DE60120900T2

DE60120900T2 - Schaltkreis und verfahren zur hocheffizienten ansteuerung von piezoelektrischen lasten

Info

Publication number: DE60120900T2
Application number: DE60120900T
Authority: DE
Inventors: Luca Battaglin; Pietro Gallina; Giancarlo Saba; Giancarlo Zinco; Claudio Diazzi; Vittorio Peduto
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: US7061157B2; IT1318880B1; DE60120900D1; WO2002025747A2; JP2004508990A; ITMI20002043A0; ITMI20002043A1; WO2002025747A3; US20060261704A1; EP1234345A2; US8154172B2; EP1234345B1; US20030062802A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Schaltkreis zur hocheffizienten Ansteuerung von piezoelektrischen Lasten, umfassend einen Ansteuerungsschaltungsabschnitt, der durch eine induktive/widerstandsbehaftete Verbindung mit wenigstens einem Lastanschluss verbunden ist, die mit einer Spannungswellenform beaufschlagt wird.
Die Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Verfahren zur hocheffizienten Ansteuerung von piezo-elektrischen Lasten mit einer induktiven/widerstandsbehafteten Verbindung.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere aber nicht ausschließlich auf einen Ansteuerungsschaltkreis, der derart angepasst ist, um ein Stromprofil, das von einem piezoelektrischen Druckerkopf gefordert wird, der mittels eines induktiven und widerstandsbehafteten Kabels mit dem Ansteuerungsschaltkreis verbunden ist, zu folgen, welches als Flachkabel oder in ähnlicher Art und Weise als Widerstand und als serielle Spule bezeichnet wird. Die folgende Beschreibung wird zur Einfachheit der Darstellung unter Bezugnahme auf dieses Anwendungsprinzip beschrieben.
Stand der Technik
Wie es auf diesem Gebiet der Technik wohl bekannt ist, wird eine Vielzahl von Wandlern zur Verfügung gestellt, wie z.B. diejenigen, die im US-Patent Nr. 5,895,998 beschrieben werden, deren elektrische Charakteristik ähnlich der einer piezoelektrischen Last ist. Es ist möglich, unter diese Wandlern auch einige Typen von Druckerköpfen zu subsumieren.
Die Kopfsteuerung ist durch das Anlegen von Spannungswellenformen ausgeführt, welche üblicherweise durch eine Serie von Rampen mit einer vorbestimmten Anstiegsgeschwindigkeit gebildet sind. Ein Beispiel einer solchen Anwendung wird im US-Patent Nr. 4,767,595 auf den Namen von Nippondenso Co. offenbart.
Die spezielle Genauigkeit, die für das Anlegen einer solchen Spannungswellenform an die Lastanschlüsse erforderlich ist, führt zusammen mit der hohen Frequenz des Ansteuerungssignals zur Verwendung von linearen Ansteuerungsschaltkreisen, die eine hohe Verlustenergie begründen.
Darüber hinaus erlaubt das Vorhandensein eines parasitären induktiven Widerstandes im Flachkabel für die Verbindung hin zur Last und somit in Reihe geschaltet zur realen kapazitiven Last den von der Last geforderten Strom zu filtern. Das Profil dieses Stromes ist nicht rechteckig und hat ein schräges Muster mit Über- und Unterlängen, wie in der beigefügten 1 gezeigt.
Deswegen ist es notwendig, im Hinblick auf einen Idealfall einer im Wesentlichen kapazitiven Last in passender Art und Weise eine Anstiegsgeschwindigkeit an der Rampenbasis und einen Stromverlauf am Rampenende zur Verfügung zu stellen. Die Charakteristiken dieser Endbereiche hängen von den parasitären Parametern, die durch das Flachkabel eingeführt werden, ab.
Ein Aufbau, der üblicherweise verwendet wird, um eine Spannungswellenform an eine piezoelektrische Last mit einer induktiven/widerstandsbehafteten Verbindung anzulegen, wird in 1 gezeigt, welche eine lineare Ansteuerung als Beispiel zeigt.
In der Praxis umfasst der Ansteuerungsschaltkreis von 1 einen Operationsverstärker umfassend eine Leistungsausgangsstufe, die zum Ansteuern der Last ausreicht.
Die piezoelektrische Last ist im Wesentlichen eine nicht ableitende kapazitive Last und die gesamte elektrische Energie wird an den Transistoren, die in der linearen Ansteuerungsstufe eingebaut sind, abgeführt.
Die Lösung des linearen Ansteuerns ist wegen des erheblichen Verbrauchs an elektrischer Energie nicht besonders effektiv.
Das technische Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist, einen Ansteuerungsschaltkreis insbesondere für piezoelektrische Lasten zur Verfügung zu stellen, mit einer solchen funktionellen und strukturellen Charakteristik, die es erlaubt, eine hocheffiziente Last anzusteuern, ohne die Qualität der Wellenform, die an den Lastanschlüssen generiert wurde, zu reduzieren.
Offenbarung der Erfindung
Die Lösungsidee, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist, einen Ansteuerungsschaltkreis mit, im Vergleich zu den Linearabschnitten des Standes der Technik, weiteren Ansteuerungsabschnitten zur Verfügung zu stellen, wobei jeder weitere Abschnitt soviel Strom wie möglich, sowohl während der Übergangs- als auch im eingeschwungenen Zustand zu liefern hat. Die lineare Ansteuerungsstufe wird geladen, um einen Reststromanteil zu liefern, der für das genaue Nachfolgen des Referenzsignals benötigt wird.
In dieser Art und Weise ist es möglich, die Höchstmenge an Strom, die von der Last gefordert wird, zu liefern, und zwischenzeitliches zu häufiges Umschalten zu verhindern, welches im Falle des Ansteuerns im Umschaltmodus notwendig wäre.
Basierend auf dieser Lösungsidee ist das technische Problem durch einen Ansteuerungsschaltkreis, wie er oben beschrieben wurde, gelöst und weiterhin im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur hocheffizienten Ansteuerung einer piezoelektrischen Last mit einer induktiven/widerstandsbehaftete Verbindung, wobei wenigstens eine Linearansteuerung dieser Last mit einem Ansteuerungsschaltkreis, der mit einem Linearschaltkreisabschnitt ausgestattet ist und mit der Last über die Verbindung verbunden ist, vorhanden ist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es im Übergangs- und im eingeschwungenen Zustand zwei weitere unterschiedliche Ansteuerungsarten zur Verfügung stellt, wobei weiterhin entsprechende Schaltkreisabschnitte, die strukturell unabhängig sind und ihrerseits durch entsprechende Spulen mit der genannten Verbindung verbunden sind, einen erheblichen Teil des Gesamtstromes, der von der Last benötigt wird, liefern, wie es in Anspruch 10 beansprucht ist.
Die Charakteristika und Vorteile des Schaltkreises und des Verfahrens gemäß der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung klar, die anhand eines nichtanschränkenden Beispiels in den anliegenden Zeichnungen angegeben wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht auf einen Ansteuerungsschaltkreis für eine piezoelektrische Last gemäß dem Stand der Technik;
2 ist eine schematische Ansicht auf einem Ansteuerungsschaltkreis für eine piezoelektrische Last gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3, 4 und 5 sind entsprechende schematische Ansichten des Schaltkreises von 2 in drei verschiedenen Betriebsphasen;
6 ist ein Diagramm, welches die Wellenform des Stroms, der durch die Last aufgenommen wird, mit der Spannung, die an die Lastanschlüsse angelegt wird, vergleicht;
7 ist ein Strom-über-Zeit-Diagramm für Stromsignale, die im Schaltkreis von 2 auftreten;
8 ist eine schematische Ansicht einer unterschiedlichen Ausführungsform des Schaltkreises von 2;
9, 10, 11 und 12 sind entsprechende Strom-über-Zeit-Diagramme, die einige Aktivierungszeitperioden des Schaltkreises der Erfindung gemäß des Ansteuerungsverfahrens der Erfindung zeigen;
13 und 14 sind entsprechende schematische Ansichten auf Schaltkreisabschnitte, die begleitend zum Schaltkreis gemäß der Erfindung angeordnet sind.
Möglichkeiten zur Ausführung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf das Beispiel von 2 wird eine Ansteuerungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Ansteuern einer piezoelektrischen Last allgemein und schematisch mit 1 bezeichnet.
Der Schaltkreis 1 gemäß der Erfindung umfasst einen Operationsverstärker 3 mit einem Ausgangsignal, welches dem invertierten Eingangssignal entspricht (–) und weiterhin mit einem Anschluss der Last 2 in einem Knoten X verbunden ist, um einen Strom I_AMP zu liefern. Der andere nichtinvertierende (+) Eingang des Verstärkers 3 empfängt ein Referenzsignal von einem Eingangsanschluss IN des Schaltkreises 1. Dieser Verstärker 3 kann als der Kern des Linearabschnittes des Schaltkreises 1 angesehen werden.
Vorteilhafterweise umfasst der Schaltkreis 1 gemäß der Erfindung einen Abschnitt in Form einer Halbbrückenschaltung, die wenigstens eine Schaltvorrichtung umfasst, die mit dem Knoten X über eine Spule verbunden ist. Weiterhin umfasst der Schaltkreis 1 insbesondere entsprechende Halbbrückenschaltkreisabschnitte 4, 5, wobei jeder Teil mit dem Knoten X einer korrespondierenden Spule L1, L2 verbunden ist. Die Abschnitte sind untereinander strukturell unabhängig. Die Spulen L1 und L2 haben vorzugsweise einen unterschiedlichen Wert, wobei es jedoch möglich ist, dass sie den gleichen Wert haben. Der Halbbrückenschaltungsabschnitt 4, der mit LF bezeichnet ist, ist der Spule L1 mit dem höheren Wert zugeordnet.
Umgekehrt ist der Halbbrückenschaltungsabschnitt 5, der mit HF gekennzeichnet ist, der Spule L2 mit dem niedrigeren Wert zugeordnet.
Ein Steuerblock 7 ist vorgesehen, um die Halbbrückenschaltungsabschnitte 4 und 5 anzusteuern.
In Kurzform stellt die Erfindung ein Schaltbild dar, welches sich zum Ziel gemacht hat, die Höchstmenge an Strom, welche durch die Last 2 gefordert wird, durch die Vorrichtungen der beiden Halbbrückenschaltungen 4 und 5 zu liefern und gleichzeitig auch das zu häufige Umschalten zu vermeiden.
Der Linearabschnitt 3 muss deshalb den Stromunterschied I_AMP liefern, der erforderlich ist, um dem Spannungsreferenzsignal genau zu folgen, welches beispielsweise durch eine Reihe von Rampen mit vorbestimmter Anstiegsgeschwindigkeit gebildet ist. Vorteilhafterweise sind die Halbbrückenschaltungsabschnitte 4 und 5 hierfür vorgesehen, um mit hoher Effizienz im Übergangs- und im eingeschwungenen Zustand dementsprechend einen wesentlichen Teil des Gesamtstromes, der durch die Last 2 gefordert wird, zu liefern, wohingegen der lineare Schaltkreisabschnitt 3 die Genauigkeit der Spannungswellenform durch das Liefern nur des Stromunterschieds I_AMP mit einer wesentlichen Energieeinsparung sicherstellt.
Wie bereits erwähnt, umfasst der Halbbrückenabschnitt LF, um die Stromanforderung der Last 2 zu erfüllen, wenigstens eine Schaltvorrichtung. Weiterhin sind insbesondere ein Paar von Transistoren M1, M2 miteinander in einem Knoten X1 verbunden. Die Halbbrücke LF wird zwischen einer ersten Referenzversorgungsspannung V_ALIM und einer zweiten Massereferenz GND mit Energie versorgt. Die Spule L1 wird zwischen die Knoten X1 und X eingesetzt.
In der bevorzugten Ausführungsform, welche hierin durch ein nicht limitierendes Beispiel der Halbbrücke LF beschrieben wird, umfasst MOS-Leistungstransistoren; es ist jedoch auch möglich, eine bipolare Transistorbrücke oder Halbbrücke zu verwenden.
Die Steueranschlüsse der LF-Halbbrückentransistoren M1 und M2 sind alle mit dem Steuerblock 7 verbunden. Der Steuerblock 7 wirkt auf die Transistoren M1 und M2 ein, um ein Stromprofil so nahe wie möglich an dem erforderlichen Profil zu erhalten. Aus diesem Grund braucht der Steuerblock 7 Informationen über die Dauer, die Anstiegsgeschwindigkeit und die Last-Werte C_LOAD.
In einer ähnlichen und spiegelbildlichen Art und Weise umfasst die Halbbrücke HF ein Paar von Transistoren M3, M4, welche untereinander in einem Knoten X2 verbunden sind.
Die Halbbrücke HF wird ihrerseits zwischen der ersten Referenzversorgungsspannung V_ALIM und der zweiten Massereferenz GND mit Energie versorgt. Die Spule L2 wird zwischen die Knoten X2 und X eingesetzt.
Die Steuerungsanschlüsse der Transistoren M3 und M4 der Halbbrücke HF sind alle mit einem entsprechenden Ausgang des Steuerblocks 7 verbunden.
Der Einsatz von zwei Halbbrücken 4 und 5 erlaubt es, mit einer geeigneten Strategie zum Schließen der Transistorschalter, die eingesetzt werden, eine gute Annäherung des Signalprofils hinsichtlich der Spannung, die an die Last angelegt wird, zu erreichen.
Die Spule L2 mit niedrigem Wert ist hinsichtlich ihrer Größe geeignet so gewählt, dass er dem anfänglichen Übergangs- und dem Endstromverlauf folgen kann. Die Halbbrücke 4 mit der Spule L1 mit dem höheren Wert ist für das Wellenformfolgen zuständig und liefert den Strom im eingeschwungenen Zustand, oh ne zu häufiges Umschalten, was ansonsten bei der Verwendung der anderen Halbbrücke 5 während dieser Phase notwendig wäre.
Die Steuerungsstrategie ist sehr wichtig, da sie die Effizienz, die hinsichtlich des Energieverlustes und der Schaltfrequenz der Halbbrückenschalter erreichbar ist, bestimmt.
Das Steuerungsverfahren gemäß der Erfindung basiert auf der Messung des Stromes I_AMP, welcher durch den Operationsverstärker 3 ausgegeben wird und ist durch das Aufteilen der piezoelektrischen Lastladezeit in drei Phasen implementiert. Diese drei Verfahrensstufen werden nun unter Bezugnahme auf die schematischen 3, 4 und 5 beschrieben werden.
Das Diagramm des Schaltkreises 1, welches in diesen 3, 4 und 5 gezeigt wird, wurde modifiziert, um den Strom I_AMP, der von dem Linearabschnitt 3 ausgegeben wird, als variablen Strom zu verwenden.
Ein Sensor 8 ist stromabwärts von dem Abschnitt 3, oberhalb des Knotens X angeordnet und ist mit dem Steuerblock 7 verbunden, um den Strom-Wert I_AMP zu erfassen.
Der Steuerblock 7 umfasst grundsätzlich eine Logikschnittstelle, welche mit dem Stromsensor 8 verbunden ist und ein logisches Netzwerk, welches auf Digitaltechnologie basiert, mit analogen Ausgangsstufen, die mit den Steueranschlüssen der Halbbrückentransistoren verbunden sind.
In Abhängigkeit des Wertes I_AMP des Stromes werden die Halbbrückeneinrichtungen gemäß geeigneter Steuerungsstrategien, die nachfolgend beschrieben werden, geschaltet.
Eingeschwungener Zustand-Übergang, T1: Während dieser Phase ist der Schalter M1 der Halbbrücke LF für die benötigte Zeit geschlossen, die der Strom in der Spule L1 benötigt, um den Wert I₀, der im eingeschwungenen Zustand der Last 2 gefordert wird, zu erreichen. In dieser Phase ist der Schalter M3 der Halbbrücke HF in geeigneter Weise so geschaltet, dass sich der Strom, der durch das System auf die Last gegeben wird, bestmöglich dieser Anforderung annähert, wiederum mit dem Ziel des Minimierens des Stromes, welcher durch den Linearabschnitt 3 zur Verfügung gestellt wird.
Der Steuerungsfluss wird durch die gepunktete Linie 9 repräsentiert.
Eingeschwungener Zustand, T2: Wenn der Wert des Stromes in der Spule L1 den Wert I₀ des eingeschwungenen Zustandes erreicht hat, wird die Halbbrücke HF deaktiviert oder der Schalter M3 ist offen, während die Halbbrücke LF über die Steuerung des Schalters M1 weiterhin einen Ausgangsstrom nahe des Stromes, der benötigt wird, liefert.
Der Steuerungsfluss wird durch die gepunktete Linie 11 angezeigt.
Abfallende Phase T3: Während dieser Phase ist es notwendig die Halbbrücke LF auszuschalten, so dass die Spule L1 nicht mit einem Stromwert ungleich 0 geladen wird, wenn der Strom nicht mehr von der Last 2 benötigt wird, Strom, welcher ansonsten durch die Linearstufe vernichtet werden würde. Während dieser Phase ist die Halbbrücke HF aktiviert und für die Größenauslegung dieser Komponenten empfiehlt es sich am ehesten, um schnell wechselnden Signalen zu folgen, schnellere Lade- und Entladetransistoren einzusetzen.
Der Steuerungsfluss wird durch die gepunktete Linie 12 repräsentiert.
Das System teilt den Strom, der erzeugt wird, im Wesentlichen in drei unterschiedliche Teile auf:

– zwei Stromspitzen, die durch die Halbbrücke korrespondierend mit den Fronten I_LOAD geliefert werden;
– der meiste Strom des zentralen Abschnittes wird in eingeschwungenem Zustand durch die Halbbrücke LF geliefert;
– ein Korrekturstrom, der durch den Linearabschnitt 3 geliefert wird.

6 zeigt die Muster der Ströme, die durch die zwei Halbbrücken eingegeben werden, I_LF für die Brücke LF und I_HF für die Brücke HF des Stromes I_AMP, der von dem Operationsverstärker geliefert wird und des Stromes I_LOAD, der durch die Last 2 gefordert wird.
Für das Einbinden des Steuerverfahrens gemäß der Erfindung werden im Wesentlichen zwei Prozeduren genutzt: eine Rückwärts- und eine Vorwärts-Prozedur.
Die Zeiten T1 und T3 werden analytisch abgeleitet und deren Bemessung kann deswegen im Vorwärtsmodus erhalten werden, wenn der Wert der Spule L1, die Versorgungsspannung V_ALIM, der Lastwert C_LOAD, die Anstiegsgeschwindigkeit und die anfänglichen und schlussendlichen Rampenspannungen bekannt sind.
Die Rückmeldungsvariable, die im Diagramm verwendet wird, wird im Gegensatz dazu durch den Strom I_AMP, der von der Linearstufe ausgegeben wird, repräsentiert; in Abhängigkeit von diesem Stromwert I_AMP wird die LF-Stufe während der Phase T2 und die HF-Stufe während der Phasen T1 und T3 gemäß der nachfolgend beschriebenen Kriterien umgeschaltet.
Die Rückmeldungsvariable I_AMP kann auf verschiedenen Arten gesteuert werden.
Beispielsweise kann der Transistor M1 zu vorbestimmten Zeiten geschlossen werden und wieder geöffnet werden, wenn der Strom I_AMP einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Eine andere Steuerung nutzt die Verwendung einer Hysterese; beispielsweise wenn der Strom, der durch den Linearbereich 3 ausgegeben wird, einen geeigneten Grenzwert I_HIGH überschreitet, wird der Schalter M1 oder M3 der Halbbrücke LF oder HF, die mit der Energieversorgung verbunden ist, geschlossen und der durch den nichtlinearen Abschnitt ausgegebene Strom steigt an, wobei der Strom I_AMP des linearen Abschnittes abnimmt, bis letzterer einen unteren Grenzwert I_LOW erreicht, bei dem der Schalter M1 oder M2 geöffnet wird und dieser Zyklus dementsprechend wiederholt wird.
In dieser Art und Weise ist die Steuerung in Hystereseform, wie folgt: IHYST = IHIGH – ILOW
Die Ausgabe dieser Steuerung und die korrespondierenden Wellenformen werden in 7 für eine Zeitperiode gezeigt, die mit T2 gekennzeichnet ist, bei der die Rückmeldevariable auf die Halbbrücke LF einwirkt. Während den Zeiten, die mit T* gekennzeichnet sind, ist der Schalter M1 geschlossen, weil der Strom des Operationsverstärkers 3 geringer als der Wert I_LOW ist. Dieser Schalter M1 ist geschlossen, bis der Grenzwert I_HIGH erreicht ist.
Die Wahl des Wertes für I_HYST ist eine Wahl basierend auf einem Kompromiss. Ein kleiner Wert verursacht eine hohe Schaltgeschwindigkeit der Halbbrücke, wohingegen ein hoher Wert einen höheren Stromverbrauch durch den Linearabschnitt bestimmt.
Die vorangegangenen Bemerkungen basieren auf der Verwendung einer einzelnen Rückmeldevariablen, die auf die beiden Halbbrücken LF und HF in unterschiedlichen Zeitphasen einwirkt. 8 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel, welches die Möglichkeit des Messens einer zweiten Größe neben dem Strom I_AMP des linearen Abschnitts zeigt.
Zu diesem Zwecke ist beispielsweise ein zweiter Stromsensor 9 zwischen der Spule L2 und dem Knoten X eingesetzt.
Deswegen kann, wenn eine andere Größe durch den zweiten Sensor 9 messbar ist, diese verwendet werden, um in jedem Fall beide Halbbrücken zu steuern. In Kenntnis beispielsweise des Stromes, der durch die Halbbrücke HF ausgegeben wird, kann I_AMP als Variable zur Steuerung der Schaltvorgänge der Halbbrücke HF während der gesamten Periode verwendet werden und die Summe aus I_AMP + I_HF (= I_LOAD – I_LF) kann verwendet werden, um die LF-Stufe anzusteuern.
Die Art und Weise der Bestimmung der drei Zeiten T1, T2, T3 wird nun in einer analytischen Art und Weise beschrieben werden. Die folgenden Formeln, die analytisch erhalten wurden, erlauben eine Echtzeitberechnung dieser Zeiten während die Steuerungsphase der Last 2 durchgeführt wird.
Eine andere Verfahrensweise besteht in dem Formulieren einer diskreten Differenzialgleichung, die das Zeitmuster des Spulenstroms bestimmt. Eine finite Differenzgleichung wird somit erhalten, in der der Stromwert sofort durch die Summe der Wer te im vorangegangenen Zeitpunkt genau ausgegeben wird, zuzüglich eines Anstieges, der von der an den Anschlüssen der Spule anliegenden Spannung abhängig ist.
Durch einfache Addition und das Akkumulieren von Schaltungsblöcken ist es möglich, den Strom der Spule zu berechnen und ergibt als Zeittaktzahl die erforderliche Zeit des Stromes, um den Wert I₀ des eingeschwungenen Zustands zu erreichen, wodurch somit T1 erhalten wird. In ähnlicher Art und Weise ist es durch das Umkehren des Zeitstrahls möglich T3, zu berechnen: Wenn die Spule von einem Stromwert gleich Null startet und den Wert I₀ des eingeschwungenen Zustands unter Verwendung eines Spannungssignals erreicht wird, welches zeitinvers relativ zu dem Signal, welches benötigt wird, ist, ist es möglich, einen Übergang zu erreichen, der die gleiche Dauer wie der Entladeübergang T3 hat; in diesem Fall sind auch einfaches Addieren und Akkumulieren der Schaltungsblöcke ausreichend für das Erhalten der Werte.
13 und 14 zeigen entsprechende Ausführungsformen von Schaltungsnetzwerken umfassend Addierungs- und Akkumulierungsblöcke, welche für die oben erwähnten Zwecke verwendet werden können.
13 zeigt einen Schaltkreis zum Berechnen der Zeit T1. Der Stromwert I_n wird mit dem Stromwert I₀ verglichen, wobei die Zeit T1 erreicht ist, wenn diese Werte übereinstimmen.
14 zeigt einen Schaltkreis zum Berechnen der Zeit T3. Der Stromwert I_n wird mit dem Stromwert I₀ verglichen, wobei die Zeit T3 erreicht ist, wenn diese Werte übereinstimmen.
Aus Sicht der Steuerung können vier verschiedene Situationen, die in den 9, 10, 11 und 12 gezeigt sind, auftreten.
Die Fälle, die in den 10 und 11 gezeigt sind, verlangen eine spezielle Steuerung. Im Fall von 10 ist die Zeit T3 erst später bekannt als zu dem Moment, in dem sie zum Abschalten der Halbbrücke LF benötigt wird. Dies hat seinen Grund darin, dass der Algorithmus die erwünschten Resultate nicht im Moment ihrer Verwendung liefert. Im Fall von 11 ist der Strom so hoch, dass die Summe der Zeiten T1 und T3 höher ist als die Rampenanstiegsdauer, so dass die hieraus erhaltenen Werte deshalb für Steuerungszwecke nutzlos sind.
In beiden Fällen ist es nützlich, eine Zeit T_x zu kennen, die als die Momentanzeit der Überschneidung zwischen den Lade- und Entladeströmen der Spulen L1 definiert ist: diese Zeit T_x erlaubt es, den Ladevorgang der Spule L1 zu unterbrechen, so dass hierin am Rampenende kein Reststrom vorhanden ist, wobei dieser Strom in anderer Art und Weise durch die Linearstufe unter nachteiligem Energieverlust wiederhergestellt wird.
Die Anstiegszeit bis zum eingeschwungenen Zustand für die Spule L1, d. h. die Zeit, die von L1 benötigt wird, um den theoretischen Stromwert (SRC) zu erreichen, ist:
Die Endladezeit, die benötigt wird, um die Spule L1 zu entladen, damit am Flankenende kein Reststrom vorhanden ist, ist:
wobei

V_D: = direkte Spannung an der Rückmeldediode;
V_F: = Endspannung;
V_O: = Anfangsspannung;
L: = Spule L₁;
C: = Gesamtlastkapazität;
S_R: = Spannungsflankenanstiegsgeschwindigkeit;
V_ALIM: = Versorgungsspannung.

BERECHNUNG DER ZEIT T1: An den Anschlüssen der Spule L1 (L steht für den Wert der Spule L1) kommt die folgende Differenzialgleichung zur Anwendung:
unter Auflösung in eine diskrete Form wird sie zu
durch Auflösung derselben in eine diskrete Form wird auch die Spannung an den kapazitiven Lastanschlüssen bestimmt durch: VC = SR·t + VO VC = SR·n·TCL + VO,
BERECHNUNG DER ZEIT T3: Um die Entladezeit zu berechnen, wenn die Spule von einem Strom I₀ zu einem Strom gleich Null am wirklichen Ende der Spannungsrampe gelangt, unter der Annahme, sich in diesem letzten Augenblick zu befinden und in der Zeit zurückzugehen bis zum Augenblick T3, in dem der Strom I₀ durch die Spule fließt, ist es wichtig, dass (durch Anwendung von einer Variablenumstellung t = τ) das System analog zu einem ist, welches sich in fortgeschrittener Zeit aber in einer negativen Spannungsrampe befindet. In Formeln:
mit VC(t) = VF + SR·t
Die obige Gleichung mit negativer t ist gleich der Folgenden mit positiver t:
mit VC(t) = VF – SR·t
Durch Auflösen der Letzteren in eine diskrete Form wird sie zu
durch Auflösung des Spannungswertes in eine diskrete Form an den kapazitiven Lastanschlüssen: VC = SR·t + VO VC = VF – SR·n·TCL,
BERECHNUNG DER T_x-ZEIT: Einfache Berechnungen erbringen die folgende Formel:
Aus dem Vorangegangenen kann abgeschätzt werden, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindungen hierin zum Zwecke der Darstellung beschrieben wurden, verschiedene Abwandlungen, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, realisiert werden können. Dementsprechend ist die Erfindung nicht anderweitig limitiert als durch die anliegenden Ansprüche.

Claims

Schaltung (1) zum Ansteuern von piezoelektrischen Lasten (2), mit einem linearen Ansteuerungsschaltungsabschnitt (3), der an die Last (2) über eine induktive/widerstandsbehaftete Verbindung angeschlossen ist, die mit einer Spannungswellenform beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zumindest einen Umschaltabschnitt (4, 5) umfasst, der seinerseits mittels eines induktiven Widerstands (L1, L2) an die Verbindung angeschlossen ist, um im Übergangszustand bzw. eingeschwungenen Zustand den Höchstbetrag des von der Last (2) benötigten Gesamtstroms zu liefern.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie jeweilige Umschaltabschnitte (4, 5) umfasst, die mittels eines jeweiligen induktiven Widerstands (L1, L2) strukturell unabhängig an die Verbindung angeschlossen sind.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen einzigen Steuerblock (7) zum Ansteuern der Umschaltabschnitte (4, 5) umfasst.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest weitere Umschaltabschnitt (4, 5) eine Halbbrückenschaltung (LF, HF) umfasst, die zumindest eine Schaltvorrichtung aufweist, die zwischen einer ersten Versorgungsspannungsreferenz (V_ALIM) und einer zweiten Massereferenz (GND) versorgt wird.
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umschaltabschnitt (4, 5) eine Halbbrückenschaltung (LF, HF) umfasst, die zumindest eine Schaltvorrichtung aufweist, die zwischen einer ersten Versorgungsspannungsreferenz (V_ALIM) und einer zweiten Massereferenz (GND) versorgt wird.
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Widerstände (L1, L2) verschiedene Werte haben.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Halbbrückenschaltung (LF, HF) ein Paar Transistoren (M1, M2; M3, M4) umfasst und über eine der Spulen (L1, L2) an die Last (2) gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Steueranschlüsse der Transistoren der Halbbrückenschaltung (LF, HF) an Ausgänge des Steuerblocks (7) angeschlossen sind.
Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Stromfühler (8) umfasst, der dem linearen Abschnitt (3) und dem Steuerblock (7) nachgeordnet angeschlossen ist.
Verfahren zum Ansteuern einer piezoelektrischen Last (2) mit induktiver/widerstandsbehafteter Verbindung, wobei zumindest eine lineare Ansteuerung der Last (2) durch eine Ansteuerschaltung (1) stattfindet, die mit einen linearen Schaltungsabschnitt (3) ausgestattet ist, welcher an die Last (2) durch die Verbindung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Übergangszustand bzw. eingeschwungenen Zustand zwei weitere, separate Antriebsarten vorgesehen sind, wobei jeweilige Umschaltabschnitte (4, 5), die strukturell unabhängig und ihrer seits über jeweilige induktive Widerstände (L1, L2) an die Verbindung angeschlossen sind, den Höchstbetrag des von der Last (2) benötigten Gesamtstroms (I_LOAD) liefern.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umschaltabschnitt (4, 5) unabhängig und entsprechend dem Wert eines den linearen Abschnitt (3) verlassenden Stroms aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umschaltabschnitt (4, 5) eine Halbbrückentransistorschaltung (LF, HF) umfasst, die zwischen einer ersten Versorgungsspannungsreferenz (V_ALIM) und einer zweiten Massereferenz (GND) versorgt wird, welche über einen der induktiven Widerstände (L1, L2) an die Last (2) gekoppelt sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die induktiven Widerstände (L1, L2) verschiedene Werte haben.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltabschnitte (4, 5) nach einem Zeitplan (T1, T2, T3) aktiviert werden, der vom Wert des Stroms (I_AMP) abhängig ist und einem Über gangszustand, einem eingeschwungenen Zustand bzw. einem Entladezustand entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Last (2) benötigte Strom (I_LOAD) sich in drei verschiedene Tei len aufteilt: – zwei Stromspitzen, die zu Beginn der Übergangsphase vom Schaltungsabschnitt (5) bereitgestellt werden; – ein Großteil des auf den eingeschwungenen Zustand bezogenen Stroms, der vom anderen Schaltungsabschnitt (4) bereitgestellt wird; – ein Korrekturstrom, der vom linearen Abschnitt (3) bereitgestellt wird.