CN101563835B

CN101563835B - 射频控制的电动卷帘

Info

Publication number: CN101563835B
Application number: CN2007800187618A
Authority: CN
Inventors: L·R·卡门
Original assignee: Lutron Electronics Co Inc
Current assignee: Lutron Electronics Co Inc
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: MX2008014833A; WO2007139807A3; CN101563835A; US7723939B2; EP2019898B1; CA2653060A1; CA2653060C; EP2019898A2; WO2007139807A2; US20070273309A1

Abstract

一种由控制装置的射频(RF)无线通信所控制的卷帘结构，该结构包括卷筒和导电罩。导电罩安装在所述卷筒内，用于封装具有电机的电机驱动系统，所述电机用于在被供给电压时，可控制地在一个方向上以一种速度旋转所述卷筒。在所述罩与所述卷筒之间提供电容耦合，该电容耦合提高了由RF接收器所接收的RF信号的信号强度。

Description

射频控制的电动卷帘

相关申请

本申请要求2006年5月23日申请的、与本发明具有相同名称的、共同转让的美国临时专利申请NO.60/802,869的优先权，其公开的所有内容通过参考而整体引述于此。

技术领域

本发明涉及射频(RF)控制装置，更具体地，涉及用于电动卷帘的RF负载控制装置。

背景技术

用于控制电气负载如照明设备、电动窗户附件和风扇等的控制系统是已知的。这种控制系统经常使用射频(RF)传输来提供该系统的控制装置之间的无线通信。RF照明控制系统的一个例子公开于1999年5月18日公布的、名称为“METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING ANDDETERMINING THE STATUS OF ELECTRICAL DEVICES FROM REMOTELOCATIONS”的、共同转让的美国专利No.5,905,442中，其公开的所有内容通过参考而整体引述于此。

‘442号专利的RF照明控制系统包括壁挂式负载控制装置、桌面式和壁挂式主控制器以及信号转发器。每个负载控制装置包括用户界面和集成的调光器电路，该调光器电路用于控制相连照明负载的亮度。用户界面具有用于提供相连照明负载的开/关控制的按钮开关，和用于调节相连照明负载的亮度的升/降开关。桌面式和壁挂式主控制器具有多个按钮，并且可用于将RF信号发送给负载控制装置以控制照明负载的亮度。信号转发器帮助确保无错通信，使得系统的每个元件都能接收到用于该元件的RF通信信号。

RF照明控制系统的控制装置包括适于发送和接收RF信号的RF天线，所述RF信号用于提供照明控制系统的控制装置之间的通信。

需要对诸如卷帘的电动窗户附件的位置进行控制，该卷帘作为RF照明控制系统的一部分。标准电动卷帘包括卷绕在卷筒上的柔软的遮光织物。卷筒由电机转动，电机则由控制器控制。优选地，控制器和电机位于罩(enclosure)内，罩则安装在卷筒内。为了与RF照明控制系统的元件通信，控制器必须包括天线和RF收发器。用于有线控制系统的电动卷帘的一个例子公开于2006年1月10日公布的、名称为“MOTORIZED SHADE CONTROLSYSTEM”的、共同转让的美国专利No.6,983,783中，其公开的所有内容通过参考而整体引述于此。

然而，一般的卷筒由金属制造，金属作为一种屏蔽物会干扰RF通信。卷筒削弱了天线和RF收发器应当接收到的外部RF信号。而且，由于罩位于卷筒内，来自诸如电机电刷和开关电路(例如开关电源)的内部源的噪音会直接作用到RF收发器，从而增加了RF收发器的探测误差。因此，电动卷帘的RF控制器与RF照明控制系统的其他控制装置之间通常很难建立可靠的RF通信。

因此，需要一种在操作过程中能够在RF控制系统中实现可靠通信的电动卷帘。具体而言，需要一种电动卷帘，其具有安装在卷筒内的控制器和RF收发器，以及允许与RF收发器之间进行可靠通信的天线。

发明内容

根据本发明的第一实施方式，一种由控制装置的射频(RF)无线通信所控制的卷帘结构，该结构包括卷筒和导电罩。所述导电罩安装在所述卷筒内，用于封装具有电机的电机驱动系统，所述电机用于在被供给电压时，可控地在一个方向上以一种速度旋转所述卷筒。在所述罩与所述卷筒之间提供电容耦合，该电容耦合提高了由RF接收器所接收的RF信号的信号强度。

根据本发明的第二实施方式，一种卷帘结构包括用于卷绕遮光帘的卷筒、电路板、天线以及用于电机和电路板的导电罩。电路板连接到电机，并具有电机驱动电路和滤波电路，该滤波电路用于减小由电机驱动电路和电机产生的RF噪音。该电路板还具有RF接收器，该RF接收器用于接收RF控制信号以控制所述电机。天线耦合到RF接收器，用于将控制信号提供给接收器，该天线从卷筒延伸出来。卷筒和罩在控制信号的RF频率下以低阻抗进行电耦合。

通过下面结合附图对本发明的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明的用于多个电动窗户附件的RF控制系统的简化框图；

图2是根据本发明的图1中所示的一个电动窗户附件的电子驱动单元的简化框图；

图3是显示图2中电子驱动单元的霍尔效应传感器电路的物理封装(physical assembly)的局部端视图；

图4是图2中霍尔效应传感器电路的输出信号的视图；

图5是根据本发明的图2中电子驱动单元的立体图；

图6A是经过图2中电子驱动单元中心的侧视横截面图；

图6B是经过图2中电子驱动单元中心的仰视横截面图；

图7是图2中电子驱动单元的天线的同轴PCB部分的分解图；

图8A是图2中电子驱动单元的屏蔽PCB的俯视图；

图8B是图2中电子驱动单元的屏蔽PCB的仰视图；

图9是图2中电子驱动单元的局部侧视图，示出了电子驱动单元与卷筒之间的电容耦合。

具体实施方式

上面的发明内容部分以及下面的优选实施方式的具体描述若结合附图阅读将更容易理解。出于说明本发明的目的，附图中显示了目前所优选的实施方式，其中在附图的几幅视图中，相同的附图标记表示类似部件，但应当理解本发明并不限于所公开的具体方法和手段。

图1是根据本发明的用于多个电动窗户附件110的RF控制系统100的简化框图。RF照明控制系统100包括至AC电源(未显示)的热线连接(HOTconnection)，用于为电动窗户附件110供电。RF照明控制系统100利用RF通信链路实现系统控制装置之间的RF信号112的传输。

每个电动窗户附件110包括柔软的遮光织物114，该遮光织物114由卷筒116可转动地支撑，并且具有位于织物下边缘的端杆(hembar)118。电动窗户附件110通过电子驱动单元(EDU)120控制。变压器122产生24V_AC电压为电子驱动单元120供电，并通过电源线124连接到电子驱动单元。电子驱动单元120可操作地在打开位置和关闭位置之间控制遮光织物112。电动窗户附件可操作地通过天线128从键区126接收RF信号122。

图2是根据本发明的电动窗户附件110的电子驱动单元120的简化框图。直流(DC)电机130(例如直流有刷电机)耦合到卷筒114，当恒定DC电压供给电机时，可操作该电机以恒速可控地旋转卷筒。改变供给DC电机130的DC电压将改变电机转速。此外，响应于供给DC电机的DC电压的极性的改变，即通过将负DC电压供给电机，DC电机130可操作地改变旋转方向。

为了完成DC电机130的这一水平的控制，使电机耦合到由微控制器134驱动的H桥电机驱动电路132。H桥电机驱动电路132包括四个晶体管，例如四个场效应晶体管(未显示)。如此耦合晶体管，使得当所述晶体管中的二个晶体管导通时，为DC电机130供应正DC电压，即DC电机正转。当H桥电路132的另外二个晶体管导通时，为DC电机130供应负DC电压，使电机反转。为了控制DC电机130的转速，微控制器134优选使用脉宽调制(PWM)信号驱动H桥电路132。微控制器134可以是任何合适的控制器，比如可编程逻辑器件(PLD)、微处理器或者专用集成电路(ASIC)。

电子驱动单元120包括霍尔效应传感器电路136，其可操作地将关于DC电机130的转速和旋转方向的信息提供给微控制器134。图3是电子驱动单元120的局部端视图，示出了霍尔效应传感器电路136的物理封装。霍尔效应传感器电路136包括二个霍尔效应传感器S1、S2。传感器S1、S2位于传感器磁体144近侧，传感器磁体144固定到电机130的输出轴145上。传感器S1、S2位于磁体144的周缘附近，并且彼此分开45°。传感器磁体144包括二个正极146A(即北极)和二个负极146B(即南极)。可替换地，传感器磁体144可以仅包括一个正极和一个负极。

图4分别是传感器S1、S2的第一输出信号147和第二输出信号148的视图。传感器S1、S2将输出信号147、148作为脉冲列提供给微控制器134，该脉冲列取决于是否每个传感器接近一个正极146A或者一个负极146B。例如，当传感器磁体144旋转而使一个北极146A(而不是一个相邻的负极146B)移动而接近第一传感器S1时，第一输出信号147将从低(即逻辑0)变成高(即逻辑1)，如图4中的边沿149所示。当传感器磁体144具有二个正极和二个负极时，输出轴145每旋转一周，输出信号147、148具有二个上升沿和二个下降沿。

输出信号147、148的脉冲频率是电机输出轴145的转速的函数。周期T(显示于图3中)表示电机130的输出轴145旋转一整圈。第一和第二输出信号147、148的脉冲之间的相对间距是旋转方向的函数。当电机130在向上方向旋转时，即对应图3中的“向上(UP)”表示的电机输出轴145的逆时针方向，第二输出信号148将延迟于第一信号147大约45°或者1/8个周期T。电子驱动单元120的H桥电机驱动电路132和霍尔效应传感器电路136的操作详细记载于1998年12月15日公布的、名称为“MOTORIZEDWINDOW SHADE SYSTEM”的、共同转让的美国专利No.5,848,634中，其公开的所有内容通过参考而整体引述于此。

回到图2，存储器138耦合到微控制器134，并且可操作地存储在遮光织物当前位置和关闭位置之间的霍尔效应传感器边沿(edge)的数量H。霍尔效应传感器边沿是指，例如，图4中所示的第一输出信号147的低到高的变化。电子驱动单元120还包括RF收发器140，其允许微控制器134向键区126和其他电子驱动单元120发送RF通信信号112以及从键区126和其他电子驱动单元120接收RF通信信号112。RF收发器耦合到天线128。开关电源142从变压器122接收24V_AC信号，并产生30V_DC电压为H桥电机驱动电路132、继而为电机130供电，以及产生5V_DC电压为其他元件供电，即微控制器134、存储器138和RF收发器140。

图5是根据本发明的一个电动窗户附件110的电子驱动单元120的立体图。图6A是经过电子驱动单元120中心的侧视横截面图。图6B是经过电子驱动单元120中心的仰视横截面图。

电子元件(即H桥电机驱动电路132、微控制器134、霍尔效应传感器电路136、存储器138、RF收发器140和开关电源142)安装在印刷电路板(PCB)150上。PCB装在电子驱动单元120的罩的第一半部152和第二半部154内。电子驱动单元120的罩的第一半部152和第二半部154优选由导电材料制造，例如铝。可替换地，电子驱动单元120的罩的第一半部152和第二半部154可以由非导电材料(例如塑料)制造，然后涂覆导电物质或者涂料。PCB 150上的电路公共端通过钳夹160电连接到罩的第一半部152和第二半部154。PCB上的电源142通过连接器162和线缆164连接到变压器122的电源线124。电机轴145从电机130向PCB 150延伸。传感器磁体144位于PCB 150附近，并且传感器S1、S2(图3)安装在PCB 150上并靠近传感器磁体144。

天线128和线缆164从电子驱动单元120的第一端156伸出。第一端156可操作地从卷筒116的末端延伸，使得天线128不位于卷筒内。电子驱动单元还包括连接到轴承158的输出轴174。电机130通过齿轮机构172耦合到输出轴174。轴承158耦合到卷筒116，使得当输出轴174和轴承158旋转时，卷筒也旋转。

天线128包括绝缘线部分166和同轴电缆部分168。同轴电缆部分168耦合到安装于PCB 150上的连接器170。同轴电缆部分168从电子驱动单元120的外侧向连接器170延伸，以最小化耦合到天线128中的噪音量。电子驱动单元120中的噪音源包括开关电源142和电机130。同轴电缆部分168包括一段标准同轴电缆，该同轴电缆包括用于将RF信号从天线的绝缘线部分166传输给RF收发器140的导体，和包围该导体并耦合到PCB 150上的电路公共端的屏蔽物。

天线128还包括同轴PCB部分180，显示于图7中。该同轴PCB部分180从连接器170向PCB 150上的RF收发器140延伸。由于使用了同轴电缆部分168，同轴PCB部分180能限制耦合到天线128中的噪音量。同轴电缆部分168包括PCB 150的至少三个层182、184、186。第一层182和第三层186包括连接到PCB 150上的电路公共端的接地面(ground plane)188。第二层184包括由两个接地面188包围的信号走线(signal trace)190。最后得到的结构就像标准的同轴电缆——导体(即信号走线190)在所有侧都被屏蔽物(即接地面188)所包围。

回到图6A和图6B，电子驱动单元120还包括屏蔽PCB 200。该屏蔽PCB 200位于基本上与传感器磁体144的平面平行的平面上，使得电机轴145穿过该屏蔽PCB的中心、并沿基本上垂直于该屏蔽PCB的平面的轴线延伸。屏蔽PCB 200由导电的屏蔽结构210包围。屏蔽结构210沿电机轴145的轴线从屏蔽PCB 200圆筒状地延伸至电机130。屏蔽结构210连接到电子驱动单元120的罩的第一和第二半部152、154，继而连接到电路公共端。因此，屏蔽PCB 200通过屏蔽结构210而被保持在固定位置。因为屏蔽结构210耦合到电路公共端，所以屏蔽结构210能够屏蔽PCB 150上的电子元件(具体为微控制器134和RF收发器140)免受电机130工作时产生的电刷噪音的干扰。

图8A是屏蔽PCB 200的俯视图，图8B是屏蔽PCB 200的仰视图。屏蔽PCB 200具有基本为圆形的周缘，以允许屏蔽PCB被安装到电子驱动单元120的罩的第一和第二半部152、154之间。安装后，屏蔽PCB 200的顶面背对着电机130，底面朝向电机130。屏蔽PCB 200的中心处具有开口220，用于接收电机轴145。屏蔽PCB 200的顶面包括耦合到电路公共端的第一接地面222。提供第一电机穿孔224A和第二电机穿孔224B以允许连接到电机130的引线(即为电机供电)。提供第一PCB穿孔226A和第二PCB穿孔226B以允许通过电线(未显示)连接到PCB 150，使得H桥电机驱动电路132可操作地驱动电机130。屏蔽PCB 200的底面包括第二接地面228，该第二接地面228例如通过多个通孔230(即导电的电镀通孔)耦合到第一接地面222。

屏蔽PCB 200的顶面还包括分别在第一和第二电机穿孔224A、224B与第一和第二PCB穿孔226A、226B之间的二个LC滤波器(即在电机130和PCB 150之间)。第一LC滤波器包括耦合在第一电机穿孔224A与第一PCB穿孔226A之间的第一感应器232A，和耦合在第一电机穿孔224A与电路公共端之间的第一电容234A。第二LC滤波器包括耦合在第二电机穿孔224B与第二PCB穿孔226B之间的第二感应器232B，和耦合在第二电机穿孔224B与电路公共端之间的第二电容234B。LC滤波器提供了电机130与PCB 150上的电气元件之间的额外的隔离，以防止DC有刷电机130产生的电刷噪音通过连接到PCB穿孔226A、226B的电线而耦合回到PCB 150上，影响微控制器134和RF收发器140的工作。

图9是电子驱动单元120的局部侧视图，显示了安装在卷筒116内的电子驱动单元。因为罩的第一和第二半部152、154是导电的，所以在罩的第一和第二半部152、154与卷筒116之间存在电容耦合(由电容C_COUPLE表示)。因为罩的第一和第二半部152、154连接到PCB 150的电路公共端和天线128的电路公共端，所以该电容耦合提高了由RF收发器140所接收的RF信号的信号强度。

对根据本发明的具有导电罩的电子驱动单元(即电子驱动单元120)和具有非导电罩的电子驱动单元(即根据现有技术)的RF接收范围进行检测。对于这两种检测，将RF信号从RF发送装置以不同距离发送给电子驱动单元，直到发现电子驱动单元能够对RF信号作出反应的最大距离。业已发现，使用根据本发明的导电罩大约能使RF发送装置和电子驱动单元之间的接收范围翻倍。例如，当RF发送装置远离电子驱动单元至最远距离597英尺时，具有导电罩的电子驱动单元120能够接收到RF信号。具有非导电罩的电子驱动单元仅仅能够接收距离RF发送装置最远距离为242英尺的RF信号。

根据本发明的一种实施方式，电子驱动单元120的罩的第一和第二半部152、154每个具有大约17英寸的长度L和大约0.7英寸的半径R₁。电容耦合的电容C_COUPLE原理上能够使用下面的公式计算得出：

C_{COUPLE} = \frac{2 \cdot π \cdot ϵ_{0} \cdot L}{\ln (R_{2} / R_{1})}

(公式1)

其中R₂是卷筒116的内径，ε₀是真空电容率，即8.854187817·10^-12C²/(N·m²)。如果卷筒116的直径D(即D＝2·R₂)大约为1.5英寸，则电容C_COUPLE的理论值大约为350 pF。但是电容耦合的实际电容C_COUPLE可能与该理论值不同，可以在100 pF和5 nF之间的范围内。

本发明不受所提供的罩的第一和第二半部152、154的尺寸和卷筒116的尺寸的限制。考虑到电容耦合的电容C_COUPLE的效果(使用上面的公式1)，罩的第一和第二半部152、154的尺寸和卷筒116的尺寸可以增大或者减小。例如，如果卷筒116的直径D增大，罩的第一和第二半部152、154中每个的长度L和半径R₁也可以增大，以得到由上面公式1确定的近似的电容C_COUPLE的理论值。

本发明也不受这里记载的电容耦合的电容C_COUPLE数值的限制。电容耦合的电容C_COUPLE可以被改变为其他数值，同时仍然能维持上述在RF接收范围方面的显著改进。

虽然已经通过一些具体的实施方式描述了本发明，但是其他一些变例和修改以及其他方面的使用对于本领域技术人员而言都是明显的。因此，优选地，本发明不限于这里所公开的具体内容，而是由所附的权利要求书所限定。

Claims

1.一种由控制装置的射频(RF)无线通信所控制的卷帘结构，该结构包括：

导电卷筒；以及

安装在所述卷筒内的导电罩，该导电罩包括由导电材料制造的第一半部和第二半部，该导电罩用于封装电机驱动系统和具有电路公共端的印刷电路板PCB，该电机驱动系统具有电机以在被供给电压时，可控地在一个方向上以一种速度旋转所述卷筒；

其中所述电路公共端电连接到所述罩，在所述罩与所述卷筒之间提供电容耦合，该电容耦合提高了由RF接收器所接收的RF信号的信号强度。

2.根据权利要求1所述的结构，其中所述电机驱动系统包括：

被耦合为通过半桥电机驱动电路驱动的直流电机；

被耦合为控制所述电机驱动电路的微控制器；

被耦合为向所述微控制器提供电机位置信号的霍尔效应传感器电路；

耦合到所述微控制器的存储器；

耦合到所述微控制器的所述RF接收器；以及

被耦合为向所述微控制器和所述电机驱动电路供电的开关电源。

3.根据权利要求1所述的结构，其中所述罩包括用于将所述电路公共端电连接到所述罩的钳夹。

4.根据权利要求3所述的结构，该结构进一步包括从所述卷帘结构向外伸出的天线。

5.根据权利要求4所述的结构，其中所述天线包括绝缘线部分和耦合到安装在所述PCB上的连接器的同轴电缆部分，所述同轴电缆部分从所述卷帘结构的外部延伸到所述连接器。

6.根据权利要求5所述的结构，其中所述天线进一步包括同轴PCB部分，该同轴PCB部分包括多个层，该同轴PCB部分从所述连接器延伸到RF接收器。

7.根据权利要求6所述的结构，其中所述同轴PCB部分包括顶侧接地面层、底侧接地面层以及中间层，所述顶侧接地面层和底侧接地面层连接到所述电路公共端，所述中间层包括被两个接地面包围的信号走线，所述两个接地面连接到所述电路公共端。

8.根据权利要求2所述的结构，其中所述电机驱动系统进一步包括轴承，该轴承耦合到所述卷筒和输出轴，该输出轴通过齿轮机构与所述电机相连，其中所述电机驱动系统通过所述输出轴和所述轴承来旋转所述卷筒。

9.根据权利要求2所述的结构，其中所述电容耦合具有大约350pF的电容值。

10.一种卷帘结构，该结构包括：

用于卷绕遮光帘的卷筒，该卷筒可导电；

位于所述卷筒内的电机，该电机耦合到所述卷筒以用于驱动所述卷筒旋转；

连接到所述电机的电路板，该电路板上具有电机驱动电路，所述电路板上还具有电路公共端和RF接收器，该RF接收器用于接收RF控制信号以控制所述电机；

耦合到所述RF接收器的天线，用于将所述控制信号提供给所述接收器，该天线从所述卷筒延伸出来；以及

用于所述电机和电路板的导电罩；该导电罩包括由导电材料制造的第一半部和第二半部；

其中所述电路公共端电连接到所述罩，所述罩电容耦合到所述卷筒从而提高被所述RF接收器接收到的RF控制信号的信号强度。

11.根据权利要求10所述的卷帘结构，其中所述卷筒为金属。

12.根据权利要求10所述的卷帘结构，其中所述卷筒涂覆有导电材料。

13.根据权利要求10所述的卷帘结构，其中所述天线包括一段具有屏蔽物的同轴电缆。

14.根据权利要求13所述的卷帘结构，其中所述同轴电缆的屏蔽物的一部分被去除。

15.根据权利要求10所述的卷帘结构，其中所述罩包括适于电连接所述电路公共端到所述罩的钳夹。

16.根据权利要求10所述的卷帘结构，其中所述天线包括绝缘线部分和耦合到安装于电路板上的连接器的同轴电缆部分，该同轴电缆部分从所述卷帘结构外部延伸至所述连接器。

17.根据权利要求16所述的卷帘结构，其中所述天线还包括具有多个层的同轴PCB部分，该同轴PCB部分从所述连接器延伸至所述RF接收器。

18.根据权利要求17所述的卷帘结构，其中所述同轴PCB部分包括连接到所述电路公共端的顶侧接地面层和底侧接地面层、以及包括由两个接地面包围的信号走线的中间层，该两个接地面连接到所述电路公共端。

19.根据权利要求10所述的卷帘结构，其中所述罩电容耦合到所述卷筒以产生大约350pF的电容值。