Brevet FR2879256A1 — publié le 20060616

Dispositif de commande électronique d'actionneurs piézo- électriques. L'invention concerne un dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, piloté électroniquement à partir d'un calculateur de contrôle, tout particulièrement monté dans un système d'injection pour moteur à combustion interne, dans un véhicule automobile. Plus précisément, le problème que vise à résoudre l'invention est l'excitation des cellules piézo-électriques pour faire vibrer la structure d'un injecteur décrit dans la demande de brevet français, déposée sous le numéro 99 14548 au nom de la Demanderesse. Ce type d'injecteur 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 le système électronique de contrôle moteur pour réaliser une ouverture oscillante à fréquence ultrasonore du nez de la buse. Le but de la présente invention est de générer un signal alternatif de fréquence élevée 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 un convertisseur-élévateur de tension en courant continu DC-DC alimenté par la basse tension de la batterie. L'essentiel des topologies électroniques actuelles comprend un convertisseur-élévateur de tension associé à un circuit oscillant, composé de la capacité intrinsèque de l'actionneur et d'une inductance de résonance destinés à générer une haute tension alternative sinusoïdale d'excitation de l'actionneur. Cette inductance, qui réalise également l'adaptation d'impédance, est relativement onéreuse à réaliser et limite l'énergie instantanée fournie aux actionneurs. Ces injecteurs sont donc moins réactifs à la commande d'ouverture. Pour obtenir une ouverture plus efficace des injecteurs piézoélectriques, il faudrait connecter directement la source de haute tension alternative aux injecteurs, mais le courant de charge généré risque d'être trop élevé, ce qui pourrait endommager les injecteurs et leurs interrupteurs de pilotage. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose que la haute tension générée pour l'excitation des injecteurs soit alternative, à créneaux rectangulaires, associée à des moyens de limitation du courant tels qu'une résistance de puissance. Pour cela, un premier objet de l'invention est un dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, comportant un convertisseur-élévateur de tension continue/alternative alimenté par une source de tension continue, et composé d'un montage en pont à un transformateur réalisé à partir de deux bras parallèles, constitués chacun de deux interrupteurs de pont en série commandables alternativement, leurs points milieux étant reliés par une charge constituée de l'enroulement primaire du transformateur dont l'enroulement secondaire délivre un signal alternatif haute tension et haute fréquence d'excitation de l'actionneur, caractérisé en ce que le signal de sortie haute tension du convertisseur-élévateur est un signal alternatif rectangulaire, limité en courant par au moins une résistance de puissance, dont la valeur est déterminée par la valeur crête du courant pouvant circuler dans les interrupteurs de pont commandables, comme par celle du courant chargeant les actionneurs, et par le rapport m du transformateur. Un second objet de l'invention est un dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, comportant un convertisseur-élévateur de tension continue/alternative alimenté par une source de tension continue, et composé d'un montage en demi-pont à un transformateur, réalisé à partir d'un bras constitué de deux interrupteurs de pont en série commandables alternativement, dont le point milieu est relié à la masse par l'enroulement primaire du transformateur dont l'enroulement secondaire délivre un signal alternatif haute tension et haute fréquence d'excitation de l'actionneur, caractérisé en ce que le signal de sortie haute tension du convertisseur- élévateur est un signal alternatif rectangulaire, limité en courant par au moins une résistance de puissance, dont la valeur est déterminée par la valeur crête du courant pouvant circuler dans les interrupteurs de pont commandables, comme par celle du courant chargeant les actionneurs, et par le rapport m du transformateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs exemples de réalisation, illustrée par les figures suivantes qui sont: la figure 1: un schéma équivalent du dispositif de commande selon l'invention; les figures 2a et 2b: les variations temporelles de la haute tension d'excitation et du courant de charge des injecteurs, respectivement; les figures 3a à 7a: cinq exemples de montage d'un dispositif de commande à partir d'un convertisseur en pont; les figures 3b à 7b: cinq exemples de montage d'un dispositif de commande à partir d'un convertisseur en demi-pont. Comme le montre le schéma de la figure 1, le dispositif de commande d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore Ik selon l'invention comprend une source de tension continue E qui alimente des moyens, tels un convertisseur-élévateur CE à transformateur, destinés à délivrer une haute tension alternative Vboost pour charger l'actionneur Ik sous haute fréquence d'excitation, k étant un entier égal à 4 ou 6 par exemple. Pour assurer une limitation du courant ic de charge de la capacité intrinsèque de l'actionneur piézo-électrique, ainsi que du courant traversant les interrupteurs de pilotage du convertisseur comme des actionneurs, il faut monter une résistance de puissance Rp de telle sorte que les moyens délivrant la haute tension de charge soient en série avec l'actionneur. Sur le schéma de la figure 1, la résistance Rp limitant le courant de charge i, est montée en série entre le convertisseur-élévateur CE délivrant la haute tension Vboost et l'injecteur piézo-électrique sélectionné Ik. A partir de la tension continue E, délivrée par une batterie et égale à 12, 24 ou 42 volts dans un véhicule automobile, le convertisseurélévateur de tension délivre une tension Vboost alternative, à créneaux rectangulaires, d'amplitude égale à deux fois le produit de la basse tension continue E par le rapport m du transformateur (figure 2a). 15 A chaque changement de front du signal de haute tension Vboost excitant un actionneur piézo-électrique, il se produit un pic de courant imax aux bornes de l'actionneur, dont la valeur va être égale à la valeur maximale de la tension Vboost divisée par la valeur nominale de la résistance de puissance Rp (figure 2b). Pour générer un signal alternatif haute tension, de fréquence élevée, afin d'exciter les injecteurs piézo-électriques à partir d'une source de basse tension continue, les moyens convertisseurs-élévateurs CE de tension sont notamment composés d'un montage en pont, ou en demi-pont, à au moins un transformateur à au moins un enroulement primaire L, et un enroulement secondaire L2 unique. L'enroulement primaire L, est relié à la source de tension continue E par au moins un interrupteur de commande P; et l'enroulement secondaire L2 est destiné à délivrer un signal alternatif haute tension Vboost, de fréquence élevée pour exciter les actionneurs piézo-électriques. Selon un premier exemple de réalisation du dispositif de commande selon l'invention (figure 3a), le convertisseur-élévateur de tension CE est composé d'un montage en pont, réalisé à partir d'un premier bras constitué de deux interrupteurs de pont PI et P2 en série, commandables alternativement par un calculateur électronique de contrôle, et d'un deuxième bras en parallèle avec le premier bras et constitué également de deux interrupteurs de pont P3 et P4 en série, commandables alternativement. Les points milieux MI et M2 respectifs des deux bras sont reliés par l'enroulement primaire L, du transformateur. Sur le schéma de la figure 3a, une résistance R de puissance est montée en série entre l'enroulement secondaire L2 du transformateur et les actionneurs lk, qui sont alternativement sélectionnés par des interrupteurs Kk de sélection. Le cas de la figure 3b correspond à un montage du convertisseur- élévateur de tension en demi-pont, réalisé à partir d'un seul bras constitué de deux interrupteurs de pont PI et P2 en série, commandables alternativement, l'enroulement primaire t du transformateur étant monté entre le point milieu % de ce bras et la masse. Comme précédemment une résistance de puissance, destinée à limiter le courant de charge dans les injecteurs, est montée en série entre l'enroulement secondaire 22 du transformateur et lesdits injecteurs piézo-électriques. Selon la figure 4a, la limitation de courant de charge est obtenue par plusieurs résistances Rk, k variant de 1 à n avec n le nombre d'injecteurs, chacune d'elles étant montée en série avec un injecteur Ik et son interrupteur de sélection Kk, entre les bornes de l'enroulement L2 du transformateur, dont l'enroulement primaire LI constitue la charge du convertisseur-élévateur de tension. Ainsi, le dispositif de commande desdits injecteurs comprend autant de résistances Rk de puissance que d'actionneurs piézo-électriques. Une variante avec un montage du convertisseur-élévateur de tension en demi-pont est représenté sur la figure 4b, l'enroulement primaire 21 étant monté entre le point milieu Jnl du bras comprenant les deux interrupteurs PP1 et P2 et la masse, et l'enroulement secondaire $2 étant relié à une borne de tous les actionneurs I; montés chacun en série avec une résistance de puissance k et un interrupteur de sélection Kk. Selon une autre variante (figure 5a), le dispositif de commande de plusieurs actionneurs piézo-électriques, dont le convertisseur-élévateur de tension est réalisé à partir d'un montage en pont à deux bras tels que décrits précédemment, comprend une résistance de puissance Ro montée en série avec l'enroulement primaire LI du transformateur entre les deux points milieux M, et M2 respectifs du premier et du deuxième bras. Dans ce cas de réalisation, l'enroulement secondaire L2 du transformateur est relié directement à une borne de chacun des actionneurs Ik. La résistance Ro permet de diminuer le courant i, circulant dans l'enroulement primaire LI, et par conséquent le courant de charge ic en sortie de l'enroulement secondaire L2, et le rapport m du transformateur est déterminé pour obtenir le niveau de tension voulu aux bornes des injecteurs. Il est également possible, dans le cas d'un convertisseur- élévateur de tension en demi-pont ne comprenant qu'un bras composé de deux interrupteurs 'l et de monter en série avec l'enroulement.1; une résistance de puissance o entre le point milieu. //, de ce bras et la masse comme le montre la figure 5b. Selon une autre variante, le dispositif de commande des actionneurs piézo-électriques dispose d'une résistance de puissance R'o, respectivement o, montée en série avec la source E de tension continue, avant le montage en pont (figure 6a) ou en demi-pont (figure 6b) respectivement, du convertisseur-élévateur de tension Ec. Enfin, une autre variante de réalisation du dispositif de commande selon l'invention consiste à monter en série avec chaque interrupteur de pont P; de chacun des deux bras, i étant un entier variant de 1 à 4, de part et d'autre de leurs deux points milieux MI et M2, une résistance de puissance r; limitant le courant. La figure 7a concerne un montage en pont du convertisseur-élévateur de tension Ec et la figure 7b concerne un montage en demi-pont, dans lequel les interrupteurs de pont sont référencés et et les résistances de puissance pi et p2. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, comportant un convertisseur-élévateur de tension continue/alternative alimenté par une source de tension continue, et composé d'un montage en pont à un transformateur réalisé à partir de deux bras parallèles, constitués chacun de deux interrupteurs de pont en série commandables alternativement, leurs points milieux étant reliés par une charge constituée de l'enroulement primaire du transformateur dont l'enroulement secondaire délivre un signal alternatif haute tension et haute fréquence d'excitation de l'actionneur, caractérisé en ce que le signal de sortie haute tension (Vboost) du convertisseur-élévateur (CE) est un signal alternatif rectangulaire, limité en courant par au moins une résistance de puissance, dont la valeur est déterminée par la valeur crête du courant pouvant circuler dans les interrupteurs de pont commandables (Pt, P2) et (P3, P4), comme par celle du courant chargeant les actionneurs (Ik), et par le rapport m du transformateur. 2. Dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique ultrasonore, comportant un convertisseur-élévateur de tension continue/alternative alimenté par une source de tension continue, et composé d'un montage en demi-pont à un transformateur, réalisé à partir d'un bras constitué de deux interrupteurs de pont en série commandables alternativement, dont le point milieu est relié à la masse par l'enroulement primaire du transformateur dont l'enroulement secondaire délivre un signal alternatif haute tension et haute fréquence d'excitation de l'actionneur, caractérisé en ce que le signal de sortie haute tension (Vboost) du convertisseur-élévateur (CE) est un signal alternatif rectangulaire, limité en courant par au moins une résistance de puissance, dont la valeur est déterminée par la valeur crête du courant pouvant circuler dans les interrupteurs de pont (Pt, P2) commandables, comme par celle du courant chargeant les actionneurs (Ik) , et par le rapport m du transformateur. 3. Dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une résistance (Rk) de puissance est montée en série avec chacun des actionneurs (Ik) et leurs interrupteurs de sélection (Kk), entre les bornes de l'enroulement secondaire (L2) du transformateur dont l'enroulement primaire (L1) constitue la charge du convertisseurélévateur de tension (CE). 4. Dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point milieu (.4 du bras du convertisseur-élévateur de tension, constitué de deux interrupteurs (P1, EP2) en série, est relié à la masse par une charge constituée de l'enroulement primaire (1'1) du transformateur dont l'enroulement secondaire (12) est relié à l'une des bornes d'une résistance (.tek) de puissance, dont l'autre borne est reliée à au moins un actionneur (Ik). 5. Dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézoélectrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire (L2, 2) du transformateur est relié à l'une des bornes d'une résistance (R, :ï) de puissance dont l'autre borne est reliée aux actionneurs piézo-électriques. 6. Dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézoélectrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le point milieu (M,), respectivement (./4), du premier bras du convertisseur-élévateur de tension, constitué de deux interrupteurs (P,, P2), respectivement (PI, P2), en série, commandables alternativement, est relié au point milieu (M2) du deuxième bras constitué de deux interrupteurs de pont en série (P3, P4), respectivement à la masse, par une charge constituée de l'enroulement primaire (LI), respectivement (l,), du transformateur et d'une résistance (Ro), respectivement (.o), en série, l'enroulement secondaire (L2), respectivement (:Z2), étant relié directement à au moins un actionneur (Ik)É 7. Dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une résistance (R '0), respectivement (22'o), de puissance limitant le courant est montée en série avec la source (E) de tension continue, avant le montage en pont, respectivement en demi-pont, du convertisseur-élévateur de tension (CE). 8. Dispositif de commande électronique d'au moins un actionneur piézo-électrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une résistance de puissance (ri), respectivement (p;), limitant le courant est montée en série avec chaque interrupteur de pont (P;), respectivement (n des bras du convertisseur- élévateur de tension.