Hybride Ansteuerschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer kapazitiven Last, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors, aufweisend einen Signalgenerator zur Ansteuerung einer ersten Endstufe bzw. Einrichtung zur Erzeugung eines diskreten Signals an der kapazitiven Last.

Für den Einsatz piezoelektrischer Aktoren in Anwendungen der Automobiltechnik, der Gebäudetechnik und der Automatisierungstechnik werden Ansteuerungen benötigt, die Spannungs-Zeitfunktionen mit großen Flankensteilheiten und hohen Endspannungen an kapazitiven Lasten erzeugen können. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, werden zur Ansteuerung dieser Aktoren schaltende Endstufen verwendet. Aus der diskontinuierlichen Zuführung von Energie resultieren jedoch hohe Oberwellenpegel und Abweichungen der Aktorauslenkung von der Vorgabefunktion. Den Vorteilen eines hohen

Wirkungsgrades, kleiner Anstiegszeiten und hoher Endspannungen stehen ein großer Oberwellenanteil und Abweichungen vom Sollwert gegenüber. Insbesondere bei der Verwendung zur Ansteuerung der Aktoren eines Piezomotors kommt es bei großem Oberwellenanteil zu starker

Geräuschentwicklung. Ein potentieller Vorteil des piezoelektrischen Antriebs, die Laufruhe, bleibt dadurch ungenutzt .

Regelabweichungen und Oberwellen, die durch diskrete

Energiepakete von geschalteten Endstufen bedingt sind, lassen sich durch Anpassen der Endstufen an die piezoelektrischen Aktoren und die zu erzielenden Zeitfunktionen reduzieren.

Dieser Reduktion sind jedoch Grenzen durch den Dynamikbereich der verwendeten Schaltung und Bauteile, sowie dem schaltungstechnischen Aufwand gesetzt. So können die von

einer schaltenden Endstufe erzeugten "Ladungspakete" nur in Grenzen skaliert werden. Eine Endstufe mit kleinen Anstiegszeiten erzeugt nicht beliebig kleine Ladungspakete. Ein vorgegebener Sollwert wird daher nicht ohne Regelabweichung erreicht. Oberwellen, erzeugt durch den getakteten Betrieb und dem aus den Regelabweichungen resultierenden hohen Klirrfaktor der generierten Ansteuerfunktion, lassen sich zwar durch Filter dämpfen. Doch insbesondere wenn Nutz- und Oberwellenfrequenzen im Frequenzband dicht beieinander liegen oder hohe Störpegel zu dämpfen sind, ist der Aufwand außerordentlich hoch und der Wirkungsgrad wird verschlechtert.

Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, kapazitive Lasten derart anzusteuern, dass mit Bezug auf eine Vorgabefunktion erfolgende Abweichungen der Signalgröße an der kapazitiven Last bzw. Abweichungen der Aktorauslenkung und ein Oberwellenpegel gegenüber herkömmlichen Ansteuerschaltungen wirksam verringert sind.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und durch ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen an.

Ein Signalgenerator erzeugt mittels eines einer Vorgabefunktion entsprechenden kontinuierlichen Signals an einer ersten Endstufe bzw. Einrichtung ein diskretes Signal an der kapazitiven Last. Mittels einer zweiten Endstufe bzw. Einrichtung erfolgt die Erzeugung eines kontinuierlichen Signals an der kapazitiven Last in Abhängigkeit von einer Vorgabefunktion des Signalgenerators und eines tatsächlichen diskreten Signals an der kapazitiven Last. Damit erfolgt eine Gegenkopplung einer Abweichung eines tatsächlichen diskreten Signals von einem geforderten kontinuierlichen Signal an der kapazitiven Last. Die Abweichung wird mittels einer

Vergleichseinrichtung erfasst, die die zweite Endstufe bzw. Einrichtung ansteuert. Zeit- und wert- kontinuierliche Signale sind insbesondere stetige Signale. Diskrete Signale können zeit- oder wert-diskret sein.

Mittels einer Kombination aus einer Vorrichtung zur Erzeugung diskreter Signale und einer Vorrichtung zur Erzeugung eines kontinuierlichen Signals wird eine genaue und oberwellenarme Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors bewirkt. Das diskrete Signal ist insbesondere ein zeitdiskretes Signal, und zwar insbesondere ein Taktsignal, insbesondere mit konstantem oder variablen Endpegel und/oder variabler Zeitdauer. Insbesondere bei Verwendung von piezoelektrischen Aktoren sind die Taktsignale Spannungs-Zeitfunktionen mit großen Flankensteilheiten und hohen Endspannungen. Das kontinuierliche Signal ist insbesondere ein zeitkontinuierliches Signal. Aufgrund der Gegenkopplung einer Abweichung des tatsächlichen diskreten Signals von einer Vorgabefunktion mittels des durch den zweiten Signalgenerator erzeugten kontinuierlichen Signals können Klirrfaktor und Oberwellenpegel wirksam reduziert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erzeugt der Signalgenerator zur Ansteuerung der ersten und der zweiten Endstufe mindestens eine Vorgabefunktion, insbesondere ein kontinuierliches Signal.

Die Vergleichseinrichtung kann zusätzlich einen Verstärker, insbesondere zur Verstärkung der Differenz zwischen dem geforderten kontinuierlichen Signal des Signalgenerators mit dem tatsächlichen diskreten Signal an der kapazitiven Last, aufweisen. Über eine Vergleichseinrichtung und eventuell Verstärker kann der Istwert des diskreten Signals an der kapazitiven Last mit dem einer Vorgabefunktion entsprechenden Sollwert verglichen werden. Der Sollwert wird von dem

Signalgenerator der Vergleichseinrichtung zugeführt. Nachdem das Ansteuersignal gegebenenfalls verstärkt wurde, wird die

zweite Endstufe entsprechend dem Vergleichsergebnis angesteuert. Als Vergleichseinrichtung und/oder Verstärker eignet sich bevorzugt ein Operationsverstärker.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste

Endstufe als geregelte getaktete Endstufe bereitgestellt. Die erste Endstufe kann ebenso ungeregelt ausgeführt sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die zweite Endstufe mit einer Vergleichseinrichtung einen schnellen Regler mit entsprechenden Zeitkonstanten bereitstellen.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Messwertaufnehmer an der kapazitiven Last zur Erfassung des Istwerts der Signalgröße, auf die geregelt werden soll, bereitgestellt ist. Der Messwertaufnehmer kann beispielsweise Spannung, Strom, Ladung oder Energie bzw. Leistung erfassen. Der Messwertaufnehmer ist dazu insbesondere in Reihe oder parallel zur kapazitiven Last elektrisch angeschlossen. Die Messwerterfassung kann auch berührungslos erfolgen.

Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen kann der Signalgenerator direkt oder indirekt über eine entsprechende Endstufe eine Ladung, eine Spannung oder allgemein Energie an der kapazitiven Last bereitstellen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die zweite Endstufe eine variable Spannungsquelle und einen Kondensator aufweist, die zueinander in Reihe oder parallel elektrisch angeschlossen sind.

Zur Kompensation von Drifteffekten, die zum Verlassen des Regelbereichs der zweiten Endstufe führen können, ist vorteilhaft ein Kompensationselement an der kapazitiven Last bzw. an dem Kondensator elektrisch angeschlossen.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Kompensationselement ein parallel zur kapazitiven Last bzw. dem Kondensator elektrisch angeschlossener Widerstand oder Schalter ist.

Die vorliegende Erfindung wird anhand von

Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 zeigt einen schematischen Gesamtaufbau zur Veranschaulichung des Prinzips der vorliegenden

Erfindung; Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer

Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 zeigt eine Simulationsschaltung mit einem

Ladungsgenerator und einem kontinuierlichen Regler; Fig. 5 zeigt eine Simulationsschaltung ohne kontinuierlichem

Regler; Fig. 6 zeigt Spannungs-Zeitfunktionen einer Schaltung nach Figur 4 (geregelt) und nach Fig. 5 (ungeregelt) .

In Figur 1 ist schematisch der Gesamtaufbau für eine Aktor¬ ansteuerung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip dargestellt. Der Aufbau besteht aus einem Signalgenerator 6, eine erste Endstufe 1 (Ladungsgenerator) , einem Analogregler aus den Komponenten 1, 3, 4 und einer Last 2.

Der Signalgenerator 6 erzeugt die Vorgabefunktion, die grob durch die erste Endstufe 1 nachgebildet wird. Ein (nicht dargestellter) Messwertaufnehmer am Aktor 2 ermittelt den Istwert der Größe auf die geregelt werden soll. Dies können zum Beispiel Spannung, Ladung oder Energie sein. Der Istwert wird der Vergleichseinrichtung/Verstärker 7 zugeführt, die das Signal mit einem Vorgabewert des Signalgenerators 6 vergleicht und eine Stellgröße erzeugt. Mit diesem Wert wird die variable Spannungsquelle 3 angesteuert, wodurch eine

Ladung vom Kondensator 4 auf den Aktor 2 verschoben wird. Der aufgetretene Fehler wird dadurch korrigiert.

Das in Figur 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel löst wirkungsvoll die bei herkömmlichen Vorrichtungen gegebenen technischen Probleme. Ebenso durch Kombination aus einer getakteten Endstufe und einer Endstufe mit zeitkontinuierlichem Ausgangssignal werden die Nachteile der getakteten Endstufe ausgeglichen. Regelabweichungen und Oberwellen werden durch die zeitkontinuierliche Regelung über eine große Bandbreite hinweg kompensiert.

Ebenso durch die in Figur 2 dargestellte Schaltung werden beide Konzepte unter Nutzung der jeweiligen Vorteile zusammengeführt. Die getaktete Endstufe 1 erzeugt dabei die durch den Signalgenerator 6 vorgegebene Basiszeitfunktion der Ladung, Energie, Leistung, Strom oder Spannung an einem piezoelektrischen Aktor 2. Fig. 2 zeigt einen Ladungsgenerator 1 als Ausführungsbeispiel für eine getaktete Endstufe. Durch eine zweite Endstufe bzw. einen zweiten Signalgenerator, bestehend aus einem Zweig mit einer variablen Spannungsquelle 3 und einem Kondensator 4, werden geringe Ladungsmengen dem piezoelektrischen Aktor 2 entnommen oder zugeführt. Über einen Regelkreis, der sensitiv zur Piezoladung, Energie oder Spannung ist, wird die variable

Spannungsquelle 3 angesteuert. Da hier die Anforderungen an den Spannungshub und die Ströme im Vergleich zur getakteten Endstufe klein sind, lassen sich hohe Grenzfrequenzen des Regelkreises erreichen. Der kontinuierliche Regler ist dadurch in der Lage, Oberwellen und Abweichungen vom Sollwert über eine große Bandbreite hinweg zu kompensieren.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine variable Spannungsquelle 3 elektrisch parallel zu einem Aktor 2 angeordnet. Aktor 2 und variable Spannungsquelle 3 sind ebenso elektrisch parallel zu einem Kondensator bzw. zu einer Kapazität 4 angeschlossen. Eine Vorrichtung gemäß Fig. 3 hat

eine vergleichbare Funktionsweise wie ein Aufbau nach Fig. 2, jedoch wird im Unterschied zu Fig. 2 das Bezugspotential des Aktors 2 verschoben. Die Kapazität 4 nimmt die dadurch verschobene Ladung auf.

Ein Element 5 in den Figuren 2 und 3 dient zur Kompensation von Drifteffekten, die zum Verlassen des Regelbereichs des kontinuierlichen Reglers bzw. des zweiten Signalgenerators führen können. Im einfachsten Fall ist Element 5 ein elektrischer Widerstand. Falls der Aktor 2 zyklisch angesteuert wird, kann das Element 5 als Schalter ausgeführt sein, der bei jedem Nulldurchgang der Vorgabefunktion die Kapazitäten 2 und 4 entlädt. In diesem Fall wird beim Nulldurchgang ebenso die Spannungsquelle 3 auf Null geregelt.

Das Wirkprinzip der vorliegenden Erfindung wurde mit Hilfe von Simulationen und anhand eines Testaufbaus nachgewiesen. Die Simulation ist durch Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 dokumentiert.

In Fig. 4 ist die Simulationsschaltung für eine hybride Endstufe mit einem Ladungsgenerator (gepulste Stromquellen) und einem kontinuierlichen (analogen) Regler, im Wesentlichen aus einem schnellen Operationsverstärker bestehend, dargestellt.

Als Vergleich zu Fig. 4 dient die Schaltung nach Fig. 5, die ohne kontinuierlichen Regler bereit gestellt ist. Diese Schaltung erzeugt die ungeregelte Spannungs-Zeitfunktion V(ungeregelt) nach Fig. 6 (siehe unteres Zeitdiagramm) . Die durch den Spannungsgenerator verursachten Sprünge werden hier deutlich sichtbar. Die Zeitfunktion des Sollwerts V(Sollwert), die eine Dreieckfunktion ist, ist im gleichen Diagramm dargstellt.

Durch Verwendung der geregelten Schaltung nach Fig. 4 werden die Abweichungen der Spannung über der Last von der

Sollspannung wirkungsvoll reduziert. Die Spannungs- Zeitfunktion V(Analogregler) bestätigt die Wirkung durch die geringen Abweichungen von der Sollfunktion (siehe Fig. 6; oberes Zeitdiagramm) .

In der Praxis sind die durch die getaktete Endstufe erzeugten Sprünge kleiner und die Endspannungen höher. Die Ankopplung des kontinuierlichen Reglers (die Gewinnung des Istwertes) erfolgt dann über einen Spannungsteiler. Die Leistungsfähigkeit unter diesen Bedingungen konnte ebenso anhand eines Testaufbaus bestätigt werden.