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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Beeinflussung eines Piezoaktors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige elektrische Schaltung sowie ein derartiges Verfahren sind aus der
EP 1 139 448 A1 bekannt. Aus dieser Schrift ist eine elektrische Schaltung zum Betreiben eines Piezoaktors bekannt. Diese umfasst eine Serienschaltung aus einem Piezoaktor, einem Selektor-Schalter und einem Messwiderstand. Eine Ladungsregelung ist an den Messwiderstand gekoppelt. Mit Hilfe des Selektor-Schalters wird derjenige Piezoaktor aus einer Mehrzahl von Piezoaktoren ausgewählt, der aktuell zur Kraftstoffeinspritzung vorgesehen ist.
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Weiterhin zeigt diese Schrift einen sogenannten Highside-Schalter in Serie zu dem Piezoaktor zu schalten, mit dessen Hilfe wird der Piezoaktor aufgeladen. Hierzu ist eine Stromregelung, insbesondere eine Zweipunktregelung vorgesehen. Mit Hilfe der Stromregelung wird erreicht, dass der Strom über den Piezoaktor im Wesentlichen einem vorgegebenen Sollstrom folgt.
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Ferner ist aus der
EP 1 139 442 A1 eine Schaltung zur Beeinflussung eines Piezoaktors bekannt.
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Die Einstellung einer erwünschten Ladung kann beispielsweise dergestalt durchführt werden, dass dem Zweipunktregler ein Sollstrom vorgegeben wird, und dass während eines Einspritzvorgangs die Ladung aufintegriert und ein neuer Sollstrom für den nächsten Einspritzzyklus berechnet und eingestellt wird. Auf diese Weise kann die aufgebrachte Ladung auf die erwünschte Ladung eingeregelt werden. Tritt jedoch während eines Aufladevorgangs z. B. eine zeitweilige Überhöhung der Versorgungsspannung auf, so kann dies hinsichtlich der aufgebrachten Ladung nicht ausgeregelt werden.
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Unvorhersehbare beziehungsweise stochastische Störgrößen, die während einer Ansteuerung des genannten Highside-Schalters auftreten, können somit von der erläuterten Stromregelung nicht ausgeregelt werden. Dies kann dazu führen, dass der aktuell aufgeladene Piezoaktor auf eine insgesamt zu große elektrische Ladung aufgeladen wird. Dies ist jedoch gleichbedeutend damit, dass der Piezoaktor eine zu große Kraftstoffmenge einspritzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Schaltung zur Beeinflussung einer elektrischen Last sowie ein zugehöriges Verfahren zu schaffen, mit dem eine zu weit reichende Aufladung vermieden wird.
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Lösung und Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine elektrische Schaltung nach dem Anspruch 1.
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Erfindungsgemäß ist eine Ladungsregelung vorgesehen, die mit dem Messwiderstand gekoppelt ist und die den Selektor-Schalter in Abhängigkeit von einer Soll-Ladung beeinflusst. Damit wird gewährleistet, dass der Selektor-Schalter spätestens dann geöffnet beziehungsweise nicht-leitend geschaltet wird, wenn die dem Piezoaktor zugeführte Ladung den Wert der Soll-Ladung erreicht. Die dem Piezoaktor zugeführte Ladung kann dabei mit Hilfe des Messwiderstands ermittelt werden.
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Insgesamt wird damit der Vorteil erreicht, dass der Piezoaktor maximal auf den Wert der Soll-Ladung aufgeladen wird. Diese maximale Aufladung ist dabei unabhängig von jeglichen unvorhersehbaren oder stochastischen Störgrößen. Dies wird dadurch erreicht, dass über den Messwiderstand ein Signal beziehungsweise eine Größe erzeugt wird, das beziehungsweise die der aktuellen Ladung auf dem Piezoaktor entspricht. Diese aktuelle Ladung kann dann mit der Soll-Ladung verglichen werden.
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Die erläuterte Ladungsregelung kann der eingangs erläuterten Stromregelung überlagert sein. In diesem Fall wird der über den Piezoaktor fließende Strom mit Hilfe der Stromregelung beeinflusst. Unabhängig davon wird von der Ladungsregelung fortlaufend der aktuelle Ladungszustand des Piezoaktors mit der Soll-Ladung verglichen, um in Abhängigkeit davon den Strom über den Piezoaktor zu unterbrechen, wenn die erwünschte maximale Ladung auf dem Piezoaktor erreicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Integrator vorgesehen, der von der Messeinrichtung mit einem Signal beaufschlagt ist, das dem über die Last fließenden Iststrom entspricht. Mit Hilfe des Integrators wird somit der über den Piezoaktor fließende Strom integriert. Daraus ergibt sich am Ausgang des Integrators die auf dem Piezoaktor aktuell vorhandene Ladung.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Vergleicher vorgesehen, der von einem Ausgangssignal des Integrators und der Soll-Ladung beaufschlagt ist. Mit Hilfe des Vergleichers wird somit das der aktuellen Ladung auf dem Piezoaktor entsprechende Ausgangssignal des Integrators mit der erwünschten Soll-Ladung verglichen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vergleicher die Schalteinrichtung öffnet, wenn das Ausgangssignal des Integrators größer ist als die Soll-Ladung. Es wird also der Selektor-Schalter in seinen nichtleitenden Zustand geschaltet, wenn das die aktuelle Ladung repräsentierende Ausgangssignal des Integrators größer ist als die auf dem Piezoaktor erwünschte Soll-Ladung. Durch das Öffnen des Selektor-Schalters wird ein weiterer Stromfluss über den Piezoaktor verhindert. Dies ist jedoch gleichbedeutend damit, dass der Piezoaktor nicht mehr weiter aufgeladen wird. Die aktuell auf dem Piezoaktor vorhandene Ladung bleibt also auf dem Wert der erwünschten Soll-Ladung stehen.
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Zweckmäßigerweise kann hierbei der dem Vergleicher zugeführte Referenzwert derart vorgegeben werden, dass der Anstieg der Ladung auf dem Piezoaktor, der durch denjenigen Stromfluss noch hervorgerufen wird, der während des eigentlichen Abschaltvorganges der Schalteinrichtung noch durch den Piezoaktor fließt, vorgehalten und damit berücksichtigt wird.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung zur Ansteuerung einer elektrischen Last, insbesondere zur Ansteuerung eines Piezoaktors einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine.
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Die in der Figur gezeigte elektrische Schaltung 10 weist eine Spannungsquelle mit einer Spannung UB auf. Bei dieser Spannung UB kann es sich um die Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs handeln. Ebenfalls ist es möglich, dass es sich bei der Spannung UB um eine sogenannte Booster-Spannung handelt, also um eine hochgesetzte Spannung. Beispielsweise kann die Booster-Spannung 48 Volt betragen, während die Batteriespannung des Kraftfahrzeugs beispielsweise 12 Volt beträgt.
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An die Spannung UB sind ein sogenannter Highside-Schalter 11 und ein sogenannter Lowside-Schalter 12 in Serie gegen Masse geschaltet. Bei diesen Schaltern 11, 12 handelt es sich beispielsweise um Transistoren, die jeweils mit einer gegensinnig geschalteten Diode versehen sind.
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An die Spannung UB ist weiterhin eine Serienschaltung aus einer Diode 14, einem Piezoaktor 15, einem sogenannten Selektor-Schalter 16, sowie einem Messwiderstand 17 gegen Masse geschaltet. Die Diode 14 ist mit ihrer Kathode an die Spannung UB angeschlossen. Die Anode der Diode 14 ist über eine Drosselspule 19 mit dem Verbindungspunkt der beiden Schalter 11, 12 verbunden. Bei dem Selektor-Schalter 16 handelt es sich um einen Transistor, der mit einer gegensinnig geschalteten Diode versehen ist.
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Zum Auf- oder Entladen des Piezoaktors 15 wird der Selektor-Schalter 16 leitend geschaltet. Dies wird mit Hilfe eines UND-Glieds 21, und zwar über dessen Eingang 21 erreicht.
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Zum Aufladen des Piezoaktors 15 wird bei leitendem Selektor-Schalter 16 weiterhin der Highside-Schalter 11 leitend geschaltet. Es fließt dann ein Ladestrom von der Spannung UB über den Highside-Schalter 11, über die Drossel 19, über den Piezoaktor 15, über den Selektor-Schalter 16 und über den Messwiderstand 17 nach Masse. Der Lowside-Schalter 12 ist bei diesem Ladevorgang geöffnet. Zum Entladen des Piezoaktors 15 wird der Highside-Schalter 11 geöffnet und der Lowside-Schalter 12 wird leitend geschaltet. Es fließt dann ein Strom von dem Piezoaktor 15 über die Drossel 19, über den Lowside-Schalter 12, über Masse, über den Messwiderstand 17 und über den Selektor-Schalter 16 zurück zum Piezoaktor 15.
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Für den Ladevorgang ist eine Stromregelung mit Hilfe eines Zweipunktreglers 23 vorgesehen. Als Eingangssignal ist der Zweipunktregler 23 mit der an dem Messwiderstand 17 abfallenden Messspannung beaufschlagt. Diese Messspannung entspricht dem über den Messwiderstand 17 fließenden Iststrom II. Weiterhin erhält der Zweipunktregler 23 als weiteres Eingangssignal einen Sollstrom IS, der von einem digitalen Steuergerät 25 sowie mit Hilfe eines Digital/Analog-Wandlers 27 erzeugt wird.
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Der Stromregler 23 schaltet nunmehr den Highside-Schalter 11 derart ein und aus, dass der Iststrom II in einem vorgegebenen Stromband oberhalb und unterhalb des Sollstroms IS verbleibt. Bei dem über den Piezoaktor 15 fließenden Strom handelt es sich somit um einen sogenannten Sägezahnverlauf, dessen mittlerer Wert durch den Sollstrom IS vorgegeben ist.
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Zusätzlich zu der beschriebenen Stromregelung ist bei der elektrischen Schaltung 10 der Figur eine Ladungsregelung 29 vorgesehen. Diese Ladungsregelung 29 weist einen Integrator 31 auf, der von dem Iststrom II beaufschlagt wird. Bei dem am Ausgang des Integrators 31 vorhandenen Signal handelt es sich um eine ladungsproportionale Größe. Dieses Ausgangssignal repräsentiert damit diejenige Ladung QI, mit der beispielsweise während des Ladevorgangs der Piezoaktor 15 aktuell aufgeladen ist.
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Das Ausgangssignal des Integrators 31, also die Ladung QI, beaufschlagt einen Vergleicher 32 der Ladungsregelung 29. Ein weiterer Eingang des Vergleichers 32 ist mit einer Ladung QS beaufschlagt, bei der es sich um eine Soll-Ladung handelt. Diese Ladung QS wird von dem digitalen Steuergerät 25 mit Hilfe eines Digital/Analog-Wandlers 33 erzeugt.
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Ausgangsseitig ist an den Vergleicher 32 zuerst ein Impulsformer 34 und dann ein Inverter 35 angeschlossen. Der Ausgang des Inverters 35 beaufschlagt das UND-Glied 21.
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Ist die Ladung QI kleiner als die Ladung QS, so erzeugt der Impulsformer 34 eine logische Null, die von dem Inverter 35 in eine logische Eins umgesetzt wird. Über den Eingang 21' des UND-Glieds 21 ist der Selektor-Schalter 16 somit leitend geschaltet. Der Piezoaktor 15 wird damit über den Highside-Schalter 11 aufgeladen. Dabei wird der Ladestrom über den Piezoaktor 15 mit Hilfe der erläuterten Stromregelung auf das vorgegebene Stromband geregelt.
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Auf Grund der laufenden Integration des Iststroms II durch den Integrator 31 steigt die Ladung QI an. Erreicht die Ladung QI den Wert der Soll-Ladung QS, so wird von dem Impulsformer 34 ein Impuls mit einer logischen Eins erzeugt. Dieser Impuls wird von dem Inverter 35 in eine logische Null umgesetzt. Auf Grund dieser logischen Null wird der Selektor-Schalter 16 von dem UND-Glied 21 nicht-leitend geschaltet und damit geöffnet.
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Es kann somit kein Ladestrom mehr über den Piezoaktor 15 fließen. Statt dessen fließt ein Strom aus der Drossel 19 über die Diode 14, über die Spannung UB, über Masse, und über die Diode des Lowside-Schalters 12 zurück zu der Drossel 19. Die Drossel 19 wird auf diese Weise entladen.
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Auf Grund des geöffneten Selektor-Schalters 16 fließt – wie gesagt – kein Strom mehr über den Piezoaktor 15. Es erfolgt somit keine weitere Aufladung des Piezoaktors 15.
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Die Aufladung des Piezoaktors 15 wird also durch die beschriebene Ladungsregelung 29 auf die vorgegebene Soll-Ladung QS begrenzt. Insoweit überlagert die beschriebene Ladungsregelung 29 die mit Hilfe des Zweipunktreglers 23 realisierte Stromregelung der in der Figur dargestellten elektrischen Schaltung 10.
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Wie erläutert wurde, erzeugt der Impulsformer 34 einen Impuls mit einer logischen Eins. Die zeitliche Dauer dieses Impulses wird derart vorgegeben, dass innerhalb dieses Zeitraums der Highside-Schalter 11 in jedem Fall geöffnet wird. Wird damit am Ende des genannten Impulses von dem Impulsformer 34 wieder eine logische Null erzeugt, so hat dies zur Folge, dass der Selektor-Schalter 16 in Abhängigkeit von dem Eingang 21' des UND-Glieds 21 wieder leitend geschaltet werden könnte. Da jedoch der Highside-Schalter 11 aufgrund der vorgenannten Dauer des von dem Impulsformer 34 erzeugten Impulses bereits geöffnet ist, erfolgt keine Aufladung des Piezoaktors 15.
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Bei dem Piezoaktor 15 handelt es sich um eine kapazitive Last. Es versteht sich, dass auch jegliche andere elektrische Last, unter anderem auch eine magnetische Last, beispielsweise ein elektromagnetischer Steller, an Stelle des Piezoaktors 15 vorhanden sein kann. Ebenfalls versteht es sich, dass an Stelle des Messwiderstands 17 auch jegliche andere Messeinrichtung vorhanden sein kann, mit deren Hilfe der Strom über den Piezoaktor 15 direkt oder indirekt oder gegebenenfalls auch berührungslos ermittelt werden kann. Schließlich ist es weiterhin möglich, dass der Highside-Schalter 11, der Lowside-Schalter 12 und/oder der Selektor-Schalter 16 in der Form einer beliebigen anderen Schalteinrichtung realisiert ist.
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Bei dem Steuergerät 25 kann es sich insbesondere um einen Mikroprozessor handeln, der in entsprechender Weise programmiert ist. Der von dem Steuergerät 25 abgegebene Stromsollwert IS und/oder die abgegebene Soll-Ladung QS können dabei auf beliebige Weise erzeugt werden. Insbesondere können die genannten Ausgangssignale in Abhängigkeit von dem Iststrom II und/oder der Ladung QI ermittelt werden.
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Die in der Figur gezeigte elektrische Schaltung 10 kann insbesondere im Zusammenhang mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen. Mit Hilfe des Piezoaktors 15 kann dabei Kraftstoff insbesondere direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Die Brennkraftmaschine selbst kann dabei in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen.