Brevet FR2879257A1 — publié le 20060616

Dispositif de commande électronique pour actionneurs piézo- électriques ultrasonores. La présente invention concerne un dispositif de commande électronique de plusieurs actionneurs piézo-électriques ultrasonores, et plus particulièrement d'injecteurs de carburant à étage piézo-électrique, pilotés par le calculateur d'injection électronique d'un moteur à combustion interne dans un véhicule automobile. Plus précisément, le problème que vise à résoudre l'invention est le pilotage d'un dispositif de commande électronique provoquant l'excitation des cellules piézo-électriques pour faire vibrer la structure d'un injecteur, un tel dispositif étant décrit dans la demande de brevet français, déposée sous le numéro 01 14023 au nom de la Demanderesse. Un injecteur de carburant à étage piézo-électrique ultrasonore est destiné à pulvériser très finement le carburant, avec des gouttelettes calibrées pour assurer un dosage précis et suffisamment petites pour assurer la vaporisation complète et homogène du carburant injecté. Un tel injecteur comporte entre autres une buse cylindrique alimentée en carburant et à l'extrémité de laquelle est ménagé un orifice d'injection, et des moyens de mise en vibration cyclique de la buse, tel qu'un transducteur, comportant 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, à un rapport de démultiplication près. Une céramique piézo-électrique d'injecteur est équivalente, au premier ordre, à une capacité dont la tension de chargement est élevée, supérieure à une centaine de volts. Ce transducteur est piloté en durée et en intensité par un dispositif de commande électronique, lui-même piloté par le système électronique de contrôle moteur pour réaliser une ouverture oscillante à fréquence ultrasonore du nez de la buse. Le dispositif de commande électronique est destiné à générer un signal alternatif haute tension, supérieure à une centaine de volts, de fréquence élevée, supérieure à une dizaine de kiloHertz, pour exciter les cellules piézo-électriques à partir d'une source de tension continue. Dans un véhicule automobile, la batterie fournit une tension d'alimentation de valeur 12, 24 ou 42 volts, ce qui implique d'augmenter cette tension par exemple par un convertisseur-élévateur de tension continue DC-DC alimenté par la basse tension de la batterie. Différentes technologies de céramiques piézo-électriques peuvent être utilisées en particulier avec des tensions d'excitation à excursion dissymétrique, variant de -200 à + 400 volts par exemple. Il existe actuellement des dispositifs de commande des actionneurs piézo-électriques les pilotant par une haute tension positive, et n'exploitant donc pas leur possibilité d'excitation par de hautes tensions négatives. Le but de l'invention est de proposer une commande électronique d'un 10 actionneur piézo-électrique dans toute sa plage d'excursion même si elle est dissymétrique allant d'une haute tension négative à une haute tension positive. Pour cela, un premier objet de l'invention est un dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, piloté électroniquement par un calculateur de contrôle et alimenté par une source de tension continue, comportant un étage d'amplification de ladite tension continue délivrant un signal de haute tension alternatif, à haute fréquence d'excitation de l'actionneur, à un étage de génération d'un courant de charge de l'actionneur, caractérisé en ce que ledit étage de génération d'un courant de charge est constitué d'une inductance de charge reliée à un interrupteur de découpage pilotable, avec une diode de roue libre montée en anti-parallèle, par l'intermédiaire d'une capacité chargée à une haute tension négative montée en série avec une diode dans le sens opposé au courant de charge de l'inductance et associée à une diode maintenant constante la haute tension négative aux bornes de la capacité. Un second objet de l'invention est un procédé de mise en oeuvre dudit dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, caractérisé en ce que, pour obtenir une tension alternative variant entre une valeur minimale négative et une valeur maximale positive aux bornes d'un actionneur piézo-électrique, le calculateur de contrôle réalise les étapes suivantes: A) sélection d'un actionneur piézoélectrique par fermeture d'un interrupteur de sélection en série avec ledit actionneur; B) charge par une tension négative de la capacité de l'étage de génération d'un courant de charge, lors de la phase initiale du pilotage 35 des actionneurs; C) fermeture de l'interrupteur de découpage de l'étage de génération d'un courant de charge quand celui-ci est négatif ou nul et que la tension d'excitation des actionneurs est négative; D) ouverture dudit interrupteur de découpage de l'étage de génération 5 d'un courant de charge quand celui-ci est maximum et que la tension d'excitation des actionneurs est nulle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description illustrée par les figures suivantes qui sont: la figure 1: un schéma d'un dispositif de commande d'actionneurs piézo-10 électriques selon l'invention; la figure 2: le signal de commande de l'interrupteur de découpage; la figure 3: les variations temporelles du courant dans la branche de découpage; la figure 4: les variations temporelles du courant de charge d'un actionneur 15 selon l'invention; la figure 5: les variations temporelles de la tension d'excitation aux bornes d'un actionneur selon l'invention. Comme le montre le schéma électronique de la figure 1, un dispositif de commande de plusieurs actionneurs piézo-électriques A;, pouvant être choisis alternativement grâce à des interrupteurs de sélections Si placés en série avec chacun des actionneurs, comprend un premier étage EA, alimenté par une source de tension continue B, destiné à l'amplification de cette tension généralement produite par la batterie du véhicule. Ce premier étage de convertisseur-élévation de la tension B en une haute tension Vboost de plusieurs centaines de volts, alimente à son tour un deuxième étage destiné à générer un courant d'excitation des actionneurs piézo-électriques. Ce deuxième étage d'un courant de charge ir des actionneurs A; est constitué d'une inductance de charge Lr, dont une borne est reliée à l'étage d'amplification de la tension et dont l'autre borne est reliée à une branche, montée en parallèle de chacun des actionneurs A; et de son interrupteur de sélection S; . Cette branche est constituée d'un interrupteur de découpage P, pilotable électroniquement, avec une diode D de roue libre montée en anti-parallèle, reliés à l'inductance Lr par l'intermédiaire d'une capacité Cp, chargée à une haute tension négative Vp, montée en série avec une diode Dp dans le sens opposé au courant de charge ir de l'inductance L,.. Durant la phase initiale de commande des injecteurs piézo-électriques, en pilotant la fermeture de l'interrupteur de sélection d'un des injecteurs, la capacité Cp est chargée par une tension négative grâce au courant circulant dans les diodes D et Dp alors que l'interrupteur P est ouvert. Une diode Zéner Zp est associée en parallèle à la capacité Cp en série avec la diode Dp, pour écrêter la haute tension négative Vp aux bornes de la capacité dès qu'elle devient égale à la valeur de tenue en tension de la diode Zéner. La capacité Cp est dimensionnée pour que la tension négative Vp à ses bornes, de l'ordre de -150 volts, soit atteinte en 5 impulsions de commande d'un injecteur piézo-électrique par exemple et sa valeur peut être égale à 10 nF. Le fonctionnement du dispositif de commande est le suivant, comme le montrent les formes d'ondes représentées sur les figures 2 à 5: à l'instant to, la capacité Cp présente une haute tension Vp négative à ses bornes, de l'ordre de 350 volts par exemple, de sorte que la tension Vp; d'excitation est aussi égale à V. Le courant ir de charge de l'inductance Lr est négatif ou nul et il n'u a pas de courant ip circulant dans l'interrupteur P de découpage de la branche. A cet instant to, l'interrupteur de découpage P est commandé à la fermeture par un signal Cp qui passe à 1; - jusqu'à l'instant t1, le courant ir de charge dans l'inductance Lr croît, la tension Vp; d'excitation des actionneurs piézo-électriques tend vers zéro, décroissant en valeur absolue tout en restant négative, pendant que le courant ip reste nul car le courant de charge ir passe par la capacité interne de l'actionneur piézo-électrique en raison de sa charge; - à l'instant t1, le courant ip dans l'interrupteur de découpage P croît brutalement, le courant ir de charge continue à augmenter, mais la tension Vp; aux bornes des actionneurs reste nulle car le courant de charge ir passe par la diode Zéner Zp et l'interrupteur de découpage P qui est fermé, ce qui constitue une branche en court-circuit aux bornes des actionneurs; - à l'instant t2, l'interrupteur de découpage P est commandé à l'ouverture, la tension Vp; d'excitation croît à partir de 0 alors que le courant ir de charge a atteint sa valeur maximale ir,T,ax et que le courant ip s'annule. Puis la tension d'excitation Vp; croît jusqu'à une valeur maximale Vp;max élevée, voisine de 1000 volts par exemple, et le courant ir décroît jusqu'à zéro à l'instant t3; _ de l'instant t3 à l'instant t4, la tension d'excitation Vp; décroît de sa valeur maximale Vp;max jusqu'à zéro pendant que le courant ir devient négatif et décroît jusqu'à sa valeur minimale irm;n; de l'instant t4 à l'instant t5, le courant de charge ir est toujours négatif, mais croît de son minimum im,in jusqu'à zéro pendant que la tension d'excitation Vp; décroît de zéro jusqu'à sa valeur minimale Vp;m; n égale à la tension négative Vp aux bornes de la capacité Cp. Puis le procédé reprend à l'instant t5 identique à celui de l'instant to. Pour cela, le procédé de mise en oeuvre d'un dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon l'invention, comporte les étapes suivantes que réalise le calculateur de contrôle pour obtenir une tension alternative variant entre une valeur minimale négative et une valeur maximale positive aux bornes d'un actionneur piézo-électrique: A) sélection d'un actionneur piézo- électrique A; par fermeture d'un interrupteur Si en série avec ledit actionneur; B) charge par une tension négative Vp de la capacité Cp de l'étage de génération d'un courant de charge lors de la phase initiale du pilotage des 15 actionneurs; C) fermeture de l'interrupteur de découpage P de l'étage de génération d'un courant de charge quand ledit courant de charge ir est négatif ou nul et que la tension d'excitation Vp1 des actionneurs est négative; D) ouverture dudit interrupteur de découpage P quand le courant de charge ir 20 est maximum imax et que la tension d'excitation Vp; des actionneurs est nulle. Ainsi, on constate que la tension négative Vp, aux bornes de la capacité Cp de l'étage de génération d'un courant de charge des actionneurs, permet d'obtenir une tension d'excitation Vp1 desdits actionneurs qui a une excursion dissymétrique d'un minimum négatif à un maximum positif. La diode Zéner Zp est destinée à maintenir constante la tension Vp aux bornes de la capacité Cp d'une part et à charger l'inductance Lr quand l'interrupteur P est fermé puisque le courant de charge ir doit passer par la diode Zp pour aller dans l'interrupteur P. REVENDICATIONS, 1. Dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, piloté électroniquement par un calculateur de contrôle et alimenté par une source de tension continue, comportant un étage d'amplification de ladite tension continue délivrant un signal de haute tension alternative, à haute fréquence d'excitation de l'actionneur, à un étage de génération d'un courant de charge, caractérisé en ce que ledit étage de génération d'un courant de charge (ir) est constitué d'une inductance (Lr) reliée à un interrupteur de découpage (P) pilotable, avec une diode (D) de roue libre montée en anti-parallèle, par l'intermédiaire d'une capacité (Cp) chargée à une haute tension négative (Vp), montée en série avec une diode (Dp) dans le sens opposé au courant de charge Or) de l'actionneur (A,) et associée à une diode (Zp) maintenant constante la haute tension négative (Vp) aux bornes de la capacité (Cp). 2. Procédé de mise en oeuvre d'un dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour obtenir une tension alternative variant entre une valeur minimale négative (Vpimin) et une valeur maximale positive (Vpimax) aux bornes d'un actionneur piézo-électrique (Al le calculateur de contrôle réalise les étapes suivantes: A) sélection d'un actionneur piézo-électrique (A;) par fermeture d'un interrupteur (Si) en série avec ledit actionneur; B) charge par une tension négative (Vp) de la capacité (Cp) de l'étage de génération d'un courant de charge lors de la phase initiale du pilotage des actionneurs; C) fermeture de l'interrupteur de découpage (P) de l'étage de génération d'un courant de charge quand ledit courant de charge (Ir) est négatif ou nul et que la tension d'excitation (Vp1) des actionneurs est négative; D) ouverture de l'interrupteur de découpage (P) de l'étage de génération d'un courant de charge quand ledit courant de charge (ir) est maximum (imax) et que la tension d'excitation (Vp,) des actionneurs est nulle.