DE60023838T2

DE60023838T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Steuerparametern in einem Steuersystem

Info

Publication number: DE60023838T2
Application number: DE60023838T
Authority: DE
Inventors: Johannes-Joerg Rueger; Martin Thomas; Josef Newald; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-04-01
Filing date: 2000-04-01
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-04-02
Also published as: JP2001355508A; US6718250B2; DE60023838D1; KR20010095195A; EP1138918A1; EP1138918B1; US20010037172A1; KR100867480B1

Description

Steuersysteme umfassen im allgemeinen eine Steuereinheit, die in der Regel, aber nicht notwendigerweise, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), mindestens ein gesteuertes Element und Nutzungsmittel umfaßt, die CPU-Signale falls und wie erforderlich transformieren und sie an das gesteuerte Element anlegen. Dazu müssen die CPU und die Nutzungsmittel durch Kommunikationsmittel wie etwa ein Bussystem miteinander verbunden sein. Außerdem müssen möglicherweise externe Daten auf entsprechende Weise an die CPU und/oder die Nutzungsmittel übertragen werden.
Als Beispiel können piezoelektrische Elemente als Aktuatoren in Kraftstoffeinspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common-Rail-Injektoren) eines Verbrennungsmotors verwendet werden. Bei diesem Beispiel wird die Kraftstoffeinspritzung über das Anlegen von Spannungen an piezoelektrische Aktuatoren gespeichert, die sich als Funktion der angelegten Spannung ausdehnen oder zusammenziehen. Als Ergebnis davon wird eine Injektornadel, die mit Hilfe eines Übertragungssystems mit den piezoelektrischen Aktuatoren verbunden wird, nach oben und unten bewegt, und dadurch wird eine Einspritzdüse geöffnet und geschlossen. Die Bewegung der Injektornadel wird jedoch hauptsächlich durch verändernde Raildrücke beeinflußt, denen das Übertragungssystem und die Nadel ausgesetzt sind. Um dennoch die Bewegung der Injektornadel mit hoher Präzision beziehungsweise die entsprechende eingespritzte Kraftstoffmenge mit hoher Präzision zu steuern, müssen diese Einflüsse berücksichtigt werden. Deshalb werden die erscheinenden Raildrücke mit Meßmitteln gemessen, und die an die piezoelektrischen Aktuatoren angelegten Spannungen werden auch entsprechenderweise modifiziert. Dadurch wird ein Rückkopplungssystem implementiert, bei dem Raildrücke durch Meßmittel gemessen werden, die Meßwerte werden an die Steuereinheit gemeldet, entsprechende Spannungen für die piezoelektrischen Aktuatoren werden innerhalb der Steuereinheit berechnet und von der Steuereinheit an eine Nutzungseinheit weitergegeben, beispielsweise einen Aktivierungs-IC, von dem aus sie an die piezoelektrischen Aktuatoren angelegt werden. Der Einsatz von piezoelektrischen Elementen als Aktuatoren stellt sich als vorteilhaft beispielsweise bei Kraftstoffeinspritzdüsen für Verbrennungsmotoren heraus. Bezug wird beispielsweise auf EP 0 371 469 B1 und auf EP 0 379 182 B1 hinsichtlich der Verwendbarkeit von piezoelektrischen Elementen in Kraftstoffeinspritzdüsen genommen.
Aus EP 0 494 467 A2 ist ein elektronisches Steuermodul bekannt für die Verwendung beim Steuern eines Fahrzeugs, das einen ersten Prozessor, der ausgelegt ist zum Berechnen der Kraftstoffanforderungen des Motors und der Zündverstellung, und einen zweiten Prozessor zum Auslösen des Funkens umfaßt. Der zweite Prozessor ist dafür ausgelegt, den Motor beim Ausfall des ersten Prozessors in einer Reservebetriebsart durch die Verwendung von Nachschlagetabellen für eine Kraftstoffimpulsbreite und die Zündverstellung zu betreiben.
Piezoelektrische Elemente sind kapazitive Elemente, die, wie bereits oben teilweise angedeutet, sich gemäß dem jeweiligen Ladungszustand oder Spannung, der/die darin auftritt oder daran angelegt wird, zusammenziehen und ausdehnen. Bei dem Beispiel einer Kraftstoffeinspritzdüse werden über das Ausdehnen und Zusammenziehen der piezoelektrischen Elemente Ventile gesteuert, die den geradlinigen Hub von Einspritznadeln steuern. Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen mit doppeltwirkenden Doppelsitzventilen zum Steuern entsprechender Einspritznadeln in einem Kraftstoffeinspritzsystem ist in den deutschen Patentanmeldungen DE 197 42 073 A1 und DE 197 29 844 A1 gezeigt, die in ihrer Gänze durch Bezugnahme hier aufgenommen sind.
Kraftstoffeinspritzsysteme, die piezoelektrische Aktuatoren verwenden, sind durch die Tatsache gekennzeichnet, daß zu einer ersten Annäherung piezoelektrische Aktuatoren eine proportionale Beziehung zwischen angelegter Spannung und der linearen Ausdehnung aufweisen. Bei einer Kraftstoffeinspritzdüse beispielsweise, die als ein doppeltwirkendes Doppelsitzventil implementiert ist, um den linearen Hub einer Nadel für die Kraftstoffeinspritzung in einen Zylinder eines Verbrennungsmotors zu steuern, ist die in einen entsprechenden Zylinder eingespritzte Kraftstoffmenge eine Funktion der Zeit, während der das Ventil offen ist, und bei Verwendung eines piezoelektrischen Elements der an das piezoelektrische Element angelegten Aktivierungsspannung.
6 ist eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems, das ein piezoelektrisches Element 2010 als Aktuator verwendet. Unter Bezugnahme auf 6 wird das piezoelektrische Element 2010 bestromt, damit es sich als Reaktion auf eine gegebene Aktivierungsspannung ausdehnt und zusammenzieht. Das piezoelektrische Element 2010 ist an einen Kolben 2015 gekoppelt. Im ausgedehnten Zustand bewirkt das piezoelektrische Element 2010, daß der Kolben 2015 in einen Hydraulikadapter 2020 vorsteht, der ein Hydraulikfluid, beispielsweise Kraftstoff, enthält. Infolge der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements wird das doppeltwirkende Steuerventil 2025 vom Hydraulikadapter 2020 hydraulisch weggedrückt, und der Ventilstopfen 2035 wird aus einer ersten geschlossenen Position 2040 weggefahren. Die Kombination aus doppeltwirkendem Steuerventil 2025 und Hohlbohrung 2050 wird oftmals deshalb als ein doppeltwirkendes Doppelsitzventil bezeichnet, weil das doppeltwirkende Steuerventil 2025 in seiner ersten geschlossenen Position 2040 ruht, wenn sich das piezoelektrische Element 2010 in einem nichtangeregten Zustand befindet. Wenn das piezoelektrische Element 2010 andererseits vollständig ausgedehnt ist, ruht es in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. Letztere Position des Ventilstopfens 2035 ist mit Umrißlinien in 6 schematisch dargestellt.
Das Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt eine Einspritznadel 2070, die das Einspritzen von Kraftstoff aus einer unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung 2060 in den nicht gezeigten Zylinder gestattet. Wenn das piezoelektrische Element 2010 nicht angeregt ist oder wenn es vollständig ausgedehnt ist, ruht das doppeltwirkende Steuerventil 2025 jeweils in seiner ersten geschlossenen Position 2040 oder in seiner zweiten geschlossenen Position 2030. In jedem Fall hält der Hydraulik-Rail-Druck die Einspritznadel 2070 in einer geschlossenen Position. Somit tritt die Kraftstoffmischung nicht in den nicht gezeigten Zylinder ein. Wenn umgekehrt das piezoelektrische Element 2010 derart angeregt ist, daß sich das doppeltwirkende Steuerventil 2025 in der sogenannten Mittelposition bezüglich der Hohlbohrung 2050 befindet, dann kommt es zu einem Druckabfall in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung 2060. Dieser Druckabfall führt zu einem Druckdifferential in der unter Druck stehenden Kraftstoffzufuhrleitung 2060 zwischen der Oberseite und der Unterseite der Einspritznadel 2070, so daß die Einspritznadel 2070 angehoben wird und das Einspritzen von Kraftstoff in den nicht gezeigten Zylinder gestattet.
Bei dem betrachteten Beispiel sowie bei anderen Steuersystemen besteht ein Bedarf für eine schnelle Kommunikation zwischen den individuellen Komponenten des Steuersystems, insbesondere zwischen der Steuereinheit und der Nutzungseinheit, um eine Rückkopplung durchzuführen, die Echtzeit so nahe wie möglich ist. Es gibt jedoch eine Verzögerung gemäß der Übertragungsgeschwindigkeit des Kommunikationsmittels sowie der Datenmenge, die übertragen werden muß. Selbst bei Steuersystemen, die keine Echtzeitleistung erfordern, können relevante Verzögerungen aus den gleichen Gründen auftreten. Zudem wird aus mehreren Gründen, wie etwa Kosteneinsparungen oder aufgrund von Beschränkungen bei Eigenschaften von innerhalb eines Steuersystems verwendeten Standardkomponenten, oftmals gefordert, anstelle der schnellsten Kommunikationsmittel, die zur Verfügung stehen, relativ langsame Kommunikationsmittel zu verwenden. Bei der Bereitstellung von Steuerparametern für oder innerhalb eines Steuersystems müssen deshalb Verzögerungen gemäß dem Stand der Technik berücksichtigt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung zum Bereitstellen von Steuerparametern für oder innerhalb eines Steuersystems.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Aufgabe von Verfahrensanspruch 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch die Aufgabe des Vorrichtungsanspruchs 9 gelöst.
Wie in den Ansprüchen 1 und 9 festgestellt, besteht der allgemeine Ansatz der Erfindung darin, mehrere Steuerparameter im voraus bereitzustellen und dann weiterhin Wahlparameter innerhalb eines Steuersystems bereitzustellen. Somit wird die Menge an Steuerdaten erhöht, die zwischen den individuellen Komponenten des Steuersystems übertragen werden. In Erinnerung darin, daß eine Aufgabe der Erfindung darin besteht, auf Übertragungsverzögerungen zurückzuführende Nachteile zu vermeiden, würde man erwarten, daß es deshalb erforderlich ist, die Menge an übertragenen Steuerdaten auf ein Minimum zu reduzieren. Der Ansatz der Erfindung, nämlich die Menge übertragener Steuerdaten zu erhöhen anstatt zu reduzieren, ist somit genau das Gegenteil dessen, was man für einen gültigen Ansatz halten würde. Jenseits dieses Hintergrunds besteht der überraschende Effekt der Erfindung darin, daß die Leistung des Steuersystems mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ansatzes verbessert wird.
Bevorzugt umfaßt das Steuersystem eine Steuereinheit und einen Aktivierungs-IC. Die Steuerparameter werden innerhalb des Steuersystems von der Steuereinheit zu Speicherungsmitteln innerhalb des Aktivierungs-IC übertragen. Außerdem werden die Wahlparameter innerhalb des Steuersystems von der Steuereinheit zu einer Logikschaltung innerhalb des Aktivierungs-IC übertragen (Anspruch 2). Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren könnten nunmehr die Speicherungsmittel und Wahlmittel unabhängig voneinander implementiert werden. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden jedoch erhöht, indem Speicherungsmittel und eine Logikschaltung verwendet werden, die beide innerhalb eines einzelnen IC implementiert werden.
Die Steuerparameter werden mit Hilfe eines seriellen Busses übertragen.
Prinzipiell würde man erwarten, daß eine Reduzierung der Übertragungszeiten für Steuerdaten den bevorzugten Einsatz von Hochgeschwindigkeitsübertragungsmitteln wie etwa parallelen Bussystemen erfordern würde. Gemäß der Erfindung besteht jedoch keine Notwendigkeit zur Übertragung der Steuerparameter über solche schnellen Übertragungsmittel. Die Verwendung eines seriellen Bussystems reicht somit aus und ist vorteilhaft, da dadurch die Kosten des Steuersystems reduziert werden können.
Die Wahlparameter werden mit Hilfe eines parallelen Busses übertragen.
Systemparameter werden von Meßmitteln gemessen, und Steuerparameter werden gemäß gemessener Systemparameter über Bestimmungsmittel innerhalb einer Steuereinheit bestimmt.
Dies gestattet die Berücksichtigung eines aktuellen Zustands des Steuersystems innerhalb der Steuerparameter.
Bevorzugt werden Systemparameter durch Meßmittel gemessen, und Wahlparameter werden gemäß gemessenen Systemparametern durch Bestimmungsmittel innerhalb einer Steuereinheit bestimmt.
Dies gestattet die Ausführung eines Rückkopplungssystems.
Bei einer bevorzugten Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zuerst mehrere Steuerparameter von einer Steuereinheit über ein serielles Bussystem zu Speicherungsmitteln innerhalb eines Aktivierungs-IC übertragen und in den Speicherungsmitteln gespeichert. Zweitens werden Systemparameter durch Meßmittel gemessen. Drittens werden Wahlparameter gemäß gemessenen Systemparametern durch Bestimmungsmittel innerhalb der Steuereinheit bestimmt. Viertens werden Wahlparameter über ein paralleles Bussystem von der Steuereinheit zu Logikmitteln innerhalb des Aktivierungs-IC übertragen. Und fünftens werden Wahlparameter für die Auswahl von einem oder mehreren bestimmten der gespeicherten Steuerparameter durch die Logikmittel innerhalb des Aktivierungs-IC verwendet.
Dies führt zu einer besonders vorteilhaften Kombination der verschiedenen zuvor erwähnten Modifikationen an dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Bevorzugt umfassen die mehreren Steuerparameter einen oder mehrere Basisparameter, die allgemeinen und/oder gemessenen Systemparametern entsprechen. Die mehreren Steuerparameter umfassen einen oder mehrere Offsetparameter, die allgemeinen und/oder gemessenen Systemparametern entsprechen. Die Wahlparameter bewirken, daß Logikmittel entweder nur Basisparameter wählen oder Basisparameter und Offsetparameter wählen. Und im Fall einer Auswahl von Basisparametern und Offsetparametern bewirken die Wahlparameter weiterhin, daß die Logikmittel die Offsetparameter durch Additionsmittel innerhalb des Aktivierungs-IC zu den Offsetparametern addieren.
Dies gestattet, die gleichen Korrekturen aufgrund von einem (oder mehreren) Systemparametern auf mehrere verschiedene Elemente innerhalb des Steuersystems anzuwenden, die verschiedene Steuerparameter erfordern, und zwar mit Hilfe des Addierens von korrigierenden Offsets zu den verschiedenen Basissteuerparametern, wie erforderlich.
Vorteilhafterweise entsprechen die gewählten und/oder addierten Steuerparameter Werten von Zielspannungen. Außerdem werden die gewählten und/oder addierten Steuerparameter mit Hilfe von Digital-Analog-Wandlern in ihre entsprechenden Spannungen umgewandelt. Außerdem werden die erhaltenen Spannungen durch Transportmittel zu Elementen innerhalb des gesteuerten Systems transportiert.
Innerhalb eines entsprechend gesteuerten Systems können die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders ausgeschöpft werden.
Bevorzugt sind die spannungsempfangenden Elemente innerhalb des gesteuerten Systems piezoelektrischer Elemente, und die angelegten Spannungen entsprechen einer beliebigen gewünschten Verlängerung der piezoelektrischen Elemente. Der Vorteil besteht darin, daß die Spannung sehr gut auf den tatsächlichen Arbeitspunkt eingestellt ist.
Innerhalb einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gibt es erste Übertragungsmittel zwischen der Steuereinheit und dem Aktivierungs-IC, implementiert als ein serielles Bussystem, und zweite Übertragungsmittel zwischen der Steuereinheit und dem Aktivierungs-IC, als paralleles Bussystem implementiert.
Dies führt zu einem preiswerten und schnellen Steuersystem bei Nutzung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Die Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren eingehender erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung, bei der die vorliegende Erfindung implementiert wird bzw. die für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann;
2a eine Darstellung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer ersten Ladephase (Ladeschalter 220 geschlossen) in der Schaltung von 1 auftreten;
2b eine Darstellung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer zweiten Ladephase (Ladeschalter 220 wieder offen) in der Schaltung von 1 auftreten;
2c eine Darstellung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer ersten Entladephase (Entladeschalter 230 geschlossen) in der Schaltung von 1 auftreten;
2d eine Darstellung zur Erläuterung der Bedingungen, die während einer zweiten Entladephase (Entladeschalter 230 wieder offen) in der Schaltung von 1 auftreten; und
3 ein Blockschaltbild von Komponenten des Aktivierungs-IC E, der ebenfalls in 1 gezeigt ist,
4 eine Darstellung von Offsets für Steuerparameter entsprechend einer Basiszielspannung, die erforderlich sind, um Raildruckänderungen entsprechend der Erfindung anzupassen;
5 eine Darstellung dessen, wie Basissteuerparameter und Offsetsteuerparameter bestimmt werden können; und
6 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems, das ein piezoelektrisches Element als Aktuator verwendet.
Die folgende Beschreibung führt zuerst die individuellen Elemente in 1 ein. Dann werden die Prozeduren des Ladens und Entladens piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 im allgemeinen beschrieben, wobei zusätzlich auf die 2a bis 2d Bezug genommen wird. Drittens wird die Art und Weise unter Bezugnahme auf die 1 und 3 ausführlicher erläutert, wie beide Prozeduren mit Hilfe der Steuereinheit D und des Aktivierungs-IC E gesteuert werden. Viertens wird darauf hingewiesen, wie das beispielhafte Steuersystem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren im allgemeinen angesteuert wird, und zwar unter Bezugnahme auf die 1, 3 und 4.
1 hat einen detaillierten Bereich A und einen nicht-detaillierten Bereich B, deren Trennung durch eine gestrichelte Linie c angegeben ist. Der detaillierte Bereich A umfaßt eine Schaltung zum Laden und Entladen von piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60. In dem betrachteten Beispiel sind diese piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 Aktuatoren in Kraftstoffeinspritzdüsen (insbesondere in sogenannten Common-Rail-Injektoren) eines Verbrennungsmotors. Piezoelektrische Elemente können für solche Zwecke verwendet werden, da sie bekannterweise die Eigenschaft besitzen, sich als Funktion einer daran angelegten oder darin auftretenden Spannung zusammenzuziehen oder auszudehnen. Der nicht-detaillierte Bereich B umfaßt eine Steuereinheit D und eine Aktivierungs-IC E, über die beide die Elemente innerhalb des detaillierten Bereichs A gesteuert werden, sowie Meßkomponenten F zum Messen von auftretenden Raildrücken.
Wie oben erwähnt umfaßt die Schaltung innerhalb des detaillierten Bereichs A sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Es werden sechs piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 in der beschriebenen Ausführungsform verwendet, um sechs Zylinder innerhalb eines Verbrennungsmotors unabhängig zu steuern; somit könnte einem anderen Zweck jede beliebige andere Anzahl von piezoelektrischen Elementen entsprechen.
Die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 sind in eine erste Gruppe G1 und eine zweite Gruppe G2 aufgeteilt, die jeweils drei piezoelektrische Elemente umfassen (das heißt piezoelektrische Elemente 10, 20 und 30 in der ersten Gruppe G1 bzw. 40, 50 und 60 in der zweiten Gruppe G2). Die Gruppen G1 und G2 sind Bestandteile von Schaltungsteilen, die parallel zueinander geschaltet sind. Gruppenwahlschalter 310, 320 können dafür verwendet werden festzulegen, welche der Gruppen G1, G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 in jedem Fall durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung entladen werden (jedoch sind die Gruppenwahlschalter 310, 320 für die Ladeabläufe ohne Bedeutung, wie unten ausführlicher erläutert wird).
Die Gruppenwahlschalter 310, 320 sind zwischen einer Spule 240 und den jeweiligen Gruppen G1 und G2 (den Anschlüssen auf der Spulenseite davon) angeordnet und als Transistoren implementiert. Seitentreiber 311, 321 sind implementiert, die von dem Aktivierungs-IC E erhaltene Steuersignale in Spannungen transformieren, die je nach Bedarf zum Schließen und Öffnen der Schalter gewählt werden können.
Dioden 315 bzw. 325 (als Gruppenwahldioden bezeichnet) sind parallel zu den Gruppenwahlschaltern 310, 320 vorgesehen. Wenn die Gruppenwahlschalter 310, 320 beispielsweise als MOSFETs oder IGBTs implementiert sind, können diese Gruppenwahldioden 315 und 325 durch die parasitären Dioden selbst gebildet werden. Die Dioden 315, 325 umgehen die Gruppenwahlschalter 310, 320 während der Ladeabläufe. Somit wird die Funktionalität der Gruppenwahlschalter 310, 320 darauf reduziert, eine Gruppe G1, G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 nur für einen Entladeablauf auszuwählen.
Innerhalb jeder Gruppe G1 bzw. G2 sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 als Bestandteile von Piezoverzweigungen 110, 120 und 130 (Gruppe G1) und 140, 150 und 160 (Gruppe G2) angeordnet, die parallel geschaltet sind. Jede Piezoverzweigung umfaßt eine Reihenschaltung, die aus einer ersten Parallelschaltung besteht, die ein piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 und einen Widerstand 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 (als Verzweigungswiderstände bezeichnet) umfaßt, und einer zweiten Parallelschaltung, die aus einem Wahlschalter besteht, der als ein Transistor 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 (als Verzweigungswahlschalter bezeichnet) und einer Diode 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 (als Verzweigungsdioden bezeichnet) besteht.
Die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 bewirken, daß jedes entsprechende piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 sich während und nach einem Ladeablauf ständig entlädt, da sie beide Anschlüsse jedes kapazitiven piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 bzw. 60 miteinander verbinden. Die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 bzw. 63 sind jedoch ausreichend groß, damit dieser Ablauf im Vergleich zu den gesteuerten Lade- und Entladeabläufen langsam wird, wie unten beschrieben. Es ist somit weiterhin eine angemessene Prämisse, das Laden eines beliebigen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 so zu betrachten, daß es sich innerhalb einer relevanten Zeit nach einem Ladeablauf nicht ändert (der Grund, um dennoch die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 zu implementieren, besteht darin, Restladungen auf den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 im Fall eines Zusammenbruchs des Systems oder anderer Ausnahmesituationen zu vermeiden). Somit können die Verzweigungswiderstände 13, 23, 33, 43, 53 und 63 in der folgenden Beschreibung vernachlässigt werden.
Die Verzweigungswahlschalter/Verzweigungsdioden-Paare in den individuellen Piezoverzweigungen 110, 120, 130, 140, 150 bzw. 160, das heißt Wahlschalter 11 und Diode 12 in der Piezoverzweigung 110, Wahlschalter 21 und Diode 22 in der Piezoverzweigung 120 usw. können unter Verwendung von elektronischen Schaltern (d.h. Transistoren) mit parasitären Dioden, beispielsweise MOSFETs und IGBTs implementiert werden (wie oben für die Gruppenwahlschalter-/-dioden-Paare 310 und 315 bzw. 320 und 325 angegeben).
Mit den Verzweigungswahlschaltern 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 kann festgelegt werden, welches der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 in jedem Fall durch eine gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung geladen wird: in jedem Fall sind die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, die geladen werden, all jene, deren Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 während des Ladungsablaufs geschlossen sind, der unten beschrieben ist.
Die Verzweigungsdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 dienen dazu, die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 während Entladeabläufen zu umgehen. Bei dem für Ladeabläufe betrachteten Beispiel kann somit jedes individuelle piezoelektrische Element gewählt werden, wohingegen für Entladeabläufe entweder die erste Gruppe G1 oder die zweite Gruppe G2 von piezoelektrischen Elementen 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 oder beide ausgewählt werden müssen.
Zu den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 selbst zurückkehrend, können die Verzweigungswahlpiezoanschlüsse 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 entweder über die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 bzw. 61 oder durch die entsprechenden Dioden 12, 22, 32, 42, 52 bzw. 62 und in beiden Fällen zusätzlich durch den Widerstand 300 mit Masse verbunden sein.
Der Zweck des Widerstands 300 besteht darin, die Ströme zu messen, die während des Ladens und Entladens der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zwischen den Verzweigungswahlpiezoanschlüssen 15, 25, 35, 45, 55 bzw. 65 und Masse fließen. Eine Kenntnis dieser Ströme gestattet ein gesteuertes Laden und Entladen der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60. Insbesondere ist es möglich, indem der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 auf eine Weise geschlossen und geöffnet werden, die von der Größe der Ströme abhängt, den Ladestrom und den Entladestrom auf vordefinierte Mittelwerte zu setzen und/oder zu verhindern, daß sie über einen vordefinierten Höchstwert ansteigen und/oder unter einen vordefinierten Mindestwert abfallen, wie unten ausführlicher erläutert wird.
Bei dem betrachteten Beispiel erfordert die Messung selbst weiterhin eine Spannungsquelle 621, die beispielsweise eine Spannung von 5 V Gleichstrom bereitstellt, und einen als zwei Widerstände 622 und 623 implementierten Spannungsteiler. Damit soll der Aktivierungs-IC E (über den die Messungen durchgeführt werden) vor negativen Spannungen geschützt werden, die ansonsten am Meßpunkt 620 auftreten könnten und die mit Hilfe des Aktivierungs-IC E nicht gehandhabt werden können: solche negativen Spannungen werden in positive Spannungen geändert, und zwar mit Hilfe der Addition mit einem positiven Spannungs-Setup, der von der Spannungsquelle 621 und den Spannungsteilerwiderständen 622 und 623 geliefert wird.
Der andere Anschluß jedes piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 und 60, das heißt der Gruppenwahlpiezoanschluß 14, 24, 34, 44, 54 bzw. 64, kann an den Pluspol einer Spannungsquelle über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Gruppenwahldiode 315 bzw. 325 sowie über eine Spule 240 und eine Parallelschaltung, die aus einem Ladeschalter 220 und einer Ladediode 221 besteht, angeschlossen sein und alternativ oder zusätzlich mit Masse über den Gruppenwahlschalter 310 bzw. 320 oder über die Diode 315 bzw. 325 sowie über die Spule 240 und eine Parallelschaltung, die aus einem Entladeschalter 230 oder einer Entladediode 231 besteht, verbunden sein. Der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 sind als Transistoren implementiert, die über Seitentreiber 222 bzw. 232 gesteuert werden.
Die Spannungsquelle umfaßt ein Element mit kapazitiven Eigenschaften, das bei dem betrachteten Beispiel der (Puffer-)Kondensator 210 ist. Der Kondensator 210 wird von einer Batterie 200 (beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie) und einem Gleichspannungswandler 201 dahinter geladen. Der Gleichspannungswandler 201 wandelt die Batteriespannung (beispielsweise 12 V) im wesentlichen in jede andere Gleichspannung (beispielsweise 250 V) um und lädt den Kondensator 210 auf diese Spannung. Der Gleichspannungswandler 201 wird mit Hilfe des Transistorschalters 202 und des Widerstands 203 gesteuert, der für Strommessungen verwendet wird, die an einem Meßpunkt 630 vorgenommen werden.
Zu Zwecken der Gegenprobe wird eine weitere Strommessung an einem Meßpunkt 650 durch den Aktivierungs-IC E sowie durch Widerstände 651, 652 und 653 und eine Quelle 654 mit einer Spannung von beispielsweise 5 V Gleichstrom gestattet; außerdem wird eine Spannungsmessung an einem Meßpunkt 640 durch Aktivierungs-IC E sowie durch spannungsteilende Widerstände 641 und 642 gestattet.
Ein Widerstand 330 (der als Gesamtentladewiderstand bezeichnet wird), ein als ein Transistor 331 implementierter Stoppschalter (als Stoppschalter bezeichnet) und eine (als Gesamtentladediode bezeichnete) Diode 332 dienen schließlich dazu, die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zu entladen (falls sie nicht bereits durch den „normalen" Entladevorgang entladen worden sind, wie unten näher beschrieben). Der Stoppschalter 331 wird bevorzugt nach „normalen" Entladeabläufen geschlossen (zyklisches Entladen über Entladeschalter 230). Er verbindet dadurch die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 über Widerstände 330 und 300 mit Masse und beseitigt somit etwaige Restladungen, die in den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zurückbleiben könnten. Die Gesamtentladediode 332 verhindert, daß an den piezoelektrischen Elementen 10, 20, 30, 40, 50 und 60 negative Spannungen auftreten, die unter einigen Umständen dadurch beschädigt werden könnten.
Das Laden und Entladen aller piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 oder irgendeines bestimmten wird über eine einzelne Lade- und Entladevorrichtung bewerkstelligt (die allen Gruppen und ihren piezoelektrischen Elementen gemein ist). Bei dem betrachteten Beispiel umfaßt die gemeinsame Lade- und Entladevorrichtung eine Batterie 200, einen Gleichspannungswandler 201, einen Kondensator 210, einen Ladeschalter 220 und einen Entladeschalter 230, eine Ladediode 221 und eine Entladediode 231 und eine Spule 240.
Das Laden und Entladen jedes piezoelektrischen Elements funktioniert auf die gleiche Weise und wird nachfolgend unter Bezugnahme lediglich auf das erste piezoelektrische Element 10 erläutert.
Die während der Lade- und Entladeabläufe auftretenden Zustände werden unter Bezugnahme auf 2a bis 2d erläutert, von denen 2a und 2b das Laden des piezoelektrischen Elements 10 und 2c und 2d das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 darstellen.
Die Wahl eines oder mehrerer jeweiliger piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, die geladen oder entladen werden sollen, der Ladeablauf wie nachfolgend beschrieben sowie der Entladeablauf werden von den Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D mit Hilfe des Öffnens oder Schließens von einem oder mehreren der oben eingeführten Schalter 11, 21, 31, 41, 51, 61; 310, 320; 220, 230 und 331 angetrieben. Die Wechselwirkungen zwischen den Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A einerseits und dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D andererseits werden unten ausführlich beschrieben.
Hinsichtlich des Ladeablaufs muß zuerst ein beliebiges jeweiliges piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 gewählt werden, das geladen werden soll. Um ausschließlich das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Verzweigungswahlschalter 11 der ersten Verzweigung 110 geschlossen, wohingegen alle anderen Verzweigungswahlschalter 21, 31, 41, 51 und 61 geöffnet bleiben. Um ausschließlich irgendein anderes piezoelektrisches Element 20, 30, 40, 50, 60 oder um mehrere einzelne zur gleichen Zeit zu laden, würden sie gewählt werden, indem die entsprechenden Verzweigungswahlschalter 21, 31, 41, 51 und/oder 61 geschlossen werden.
Dann kann der eigentliche Ladeablauf stattfinden:
Innerhalb des betrachteten Beispiels erfordert der Ladeablauf im allgemeinen eine positive Potentialdifferenz zwischen Kondensator 210 und dem Gruppenwahlpiezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10. Solange jedoch der Ladeschalter 220 und der Entladeschalter 230 offen sind, kommt es zu keinem Laden oder Entladen des piezoelektrischen Elements 10: In diesem Zustand befindet sich die in 1 gezeigte Schaltung in einem eingeschwungenen Zustand, das heißt, das piezoelektrische Element 10 behält seinen Ladungszustand auf im wesentlichen unveränderte Weise bei und keine Ströme fließen.
Um das erste piezoelektrische Element 10 zu laden, wird der Ladeschalter 220 geschlossen. Theoretisch könnte das erste piezoelektrische Element 10 einfach dadurch geladen werden. Dies würde jedoch große Ströme erzeugen, die die beteiligten Elemente beschädigen könnten. Deshalb werden die auftretenden Ströme am Meßpunkt 620 gemessen und der Schalter 220 wird wieder geöffnet, sobald die detektierten Ströme eine bestimmte Grenze übersteigen. Um eine beliebige gewünschte Ladung auf dem ersten piezoelektrischen Element 10 zu erreichen, wird daher der Ladeschalter 220 wiederholt geschlossen und geöffnet, während der Entladeschalter 230 offen bleibt.
Ausführlicher ausgedrückt kommt es, wenn der Ladeschalter 220 geschlossen ist, zu den in 2a gezeigten Zuständen, das heißt, ein geschlossener Kreis, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus piezoelektrischem Element 10, Kondensator 210 und Spule 240 besteht, wird gebildet, in dem ein Strom i_LE(t) fließt, wie durch die Pfeile in 2a angedeutet. Infolge dieses Stromflusses werden beide positiven Ladungen zu dem Gruppenwahlpiezoanschluß 14 des ersten piezoelektrischen Elements 10 gebracht und Energie wird in der Spule 240 gespeichert.
Wenn sich der Ladeschalter 220 kurz (beispielsweise einige wenige μs) nachdem er geschlossen worden ist, öffnet, treten die in 2b gezeigten Zustände auf: Ein geschlossener Kreis, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus piezoelektrischem Element 10, Ladediode 221 und Spule 240 besteht, wird gebildet, in dem ein Strom i_LA(t) fließt, wie durch die Pfeile in 2b angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in das piezoelektrische Element 10 fließt. Entsprechend der Energiezufuhr zu dem piezoelektrischen Element 10 nehmen die in letzterem auftretende Spannung und seine externen Abmessungen zu. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zum piezoelektrischen Element 10 stattgefunden hat, wird wieder der eingeschwungene Zustand der Schaltung wie in 1 gezeigt und bereits beschrieben, erreicht.
Je nach dem gewünschten Zeitprofil des Ladevorgangs wird zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später der Ladeschalter 220 wieder einmal geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Infolge des Wiederschließens und Wiederöffnens des Ladeschalters 220 nimmt die im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie zu (die bereits im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie und die neu zugeführte Energie werden zusammenaddiert), und die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine externen Abmessungen nehmen dementsprechend zu.
Wenn das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Ladeschalters 220 mehrmals wiederholt wird, nehmen die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 in Stufen zu.
Nachdem der Ladeschalter 220 mit einer vordefinierten Häufigkeit geschlossen und geöffnet worden ist und/oder nachdem das piezoelektrische Element 10 den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Laden des piezoelektrischen Elements beendet, indem der Ladeschalter 220 offengelassen wird.
Hinsichtlich des Entladeablaufs werden bei dem betrachteten Beispiel die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 wie folgt in Gruppen (G1 und/oder G2) entladen:
Zuerst werden der oder die Gruppenwahlschalter 310 und/oder 320 der Gruppe oder Gruppen G1 und/oder G2, deren piezoelektrische Elemente entladen werden sollen, geschlossen (die Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51, 61 beeinflussen nicht die Wahl der piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 für den Entladeablauf, da sie in diesem Fall von den Verzweigungsdioden 12, 22, 32, 42, 52 und 62 überbrückt werden). Um das piezoelektrische Element 10 als Teil der ersten Gruppe G1 zu entladen, wird daher der erste Gruppenwahlschalter 310 geschlossen.
Wenn der Entladeschalter 230 geschlossen ist, treten die in 2c gezeigten Zustände auf: Ein geschlossener Kreis entsteht, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus dem piezoelektrischen Element 10 und der Spule 240 besteht und in der ein Strom i_EE(t) fließt, wie durch die Pfeile in 2c angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß die im piezoelektrischen Element gespeicherte Energie (ein Teil davon) in die Spule 240 transportiert wird. Entsprechend der Energieübertragung von piezoelektrischem Element 10 zur Spule 240 nehmen die an dem piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und seine externen Abmessungen ab.
Wenn sich der Entladeschalter 230 kurz (beispielsweise einige wenige μs) nachdem er geschlossen hat, öffnet, treten die in 2d gezeigten Zustände ein: Ein geschlossener Kreis entsteht, der eine Reihenschaltung umfaßt, die aus dem piezoelektrischen Element 10, dem Kondensator 210, der Entladediode 231 und der Spule 240 besteht und in der ein Strom i_EA(t) fließt, wie durch die Pfeile in 2d angedeutet. Das Ergebnis dieses Stromflusses ist, daß in der Spule 240 gespeicherte Energie in den Kondensator 210 zurückgeführt wird. Nachdem der Energietransport von der Spule 240 zum Kondensator 210 stattgefunden hat, wird der eingeschwungene Zustand der Schaltung, wie in 1 gezeigt und bereits beschrieben, wieder erreicht.
Je nach dem gewünschten Zeitprofil des Entladevorgangs wird zu diesem Zeitpunkt oder früher oder später der Entladeschalter 230 wieder einmal geschlossen und wieder geöffnet, so daß die oben beschriebenen Prozesse wiederholt werden. Infolge des Wiederschließens und Wiederöffnens des Entladeschalters 230 wird die im piezoelektrischen Element 10 gespeicherte Energie weiter reduziert, und die am piezoelektrischen Element auftretende Spannung und seine externen Abmessungen dementsprechend reduziert.
Wenn das oben erwähnte Schließen und Öffnen des Entladeschalters 230 mehrmals wiederholt wird, nehmen die am piezoelektrischen Element 10 auftretende Spannung und die Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 10 in Stufen ab.
Nachdem der Entladeschalter 230 mit einer vordefinierten Häufigkeit geschlossen und geöffnet worden ist und/oder nachdem das piezoelektrische Element den gewünschten Ladezustand erreicht hat, wird das Entladen des piezoelektrischen Elements 10 beendet, indem der Entladeschalter 230 offengelassen wird.
Die Wechselwirkung zwischen dem Aktivierungs-IC E und der Steuereinheit D einerseits und den Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A andererseits erfolgt durch Steuersignale, die vom Aktivierungs-IC E zu Elementen innerhalb des detaillierten Bereichs A über Verzweigungswahlsteuerleitungen 410, 420, 430, 440, 450, 460, Gruppenwahlsteuerleitungen 510, 520, Stoppschaltersteuerleitung 530, Ladeschaltersteuerleitung 540 und Entladeschaltersteuerleitung 550 und Steuerleitung 560 geschickt werden. Andererseits gibt es Sensorsignale, die an Meßpunkten 600, 610, 620, 630, 640, 650 innerhalb des detaillierten Bereichs A erhalten werden, die über Sensorleitungen 700, 710, 720, 730, 740, 750 zum Aktivierungs-IC E übertragen werden.
Die Steuerleitungen werden dazu verwendet, Spannungen an die Transistorbasen anzulegen oder nicht anzulegen, um piezoelektrische Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 auszuwählen, um Lade- oder Entladeabläufe eines einzelnen oder mehrerer piezoelektrischer Elemente 10, 20, 30, 40, 50, 60 mit Hilfe des Öffnens und Schließens der entsprechenden Schalter wie oben beschrieben durchzuführen. Die Sensorsignale werden insbesondere dazu verwendet, die resultierende Spannung der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 bzw. 40, 50 und 60 von Meßpunkten 600 bzw. 610 und die Lade- und Entladeströme vom Meßpunkt 620 zu bestimmen. Die Steuereinheit D und der Aktivierungs-IC E werden dazu verwendet, beide Arten von Signalen zu kombinieren, um eine Wechselwirkung von beiden durchzuführen, wie ausführlich beschrieben wird, wobei auf 1 und 3 Bezug genommen wird.
Wie in 1 angegeben, sind die Steuereinheit D und der Aktivierungs-IC E mit Hilfe eines parallelen Busses 840 und zusätzlich mit Hilfe eines seriellen Busses 850 miteinander verbunden. Der parallele Bus 840 wird insbesondere für die schnelle Übertragung von Steuersignalen von der Steuereinheit D zum Aktivierungs-IC E verwendet, wohingegen der serielle Bus 850 für eine langsamere Datenübertragung verwendet wird.
In 5 sind einige Komponenten von allgemeiner Bedeutung angegeben, die der Aktivierungs-IC E umfaßt: eine Logikschaltung 800, einen RAM-Speicher 810, ein Digital-Analog-Wandlersystem 820 und ein Vergleichersystem 830. Weiterhin ist angegeben, daß der (für Steuersignale verwendete) schnelle parallele Bus 840 an die Logikschaltung 800 des Aktivierungs-IC E angeschlossen ist, während der langsamere serielle Bus 850 mit dem RAM-Speicher 810 verbunden ist. Die Logikschaltung 800 ist mit dem RAM-Speicher 810, mit dem Vergleichersystem 830 und mit den Signalleitungen 410, 420, 430, 440, 450 und 460; 510 und 520; 530; 540, 550 und 560 verbunden. Der RAM-Speicher 810 ist an die Logikschaltung 800 sowie an das Digital-Analog-Wandlersystem 820 angeschlossen. Das Digital-Analog-Wandlersystem 820 ist weiterhin mit dem Vergleichersystem 830 verbunden. Das Vergleichersystem 830 ist weiterhin mit den Sensorleitungen 700 und 710; 720; 730, 740 und 750 und, wie bereits erwähnt, mit der Logikschaltung 800 verbunden.
Die oben aufgeführten Komponenten können in einem Ladeablauf beispielsweise wie folgt verwendet werden:
Mit Hilfe der Steuereinheit D wird ein bestimmtes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 bestimmt, das bis auf eine bestimmte Zielspannung geladen werden soll. Ohne das erfindungsgemäße Verfahren würde dann beispielsweise zuerst der Wert der Zielspannung (durch eine digitale Zahl ausgedrückt) über den langsameren seriellen Bus 850 zu dem RAM-Speicher 810 übertragen werden. Später oder gleichzeitig würde an die Logikschaltung 800 über den parallelen Bus 840 ein Codesignal übertragen werden, das dem jeweiligen piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, das ausgewählt werden soll und Informationen über die Adresse der Sollspannung innerhalb des RAM-Speichers 810 umfaßt. Später würde ein Strobesignal über den parallelen Bus 840 an die Logikschaltung 800 geschickt, das das Startsignal für den Ladeablauf liefert.
Das Startsignal bewirkt zuerst, daß die Logikschaltung 800 den digitalen Wert der Zielspannung vom RAM-Speicher 810 aufgreift und ihn auf das Digital-Analog-Wandlersystem 820 gibt, wodurch an einem analogen Ausgang der Wandler 820 die Sollspannung auftritt. Außerdem ist der nicht gezeigte analoge Ausgang mit dem Vergleichersystem 830 verbunden. Zusätzlich dazu wählt die Logikschaltung 800 entweder den Meßpunkt 600 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 10, 20 und 30 der ersten Gruppe G1) oder den Meßpunkt 610 (für ein beliebiges der piezoelektrischen Elemente 40, 50 oder 60 der zweiten Gruppe G2) an das Vergleichersystem 830. Als Ergebnis davon werden die Zielspannung und die vorliegende Spannung am ausgewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 durch das Vergleichersystem 830 verglichen. Die Ergebnisse des Vergleichs, das heißt die Differenzen zwischen der Zielspannung und der vorliegenden Spannung, werden an die Logikschaltung 800 übertragen. Dadurch kann die Logikschaltung 800 den Ablauf stoppen, sobald die Zielspannung und die vorliegende Spannung einander gleich sind.
Zweitens legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 an, der einem beliebigen ausgewählten piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 entspricht, so daß der Schalter geschlossen wird (innerhalb des beschriebenen Beispiels wird davon ausgegangen, daß alle Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 und 61 vor dem Einsetzen des Ladeablaufs sich in einem offenen Zustand befinden). Dann legt die Logikschaltung 800 ein Steuersignal an den Ladeschalter 220 an, so daß der Schalter geschlossen wird. Zudem beginnt die Logikschaltung 800 mit dem Messen etwaiger am Meßpunkt 620 auftretender Ströme (oder setzt diese Messungen fort). Dazu werden die gemessenen Ströme mit einem etwaigen vordefinierten Höchstwert durch das Vergleichersystem 830 verglichen. Sobald der vordefinierte Höchstwert von den detektierten Strömen erreicht wird, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Ladeschalter 220 wieder öffnet.
Wieder werden die übrigen Ströme am Meßpunkt 620 detektiert und mit einem etwaigen vorbestimmten Mindestwert verglichen. Sobald der vordefinierte Mindestwert erreicht wird, bewirkt die Logikschaltung 800, daß sich der Verzweigungswahlschalter 11, 21, 31, 41, 51 oder 61 wieder schließt, und der Ablauf beginnt wieder.
Das Schließen und Öffnen des Verzweigungsschalters wird so lange wiederholt, wie die detektierte Spannung am Meßpunkt 600 oder 610 unter der Zielspannung liegt. Sobald die Zielspannung erreicht ist, stoppt die Logikschaltung die Fortsetzung des Ablaufs.
Der Entladeablauf findet auf entsprechende Weise statt: Nun wird die Wahl des piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 mit Hilfe der Gruppenwahl schalter 310 bzw. 320 erreicht, der Entladeschalter 230 wird anstelle des Ladeschalters 220 geöffnet und geschlossen und eine vordefinierte Mindestzielspannung muß erreicht werden.
Nunmehr muß bei der Einführung des erfindungsgemäßen Verfahrens daran erinnert werden, daß bei dem betrachteten Beispiel Raildrücke durch Meßkomponenten F gemessen und die Meßwerte an die Steuereinheit D weitergemeldet werden. Innerhalb der Steuereinheit D werden die Meßwerte verwendet, während modifizierte Steuerparameter berechnet werden, die einer beliebigen Zielspannung entsprechen, die an die individuellen piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 gemäß sowohl der gewünschten Aktion als auch den gemessenen Raildrücken angelegt werden soll.
Der Raildruck, der berücksichtigt wird, ändert sich recht schnell (beispielsweise bis zu 2000 bar/s), und somit sollte die Zeitspanne zwischen einer Messung und dem Anlegen entsprechender Steuerparameter an ein beliebiges piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 relativ klein sein. Andererseits ist das serielle Bussystem 850, über das die Steuerparameter von der Steuereinheit D zum Aktivierungs-IC E übertragen werden, relativ langsam (als Beispiel benötigt die Übertragung von 16 Bit sechzehnmal so lange, wie es unter Verwendung eines entsprechenden parallelen Busses brauchen würde). Es besteht somit eine Notwendigkeit, eine Steuerung durchzuführen, die so weit wie möglich in Echtzeit stattfindet.
Aus diesem Grund wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren der Raildruck während eines Beobachtungszeitraums vor der Steuerung eine Kraftstoffeinspritzung wiederholt von der Meßkomponente F gemessen. Als Beispiel könnte der Beobachtungszeitraum 10 ms dauern, und die Messungen werden nach jeweils 1 ms vorgenommen, d.h., es werden 10 Werte erhalten. Daraus wird, wie in 4 dargestellt, ein größter (max), ein kleinster (min) und ein mittlerer (av) Raildruck erhalten. Außerdem wird der Bereich zwischen dem größten und dem kleinsten Druck entsprechend einer etwaigen gültigen linearen oder nichtlinearen Skala unterteilt (angezeigt als ++, +, T+, 0, T–, –, ––).
Dann werden innerhalb der Steuereinheit D mehrere Zielspannungen für die piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 berechnet. Dabei werden zusätzlich zum Raildruck weitere Parameter berücksichtigt, wie etwa die Temperatur jedes individuellen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60. Da insbesondere die Temperatur der individuellen piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 variiert, wohingegen der Raildruck innerhalb eines Common-Rail-Systems im Grunde für alle piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 der gleiche ist (d.h., auftretende relative Unterschiede werden durch konstruktive Mittel eingestellt), gibt es einerseits eine für jedes individuelle piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 und 60 berechnete individuelle Basiszielspannungen unter Berücksichtigung des mittleren Raildrucks, der durch av angegeben ist. Andererseits gibt es berechnete gemeinsame Offsetspannungen V++, V+, V0, V– und V––, die zu beliebigen der individuellen Basiszielspannungen addiert werden müssen, damit sie Raildrücken über oder unter dem mittleren Raildruck av entsprechen.
Im einzelnen entspricht jeder Offsetwert einem Druckwert auf der Skala von Druckwerten, wie in 4 dargestellt. Da geringe Abweichungen von dem mittleren Druckwert vernachlässigt werden können, gibt es keine berechneten Offsets für Druckwerte, die gleich den Toleranzwerten T+, T– sind oder dazwischen liegen. Stattdessen wird in diesen Fällen ein Nulloffset V0 verwendet. Bei größeren Abweichungen gibt es bei dem betrachteten Beispiel zwei berechnete Offsets V+, V++, die mittleren positiven oder größten Abweichungen (+, ++) entsprechen, bzw. zwei Offsets V–, V––, die mittleren negativen oder kleinsten Abweichungen (–, ––) entsprechen. Um eine höhere oder niedrigere Präzision zu erreichen, können jedoch mehr oder weniger Offsets berechnet werden.
Später oder parallel dazu werden alle Steuerparameter entsprechend den Basiszielspannungen sowie den Offsets mit Hilfe des seriellen Bussystems 850 an den RAM-Speicher 810 innerhalb des Aktivierungs-IC E übertragen. Infolgedessen stehen innerhalb des Aktivierungs-IC E Steuerparameter zur Verfügung, an Hand derer mit Hilfe von Additionsteuerparameter ermittelt werden können, die einen beliebigen Raildruck innerhalb eines gegebenen Bereichs mehr oder weniger entsprechen.
Um eine Kraftstoffeinspritzung zu steuern, wird nun kurz vor der Einspritzung der gegenwärtige Raildruck von den Meßkomponenten F gemessen. Zur Wahl des richtigen Offsets wird dann der aktuelle Raildruck mit den Raildruckwerten entsprechend jedem individuellen Offset V++, V+, V0, V– und V–– verglichen, und der jeweilige Offset V++, V+, V0, V– und V–– wird gewählt, dessen entsprechender Raildruckwert dem aktuellen Raildruckwert am nächsten liegt. Somit wird für jeden aktuellen Raildruck über dem AR1-Pfeil (was die Mitte zwischen den Druckwerte + und ++ anzeigt) in 4 der Offset V++ entsprechend dem größten Druck ++ gewählt; für jeden Druck zwischen dem Pfeil AR1 und Pfeil AR2 wird der Offset V+ entsprechend dem mittleren positiven Druck + gewählt; für jeden Druck zwischen dem Pfeil AR2 und dem Pfeil AR3 wird der Nulloffset V0 gewählt, und so weiter.
Dann werden innerhalb der Steuereinheit D Wahlparameter entsprechend dem jeweiligen piezoelektrischen Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60, das verwendet wird, Wahlparameter entsprechend seiner individuellen Basiszielspannung und Wahlparameter entsprechend dem Offset V++, V+, V0, V– und V––, der dem aktuellen Raildruck am besten entspricht, bestimmt und über das parallele Bussystem 840 zu der Logikschaltung 800 innerhalb des Aktivierung-IC E übertragen.
Schließlich werden innerhalb des Aktivierungs-IC E die Wahlparameter dazu verwendet, das piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 zu wählen und die entsprechenden Steuerparameter zu wählen. Der gewählte Offset V++, V+, V0, V– und V––, wird durch nichtgezeigte Additionskomponenten zu dem Basissteuerparameter addiert (d.h. Spannung entsprechend dem mittleren Raildruck). Dann wird die entstehende Spannung wie oben beschrieben an das gewählte piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 angelegt.
Infolgedessen werden die Nachteile des langsamen seriellen Bussystems 850 kompensiert über das Erhalten von prädiktiven Steuerparametern im voraus, ihr Übertragen zu dem und Speichern in dem RAM-Speicher 810 des Aktivierungs-IC E ebenfalls im voraus und Verwendung des schnellen parallelen Bussystems 840 für die Wahl der erforderlichen der gespeicherten Steuerparameter.
Ein Beispiel dafür, wie das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann, wird nun unter Bezugnahme auf die 5–6 ausführlicher beschrieben. Wie bereits oben erwähnt, zeigt zuerst 5 eine Darstellung dessen, wie Basissteuerparameter und Offsetsteuerparameter bestimmt werden können. Innerhalb 5 beginnt die Bestimmung von Basis- und Offsetsteuerparametern mit einer Eingabe der größten, mittleren und kleinsten Raildruckwerte, wie durch die Pfeile „max", „av" und „min" dargestellt. Diese Eingaben werden an Hand mehrerer sich ändernder aktueller Raildrücke während eines Beobachtungszeitraums bestimmt (nicht gezeigt). Dadurch sind der größte („max") und der kleinste („min") Wert genau die größten bzw. die kleinsten Raildruckwerte, die während des Beobachtungszeitraums gemessen werden. Andererseits kann der mittlere Raildruckwert („av") über jedes gültige Verfahren bestimmt werden. Zudem ist zu verstehen, daß die Unterschiede zwischen den größten („max") und dem mittleren („av") Wert und solche zwischen dem mittleren („av") und dem kleinsten („min") Wert im allgemeinen zueinander ungleich sind. Entsprechend dem (korrigierten) größten Raildruckwert („max") werden der mittlere Raildruckwert („av") und der kleinste Raildruckwert („min"), Spannungen U_max, U_av und U_min bestimmt, die der gewünschten Steuerung eines beliebigen piezoelektrischen Elements 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 in Gegenwart der Raildrücke entsprechen würde. Die Spannungen U_max, U_av und U_min werden über „Druck-zu-Spannung-Umwandlung"-Kästen 1000, 1010 bzw. 1020 bestimmt.
Andererseits müssen Systemparameter wie etwa die Temperatur für den späteren Steuerablauf berücksichtigt werden, die für jedes individuelle piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 spezifisch sind. Somit müssen bei dem späteren Ablauf die gemeinsamen Zielspannungen (die eine Funktion des Raildrucks sind) für jedes individuelle piezoelektrische Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 korrigiert werden, das gemäß seinen spezifischen Systemparametern gesteuert werden soll. Für die Berechnung der Offsetsteuerparameter ist dies jedoch nicht erforderlich, da sie nur den gemeinsamen Spannungen als Funktion des Raildrucks entsprechen. Somit können die Offsets (aber nicht die Basissteuerparameter) eindeutig für alle piezoelektrischen Elemente 10, 20, 30, 40, 50 und 60 bestimmt werden.
Als weitere Eingabe wird ein Raildrucktoleranzbereichswert eingegeben, wie durch den kleinen Kasten „tol" angedeutet (die Bestimmung des Toleranzwerts ist nicht gezeigt). Der Toleranzwert gibt Abweichungen von dem mittleren Raildruckwert („av") an, die als vernachlässigbar angesehen werden. Analog zu den größten, mittleren und kleinsten Druckwerten wird eine entsprechende Spannung U_tol mit Hilfe eines Druck-zu-Spannung-Umwandlung-Kastens 1030 bestimmt. Dann werden die verschiedenen Spannungen in eine Offsetberechnungsbasis 1040 eingespeist, wo die Offsets V++, V+, V0, V– und V–– auf der Basis der Spannungen U_max, U_min, U_av und U_tol berechnet werden.
Es versteht sich, daß die oben gegebene Beschreibung für den Fall gilt, daß größere Spannungen größeren Drücken entsprechen und umgekehrt. Das Gegenteil könnte jedoch für andere Anwendungen gelten oder die Kohärenz könnte komplexer sein. Zudem könnte eine größere (oder kleinere) Anzahl von Offsets möglicherweise geeignet sein und/oder ungleiche anstelle von gleichen Abständen zwischen den Offsetwerten außerhalb des Toleranzbereichs könnten gewählt werden. Jedenfalls, obwohl die konkrete Berechnung der Offsets davon beeinflußt würde, ist es das erfindungsgemäße Verfahren als solches nicht.
Die individuell korrigierte mittlere Spannung als Basissteuerparameter sowie die erhaltenen Offsets (V++, V+, V–, V––) werden über das serielle Bussystem 850 zum RAM-Speicher 810 innerhalb des Aktivierungs-IC E übertragen und dort gespeichert.
Im allgemeinen kann der oben beschriebene Ablauf für jede mögliche Aktion wiederholt (oder parallel ausgeführt) werden und deshalb können als Beispiel vier Mengen von Offsets V++, V+, V0, V– und V–– (eine Menge für jede mögliche Aktion) erhalten und zu dem RAM-Speicher 810 übertragen werden. Da jedoch ein einzelnes piezoelektrisches Element 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 jeweils nur eine Aktion ausführen kann, reicht es aus, nur einen Basisparameter (d.h. eine korrigierte mittlere Spannung entsprechend einer jeweiligen Aktion) pro piezoelektrischem Element 10, 20, 30, 40, 50 und 60 zu dem RAM-Speicher 810 zu übertragen.

Claims

Verfahren zur Bereitstellung von Steuerparametern für oder innerhalb eines Steuersystems, insbesondere zum Steuern eines Kraftstoffeinspritzsystems, dadurch gekennzeichnet, daß a) mehrere Steuerparameter über einen seriellen Bus (850) zu Speicherungsmitteln (810) übertragen werden, die innerhalb eines Aktivierungs-IC (E) des Steuersystems enthalten sind; b) die übertragenen Steuerparameter innerhalb des Speicherungsmittels (810) gespeichert werden; c) Wahlparameter über einen parallelen Bus (840) zu Wahlmitteln (800) übertragen werden, die ebenfalls innerhalb des Aktivierungs-IC (E) des Steuersystems enthalten sind; d) gespeicherte Steuerparameter gemäßübertragenen Wahlparametern durch die Wahlmittel (800) gewählt werden und e) die gewählten Parameter zum Steuern von Elementen innerhalb des Steuersystems verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß a) das Steuersystem eine Steuereinheit (D) umfaßt; b) die Steuerparameter innerhalb des Steuersystems von der Steuereinheit (D) zu den Speicherungsmitteln (810) innerhalb des Aktivierungs-IC (E) übertragen werden und c) die Wahlparameter innerhalb des Steuersystems von der Steuereinheit (D) zu einer Logikschaltung (800) innerhalb des Aktivierungs-IC (E) übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß a) Systemparameter von Meßmitteln (F) gemessen werden und b) Steuerparameter gemäß gemessenen Systemparametern durch Bestimmungsmittel innerhalb der Steuereinheit (D) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß a) Systemparameter von Meßmitteln (F) gemessen werden, und b) Wahlparameter gemäß gemessenen Systemparametern durch Bestimmungsmittel innerhalb der Steuereinheit (D) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß a) erstens mehrere Steuerparameter von einer Steuereinheit (D) über ein serielles Bussystem (850) zu Speicherungsmitteln (810) innerhalb eines Aktivierungs-IC (E) übertragen und in den Speicherungsmitteln (810) gespeichert werden; b) zweitens Systemparameter von Meßmitteln (F) gemessen werden; c) drittens Wahlparameter gemäß gemessenen Systemparametern von Bestimmungsmitteln innerhalb der Steuereinheit (D) bestimmt werden; d) viertens Wahlparameter von einem parallelen Bussystem (840) von der Steuereinheit (D) zu Logikmitteln (800) innerhalb des Aktivierungs-IC (E) übertragen werden und e) fünftens Wahlparameter für die Wahl eines oder mehrerer bestimmter der gespeicherten Steuerparameter über die Logikmittel (800) innerhalb des Aktivierungs-IC (E) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß a) die mehreren Steuerparameter einen oder mehrere Basisparameter umfassen, die allgemeinen und/oder gemessenen Systemparametern entsprechen; b) die mehreren Steuerparameter einen oder mehrere Offsetparameter umfassen, die allgemeinen und/oder gemessenen Systemparametern entsprechen; c) die Wahlparameter bewirken, daß die Logikmittel (800) entweder nur Basisparameter oder Basisparameter und Offsetparameter wählen; und d) im Fall einer Wahl von Basisparametern und Offsetparametern, die Offsetparameter zu den Basisparametern durch Additionsmittel innerhalb des Aktivierungs-IC (E) addieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß a) gewählte und/oder addierte Steuerparameter Werten von Zielspannungen entsprechen; b) die gewählten und/oder addierten Steuerparameter mit Hilfe von Digital-Analog-Wandlern (820) in ihre entsprechenden Spannungen umgewandelt werden; und c) die erhaltenen Spannungen durch Transportmittel (800, 830; A) zu piezoelektrischen Elementen (10, 20, 30, 40, 50, 60) innerhalb des gesteuerten Systems transportiert werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die angelegten Spannungen einer beliebigen gewünschten Verlängerung der piezoelektrischen Elemente (10, 20, 30, 40, 50, 60) entsprechen.
Vorrichtung, insbesondere gültig für den Einsatz mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei a) eine Steuereinheit (D) und ein Aktivierungs-IC (E) über Übertragungsmittel (840, 850) miteinander verbunden sind; b) Speicherungsmittel (810) in dem Aktivierungs-IC (E) implementiert sind und c) Wahlmittel (800) in dem Aktivierungs-IC (E) implementiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß d) erste Übertragungsmittel (850) zwischen der Steuereinheit (D) und dem Aktivierungs-IC (E) als ein serielles Bussystem (850) implementiert sind und e) zweite Übertragungsmittel (840) zwischen der Steuereinheit (D) und dem Aktivierungs-IC (E) als ein paralleles Bussystem (840) implementiert sind.