用于控制容性执行机构的方法和装置的制作方法

专利名称：用于控制容性执行机构的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制压电执行机构、尤其是控制内燃机喷油阀的压电执行器的方法和装置。
在控制容性执行机构时，也即在充电和/或放电容性执行机构时，对执行机构的控制电子装置提出许多要求。因此在该情形下必须提供位于几百伏范围内的电压和大于10A的短时充放电电流。控制大多在几毫秒内进行。同时在该控制阶段中电流与电压应当被可控地输入到执行机构。
容性执行机构的实施形式表现为压电执行器，正如其被用于操纵喷油阀一样。这种喷油阀在内燃机中被用于将燃料喷入燃烧室。这里对阀的精确和可再现的开闭提出了非常高的要求，并由此对执行器的控制也提出了非常高的要求。为了能遵守将来的尾气排放极限值，每个燃烧脉冲的燃料喷射次数被提高。所以，喷射时间以及因此还有压电执行器的控制数据将会变得更短，这对执行器的控制电子装置提出了另外的要求。
在已知的电路装置中(DE 19944733A1)，压电执行器由充电电容通过变压器进行充电。为此，被安排在变压器一次侧的充电开关利用脉宽调制的控制信号进行控制。充电开关以及还有放电开关在那里被实施为可控的半导体开关。为了充电或放电，向压电执行器输入或抽出预定的能束。
如果需要小于预定能束的能束，则该已知的电路装置需要一个高效的输出滤波器，以便对输入压电执行器并再次从其抽出的能量进行时间上的平均。另外，只要执行器的控制特性曲线无需有中断点，那么这里假定为相同的充电和放电电流。
本发明的任务是创造一种用于控制容性执行机构的方法和装置，其特征在于高的分辨率和可再现性。
该任务根据本发明通过具有权利要求1的特征的方法以及通过具有权利要求11的特征的装置来解决。
根据本发明的方法，所述执行机构在至少三个步骤中分别利用预定的时延被充电。在所述至少三个时延期间，电流在充电执行机构时流入该执行机构。
在所述第一时延期间，所述电流的幅值从预定的最小值被增加到预定的最大值。在所述第二时延期间，所述电流的幅值被保持大致恒定。最后，在所述第三时延期间，所述电流的幅值从预定的最大电流被降低到同样预定的最终值。
本发明的装置具有控制装置和末级，其中所述末级通过所述控制装置的控制信号被控制。所述控制装置在预定的第一时延内提供一个控制信号，该控制信号在该第一时延期间从预定的最小值增加到预定的第一最大值。在紧随于所述第一时延之后的预定的第二时延内，所述控制装置提供一个充分恒定的控制信号。在预定的第三时延内该控制装置提供一个控制信号，其在该第三时延期间从预定的最大值降低到一预定的最终值。
相应的假定也适用于执行机构的放电。在该情形下，在第一时延期间电流的最大幅值同样从最小值增加到最大值。在第二时延期间幅值保持恒定，并且在第三时延期间电流的幅值从最大值降低到同样预定的最终值。这里如此地调整放电电流，使得在执行器内存储的能量被减少。
通过按照本发明控制执行机构，实现了被输入给执行机构的电荷的软开始和结束过程。因为例如在压电执行机构中，输入给该压电机构的电荷与其路程变化和力变化成比例，所以通过在充电或放电的开始和结束过程中在时间上缓慢地改变电荷而避免了执行机构的过调。从而减少了干扰的机械或声作用。
只需要在充电或放电的时延内控制充电或放电电流。
本发明的优选改进方案在从属权利要求中被给出。
在第一优选实施方式中，可以在不改变整个充电时延的情况下调整被输入到执行机构的电荷。这里仅仅改变在充电或放电的第一和第三时延内的陡度。通过陡度的匹配可以影响控制的线性。
在另一优选实施方式中，通过改变第二时延来变化被输入给执行机构的电荷量。以这种方式，不管例如通过脉冲式末级所引起的量化，也能线性地控制执行机构。此时所述第一和/或第三时延保持不变，由此关断斜坡仅仅被时移，而且关断特性保持相同。
因此能实现更线性的控制区域。在该情形下，就能量而言10-100％的变化是可能的，或就时间而言20-100％的变化是可能的。从而可实现小于0.5％的线性误差。不同的充放电电流不影响控制方法的线性。
在一优选实施形式中，被输入给末级的控制信号导致预定的输出电流。控制信号可以通过模拟或数字电路来产生。因此被输入给执行机构的电流的形状是可调的，而与末级本身的控制无关。
优选地，所述电流在第二时延期间的最大幅值以及第三时延的最大值大致对应于第一时延的预定最大值。
在另一优选实施例中，所述最大幅值在所述三个预定的时延上的包络大致相当于梯形的形状。
在另一优选实施形式中，所述充电电流和/或放电电流是断续的电流，其例如通过脉冲式的电流源或电压源来提供。
另外，所述电流可以由脉冲序列组成，其最大幅值分别位于包络曲线的针对该时延而预定的点上。
优选地，三角形脉冲适用于该脉冲。
在所述方法的另一优选实施形式中，所述执行机构可以无间隙地被控制，也即所述电流的幅值在达到预定的最小值之后马上上升。
下面借助实施例参考示意性附图来详细讲述本发明。


图1示出了输入至执行机构的电流以及由此所产生的执行机构电荷的时间曲线的实施例，图2示出了输入至执行机构的电流曲线的另一实施例，图3示出了用于控制容性执行机构的装置的电路框图，图4a示出了控制单元的第一实施例，以及图4b示出了控制单元的第二实施例。
图1和2描绘出输入至执行机构的电流I的曲线。在图1中另外还以时间t为函数描绘了由于电流I而被存入到执行机构中的电荷量Q。
所述执行机构在这里是一种容性的、尤其是压电的执行机构P，如同其被用来操纵喷油阀一样。这种喷油阀例如被应用在内燃机中。
图1的上部示出了被输入至执行机构的电流I的曲线。这里，脉冲时延为Tp的三角形电流脉冲PU彼此相随。这里最大幅值1～n跟随于控制曲线k。
控制曲线k的过程这里相对于一个梯形。在第一时延T1内，电流I的最大幅值n从预定的最小值minT1(这里为0)上升到预定的最大值maxT1。该最大值maxT1是根据执行机构P在充电阶段结束时(T1+T2+T3)所期望的电荷Q而从预定的特性曲线簇中被选择的。所述特性曲线簇例如可以包含有从内燃机的各种参数(例如转数和/或负荷)到所需要的燃料量以及由此到所需要的电荷Q的分配关系。该特性曲线簇例如可以用实验的方式求得，或也可以用计算机的方式求得。这里，在执行机构P上的路程变化Δd对应于被输入至执行机构P中的电荷Q。对于电荷Q适用Q＝∫I(dt)。
在图1的下部，描绘了在执行机构P中存入的电荷Q相对于时间t的时间曲线。在第一时延T1内，存储在执行机构P中的电荷量Q与t2成比例地增加。
在第二时延T2内电流脉冲PU的最大幅值保持恒定。这里，最大幅值为T2且脉冲宽度为Tp的电流脉冲PU直接相随。在此，T2大致相当于时延T1的最大电流maxT1。在该时延T2内，被输入到执行机构P的电荷量Q与时间t成比例地增加。
在最后一段T3中，电流脉冲PU的幅值n从预定的最大值maxT3下降到同样预定的最终值minT3(这里为0)。在此，maxT3大致相当于在时延T1内所出现的最大幅值maxT1。被输入到执行机构P中的电荷量Q在该时延T3内表现为与(t3-t)2成比例。
时延T1和T3在这里被如此选择，使得在T1或T3内存在足够多的脉冲PU。与此相应地选择开关频率fp＝1/2Tp。
优选地，应该大约有5-10个脉冲经过曲线的上升沿或下降沿。与此相应地必须选择控制所述执行机构的末级E的开关频率ft。通过合适地选择脉冲宽度Tp，实现因脉冲宽度Tp所产生的量化的足够平均，并在整个充电时间T1+T2+T3上线性地控制所述的电荷量。
脉冲宽度Tp在控制的时延T1、T2和T3内可以保持恒定。
为了实现对执行机构P上的路程变化Δd的线性控制，主要通过改变第二时延T2来实现被输入到执行机构的电荷量。这里，在第三时延T3内形成幅值的包络曲线的下降斜坡被时移，第三时延T3保持不变。
控制执行机构P的电流I的替代实施形式被示于图2。这里脉冲宽度Tp在时延T3内被减小，并由此提高开关频率ft。
图3示出了用于控制执行机构的装置的实施例的电路框图。所述执行机构(这里为压电执行机构P)通过电感L与末级E相连。末级E提供一个经电感L而充电压电执行机构的电流I。末级E可以被实施为常规的开关转换器，例如被实施为升降压变换器、反激变换器或SEPIC变换器。末级E根据由控制单元ST提供的控制电压UST来提供对压电执行机构P的充电或放电电流I。图3所示的电流I的方向给出了在充电过程时的电流方向。
图4a示出了控制单元ST的第一实施例。该控制单元具有一个数模变换器，优选地是一个快乘的数模变换器D/A1，其后面连接有低通滤波器R1’、C1’。在数字输入端Din向数模变换器D/A1输入一个预定值X，并且在其另一输入端Ref输入一个对所述电流I的最大幅值max进行预给定的控制电压Umax。于是，被施加的控制电压Umax被乘以所设置的数字值X，并且在输出端作为控制电压UST被输出，使得数模变换器象精确的数字电位计一样工作。预给定值X以及最大幅值均由微控制器μC提供。这里，控制电压Umax由微控制器μC的数字信息通过第二数模变换器D/A2产生。通过由电阻R1′和电容C1′所构成的低通滤波器，将如此产生的控制信号UST输入到末级E。于是可以预给定所述的包络曲线k，而不改变末级对执行器P的时间控制。
图4b示出了由模拟器件构成的用于产生控制信号UST的电路装置实施例。在那里示出的电路装置具有充电电容C1，该充电电容一方面与地电位GND相连接，另一方面通过限压器B与所述电路装置的输出端UST相连接。
限压器B在非反相输入端+处与对应于要被限制的电压的电压U/2相连接。反相输入端-与电容C1的背离地电位的一侧相连接。限压器B的输出端UST同样与电容C1的该端子电连接。电容C1另外通过电阻R5和选择开关S1(在放电开关位置“E”)与供电电压U电连接。在开关S1的第二充电开关位置“L”，电容C1通过电阻R5与被作为反相电压放大器接入的运算放大器OP的输出端相连接。运算放大器OP利用其非反相输入端+与地电位GND相连，以及利用其反相输入端-经电阻R3与这里通过分压器R1、R2(R1＝R2)减半的供电电压U相连。运算放大器OP的输出端通过另一电阻R4被反馈到其反相输入端。
这里通过以下方式来产生控制信号UST的斜坡，即电容C1在开关位置L被充电，接着在开关位置E被放电。通过限流器B来实现电容C1的放电电压被如此限制，使得控制信号UST位于电容C1的放电电压的线性区域。但也可以采用理想的积分器来代替RC环节R5、C1。
权利要求
1.用于控制执行机构、尤其是控制压电执行机构的方法，其具有以下步骤所述执行机构在至少三个步骤中分别利用预定的时延(T1，T2，T3)通过电流(I)被充电或放电，在所述第一时延(T1)期间，所述电流(I)的最大幅值(n)从预定的最小值(minT1)被增加到预定的第一最大值(maxT1)，在所述第二时延(T2)期间，所述电流(I)的最大幅值(n)被保持大致恒定，以及在所述第三时延(T3)期间，所述电流(I)的最大幅值(n)从另一预定的最大值(maxT3)被降低到另一预定的最小值(minT3)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一最大值(maxT1)根据要被输入给所述执行机构(p)的电荷量(Q)被选择。
3.按照权利要求1或2之一所述的方法，其特征在于，所述第二时延(T2)根据要被输入给所述执行机构(p)的电荷量(Q)被选择。
4.按照权利要求2或3之一所述的方法，其特征在于，所述第一最大值(maxT1)和/或所述第二时延(T2)根据预定的长度变化(Δd)而从特性曲线簇被读出。
5.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述最大幅值(n)位于包络曲线(k)上，该包络曲线在所述三个预定的时延(T1，T2，T3)上大致具有梯形的形状。
6.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述电流(I)是断续的。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电流(I)由脉冲序列(PU)组成，其中所述最大幅值()分别对应于相应脉冲(PU)的最大电流。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述脉冲(PU)具有三角形的形状。
9.按照权利要求3-4之一所述的方法，其特征在于，所述电流(I)的幅值(n)在达到预定的最小值之后马上上升。
10.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述电流(I)由末级(E)根据控制电压(UST)提供，其中所述控制电压(UST)由数模变换器(DA1)提供。
11.用于控制执行机构、尤其是控制压电执行机构的装置，其具有带有控制输入端(UST)的末级(E)，以及提供用于驱动所述末级(E)的控制电压(UST)的控制装置(ST)，其中控制信号(UST)在预定的第一时延(T1)期间从预定的最小值(minT1)增加到预定的第一最大值(maxT1)、在预定的第二时延(T2)期间保持恒定、以及在预定的第三时延(T3)期间从预定的最大值(maxT3)降低到一预定的最终值(minT3)。
12.按照权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置具有提供所述控制电压(UST)的数模变换器(DA1)。
全文摘要
通过预给定一个控制曲线(k)来控制喷油阀的压电执行器，其中控制执行机构的电流(I)的最大幅值(
文档编号F02D41/20GK1922398SQ200580005892
公开日2007年2月28日 申请日期2005年2月7日 优先权日2004年2月27日
发明者C·G·奥格斯基 申请人:西门子公司