DE19744236A1 - Verfahren zur verlustarmen periodischen Ansteuerung einer kapazitiven Last, insbesondere eines piezoelektrischen Aktuators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verlustarmen peri­ odischen Ansteuerung einer kapazitiven Last C_P, insbesondere eines piezoelektrischen Aktuators.

Piezoelektrische Aktuatoren verhalten sich in der elektri­ schen Ansteuerung wie Kondensatoren, die entweder über eine Strom- oder eine Spannungsquelle aufgeladen werden. Üblicher­ weise werden piezoelektrische Aktuatoren über eine sogenannte RC-Steuerung angesteuert. Bei diesem Verfahren wird der pie­ zoelektrische Aktuator aus einer Spannungsquelle, beispiels­ weise einem großen Kondensator, über einen Schalter und einen ohmschen Widerstand aufgeladen. Zum Entladen wird der Schal­ ter geöffnet und ein zweiter Schalter geschlossen, der den piezoelektrischen Aktuator dann über einen weiteren ohmschen Widerstand kurzschließt. Durch die Wahl der Widerstände ist der Ladeverlauf und damit auch der Dehnungsverlauf des piezo­ elektrischen Aktuators frei wählbar. Der große Nachteil der RC-Steuerung ist die große Leistungsaufnahme bei großen Ak­ tuatoren, d. h. einer entsprechend großen Kapazität und bei hohen Arbeitsfrequenzen. Hierbei wird pro Lade- und Entlade­ zyklus die Energie W=CU in den Widerständen und im Aktuator in Verlustwärme umgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ansteuerung von piezoelektrischen Aktuatoren zu entwickeln, durch das die elektrischen Verluste weitgehend vermindert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß vor Beginn der Lastansteuerung über eine Spannungsquelle eine Kondensatorbatterie auf die Betriebsspannung der kapazitiven Last C_P aufgeladen wird, daß aus der Kondensatorbatterie über einen aus einer Drossel einer Freilaufdiode und der Last C_P gebildeten Reihenschwingkreis die Last C_P geladen wird, daß bei Entladung über einen Entladeschalter S_E die Last C_P mit der Drossel verbunden wird, die über eine Freilaufdiode mit der Kondensatorbatterie verbunden ist, so daß die Last C_P bis auf eine Restspannung entladen wird. Der Vorteil dieses Ver­ fahrens besteht darin, daß beim Entladen zunächst die Restla­ dung auf der Lastkapazität C_P verbleibt und daß anschließend diese Restladung mittels eines Restentladeschalters S_R zu­ rückgeführt werden kann, so daß die Restladung zum größten Teil zurückgewonnen werden kann.

Zweckmäßig ist es gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens, daß zur Rückgewinnung der Restladung aus der Lastkapazität C_P die Drossel kurzfristig gegen Masse ge­ schaltet wird, so daß die Restladung auf die Kondensatorbat­ terie abfließen kann. Durch die kurzfristige Schaltung der Drossel gegen Masse gelingt es, die gesamte Blindleistung, die in der Last gespeichert wurde, zurückzuerhalten.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft und besonders zweckmäßig, wenn die Konden­ satorbatterie sehr viel größer ist als die Lastkapazität C_P. Damit läßt sich ein maximales Spannungsübersetzungsverhältnis etwa mit dem Faktor 2 zwischen der Quellenspannung und der Lastspannung erzielen. Dies vor allem dann, wenn die Kapazi­ tät der Kondensatorbatterie im Verhältnis zur Kapazität der Last C_P praktisch unendlich groß ist.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be­ steht vor allem darin, daß nach Aufladung der Kondensatorbat­ terie auf die Betriebsspannung aus der Kondensatorbatterie die volle Lastbetriebsspannung zur Verfügung steht. Mit einer Regelung der Spannung an der Kondensatorbatterie auf einen stabilen Ausgangszustand ist eine stabile, reproduzierbare Aufladung der kapazitiven Last C_P möglich. Als Eingangsgröße für die Regelung kann sowohl die Spannung an der Kondensator­ batterie als auch die Spannung an der Last C_P herangezogen werden.

Die Erfindung wird anhand von Schaltbildern und Strom- und Spannungsdiagrammen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Strom und Spannung an der Kondensatorbatterie C₁ und an der Last C_P.

Die in Fig. 1 zur Durchführung des Verfahrens nach dem Stand der Technik dargestellte Schaltung weist einen piezoelektri­ schen Aktuator C_P auf, der über eine Kondensatorbatterie C₁ aufgeladen werden kann. Die Kondensatorbatterie C₁ steht mit einer entsprechenden Gleichstromversorgung U_B in Verbindung, über die die Kondensatorbatterie C₁ nachgeladen wird. Die Aufladung des Aktuators C_P erfolgt durch Schließen eines Schalters S₁ über einen ohmschen Widerstand R₁. Zum Entladen wird der Schalter S₁ geöffnet und ein zweiter Schalter S₂ ge­ schlossen, der den Aktuator C_P dann über einen zweiten ohm­ schen Widerstand R₂ kurzschließt. Durch die Wahl der Wider­ stände R₁ und R₂ ist der Lade- und damit auch der Deh­ nungsverlauf des Aktuators C_P frei wählbar. Die erstmalige Aufladung des Aktuators C_P erfolgt also direkt aus der Kon­ densatorbatterie C₁. Wird der Aktuator C_P entladen, wird die gesamte Energie in Widerstand R₂ in Wärme umgewandelt und ist somit verloren.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einer Gleichspannungsquelle U_B, die über eine Dioden Dv mit der Kondensatorbatterie C₁ in Verbindung steht, die in ihrer Ka­ pazität viel größer ist als die Lastkapazität des Aktuators C_P. Der Aktuator C_P kann durch Schließen eines Ladeschalters S_L und eine Induktivität L₁ über die Diode D_E aufgeladen wer­ den.

Nach dem Ladevorgang wird der Ladeschalter S_L geöffnet, wie dargestellt, und ein Entladeschalter S_E geschlossen, so daß die Entladung über die Induktivität L₁ und eine auf die Kon­ densatorbatterie C₁ aufgeschaltete Diode D_L erfolgen kann. Dadurch kann die Ladung des Aktuators C_P für die Kondensator­ batterie C₁ zu einem großen Teil zurückgewonnen werden.

Die durch den Innenwiderstand des Aktuators C_P nach der Ent­ ladung noch verbleibende Restladung wird durch kurzfristiges Schließen eines Restentladeschalters SR in der Induktivi­ tät L₁ gespeichert und nach dem Öffnen des Restentladeschal­ ters S_R von dort in die Kondensatorbatterie C₁ zurückgespei­ chert. Das hat den Vorteil, daß aus der Spannungsquelle U_B nur noch die geringen Verlustenergien auf die Kondensatorbat­ terie C₁ nachgeladen werden müssen. Die Gleichspannungsquel­ le U_B und die Kondensatorbatterie C₁ sind zweckmäßigerweise zu einer geregelten Spannungsquelle zusammengefaßt, wobei diese Spannungsquelle hinsichtlich der Regelungsbildung so ausgelegt ist, daß die jeweils gewünschte Spannung am Aktua­ tor C_P auf einen jeweils wünschbaren Wert geregelt werden kann.

Der vorbeschriebene Lade- und Entladevorgang wird nachstehend in seiner Zeitabhängigkeit anhand der Diagramme von Fig. 3 näher erläutert.

Hierbei zeigt das Diagramm a) schematisch die Abfolge und die Länge der Steuerimpulse. Das Diagramm b) zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Spannung U_C an der Kondensatorbat­ terie C₁ und das Diagramm c) schematisch den Verlauf der Lastspannung U_P. Das Diagramm e) zeigt den Verlauf des Last­ stromes.

Anhand dieser Diagramme wird ein Lade- und Entladevorgang er­ läutert. Vor Beginn der Lastansteuerung, d. h. vor dem Zeit­ punkt T₀ wird die Kondensatorbatterie C₁ über die Diode D_V auf die Spannung U_B aufgeladen. Zum Zeitpunkt T₀ wird der Lade­ schalter S_L geschlossen. Die Drossel L₁ bildet über die Frei­ laufdiode D_E mit der Lastkapazität C_P des Aktuators einen Reihenschwingkreis. Die Ladung wird auf die Lastkapazität C_P aufgebracht. Die Spannung an der Kondensatorbatterie C₁ fällt ab und die Spannung an der Last C_P steigt entsprechend an. Der Stromverlauf ist sinusförmig. Nach der Zeit t₁ ist der Ladevorgang abgeschlossen. Bleibt der Ladeschalter über diese Zeit hinaus bis zum Zeitpunkt T₂ geschlossen, so hat dies keine Auswirkung auf die Spannung an der Last, da die Diode D_E eine Umkehr der Stromrichtung verhindert.

Der Ladeschalter S_L kann nach Abschluß des Ladevorgangs je­ doch vor dem Öffnen des Entladeschalters S_E jederzeit geöff­ net werden, der Öffnungszeitpunkt T₂ ist hierbei unkritisch. Soll die Last zum Zeitpunkt T₃ entladen werden, wird der Ent­ ladeschalter S_E geschlossen. Die Ladung fließt über die Dros­ sel L₁ und die Freilaufdiode D_L in die Kondensatorbatterie C₁ zurück. Der Stromverlauf ist in diesem Reihenschwingkreis wiederum sinusförmig. In der Zeit t₄ ist die Spannung an der Last C_P auf die Restspannung UR abgesunken. Eine darüber hin­ ausgehende Ansteuerung des Entladeschalters S_E bringt keine Spannungsverringerung an der Lastkapazität. Die Energierück­ speisung ist am Spannungsanstieg an der Kondensatorbatterie C₁ zu erkennen.

Zum Zeitpunkt T₅ wird zusätzlich zum Entladeschalter S_E der Restentladeschalter S_R geschlossen. Die Drossel L₁ bildet nun mit der Lastkapazität C_P einen neuen Reihenschwingkreis. Die in der Last C_P gespeicherte Restenergie wird so in die Dros­ sel L₁ eingespeichert. Die Spannung an der Last C_P ist zum Zeitpunkt T₆ auf 0 abgeklungen. Der Entladevorgang der Last C_P ist damit abgeschlossen. Der Strom in der Drossel L₁ ist damit maximal. In diesem Augenblick muß der Restentladeschal­ ter SR geöffnet werden. Bleibt der Restentladeschalter S_R weiter geschlossen, wird die Freilaufdiode D_P leitend. Die Lastspannung wird auf die Durchlaßspannung der Freilaufdi­ ode D_P geklemmt. Damit kommt es zu Verlusten am Bahnwider­ stand der Diode D_P und an den ohmschen Widerständen des Schwingkreises. Der Entladeschalter S_E muß also möglichst sofort nach Entladung der Lastkapazität C_P geöffnet werden.

Der Stromfluß durch die Drossel L₁ wird nach Öffnen des Restentladeschalters S_R zum Zeitpunkt T₆ über die Freilaufdi­ oden D_L und D_P und dem Entladeschalter S_E auf die Kondensator­ batterie C₁ aufrechterhalten. Die zuvor in der Last C_P ge­ speicherte Restenergie wird so an die Kondensatorbatterie C₁ abgegeben. Die Spannung an der Kondensatorbatterie C₁ steigt erneut. Während der Zeit t₇ ist die Drossel L₁ energielos. Der Rückspeisevorgang und damit der gesamte Schaltzyklus ist abgeschlossen. Der Öffnungszeitpunkt T₈ des Entladeschalters S_E ist unkritisch. Die Kondensatorbatterie C₁ wird aus der Quelle auf die Spannung U_B nachgeladen.

Die Dioden D_L und D_E können dann entfallen, wenn die Ansteue­ rung der Schalter S_L und S_E so ausgelegt ist, daß diese zum richtigen Zeitpunkt betätigt werden. Die hier vorgeschlagene Lösung mit den Dioden D_L und D_E hat den großen Vorteil, daß diese praktisch selbständig den "richtigen" Schaltzeitpunkt "wählen" und somit eine zeitgenaue Ansteuerung des Entlade­ schalters S_E beim Laden und des Ladeschalters S_L beim Entla­ den entfallen kann.

Claims (3)

1. Verfahren zur verlustarmen periodischen Ansteuerung einer kapazitiven Last C_P, insbesondere eines piezoelektrischen Ak­ tuators, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Lastan­ steuerung über eine Spannungsquelle U_B eine Kondensatorbatte­ rie C₁ auf die Betriebsspannung der Last C_P aufgeladen wird, daß aus der Kondensatorbatterie C₁ über einen aus einer Dros­ sel L₁ einer Freilaufdiode D_E und der Last C_P gebildeten Rei­ henschwingkreis die Last C_P geladen wird, daß bei Lastanfor­ derung über einen Lastschalter S_E die Last C_P mit der Dros­ sel L₁ verbunden wird, die über eine Freilaufdiode D_L mit der Kondensatorbatterie C₁ verbunden ist, so daß die Last C_P bis auf eine Restspannung U_R entladen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnung der Restladung aus der Last C_P die Drossel L₁ kurzfristig gegen Masse geschaltet wird, so daß die Restla­ dung auf die Last C_P abfließen kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Kondensatorbatterie C₁ sehr viel größer ausgelegt wird als die Kapazität der Last C_P.