓U_bi通過對開關(guān)S00、S01、S10和S11的控制時間點的移置(Verschiebung)來實現(xiàn)。在圖4所示的實施例中，與如圖2和圖3所示的實施例不同的是，在第二半波期間，即在負輸入電壓U_E或負相P1時，開關(guān)S01和S10被接通，也就是說，施加在輸入端上的負電壓U_E被傳輸?shù)轿挥趬弘娍刂齐娐?1和具有壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn的壓電執(zhí)行器陣列14之間的接口13上，從而不是首先進行整流，由此來實現(xiàn)壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn的換向。換句話說，現(xiàn)在施加在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn的左邊端口上的是相P1的負半波的負電位。即，在壓電執(zhí)行器上所施加的是負電壓，為了防止壓電執(zhí)行器損壞，該負電壓應(yīng)該只在短時間內(nèi)被施加，并且不應(yīng)超過工作電壓的大約1/4。在第二半波期間，在圖4中從輸入電壓U_E的值達到預(yù)設(shè)閾值的時間點開始，壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上的電壓將通過斷開開關(guān)S01和S10而保持恒定。該狀態(tài)被保持直至輸入電壓U_E的電壓值或其絕對值再次低于預(yù)設(shè)的閾值。然后接通開關(guān)S01和S10，從而使得輸入電壓U_E再次被施加在壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn上。

在圖5中示出了壓電執(zhí)行器裝置50，其具有根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的壓電控制電路51。類似于壓電執(zhí)行器裝置10，壓電執(zhí)行器裝置50包括輸入端52。在這種情況下，對壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn的控制被擴展到三相。即，將施加三相電壓作為輸入電壓U_E。與第一實施例相比，由此增加了可產(chǎn)生的曲線多樣性(Kurvenvielfalt)，并提高了可用以改變壓電執(zhí)行器的開關(guān)狀態(tài)的頻率。換句話說，當頻率降低2/3時可產(chǎn)生與第一實施例相同頻率的控制信號。有鑒于干擾到信號的抖動與基礎(chǔ)頻率是成比例的，因此該干擾值在第二實施例中可相應(yīng)地降低2/3。壓電執(zhí)行器裝置50的結(jié)構(gòu)類似于圖1中的壓電執(zhí)行器裝置10。但是與圖1不同的是，壓電執(zhí)行器裝置50的輸入端包括三個相P1、P2、P3，這些相通過具有4x2開關(guān)矩陣的變流電路56經(jīng)由壓電接口53與具有多個并聯(lián)的壓電執(zhí)行器Pz1至Pzn的壓電執(zhí)行器陣列54相聯(lián)接，在此，4x2開關(guān)矩陣包括開關(guān)S00、S01、S10、S11、S20、S21、S30、S31?，F(xiàn)在，將同步控制器SK與相P1、P2、P3相聯(lián)接，以便探測施加電壓U_E的所有三個相?，F(xiàn)在，同步控制器SK與三相輸入電壓U_E同步地控制4x2開關(guān)矩陣的開關(guān)S00、S01、S10、S11、S20、S21、S30、S31，從而在壓電執(zhí)行器Pz1至Pzn上分別施加具有所要求的形式或時間波形的正電壓U_s。與第一實施例相同，可以通過斬波器開關(guān)Sc來影響施加在壓電執(zhí)行器Pz1至Pzn上的電壓U_s。通過使用該附加的開關(guān)Sc，使得壓電執(zhí)行器Pz1，Pz2，...Pzn可自由選擇時間地放電。如上所述，這使得能夠在充電之后與電網(wǎng)頻率無關(guān)的時間點上發(fā)出計量脈沖。

圖6示出了控制電壓U_s的時間電壓波形的曲線圖，該電壓波形由根據(jù)第二實施例的壓電控制電路51產(chǎn)生。例如，該曲線在開始時接通開關(guān)S10和S01并斷開所有其他的開關(guān)。在P1的相為30°時，此時相P1和P3的電壓的絕對值相同，通過斷開開關(guān)S10并接通開關(guān)S30而躍變至相P3。P3的電壓是正的，因此現(xiàn)在施加在壓電執(zhí)行器Pz1至Pzn上的仍然是正電壓?，F(xiàn)在，當輸入端上的相P3從正半波過渡到負半波時，閉合開關(guān)S31和S00并斷開開關(guān)S01和S30，以使現(xiàn)在施加在壓電執(zhí)行器Pz1至Pzn上的繼續(xù)為正電壓。當P1的相為120°時，此時相P1和P3的電壓的絕對值相同，現(xiàn)在通過斷開開關(guān)S31和S00并接通開關(guān)S10和S01又躍變回到相P1。在相P1的負半波期間，斷開開關(guān)S10和S01并接通開關(guān)S11和S00，以便在壓電執(zhí)行器Pz1至Pzn上繼續(xù)施加正電壓?，F(xiàn)在，當相P1從負半波過渡到正半波時斷開所有開關(guān)，以使施加在壓電執(zhí)行器上的電壓U_s保持為零。最后，通過接通兩個開關(guān)S20和S01并且斷開其余的開關(guān)，使得關(guān)于第二相P2的電壓曲線繼續(xù)進行。通過在各個相的不同交叉點上在各個相之間的躍變，可以實現(xiàn)具有不同脈沖持續(xù)時間和不同振幅的各種信號形式。

圖7示出了電壓波形U_s關(guān)于時間的曲線圖，該電壓波形可以同樣由根據(jù)第二實施例的壓電電路陣列51來產(chǎn)生。在此，施加在壓電執(zhí)行器Pz1至Pzn上的電壓U_s的振幅被調(diào)整到特定的電壓值。這種調(diào)整通過將施加在壓電執(zhí)行器Pz1至Pzn上的電壓U_s固定在特定值來實現(xiàn)。這可以通過在電壓振幅的閾值時或在與其相對應(yīng)的輸入電壓的相的特定值時將各個當前閉合、即接通的開關(guān)S斷開來實現(xiàn)。首先與圖6類似，通過接通開關(guān)S10和S01并斷開所有其他的開關(guān)來產(chǎn)生控制電壓U_s。在P1的相為大約15°時，斷開開關(guān)S10和S01，從而使現(xiàn)在剛達到的電壓值U_s保持恒定。在P1的相為大約45°時，變換到P3的正半波，在此，開關(guān)S30和開關(guān)S01被接通。在相P3交零時，斷開開關(guān)S30和S01，以使壓電執(zhí)行器現(xiàn)在保持失活。接下來，通過接通開關(guān)S20和開關(guān)S10變換到相P2的正半波。當控制電壓U_s達到預(yù)設(shè)的閾值時，開關(guān)S20和S10再次被斷開，從而保持該閾值作為控制電壓，直至相P3的電壓的絕對值等于所達到的控制電壓U_s的閾值?，F(xiàn)在，通過接通開關(guān)S31和S00來變換到相P3的負半波。當相P3交零時或過渡到正半波時，現(xiàn)在通過斷開開關(guān)S31和S00和替代地接通開關(guān)S30和S01，使控制電壓U_s保持為正的。當控制電壓U_s達到預(yù)設(shè)的閾值時，開關(guān)S30和S01被斷開，從而保持該閾值為控制電壓，直至輸入電壓U_E再次達到預(yù)設(shè)的閾值。在此處通過再次接通開關(guān)S30和S01又變換回相P3的正半波。在電壓U_s交零時，即過渡到相P3的負半波時，斷開開關(guān)S30和S01并接通開關(guān)S31和S00，由此使得施加在輸入端上的負電壓U_E被反轉(zhuǎn)為壓電執(zhí)行器上的正的控制電壓U_s。

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的壓電執(zhí)行器裝置80。該壓電執(zhí)行器裝置80同樣包括壓電控制電路81和壓電執(zhí)行器陣列84，該壓電控制電路和壓電執(zhí)行器陣列與壓電接口83彼此聯(lián)接。壓電控制電路81還包括輸入端82，在該輸入端上施加有輸入信號U_E。與根據(jù)第二實施例的陣列50相比，根據(jù)第三實施例的陣列80的變流電路86現(xiàn)在被擴展為，附加地將2m-2個列添加到第二實施例的開關(guān)矩陣中，以便現(xiàn)在能夠彼此獨立地總共控制m個閥門組GR1至GRm。為了獨立地控制配屬于各個組GR1至GRm的開關(guān)組i，在此，開關(guān)組包括開關(guān)S00,i、S01,i、S10,i、S11,i、S20,i、S21,i、S30,i、S31,i(i＝1至m)，現(xiàn)在將m個彼此獨立的觸發(fā)信號Tr1至Trm發(fā)送到同步控制器SK。根據(jù)觸發(fā)信號的時間點，在不同的時間點上對壓電執(zhí)行器Pz1至Pzn,i(在此i＝1至m)的各個組實施控制。還可以考慮，例如利用各種計量裝置來執(zhí)行在時間上錯開的不同工作步驟，或者在不同的計量閥組中同時執(zhí)行各種工作步驟，在此，僅需要唯一的壓電控制電路81。與圖1和圖5中的陣列類似的是，圖8中的壓電執(zhí)行器裝置80針對各個閥門組都分別具有一個并聯(lián)開關(guān)Sc,i和一個串聯(lián)開關(guān)Su,i，在此i＝1至m。

此外，為了避免發(fā)生干擾或事故，在所述控制電路11、51、81的輸入端與電壓源之間接入隔離變壓器是非常有用的。在用戶與壓電執(zhí)行器發(fā)生接觸而這些壓電執(zhí)行器又連接到電壓源或電網(wǎng)的情況下，壓電執(zhí)行器和電源插頭的電隔離可以防止有較大的電流流動。在電壓源供應(yīng)三相電流或三相電壓的情況下，選擇下述這種變壓器是有意義的：在該變壓器中，初級繞組被構(gòu)造為三角形電路，次級繞組被構(gòu)造為星形電路。通過這種類型的布線，可以在二次側(cè)形成零線，即零線上的電壓始終為0，從而確保其滿負荷能力。

為了實現(xiàn)可變的控制電壓，可以在隔離變壓器之后附加地接入可調(diào)變壓器，在此，在這種具有三相電流的變型中接入了三個聯(lián)接在一個軸上的可調(diào)變壓器。

如果需要提供比所擁有的頻率(例如50或60Hz)更高的輸入頻率作為輸入電壓頻率，則附加地可以在所述控制電路的輸入端之前接入逆變器，利用該逆變器可以獨立于電網(wǎng)頻率地產(chǎn)生所要求的電壓頻率。

最后再次指出：前面詳細描述的壓電執(zhí)行器裝置和壓電控制電路只是實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在不超出本發(fā)明的范圍的情況下以不同的方式對其進行修改。此外，不定冠詞“一”的使用并不排除所涉及的特征也可能存在多個。

附圖標記列表

10，50，80 壓電執(zhí)行器裝置

11，51，81 壓電控制電路

12，52，82 輸入端

13，53，83 壓電接口

14，54，84 壓電執(zhí)行器陣列

16，56，86 變流電路

A01…A11 時間間隔

GR1…GRm 壓電元件組

N 零線

P1，P2，P3 相

Pz1，Pz2...Pzn 壓電元件

Pz1…Pz n,i 第i個閥門組的壓電元件

Rc 電阻

Ru 分路電阻

S，S10，S11，S00，S01，S20，S21，S30，S31 電子開關(guān)

S00,i，S01,i，S10,i，S11,i，S20,i，S21,i，S30,i，S31,i 第i個開關(guān)組的電子開關(guān)

Sc 開關(guān)/斬波器開關(guān)

SK 同步控制器

Su 串聯(lián)開關(guān)

Tr，Tr1…Trm 觸發(fā)信號

U_bi 雙極電壓

U_E 輸入電壓

U_s 控制電壓/施加在壓電元件上的電壓。