Brevet FR2829313A1 — publié le 20030307

La présente invention concerne un dispositif de commande d'un actuateur piézo-électrique piloté électroniquement, et plus particulièrement d'un injecteur de carburant à étage piézo-électrique piloté par le calculateur d'injection électronique d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile. Elle concerne également un procédé de mise en oeuvre dudit dispositif. Un tel injecteur de carburant comporte un étage en céramique piézo- électrique aux bornes de laquelle on fait varier la tension électrique pour modifier son épaisseur entre deux positions extrêmes correspondant à l'ouverture et à la fermeture de l'injecteur. Une céramique piézo-électrique d'injecteur est équivalent à une capacité dont la tension de chargement est élevée, supérieure à une centaine de volts. Dans un véhicule automobile, la tension d'alimentation a pour valeur 12 ou 42 volts, ce qui implique premièrement d'augmenter cette tension et deuxièmement d'assurer la charge et la décharge de la céramique. Il existe actuellement deux groupes de topologies de dispositif de commande pour injecteurs piézo-électriques. Un premier groupe concerne les topologies séparées en deux circuits, l'un étant un convertisseur-élévateur de tension en courant continu DC-DC alimenté par la basse tension de la batterie et l'autre étant une structure de chargement et de déchargement de la céramique. Une telle topologie est par exemple décrite dans la demande de brevet allemand publiée sous le No. DE 19827170, au nom de BOSCH. Un deuxième groupe concerne les topologies regroupant dans un même circuit le convertisseur-élévateur de tension et la structure de chargement/déchargement, comme le décrit la demande de brevet américain publiée sous le No. US 5 986 360, au nom de SIEMENS. Une telle topologie permet d'utiliser des composants communs pour les deux fonctions, ce qui réduit le coût global du dispositif. Le but de la présente invention est de proposer de nouvelles topologies assurant la charge des céramiques piézo-électriques, de façon sinusoïdale, afin de limiter les résonances mécaniques au sein du stack englobant les céramiques de l'injecteur qui occasionnent des pertes en charge et des oscillations importantes. Pour cela, l'objet de l'invention est un dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle, comprenant un convertisseur-élévateur de tension en courant continu alimenté par une source de tension continue, caractérisé en ce que le circuit de charge de l'actuateur est constitué par le convertisseur-élévateur de tension DC-DC, dont la haute tension est reliée à un circuit oscillant constitué de l'actuateur et d'une inductance de charge, et qui est composé d'un montage de type Forward avec un transformateur ayant au moins un enroulement primaire relié à la source de tension par au moins un interrupteur et un enroulement secondaire connecté en série avec une première diode, montée dans le sens passant du courant de charge de l'actuateur, une seconde diode de roue libre étant montée en parallèle sur ledit enroulement secondaire en série avec ladite première diode. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de décharge de l'actuateur piézo-électrique, considéré comme une capacité, est constitué d'un interrupteur commandable reliant l'inductance de charge à la borne positive de la batterie par une diode de décharge, une diode de protection étant montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur et son interrupteur, dans le sens contraire du courant de décharge, et destinée à éviter l'apparition d'une tension négative à ses bornes. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de décharge est constitué d'une part d'une inductance de décharge reliant l'actuateur à un interrupteur commandable, connecté lui-même à la borne positive de la batterie par une diode de décharge, d'un interrupteur commandable reliant la borne de l'inductance de décharge, opposée à l'actuateur, à la masse pendant la phase de charge de l'actuateur, et d'autre part une diode montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur et son interrupteur, dans le sens contraire du courant de décharge, et destinée à la protection de l'actuateur contre une tension négative à ses bornes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs modes de réalisation d'un dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique, illustrée par les figures suivantes qui sont : - les figures 1 et 2 : le schéma électronique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de commande selon l'invention, avec deux variantes du circuit de décharge ; - les figures 3 et 4 : le schéma électronique d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de commande selon l'invention, avec deux variantes du circuit de décharge ; - les figures 5 et 6 : le schéma électronique d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de commande selon l'invention, avec deux variantes du circuit de décharge. Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. Comme le montre le schéma de la figure 1, le dispositif de commande d'un actuateur piézo-électrique P, selon l'invention comporte une source de tension continue B-une batterie électrique par exemple-, dont la borne négative (-) est reliée à la masse et dont la borne positive (+) est reliée à un circuit convertisseur-élévateur E de tension, servant de circuit de charge dont la sortie haute tension est reliée à un circuit oscillant constitué de la céramique piézo-électrique P, et d'une inductance L. Comme un moteur thermique de véhicule automobile nécessite plusieurs injecteurs P,, i entier variant de 1 à n, le schéma représente plusieurs céramiques piézo-électriques Pi,..., P,,..., ? n, qui sont montées en parallèle et choisies successivement grâce à l'interrupteur T, monté en série avec chacune d'elles. En fonction de l'injecteur piézo-électrique qui doit être ouvert pendant les intervalles d'activité pour assurer l'alimentation en carburant du cylindre correspondant du moteur, l'interrupteur T, est commandé par un signal logique en provenance du calculateur d'injection, pour que la sortie haute tension du convertisseur-élévateur soit connectée précisément à cet injecteur. Selon l'invention, le convertisseur-élévateur de tension DC-DC est composé d'un montage de type Forward avec un transformateur ayant un enroulement primaire relié à la source de tension par au moins un interrupteur, selon différentes configurations qui font l'objet des différentes figures de la description, et un enroulement secondaire connecté en série avec une première diode, montée dans le sens passant du courant de charge de l'actuateur, une seconde diode de roue libre étant montée en parallèle sur ledit enroulement secondaire en série avec ladite première diode. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le convertisseur-élévateur E de tension DC-DC du circuit de charge est constitué d'un transformateur à trois enroulements bobinés autour d'un même noyau, dont deux enroulements primaires L,, respectivement L,, qui sont montés en parallèle et bobinés en sens inverse l'un par rapport à l'autre, comme le montrent les étoiles sur le schéma. L'un d'eux L1 est relié à la masse par un interrupteur commandable S, et le second L2 est relié à la masse par une diode Du, montée dans le sens du courant de démagnétisation du transformateur. L'interrupteur SW1 est monté en parallèle avec une diode d1 de roue libre, montée dans le sens bloquant du courant de charge, pour le protéger d'une surtension à l'ouverture. L'enroulement secondaire L3 est relié d'un côté à la masse et de l'autre à une première diode D2, montée dans le sens passant du courant de charge, une seconde diode D3 de roue libre étant montée en parallèle sur la branche constituée dudit enroulement secondaire L3 en série avec ladite première diode D2. L'interrupteur SW1 peut être par exemple un transistor MOS, ou bien un bipolaire à grille isolée-IGBT-avec diode intégrée en parallèle pour réduire le nombre de composants. Dans le cas d'un transistor MOS ou IGBT, la diode d1 est une diode intrinsèque de l'interrupteur SW1. Le fonctionnement du dispositif de commande en phase de charge de l'actuateur piézo-électrique P, est le suivant. Le signal de commande, issu d'un calculateur électronique comme le calculateur d'injection par exemple, pilote durant un premier intervalle de temps, la fermeture de l'interrupteur SW1 de telle sorte que la tension V1 aux bornes de l'enroulement primaire L1 est égale à la tension +U de la batterie. Grâce au rapport de transformation m du transformateur et en raison du bobinage des enroulements primaire L1 et secondaire L3, comme l'indiquent les étoiles sur le schéma, la tension V3 aux bornes de l'enroulement secondaire L3 est positive et égale à +mU. Cette tension V3 rend la diode D2 passante pour le courant de charge de l'actuateur, mais bloque la diode Dg, et sert de tension de charge en mode oscillant à l'actuateur à travers l'inductance de charge L. Puis, durant l'intervalle de temps suivant, le signal de commande pilote l'ouverture de l'interrupteur Se de telle sorte que, par magnétisation du transformateur, la diode D1 en série avec le second enroulement primaire L2 est forcée à conduire et la tension v2 aux bornes dudit l'enroulement L2 est égale à -U. La tension Vg aux bornes de l'enroulement secondaire L3 est alors égale à - mU, ce qui met la diode D2 dans un état bloqué et la diode D3 dans un état passant afin de continuer la charge de l'actuateur P, à travers l'inductance de charge L. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le convertisseur-élévateur E de tension DC-DC du circuit de charge est constitué d'un transformateur à deux enroulements, un enroulement primaire L4 et un enroulement secondaire L6, bobinés autour d'un même noyau, comme le montrent les étoiles sur le schéma. Comme dans le mode de réalisation précédent, l'enroulement secondaire L6 est relié d'un côté à la masse et de l'autre à une première diode Dg, montée dans le sens passant du courant de charge, une seconde diode Dy de roue libre étant montée en parallèle sur la branche constituée dudit enroulement secondaire L6 en série avec ladite première diode D6. Chacune des deux bornes de l'enroulement primaire L5 est reliée au milieu J4, respectivement J5, de deux branches montées en parallèle aux bornes de la batterie B et constituées chacune d'un interrupteur Sw4, respectivement Su5 en série avec une diode D4, respectivement Du, montés dans le sens du courant de démagnétisation du transformateur. Une diode (d4, d5) de roue libre est montée en parallèle sur chacun des deux interrupteurs (Sw4, Sw5) dans le sens contraire au courant de charge de l'actuateur pour les protéger d'éventuelles surtensions à l'ouverture. Comme le mode de réalisation précédent, les interrupteurs Set Sg peuvent être des transistors de type MOS ou IGBT, avec diode intégrée. Le fonctionnement de ce circuit de charge est le suivant, en fonction de la commande des deux interrupteurs. Le signal de commande pilote tout d'abord la fermeture simultanée des interrupteurs Sw4 et Sg, retiant ainsi la borne J4 de l'enroulement L4 à la borne (+) de la batterie B et sa borne J5 à la borne (-) de la batterie. Pendant cet intervalle de temps, la tension v4 aux bornes de l'enroulement primaire L4 est égale à +U, de sorte que la tension Vg aux bornes de l'enroulement secondaire L6 est positive et égale à +mU par l'effet du rapport de transformation. La diode D7 est alors dans un état bloqué et la diode D6 est rendue passante pour permettre la charge de l'actuateur à travers l'inductance de charge L. Puis pendant l'intervalle de temps suivant, le signal commande l'ouverture simultanée des deux interrupteurs Sw4 et Sg, et par magnétisation du transformateur, les deux diodes D4 et Dg connectées à l'enroulement primaire L4 sont forcées à conduire ce qui rend la tension V4 à ses bornes négative et égale à-U. Ainsi, la tension Vg aux bornes de l'enroulement secondaire L6 devient négative et égale à-mU, bloquant en conduction la diode D6, mais rendant conductrice la diode Dy pour faire circuler le courant de charge de l'actuateur dans l'inductance de charge L. La figure 5 représente un troisième mode de réalisation d'un dispositif de commande, dont le convertisseur de tension du circuit de charge est constitué d'un transformateur à deux enroulements qui diffère du mode précédent par le montage de l'enroulement primaire Lg, qui possède par ailleurs un enroulement secondaire Lg bobiné dans le même sens sur le même noyau. Comme dans les modes de réalisation précédents, l'enroulement secondaire Lg est relié d'un côté à la masse et de l'autre à une première diode Dg, montée dans le sens passant du courant de charge, une seconde diode D10 de roue libre étant montée en parallèle sur la branche constituée dudit enroulement secondaire Lg en série avec ladite première diode Dg. D'une part, cet enroulement primaire Lg est relié à la masse par un interrupteur commandable S, g et d'autre part est montée en parallèle à ses bornes une branche comprenant une diode Dg, montée dans le sens du courant de démagnétisation du transformateur, et une diode Zéner Zg, montée tête- bêche avec la précédente. Une diode dg de roue libre est montée en parallèle sur l'interrupteur S,,,, dans le sens contraire du courant de charge pour le protéger d'éventuelles surtensions à l'ouverture. Comme pour les deux modes de réalisation précédents, l'interrupteur S, g peut être un transistor de type MOS ou IGBT, avec diode intégrée. Le fonctionnement de ce circuit de charge est le suivant, en fonction de la commande de l'interrupteur Swig. Pendant un premier intervalle de temps, le signal de commande pilote la fermeture de l'interrupteur S,,,, qui relie la borne négative (-) de la batterie B à une borne de l'enroulement primaire L8 de sorte que la tension v8 aux bornes de l'enroulement primaire est positive et égale à +U et que la tension Vg aux bornes de l'enroulement secondaire Lg est égale à +mU. La diode Dio est bloquée en conduction et la diode Dg conduit le courant de charge de l'actuateur P, à travers l'inductance de charge L. Pendant l'intervalle de temps suivant, le signal de commande pilote l'ouverture de l'interrupteur Swede sorte que l'enroulement primaire L8 se démagnétise dans les diodes D8 et Z8 et présente une tension négative à ses bornes, qui se retrouve multipliée par le rapport m du transformateur aux bornes de l'enroulement secondaire Lg. La diode Dg est alors bloquée en conduction et la diode 010 devient passante pour le courant de charge de l'actuateur. L'injection de carburant a lieu ensuite dès que l'actuateur piézo- électrique a une tension comprise entre 100 et 250 volts, selon le type d'injecteur. Sur les figures 1,3 et 5, représentant trois modes de réalisation du dispositif de commande, le circuit de décharge de l'actuateur piézo-électrique, considéré comme une capacité, est constitué d'un interrupteur de décharge Td commandable reliant l'inductance de charge L à la borne positive (+) de la batterie B par une diode de décharge Dd'Une diode Dp montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur P, et son interrupteur T,, dans le sens contraire du courant de décharge, est destinée à la protection de l'actuateur P,, en évitant l'apparition d'une tension négative à ses bornes qui aurait pour conséquence de le détruire. Lors de la décharge, le signal de commande pilote les différents interrupteurs du circuit de charge à l'ouverture, et ferme l'interrupteur de décharge Td. L'actuateur se décharge à travers l'inductance de charge L et la diode Dd montée dans le sens passant du courant de décharge. Une variante de réalisation du circuit de décharge de l'actuateur est représentée sur les figures 2,4 et 6. Afin de pouvoir charger à nouveau l'actuateur piézo-électrique, il est nécessaire que le courant de décharge dans l'inductance L soit nul, ce qui peut n'être pas toujours le cas dans le montage précédent. Pour cela le circuit de décharge est constitué d'une part d'une inductance Ld de décharge reliant l'actuateur P, à un interrupteur de décharge Td commandable, connecté lui-même à la borne (+) de la batterie B par une diode de décharge Dd et d'autre part d'un interrupteur supplémentaire de décharge Tc commandable reliant la borne de l'inductance de décharge Ld, opposée à l'actuateur, à la masse. Comme pour la première variante, une diode Dp montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur P, et son interrupteur T,, dans le sens contraire du courant de décharge, est destinée à la protection de l'actuateur PI'en évitant l'apparition d'une tension négative à ses bornes qui aurait pour conséquence de le détruire. En phase de charge de l'actuateur P,, les interrupteurs de décharge Td et Tc sont toujours ouverts. Par contre, en phase de décharge, l'interrupteur Td est toujours fermé et l'interrupteur supplémentaire Tc est d'abord fermé pour accumuler, dans l'inductance de décharge Ld, l'énergie provenant de la décharge de l'actuateur, puis ouvert pour que l'inductance de décharge Ld se décharge à son tour dans la batterie B à travers l'interrupteur Td et la diode Dd de décharge. Comme pour la charge de l'actuateur, sa décharge peut s'effectuer en plusieurs paliers successifs qui permettent de contrôler la tension et de réduire la taille des composants, chaque palier correspondant à l'ouverture de l'interrupteur supplémentaire de décharge Tc. Le dispositif selon l'invention présente l'avantage d'être constitué d'un nombre très limité de composants, ce qui réduit à la fois son coût global et son encombrement. Un autre avantage intéressant est lié au chargement de l'actuateur sous des tensions réglables, avec possibilité de contrôler les pentes de chargement et de déchargement, en jouant sur les temps de fermeture et d'ouverture des interrupteurs SWI du circuit primaire du transformateur et de l'interrupteur supplémentaire de décharge Tc. De plus, ce dispositif de commande est relativement simple, avec une séquence de charge et de décharge directes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un actionneur piézo-électrique, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle, comprenant un convertisseur-élévateur de tension en courant continu alimenté par une source de tension continue, caractérisé en ce que le circuit de charge de l'actuateur est constitué par le convertisseur-élévateur (E) de tension DC-DC, dont la haute tension est reliée à un circuit oscillant constitué de l'actuateur (P,) et d'une inductance de charge (L), et qui est composé d'un montage de type Forward avec un transformateur ayant au moins un enroulement primaire relié à la source de tension (B) par au moins un interrupteur et un enroulement secondaire connecté en série avec une première diode, montée dans le sens passant du courant de charge de l'actuateur, une seconde diode de roue libre étant montée en parallèle sur ledit enroulement secondaire en série avec ladite première diode. 2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur-élévateur de tension en courant continu (E) est constitué d'un transformateur à trois enroulements bobinés autour d'un même noyau, dont d'une part les deux enroulements primaires (L1, L2) sont montés en parallèle et bobinés en sens inverse, avec un premier enroulement (L1) qui est relié à la masse par un interrupteur commandable (S,,,), ledit interrupteur (SW1) étant monté en parallèle avec une diode (d1) de roue libre montée dans le sens bloquant le courant de charge, et un second enroulement (L2) qui est relié à la masse par une diode (D1), montée dans le sens du courant de démagnétisation du transformateur, et dont l'enroulement secondaire (L3) est relié d'un côté à la masse et de l'autre à une première diode (D2), montée dans le sens passant du courant de charge, une seconde diode (D3) de roue libre étant montée en parallèle sur la branche constituée dudit enroulement secondaire (L3) en série avec ladite première diode (D2). 3. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur-élévateur (E) de tension DC-DC du circuit de charge est constitué d'un transformateur à deux enroulements, un enroulement primaire (L4) et un enroulement secondaire (L6), bobinés en sens inverse autour d'un même noyau, ledit enroulement primaire (Lg) ayant chacune de ses deux bornes reliée au milieu (J4), respectivement (jug), de deux branches montées en parallèle aux bornes de la batterie (B) et constituées chacune d'un interrupteur (S), respectivement (Swg), en série avec une diode (D4), respectivement (Os), montée dans le sens du courant de démagnétisation du transformateur, avec une diode (d4, dg) de roue libre montée en parallèle sur chacun des deux interrupteurs (S, Swg) dans le sens contraire au courant de charge de l'actuateur, et ledit enroulement secondaire (L6) étant relié d'un côté à la masse et de l'autre à une première diode (D6), montée dans le sens passant du courant de charge, une seconde diode (dry) de roue libre étant montée en parallèle sur la branche constituée dudit enroulement secondaire (L6) en série avec ladite première diode (D6). 4. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur-élévateur (E) de tension DC-DC du circuit de charge est constitué d'un transformateur à deux enroulements, un enroulement primaire (Lg) et un enroulement secondaire (Lg), bobinés dans le même sens autour d'un même noyau, ledit enroulement primaire (Lg) d'une part étant relié à la masse par un interrupteur commandable (Sg) et d'autre part étant montée en parallèle à ses bornes une branche comprenant une diode (dos) montée dans le sens du courant de démagnétisation du transformateur, et une diode Zéner (zug) montée tête-bêche avec la précédente, une diode de roue libre (dos) étant montée en parallèle sur l'interrupteur (S,,,), dans le sens contraire au courant de charge de l'actuateur, et ledit enroulement secondaire (Lg) étant relié d'un côté à la masse et de l'autre à une première diode (Dg), montée dans le sens passant du courant de charge, une seconde diode (D1O) de roue libre étant montée en parallèle sur la branche constituée dudit enroulement secondaire (Lg) en série avec ladite première diode (Dg). 5. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de décharge de l'actuateur piézo-électrique, considéré comme une capacité, est constitué d'un interrupteur (Td) commandable reliant l'inductance de charge (L) à la borne positive (+) de la batterie (B) par une diode (Dd), une diode (Dp) étant montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur (P,) et son interrupteur (T,), dans le sens contraire du courant de décharge, et destinée à la protection de l'actuateur (P,), en évitant l'apparition d'une tension négative à ses bornes qui aurait pour conséquence de le détruire. 6. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit de décharge est constitué d'une part d'une inductance de décharge (Ld) reliant l'actuateur (P,) à un interrupteur de décharge (Td) commandable, connecté lui-même à la borne positive (+) de la batterie (B) par une diode (Dd), un interrupteur supplémentaire de décharge (Tc) commandable reliant la borne de l'inductance (Ld), opposée à l'actuateur, à la masse pendant la phase de charge de l'actuateur, et d'autre part une diode (Dp) montée en parallèle sur la branche comprenant l'actuateur (PI) et son interrupteur (T,), dans le sens contraire du courant de décharge, et destinée à la protection de l'actuateur contre une tension négative à ses bornes. 7. Dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les interrupteurs sont des transistors du type MOS, ou des transistors bipolaires à grille isolée-IGBT-avec diode intégrée en parallèle. 8. Procédé de mise en oeuvre du dispositif de commande selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, en phase de charge de l'actuateur piézo-électrique (P,), les interrupteurs sont commandés afin que la tension aux bornes d'un seul enroulement primaire du transformateur, créée par l'énergie provenant de la source de tension (B), est périodique provoquant une tension aux bornes du circuit oscillant constitué par l'actuateur et l'inductance de charge (L) qui est constante et égale au produit de la tension (U) de la source (B) par le rapport (m) du transformateur. 9. Procédé de mise en oeuvre du dispositif de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que, en phase de décharge de l'actuateur piézo-électrique (P,), le signal de commande pilote les différents interrupteurs du circuit de charge à l'ouverture, et ferme l'interrupteur de décharge (Td), qui est toujours ouvert en phase de charge de l'actuateur, de sorte que l'actuateur se décharge à travers l'inductance de charge (L) et la diode de décharge (Dd) montée dans le sens passant du courant de décharge. 10. Procédé de mise en oeuvre du dispositif de commande selon la revendication 6, caractérisé en ce que, l'interrupteur supplémentaire de décharge (TJ étant ouvert en phase de charge, il est par contre, en phase de décharge de l'actuateur, fermé pour que de l'énergie provenant de l'actuateur soit accumulée dans l'inductance de décharge (Ld), puis ouvert pour que cette énergie soit transférée vers la batterie (B) à travers l'interrupteur (Td) et la diode (Dd) de décharge.