УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЕМКОСТНЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Российский патент 2001 года по МПК H02N2/06 H01L41/00 

Изобретение относится к устройству для управления по меньшей мере одним емкостным исполнительным элементом, в частности приводимого в действие пьезоэлектрически клапана впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания, согласно признакам пунктов 1 или 2 формулы изобретения. Изобретение относится также к способу работы этого устройства.

Из ЕР 0464443 А1 известен пьезоэлектрический исполнительный элемент, который заряжается из конденсатора через зарядную катушку. Часть приложенной энергии при разрядке пьезоэлектрического исполнительного элемента отдается через разрядную катушку обратно в конденсатор, в то время как другая часть, также через разрядную катушку, превращается в тепло. При разрядке на пьезоэлектрическом исполнительном элементе находится отрицательное напряжение.

Из DE 3621541 А1 известна драйверная схема для пьезоэлектрического исполнительного элемента клапана впрыска топлива, который заряжается через подключенную к источнику напряжения последовательную схему из двух конденсаторов и одной зарядной катушки и разряжается через разрядную катушку в один из конденсаторов. В альтернативном варианте выполнения исполнительный элемент заряжается через подключенные к источнику напряжения конденсатор и зарядную катушку; при разрядке накопленная в пьезоэлектрическом исполнительном элементе энергия уничтожается через разрядную катушку.

В основе изобретения лежит задача создать устройство, работающее с минимальными потерями и имеющее простую конструкцию, для управления по меньшей мере одним емкостным исполнительным элементом, в котором можно задавать также различные номинальные значения возникающего на исполнительном элементе напряжения и в которой предотвращается появление на исполнительном элементе отрицательных напряжений.

Эта задача решается согласно изобретению с помощью признаков пунктов 1 или 2 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения отражены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Примеры выполнения изобретения поясняются ниже подробней с помощью схематичных чертежей, на которых изображено
фиг. 1 - схема первого примера выполнения,
фиг. 2 - блок-схема программы, относящаяся к принципу действия примера выполнения по фиг. 1,
фиг. 3 - схема второго примера выполнения,
фиг. 4 - схема третьего примера выполнения.

На фиг. 1 показана принципиальная схема для управления одним не изображенным клапаном впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания через пьезоэлектрический исполнительный элемент P1 с помощью схемы управления ST, управляемой обычно микропроцессором.

Между положительным полюсом +V и отрицательным полюсом GND источника энергии V расположена последовательная схема из зарядного конденсатора С и управляемого, электронного, пропускающего ток только в одном направлении переключателя X1 энергии.

В последующем описании, если речь идет о переключателях X1 - X4, то они представляют электронные, только в одном направлении пропускающие ток, состоящие по меньшей мере из одного полупроводникового элемента переключатели, предпочтительно тиристорные переключатели, управляемые с помощью схемы управления ST.

В проводящем состоянии переключателя X1 энергии зарядный конденсатор С заряжается от источника энергии V. Это может принципиально происходить тогда, когда напряжение U_c на зарядном конденсаторе меньше напряжения источника энергии V.

Параллельно зарядному конденсатору С включена последовательная схема из соединенной с переключателем энергии X1 колебательной катушки L и прекращающего зарядку переключателя X3, функция которого будет объяснена позже.

Параллельно прерывающему зарядку переключателю X3 расположена схема S исполнительного элемента, которая имеет последовательную схему из параллельной схемы пропускающего ток X направлении от колебательной катушки L зарядного переключателя X2 и пропускающего ток в направлении к колебательной катушке разрядного переключателя X4, и из параллельной схемы исполнительного элемента P с диодом D, который пропускает ток в направлении к зарядному переключателю X2.

Переключатели X1 - X4 управляются управляемой микропроцессором схемой управления ST в зависимости от внешних управляющих сигналов st, от заданного в данном примере выполнения номинального значения U_s (это могут быть также несколько значений, которые последовательно осуществляют их действие, например, для предварительного и основного впрыска топлива) для напряжения на исполнительном элементе P и от действительного значения U_p этого напряжения. Вместо напряжения на исполнительном элементе можно использовать также положение исполнительного элемента.

Способ работы устройства поясняется ниже на примере схемы по фиг. 1 с помощью показанной на фиг. 2 блок-схемы программы, исходя из начального состояния (состояние I), в котором конденсатор С полностью заряжен, все переключатели X1 - X4 являются не проводящими и колебательная катушка L не проводит ток.

С началом внешнего управляющего сигнала st = 1 (состояние II) зажигается зарядный переключатель X2 (переводится в проводящее состояние). Тем самым зарядный конденсатор С начинает разряжаться через колебательную катушку L в (действующий как конденсатор) исполнительный элемент и заряжает его (состояние III), что приводит к изменению длины пьезоэлектрического исполнительного элемента. Напряжение U_p на исполнительном элементе возрастает, что сообщается в управляющую схему ST (на фиг. 1 обозначено стрелками).

Как только напряжение U_p достигнет номинального значения U_s (состояние IV), заканчивается процесс зарядки, зарядный переключатель X2 становится не проводящим, т. е. X2 = 0, и прекращающий заряд переключатель становится проводящим (X3 = 1, состояние V). В колебательном контуре L-C продолжается колебательный процесс, пока ток в колебательной катушке L не станет равным нулю.

Заряженное состояние исполнительного элемента сохраняется, пока подводится управляющий сигнал st. При его исчезновении (st = О, состояние VI) исполнительный элемент должен быть разряжен. Для этого прекращающий зарядку переключатель переводится в не проводящее состояние, X3 = 0, а разрядный переключатель в проводящее состояние, X4 = 1, (состояние VII). За счет этого исполнительный элемент P разряжается через колебательную катушку L в зарядный конденсатор С. Когда исполнительный элемент разрядится до порогового напряжения диода D, то ток течет через диод; в колебательном контуре L-C продолжается колебательный процесс, пока ток через колебательную катушку не станет равным нулю. Переключатель X4 приводится в не проводящее состояние.

При отсутствии потерь на конденсаторе С было бы то же напряжение U_c, что и в начальном состоянии 1. Однако в действительности оно стало вследствие потерь меньше, так что в этом примере выполнения после окончания процесса разрядки, когда переключатели X2 - X4 снова находятся в не проводящем состоянии, переключатель энергии X1 переводится в проводящее состояние для дозарядки зарядного конденсатора С (состояние VIII), прежде чем начнется новый цикл зарядки.

На фиг. 3 показана схема, которая в принципе соответствует схеме по фиг. 1, однако предназначена для управления несколькими исполнительными элементами P1 - Pn. В этой схеме источник энергии V, переключатель X1 энергии, зарядный конденсатор С, колебательная катушка L и прекращающий зарядку переключатель X3 включены и действуют, как и в схеме по фиг. 1. Однако управляющая схема ST здесь еще раз не показана.

Для первого исполнительного элемента P1 схема S1 исполнительного элемента с зарядным переключателем X2.1 вместо X2, диодом D и разрядным переключателем X4 имеет ту же схему, что и на фиг. 1, с тем отличием, что между исполнительным элементом P1 и разрядным переключателем X4 включен проводящий в направлении разрядного переключателя ток диод D2.1, который для управления исполнительного элемента по фиг. 1 не является необходимым, и что для каждого другого исполнительного элемента P2-Pn в соответствующей схеме предусмотрены другой зарядный переключатель X2.2 - X2.n и другой диод D2.2 - D2.n.

Управляемые управляющей схемой зарядные переключатели X2.1 - X2.n выбирают подлежащий зарядке исполнительный элемент, в то время как диоды D2.1 - D2. n препятствуют тому, чтобы кроме выбранного исполнительного элемента заряжались бы и другие исполнительные элементы. Разрядка каждого исполнительного элемента происходит через приданный ему диод D2.1 - D2.n, если общий разрядный переключатель X4 переводится в проводящее состояние. Когда соответствующий исполнительный элемент разрядится до порогового напряжения диода D, то ток течет через диод; в колебательном контуре L-C продолжается колебательный процесс, пока ток через колебательную катушку не станет равным нулю.

На фиг. 4 показана другая схема для управления несколькими исполнительными элементами, которая имеет меньшее число элементов схемы, чем схема на фиг. 3. Здесь также не показана снова управляющая схема ST.

В схеме по фиг. 3 для зажигания каждого тиристорного переключателя X2.1- X2.n необходим дорогой трансформатор. От этих трансформаторов можно отказаться, если вместо них используют простые избирательные переключатели Т1 - Тn, например, переключатели в виде мощных полевых МОП-транзисторов. В этом случае схема по существу сокращается до схемы, соответствующей схеме по фиг. 1, в которой исполнительный элемент P заменен последовательной схемой из исполнительного элемента P1 и приданного ему избирательного переключателя Т1, причем параллельно раствору контактов избирательного переключателя Т1 включен пропускающий ток диод, который при использовании переключателей в виде полевых МОП- транзисторов уже интегрирован в них.

Для каждого другого исполнительного элемента P2 - Pn параллельно последовательной схеме P-T1-D1 подключена такая последовательная схема из исполнительного элемента P2 - Pn, избирательного переключателя Т2 - Тn и диода D2 - Dn.

Принцип действия этой схеме соответствует принципу действия схем по фиг. 1 и 3, причем при зарядке одного исполнительного элемента, например P1, приданный ему избирательный переключатель Т1 должен удерживаться управлением в проводящем состояние так долго, пока в проводящем состоянии находится зарядный переключатель X2.

При разрядке исполнительного элемента P1 ток протекает от исполнительного элемента через разрядный переключатель X4, колебательную катушку L, зарядный конденсатор С и диод D1. Когда исполнительный элемент разрядится до порогового напряжения диода D, то ток течет через этот диод, и в колебательном контуре L-C продолжается колебательный процесс, пока ток через колебательную катушку не станет равным нулю.

Показанные на фиг. 1, 3 и 4 схемы можно простой перестановкой как зарядных, так и разрядных переключателей, а также избирательных переключателей выполнить так, что исполнительные элементы соединены либо с корпусом GND (сторона низкого напряжения, смотри фиг. 1 и 3), либо находятся ближе к положительному полюсу +V (сторона высокого напряжения, смотри фиг. 4).

Устройство для управления с помощью управляемой микропроцессором схемы управления (ST) по меньшей мере одним емкостным исполнительным элементом (Р), в частности, приводимого в действие пьезоэлектрически клапана впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания, содержащее дозаряжаемый от источника энергии (V) зарядный конденсатор (С), от которого через управляемые схемой управления (ST) переключатели (X1 - Х4) заряжается исполнительный элемент, и в который он снова разряжается. Технический результат: уменьшение потерь и упрощение конструкции. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для управления по меньшей мере одним емкостным исполнительным элементом (Р), содержащее расположенный между положительным полюсом (+V) и отрицательным полюсом (GND) источника энергии (V) зарядный конденсатор (С), который включен с возможностью зарядки от источника энергии (V) через переключатель (X1) энергии, включенную параллельно зарядному конденсатору (С) последовательную схему из соединенной с переключателем (X1) энергии колебательной катушки (L) и прекращающего зарядку переключателя (Х3), и расположенную параллельно прекращающему зарядку переключателю (Х3) схему (S, S1) исполнительного элемента, состоящую из соединенного с одной стороны с колебательной катушкой (L) и пропускающего ток в направлении к ней разрядного переключателя (Х4), для каждого исполнительного элемента из последовательной схемы из соединенного с колебательной катушкой (L), проводящего ток в направлении от нее зарядного переключателя (Х2.1 - Х2.n) и самого исполнительного элемента (Р1 - Рn), и из расположенного между исполнительным элементом (Р1 - Рn) и другой стороной разрядного переключателя (Х4), проводящего ток в направлении разрядки диода (D2.1 -D2.n) и из включенного параллельно исполнительному элементу (Р1) диода (D), который пропускает ток в направлении приданного исполнительному элементу зарядного переключателя (Х2.1). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что переключатель (X1) энергии, зарядные переключатели (Х2, Х2.1 - Х2n) и разрядный переключатель (Х4) состоят из управляемых, электронных, пропускающих ток только в одном направлении переключателей с по меньшей мере одним полупроводниковым элементом. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере одно номинальное значение (Us1 - Usn) для положения соответствующего исполнительного элемента (Р, Р1 - Рn) или для приложенного к нему напряжения (Up) может задаваться схеме управления (ST) или находится в ее памяти, и что схема управления (ST) выдает управляющие команды для зарядных переключателей (Х2, Х2.1 - Х2n), прерывающего зарядку переключателя (Х3), разрядного переключателя (Х4) и избирательных переключателей (Т1 - Тn) в зависимости от внешних сигналов (st), от положения соответствующего исполнительного элемента (Р, Р1 - Рn) или приложенного к нему напряжения (Up) и от соответствующего номинального значения (Us1 - Usn) для положения или напряжения исполнительного элемента. 4. Способ работы устройства по п.1, отличающийся тем, что с началом управляющего сигнала (st) подлежащий управлению исполнительный элемент (Р, Р1 - Рn) заряжают от заряженного из источника энергии (V) конденсатора (С) через колебательную катушку (L) так долго, пока находящееся на нем напряжение (Up) достигнет заданного номинального значения (Us), затем сохраняют это заряженное состояние (Up = Us) до конца управляющего сигнала (st), по окончании управляющего сигнала (st) разряжают исполнительный элемент в зарядный конденсатор (С) и после процесса разрядки снова заряжают зарядный конденсатор (С) от источника энергии (V).