用于高速操作的壓電致動器控制的制作方法
【專利摘要】本文所描述的是用于控制壓電元件，例如用于在燃料噴射器中使用的，在更高頻率下安全且有效并且不由于過度加熱而對燃料噴射器造成損壞的方法。并入本發(fā)明的特征的方法能夠利用波形產生、波形縮放以及功率放大驅動壓電元件。在一些實施例中，使用各種操作條件來確定縮放值，該縮放值與目標值相比較以確定用于所產生的波形的縮放水平。
【專利說明】用于高速操作的壓電致動器控制
[0001]本發(fā)明的背景。
技術領域
[0002]本發(fā)明總體上涉及壓電元件，并且更具體地涉及用于控制這樣的元件的操作的方法及裝置。
【背景技術】
[0003]大部分現代內燃發(fā)動機利用燃料噴射系統(tǒng)以通過在高壓下將燃料強制栗送通過小孔來將霧化燃料遞送到發(fā)動機。這些燃料噴射系統(tǒng)常常比先前使用的化油器更精確和有效。在這些系統(tǒng)中利用的典型燃料噴射器通常利用液壓地、電磁地或壓電地致動的噴射器銷。
[0004]壓電元件使用在將電壓施加到元件兩端時尺寸發(fā)生變化的材料。在移除電壓后，壓電元件返回到其初始尺寸。當用作致動器時，許多壓電元件堆疊在一起以形成更大的壓電元件或“壓電堆疊”以增加致動器的位移。在壓電致動的燃料噴射器中，使用這些壓電元件或壓電堆疊中的一個或多個以將用于燃料計量的燃料噴射器銷移動到內燃發(fā)動機中。各種彈簧狀結構通常結合這些裝置使用以施加回程力并且因此有利于燃料噴射器銷在致動能量不再施加到壓電堆疊之后返回到其“靜止”位置。
[0005]壓電致動器通常是電壓驅動的或電流驅動的。這樣的致動器在低致動頻率下最佳地操作，但受限于不大于約100赫茲(Hz)的操作頻率。在更高頻率下，壓電元件的能量損耗造成壓電堆疊的自加熱。由于壓電元件的溫度增加，所以壓電元件的容量也增大。該容量增大繼而增加操作壓電致動器所需要的電荷。增加的電荷需求進一步增加發(fā)熱并且導致公知的“熱逃逸”現象。熱逃逸涉及增大的容量，從而導致增大的電流和增加的發(fā)熱，其形成正反饋循環(huán)。該正反饋循環(huán)最終使壓電致動器的溫度上升超過其能被最佳地和/或安全地操作的水平。
[0006]因此需要一種有效的控制方法，其使得壓電元件能夠在更高頻率下有效且安全地操作而沒有有害影響。

【發(fā)明內容】

[0007]本文中描述的是壓電控制方法及裝置，諸如驅動器，其使得壓電元件(例如，在燃料噴射器中的壓電元件)能夠在更高頻率下安全且有效地操作而沒有有害影響，諸如由于過度加熱而對燃料噴射器造成的損壞。并入了本發(fā)明的特征的方法及裝置能夠包括利用波形發(fā)生器、波形縮放模塊以及功率放大器。
[0008]在一些實施例中，方法及裝置使用在壓電元件的操作期間所得到的測量值，諸如電氣性能的測量值(諸如頻率和/或壓電元件電流)，以確以何種水平修改發(fā)送到壓電元件的電激活信號以減少加熱。這使得壓電元件能夠在更高頻率(例如，至少200 Hz的頻率)下安全且有效地操作，而不對壓電元件或燃料噴射器的其他部分造成有害影響。
[0009]在并入本發(fā)明的特征的一個實施例中，操作壓電元件的方法包括下述步驟:根據輸入脈沖產生第一波形，其中，該波形具有可測量波形特征；測量所述壓電元件的操作參數，并且將這些操作參數與針對所述操作參數的目標值相比較并與所述可測量波形特征相比較;縮放所述第一波形以更接近地匹配所述目標值，從而產生縮放的輸出波形；以及可選地，將所述縮放的輸出波形放大到足以驅動所述壓電元件的水平。
[0010]在并入本發(fā)明的特征的另一實施例中，操作壓電元件的方法包括下述步驟:根據輸入脈沖產生具有某頻率的波形并且測量該頻率;然后通過將所述波形的所述頻率與臨界頻率值相比較確定縮放值。如果所述測量的頻率小于所述臨界頻率值，則不修改所述波形。 如果所述頻率大于所述臨界頻率值，則使所述壓電電流除以所述波形頻率以確定參考值并且將所述參考值與目標值相比較。如果所述參考值等于所述目標值，則不修改所述波形。如果所述參考值大于所述目標值，則確定縮放因子以在減小所述波形的特征中使用；如果所述參考值小于所述目標值，則確定所述縮放值以用于增加所述波形的特征。然后通過施加所述縮放值修改所述波形以提供縮放的輸出波形。
[0011]在并入本發(fā)明的特征的又另一實施例中，壓電元件驅動器包括:波形發(fā)生器，其被構造成接收數字輸入并產生波形輸出；縮放模塊，其被構造成接收所述波形輸出并產生縮放的輸出波形；以及功率放大器，其被構造成接收所述縮放的輸出波形并產生放大的波形。
[0012]結合附圖，基于下述【具體實施方式】本發(fā)明的這些和其他特征及優(yōu)點將對本領域的技術人員是明顯的，在附圖中如下?！靖綀D說明】
[0013]圖1是系統(tǒng)的示意圖，其中，通過輸入脈沖流的部件通信的信號流動控制并入本發(fā)明的特征的壓電部件系統(tǒng)的輸出；圖2是并入本發(fā)明的特征的系統(tǒng)的示意圖，其中，通過輸入脈沖流的部件通信的信號流動控制壓電部件系統(tǒng)的輸出；圖3是示出在圖2中描繪的信號流動中在不同點處的各種信號波形的對比；圖4是示出在并入本發(fā)明的特征的壓電致動器操作的示例方法中的決策點和響應的示意圖；以及圖5是示出并入本發(fā)明的特征的縮放過程的實施例的電流與頻率關系的圖表?！揪唧w實施方式】
[0014]本文所描述的是壓電控制方法，其使得在燃料噴射器中利用的壓電元件能夠在高于正常頻率的頻率下安全且有效地操作而沒有有害影響諸如由于過度加熱而對壓電元件造成的損壞。這些方法能夠包括監(jiān)測各種因素并且利用所得到的信息從而以對應的方式調整到壓電元件的激活信號。能夠以各種方式調整激活信號。例如，在信號通信流動中彼此連接的一個或多個部件的信號輸出能夠被改變，諸如通過使用波形發(fā)生器和功率放大器。能夠通過車輛的發(fā)動機控制單元(“ECU”)來控制這些各種特征。
[0015]并入本發(fā)明的特征的方法使用在壓電元件的操作期間各種因素的測量值，諸如電氣測量值，諸如頻率和/或壓電元件電流。盡管并入本發(fā)明的特征的方法詳細地描述了在計算被發(fā)送到壓電元件的電激活信號的修改程度中使用諸如電荷、電流和電壓等操作參數，但應理解的是能夠利用與壓電元件操作和潛在不需要的有害影響有關的其他操作參數。能夠通過利用本領域中已知的各種傳感器裝置獲得這些操作參數的測量值。還能夠將所測量的值通信到車輛的ECU，ECU能夠基于這些值運行計算并且激活和/或調整各種特征諸如波形發(fā)生器和功率放大器，如上所述。
[0016]在一些實施例中，利用波形縮放模塊。波形縮放模塊能夠是本領域已知的用于調整或改變波形(例如，通過將振幅乘以某值)的任何裝置。波形縮放模塊能夠被構造成當接收到指示某相關測量值(例如，壓電元件的電荷、頻率和/或電流)已達到某水平的特定信號時，通過期望值調整振幅。
[0017]貫穿本公開，本文中的優(yōu)選實施例和所示出的示例作為范例被提供，而不是作為對本公開的范圍的限制。如本文中所使用的，術語“發(fā)明”、“方法”、“本方法”或“本發(fā)明”指代本文中描述的并入本發(fā)明的特征的實施例和任何等同物中的任何一個。此外，貫穿本文件“發(fā)明”、“方法”、“本方法”或“本發(fā)明”的各種(多個)特征的參考不意味著所有要求保護的實施例或方法都必須包括所參考的(多個)特征。
[0018]還將理解的是當元件或特征被稱為在另一元件或特征“上”或者“鄰近”另一元件或特征時，其能夠直接在所述另一元件或特征上或者直接鄰近所述另一元件或特征，或者還可以存在介于其間的元件或特征。此外，相關術語諸如“外部”、“在...上面”、“下部”、 “在...下面”以及類似術語在本文中可以被用于描述一個特征與另一個特征的關系。應理解的是這些術語旨在包括除了在附圖中所描繪的定向之外的不同定向。
[0019]盡管術語第一、第二等在本文中可以被用于描述各種元件或部件，但這些元件或部件不應被這些術語限制。這些術語僅用于將一個元件或部件與另一元件或部件區(qū)分開。 因此，下面所討論的第一元件或部件可被稱為第二元件或部件而不偏離本發(fā)明的教導。如本文中所使用的，術語“和/或”包括相關聯的物品列表中的一個或多個的任何和全部組合。
[0020]本文中所使用的術語僅用于描述具體實施例的目的，并不旨在限制本發(fā)明。如本文中所使用的，單數形式“一”、“一個”以及“該”旨在還包括復數形式，除非上下文另有清楚的指示。還將理解的是術語“包括”、“包括著”“包含”和/或“包含著”在本文中使用時，具體說明所陳述的特征、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或其組合的存在或添加。
[0021]本發(fā)明的實施例在本文中參考本發(fā)明的理想實施例的示意圖被描述。如此，從所示信號流動的變型例如可被預期。本發(fā)明的實施例不應被解釋為受限于本文中的具體所示出的實施例，而是將包括為了適應不同的發(fā)動機設計可能是必要的的偏離。
[0022]根據本公開的實施例能夠與各種燃料噴射系統(tǒng)(包括使用在被加熱和/或超臨界條件下的燃料的噴射系統(tǒng))一起被利用，其示例在下述專利文件(包括其附圖、示意圖、圖表及相關書面描述)中提出:美國專利號8，402,951;美國專利號8,176,900;美國專利號8， 116,963;美國專利號8,079,348;美國專利號7,992,545;美國專利號7,996,990;美國專利號7,945,375;美國專利號7,762,236;美國專利號7,743,754;美國專利號7,657,363;美國專利號7,546,826;以及美國專利號7,444,230。這些文件特此以其全部內容通過引用并入本文中。
[0023]圖1是信號通信100的示意圖，其描繪通過波形發(fā)生器102、功率放大器104以及燃料噴射器的壓電元件106的信號流動。壓電驅動器101能夠包括波形發(fā)生器102、功率放大器104以及波形縮放模塊108。波形縮放模塊108放置在波形發(fā)生器102和功率放大器104之間的通信流動中。響應于所監(jiān)測到的操作參數(諸如功率、電流、電壓)或響應于從其他電子系統(tǒng)(諸如發(fā)動機管理系統(tǒng))接收的命令，波形縮放模塊108能夠改變波形的振幅，同時不改變波形的總體形狀。
[0024]響應于所監(jiān)測到的參數或響應于來自其他發(fā)動機控制部件的命令，波形縮放模塊 108能夠降低到壓電元件106的驅動電壓。降低的驅動電壓能夠降低在壓電元件106中所消耗的功率的量，從而最小化壓電元件106的溫度增加。
[0025]如在圖1中所示，響應于輸入脈沖110,波形發(fā)生器102能夠產生期望的電壓波形 114,從而產生輸出波形114的期望寬度和/或形狀。波形縮放模塊108將波形114乘以由監(jiān)測到的參數和/或接收到的命令確定的值。所得到的縮放波形116然后能夠通過功率放大器 104以固定增益放大到驅動壓電致動器106所需要的水平。
[0026]用于做出縮放決策的監(jiān)測到的操作參數可包括但不限于壓電電流、放大器電流、 放大器功率、溫度、操作頻率或參數的任何組合。能夠以若干方式利用從輸入脈沖信號118 和壓電電流信號112所接收到的信息。例如，在一個實施例中，將放大器功率輸入除以操作頻率。不考慮能量損耗，所得到的值與電荷成比例。通過保持電荷一致，可遞送恒定的壓電致動沖程。波形縮放模塊108能夠將電荷值與期望值相比較并且提供修改的輸出波形114以使實際電荷匹配期望值。
[0027]在某一閾值頻率以下，熱逃逸的問題極小并且不需要額外控制。在這些較小頻率下，不需要波形縮放并且波形縮放模塊108能夠被構造成將來自波形發(fā)生器102的信號傳到功率放大器104而不進行縮放。在其他實施例中，輸出波形114能在模塊被斷電或以其他方式致使無效時傳遞通過波形縮放模塊108。
[0028]能夠實施其他控制策略。例如，替代或額外于試圖更直接地調節(jié)電流或功率，能夠允許電流或功率上升直到達到閾值并且縮放值變化到更小值。同樣地，可基于跨越頻率閾值進行控制。一旦達到頻率閾值，就可以設置縮放值，根據頻率或僅降低到固定值。該控制計劃的延伸將使用若干閾值和若干縮放值。在其他實施例中，能夠通過由其他發(fā)動機控制電子裝置(例如，在ECU中運行的基于模型的控制器)供應的信號來控制縮放模塊的作用。 [〇〇29]圖2是并入本發(fā)明的特征的信號通信200的另一實施例的示意圖。如在圖2中所示， 波形發(fā)生器模塊202和縮放模塊204是安置在微處理器206中的軟件模塊。當與輸入脈沖208 相關的數據由波形發(fā)生器模塊202接收時，波形發(fā)生器模塊產生適用于與壓電元件212—起使用的數字波形210,壓電元件212并入了限制元件諸如上升和下落次數并減輕彈跳的特征。
[0030]繼續(xù)參考圖2,然后縮放軟件模塊204能夠縮放波形210的數字形式。縮放軟件模塊 204能夠利用操作頻率(如從脈沖輸入流所確定的)，以及在傳感器(例如，電流感測電阻器 214)兩端所感測到的電壓。該電阻器214能夠是高壓電源216的一部分，高壓電源216能夠被用于向功率放大器218供應功率。電源216能夠包括“反激升壓式”轉換器。從電流感測電阻器214獲得的電流測量值能夠與電源216的功率輸出相關。
[0031]電流感測電阻器214兩端的電壓能夠通過濾波器220過濾并且然后能夠通過放大器222放大(因為信號水平通常較低)以提供信號224。然后將該信號224發(fā)送到微處理器206 中的縮放模塊204,其中，縮放模塊204能夠將信號224的值除以頻率，從而產生縮放值。所得到的縮放值然后能夠與期望目標值(例如，針對壓電元件212,對應于最佳驅動條件(例如最佳驅動電流)的值)相比較。如果結果高于目標值，則能夠減小縮放值。如果該值小于目標， 則能夠增大縮放值。然后能夠將波形210乘以縮放值?？s放模塊204能夠被構造成在操作頻率低于期望特定值時不縮放波形210。在一些實施例中，該期望特定值被設置為大約100 HZ〇[〇〇32]然后能將縮放模塊204的數字輸出226發(fā)送到數字模擬(D/A)轉換器228,其中，所述數字輸出被轉換為模擬輸出電壓230。然后能夠將來自D/A轉換器228的模擬輸出電壓230 施加到功率放大器218的輸入端，所述功率放大器能夠放大輸出電壓230。在一些實施例中， 功率放大器將輸出電壓230從大約0-5伏特的信號水平放大到對于驅動電壓元件212通常最佳的更高的電壓信號(大約6-200伏特)。能夠以各種構造來實施功率放大器218。例如，功率放大器218能夠包括線性放大器或轉接放大器。在一些實施例中，功率放大器包括線性放大器或能夠被構造成具有類似于線性放大器的特性。[〇〇33]應理解的是雖然可在圖2中使用的控制輸入包括功率、電源以及頻率，但也能夠利用提供相關信息的其他控制輸入，例如壓電電流?？s放值能夠由其他發(fā)動機控制電子裝置產生并且作為數字信號被發(fā)送到該壓電驅動器。[〇〇34]圖3是對比上面關于圖2所討論的三個輸入信號和輸出信號的圖表300,包括輸入脈沖208、由波形發(fā)生器模塊202提供的數字波形210、以及來自縮放模塊的數字輸出226。如在圖3中所示，圖2的上述方法導致振幅的顯著縮放以及初始輸入脈沖208的輸出信號外形到縮放模塊204的數字輸出226的變化。
[0035]圖4描繪了用于并入了本發(fā)明的特征的驅動壓電元件的一種方法的邏輯流程示意圖400的示例。邏輯流程示意圖400闡明用于確定施加到波形的縮放值的方法。在第一步驟 402中，將波形(例如，響應于輸入脈沖由上面所討論的波形發(fā)生器產生的波形)的頻率與臨界值相比較。臨界值能夠是任何期望的相關值，例如，對于壓電致動器的最佳操作條件或關于壓電致動器的安全和/或有效操作水平的閾值。在示出的實施例中，頻率和臨界值之間的比較包括詢問頻率是否大于臨界值。如果答案是“否”，則縮放值保持不變。如果答案是 “是”，則過程前進到第二步驟404。[0〇36]在第二步驟404中，將電流除以頻率以產生參考值。然后將該參考值與目標值相比較。類似于上述的臨界值，目標值能夠對應于任何期望的相關值以調整用于操作壓電致動器的波形。如果參考值等于目標值，則縮放值保持不變。如果參考值不等于目標值，則過程前進到第三步驟406。[〇〇37]在第三步驟406中，將參考值與目標值相比較。如果參考值小于目標值，則增大縮放因子;如果參考值大于目標值，則減小縮放因子并且過程前進到第四步驟408。在第四步驟408中，將縮放值施加到波形，例如，通過將波形乘以縮放因子。邏輯流程示意圖400然后重置到第一步驟402以繼續(xù)監(jiān)測。
[0038]現在對并入本發(fā)明的特征的目標值和參考值進行進一步詳細地檢查。圖5示出圖表500,其中，操作頻率在x-軸502上繪出并且電流在y-軸上繪出。基線506示出用于壓電致動器的典型操作條件。如在圖表500中所示，在某操作頻率閾值點508處，例如對于許多壓電元件在近似100 Hz處，容量導致在該高頻率水平下繼續(xù)操作所需要的電流增加，這導致上面所討論的熱逃逸問題。這通過下述被反映出來:即，在超過頻率閾值點508之后基線506的斜率發(fā)生顯著變化。
[0039]關于圖5,能夠通過檢查基線506的初始斜率510(在與閾值點508交叉之前的斜率) 來確定參考值。該初始斜率具有通過將電流除以頻率來確定的值，并且精確地反映壓電致動器在閾值點508操作條件之前的最佳操作條件下所用的功率。隨后交叉閾值點508，能夠確定電流或電壓的目標值，其導致基線506的閾值點之前的斜率條件的延續(xù)以提供外推理想線512,該理想線512是基線506的延續(xù)。本質上，能夠對閾值點508之后的基線506進行縮放以具有更接近地匹配理想線512的值。
[0040]理想線512的斜率514能夠被用于確定電流水平目標值。斜率等于電流除以頻率。 能夠測量頻率并且響應于此能夠選擇性地施加合適的電流，使得理想線512的斜率514更接近地匹配基線506的第一斜率510?？刂齐娏鞯囊环N方式是改變系統(tǒng)中的電壓?？s放值將因此是將閾值點508之后的基線506縮放成更接近地匹配理想線512所需要的值。該縮放還能夠通過相應地調整波形的振幅來完成。
[0041]盡管已經參考本發(fā)明的某些優(yōu)選構造對本發(fā)明進行了詳細描述，但其他形式是可能的。本發(fā)明的實施例能夠包括在各個附圖中示出的共存特征的任何組合，并且這些實施例不應受限于具體示出和討論的那些。因此，本發(fā)明的精神和范圍將不限于上述的形式。
[0042]上文旨在涵蓋落在如隨附權利要求中所表達的本發(fā)明的精神和范圍內的所有修改和替代性構造，其中，在未在權利要求中提出的情況下，本公開的任何部分均不意欲明確地或暗示地獻給公共領域。
【主權項】
1.一種操作壓電元件的方法，其包括下述步驟: 根據輸入脈沖產生第一波形，所述波形具有可測量特征； 測量所述壓電元件的操作參數，并且將所述操作參數與針對所述操作參數的目標值相比較并且與所述波形的所述可測量特征相比較； 縮放所述第一波形，以便其特征更接近地匹配所述目標值，從而產生縮放的輸出波形；以及 可選地，放大所述縮放的輸出波形以提供足以驅動所述壓電元件的電壓水平的電流。2.如權利要求1所述的方法，其中，所述波形的所述可測量操作特征包括頻率。3.如權利要求1所述的方法，其中，所述測量的壓電操作參數包括壓電電流。4.如權利要求1所述的方法，其中，所述目標值包括目標電流值。5.如權利要求1所述的方法，其中，所述波形的形狀不通過縮放修改。6.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一波形的所述縮放包括使用縮放值以修改所述第一波形的振幅。7.如權利要求6所述的方法，其中，所述縮放值通過將功率輸入除以操作頻率被確定。8.如權利要求1所述的方法，其中，軟件模塊被用來縮放所述第一波形以產生修改的波形。9.如權利要求1所述的方法，其中，所述縮放的輸出波形是數字的并且數字模擬(D/A)轉換器被使用以在放大所述縮放的輸出波形之前將所述縮放的輸出波形轉換為模擬信號。10.一種操作壓電元件的方法，其包括下述步驟: 根據輸入脈沖產生具有頻率的波形并且測量所述頻率； 通過以下確定縮放值: 將所述波形的所述頻率與臨界頻率值相比較并且如果所述測量的頻率小于所述臨界頻率值，則不修改所述波形； 如果所述頻率大于所述臨界頻率值，則將到所述壓電元件的電流除以所述波形頻率以確定參考值并且將所述參考值與目標值相比較，如果所述參考值等于所述目標值，則前進且不修改所述波形，如果所述參考值大于所述目標值，則確定縮放因子以用于減小所述波形的特征，以及如果所述參考值小于所述目標值，則確定縮放值以用于增大所述波形的特征；以及 通過施加所述縮放值修改所述波形以提供縮放的輸出波形。11.如權利要求10所述的方法，其中，修改所述波形不導致所述波形的形狀的修改。12.如權利要求10所述的方法，其中，軟件模塊被用來縮放所述第一波形并且產生所述縮放的波形。13.如權利要求10所述的方法，其中，所述縮放的輸出波形是數字的并且數字模擬(D/A)轉換器被用于將所述縮放的輸出波形轉換為模擬信號并且可選地放大所述縮放的輸出波形。14.一種壓電元件驅動器，其包括: 波形發(fā)生器，所述波形發(fā)生器被構造成接收數字輸入并產生波形輸出； 縮放模塊，所述縮放模塊被構造成接收所述波形輸出并產生縮放的輸出波形；以及 功率放大器，所述功率放大器被構造成接收所述縮放的輸出波形并產生放大的波形。15.如權利要求14所述的驅動器，其中，所述縮放模塊被構造成接收信息，并且根據所述接收的信息，可選地產生縮放值以在修改所述波形中使用。16.如權利要求14所述的驅動器，其中，所接收的信息包括一個或多個操作參數，所述一個或多個操作參數用于產生縮放值。17.如權利要求16所述的驅動器，其中，所述一個或多個操作參數包括壓電致動器溫度。18.如權利要求15所述的驅動器，其中，所述縮放模塊被構造成將壓電功率除以操作頻率以產生縮放值并且然后將所述縮放值與目標值相比較。19.如權利要求15所述的驅動器，其中，在特定功率以下所述縮放值被設為定值。
【文檔編號】F02D41/30GK106063111SQ201480072578
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年11月13日
【發(fā)明人】M.迪亞蒙德, M.弗里克
【申請人】艾克莫特公司