DE10321208A1

DE10321208A1 - Schaltungsanordnung zum Reduzieren von Schallemissionen und hochfrequenten Schwingungen eines piezoelektrischen Aktors

Info

Publication number: DE10321208A1
Application number: DE2003121208
Authority: DE
Inventors: Hellmut Freudenberg; Christian Dr. Hoffmann; Lorand Ouvenou; Richard Pirkl; Wolfgang Dr. Östreicher
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-12-09

Abstract

Der Steuerstrom (IST) eines piezoelektrischen Aktors (P) wird durch eine Anordnung von Filtern (F1, F2, F13, F23, F24) in einem Bereich, in dem hörbare oder hochfrequente Schwingungen erzeugt werden, gedämpft, wodurch für einen Benutzer als störend empfundene Geräusche reduziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltungsanordnung zum Reduzieren von Schallemissionen und hochfrequenten Schwingungen eines piezoelektrischen Aktors, insbesondere eines piezoelektrisch angetriebenen Stellglieds, wie es beispielsweise bei Bremsen, Dosiereinrichtung, optischen Spiegeln und Linsengeräten, Einspritzanlagen oder Ventilverstellungen eingesetzt wird.
Ein piezoelektrischer Aktor findet beispielsweise auch in einem Kraftstoffinjektor Verwendung. In diesem Fall wird ein Steuerventil mittelbar oder auch unmittelbar durch den Aktor betätigt.
Bei piezoelektrischen Aktoren treten aufgrund hoher Schaltgeschwindigkeiten und hoher innerer Kräfte bei deren Betrieb starke Vibrationen auf. Diese Vibrationen sind spektral sehr breitbandig und erzeugen ein hohes Maß an Körperschall. Dieser Körperschall wird bei einer Anwendung in einem Kraftstoffinjektor vom gesamten Motorblock verstärkt und vom Benutzer des Kraftfahrzeugs als metallisches, störendes rhythmisches Geräusch wahrgenommen.
Das Frequenzspektrum eines dem piezoelektrischen Aktor ansteuernden Stroms (vgl. 5, Steuerstrom IST) weist in einem Frequenzbereich zwischen 7 und 13 kHz ein Maximum auf. Dieses Maximum des Steuerstroms führt dazu, dass der piezoelektrische Aktor im hörbaren Bereich durch den Steuerstrom angeregt wird.
Bei der Ansteuerung eines Piezoaktors der als Antrieb in einem Kraftstoffinjektor Verwendung findet, werden Ströme im Bereich von 30 A und Anstiegszeiten von weniger als 50 μs ge fordert. Die starken Steigungsänderungen im Stromverlauf des Ansteuerstroms regen mechanische Schwingungen an.
Da Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, aufgrund von so genannten weichen Brennverfahren, die durch Mehrfacheinspritzung und/oder Aufladung erreicht werden, immer leiser werden, wird es als störend empfunden, dass das Geräusch der piezoelektrischen Stellglieder aus dem Gesamtgeräusch des Verbrennungsmotors herauszuhören ist.
Aus der Offenlegungsschrift DE 199 46 965 A1 ist ein geräuschgedämpfter piezoelektrischer Antrieb bekannt. Bei diesem piezoelektrischen Antrieb ist das Piezoelement von einem Gehäuse umgeben, das wenigstens teilweise mit einer äußeren Schicht aus einem Werkstoff mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften gefertigt ist. Bei diesem bekannten Antrieb wird der Körperschall dadurch reduziert, dass er durch eine geeignete mechanische Entkopplung und Isolation an einer Weiterleitung und Ausbreitung gehindert wird.
Weiter existieren Verfahren, die über Sensoren die Vibrationen des Gesamtsystems erfassen und durch eine adaptive Regelung der Vibration entgegenwirken. Auch existieren Ansätze, die durch geeignete gegenphasige Anregung nach der eigentlichen ersten Ansteuerung des piezoelektrischen Antriebs den Vibrationen entgegenwirken.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Reduzieren von Schallemissionen und hochfrequenten Schwingungen eines piezoelektrischen Aktors zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Zwischen einer den piezoelektrischen Aktor ansteuernden Einheit und dem Aktor selbst ist ein elektronisches Filter angeordnet. Dieses Filter filtert aus einem den piezoelektrischen Aktor ansteuernden Signal die Frequenzanteile heraus, die die Ursache für die als störend empfundenen Schallemissionen und die hochfrequenten Schwingungen des piezoelektrischen Aktors sind.
Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es, dass das aus der Ansteuereinheit, dem piezoelektrischen Aktor und der von dem Aktor betriebenen Einheit bestehende System nur durch zumindest ein Filter ergänzt werden muss und keine konstruktiven Veränderungen am System vorgenommen werden müssen.
Bei Änderungen an diesem System kann das Filter so auf einfache Weise an einen veränderten Systemfrequenzgang angepasst werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Filter dem piezoelektrischen Aktor in Serie geschaltet sein. Das Filter ist hier so ausgelegt, dass seine Resonanzfrequenz in dem Bereich der störenden Komponenten liegt und der Scheinwiderstand des Filters in diesem Bereich hochohmig ist und so die störenden Komponenten aus dem Ansteuerstrom des piezoelektrischen Aktors gefiltert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Filter parallel zum piezoelektrischen Aktor angeordnet. Die Eigenschaften des Filters werden hier ebenfalls so gewählt, dass die Resonanzfrequenz im Bereich der störenden Komponenten liegt und so die störenden Komponenten vom piezoelektrischen Aktor „weggesaugt" werden (sogenannte Saugkreis).
Wird der piezoelektrische Aktor zum Betreiben eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine verwendet, so können auf einfache Weise die bei diesem Anwendungsfall störenden Komponenten des Ansteuersignals gefiltert werden. Treten aufgrund von Änderungen am Kraftstoffinjektor oder an der Brennkraftmaschine geänderte akustische Anforderungen an dem Aktor auf, so kann das Filter auf einfache Weise angepasst werden.
Anhand der schematischen Zeichnungen werden mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
3 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
4 ein Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
5 den Amplitudengang von mehreren den Piezoaktor ansteuernden Strömen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Diese weist eine Ansteuereinheit V mit einem Spannungsverstärker, einer ohmschen Endstufe, einem Strom- oder einem Ladungsverstärker auf. Die Ansteuereinheit V steuert zumindest einen piezoelektrischen Aktor P mit einem Steuerstrom IST an. Ein Filter F1 ist einerseits mit der Ansteuereinheit V und andererseits mit dem piezoelektrischen Aktor P elektrisch verbunden. Der piezoelektrische Aktor P ist über seinen zweiten Anschluss mit einem zweiten Anschluss der Ansteuereinheit V elektrisch verbunden.
Das Frequenzspektrum eines Ansteuerstroms IST, wie er beispielsweise in 5 dargestellt ist, weist in einem Frequenzbereich zwischen 7 und 13 kHz Signalanteile auf, die sich beim Betrieb des piezoelektrischen Aktors P wegen der von diesen Frequenzanteilen erzeugten mechanischen Schwingungen als störend erweisen.
Das Filter F1 ist hier dem piezoelektrischen Aktor P in Serie geschaltet. Bei dem Filter F1 handelt es sich vorzugsweise um einen Parallelschwingkreis, der einen Kondensator C und eine Spule L aufweist, die zueinander parallel angeordnet sind. Dieser Parallelschwingkreis wird vom Steuerstrom IST, der den piezoelektrischen Aktor ansteuert, durchflossen. Das Filter F1 stellt einen so genannten „Sperrkreis" dar, dessen Scheinwiderstand für den Bereich um die Resonanzfrequenz f_R mit entsprechender Bandbreite groß ist und die in diesem Bereich liegenden Frequenzanteile des Steuerstroms IST dämpft. Durch geeignete Wahl der Resonanzfrequenz f_R und der Bandbreite des Parallelschwingkreises, d.h. durch geeignete Wahl des Kondensators C und der Spule L, können somit störende Frequenzkomponenten des Steuerstroms IST vom piezoelektrischen Aktor P ferngehalten werden, wodurch sich das akustische Verhalten des piezoelektrischen Aktors P verbessert.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Hierbei tragen funktionell identische Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie in 1.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 1 ist hier ein Filter F2 parallel zum piezoelektrischen Aktor P angeordnet. Bei diesem Filter F2 handelt es sich vorzugsweise um einen Serienschwingkreis – eine Serienschaltung eines Kondensators C und einer Spule L –, der bei seiner Resonanzfrequenz f_R einen kleinen Scheinwiderstand aufweist und somit wenn das Filter F2 im Bereich der Resonanzfrequenz f_R angeregt wird praktisch einen elektrischen Kurzschluss darstellt. Dieses Filter F2 wird auch als „Saugkreis" bezeichnet. Es „saugt" die Frequenzanteile des Steuerstroms IST in dem Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz f_R ab.
3 zeigt eine Kombination der Ausführungsbeispiele der 1 und 2. Hier ist ein erstes Filter F13, vorzugsweise ein Parallelschwingkreis, in Serie zum piezoelektrischen Aktor angeordnet. Ein zweites Filter F23, vorzugsweise ein Serienschwingkreis, ist parallel zu der Reihenschaltung aus Filter F13 und piezoelektrischem Aktor P angeordnet.
Wird für die Filter F13 und F23 dieselbe Resonanzfrequenz f_R gewählt, so erhöht sich die Dämpfung im Bereich um die Resonanzfrequenz f_R. Alternativ kann durch eine geeignete Abstimmung der Filter F13 und F23 auf zwei leicht versetzte Resonanzfrequenzen f_R13 und f_R23 die Bandbreite des aus F13 und F23 bestehenden Filters und somit der Bereich, in dem der Steuerstrom IST gedämpft wird vergrößert werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Hier ist ein Filter F24 dem piezoelektrischen Aktor P in Serie geschaltet. Bei diesem Filter F24 handelt es sich vorzugsweise um einen Serienschwingkreis. Dieser sogenannte „Leitkreis" lässt nur die Frequenzanteile des Steuerstroms IST durch, die im Bereich der Bandbreite des Filters F24 liegen. Die Bandbreite des Filters F24 ist so abgestimmt, dass nur die Frequenzanteile des Steuerstroms IST durchgelassen werden, die im Betrieb des piezoelektrischen Aktors P als nicht störend empfunden werden.
Die Bandbreite der Filter F ist von der Güte des jeweiligen Filters F abhängig und bezeichnet den Bereich in dem der Scheinwidertand des Filters oder der Signalpegel größer gleich 70,7% (–3dB) des Maximalwerts – der bei der Resonanzfrequenz fR auftritt – ist.
5 zeigt den Amplitudengang des Steuerstroms IST für einen ungefilterten Steuerstrom IST1, einen mit einer Schaltungsanordnung gemäß 2 gefilterten Steuerstrom IST2 und einen mit einer Schaltungsanordnung gemäß 3 gefilterten Steuerstrom IST3.
Der gefilterte Steuerstrom IST2 weist bei einer Frequenz von 10kHz ein Minimum auf. Im Vergleich zu dem Verlauf des ungefilterten Steuerstroms IST sind die Amplituden des Steuerstroms IST2 in dem Frequenzbereich um 10KHz kleiner.
Kommt eine Filteranordnung mit einem parallel und einem in Serie angeordneten Filter F23, F13 – wie sie in 3 gezeigt ist – zum Einsatz, so können die Amplituden in dem Frequenzbereich zwischen 7 und 13 kHz noch weiter reduziert werden und die akustischen Eigenschaften des piezoelektrischen Aktors P noch weiter verbessert werden.
Die hier verwendeten Filter F1, F2, F12, F23 und/oder F24 sind vorzugsweise zusammen mit der Ansteuereinheit V in einem Gehäuse untergebracht. Die Filter F1, F2, F12, F23 und/oder F24 können jedoch auch zusammen mit dem piezoelektrischen Aktor P in einem Gehäuse angeordnet sein.
Bei den Filtern F1, F2, F12, F23 und F24 kann es sich sowohl um analoge, als auch um digitale Filter handeln.

Claims

Schaltungsanordnung zum Reduzieren von Schallemissionen und hochfrequenten Schwingungen eines piezoelektrischen Aktors, die aufweist – eine Ansteuereinheit (V), von der der piezoelektrische Aktor (P) mit einem Ansteuerstrom (IST) angesteuert wird, und – zumindest ein Filter (F1, F2, F12, F23, F24), das parallel oder in Serie zum piezoelektrischen Aktor (P) geschaltet ist, wobei das oder die Filter (F1, F2, F12, F23, F24) im akustisch störenden Frequenzbereich einen kleinen oder einen großen Scheinwiderstand aufweisen.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Filter (F13) in Serie zum piezoelektrischen Aktor (P) geschaltet ist und ein zweites Filter (F23) parallel zur Serienschaltung aus dem ersten Filter (F13) und dem piezoelektrischen Aktor (P) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (P) einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine ansteuert.