CN101849437B - 用于对至少一个耗电设备进行控制和供电的方法和系统 - Google Patents

Abstract

在一种用于对至少一个耗电设备(5)进行控制和供电的方法中，其中所述至少一个耗电设备(5)能够以有线的方式导电地与电源相连接，借助于交流电压和用于控制所述至少一个耗电设备(5)的控制信息借助于对用于供电的交流电压的角度调制来将电能传输给所述耗电设备(5)。控制信息被以二进制的形式传送，其中通过预先给定的分别分配给用于供电的交流电压的频率来表示和传送各个二进制值(1)。都通过交流电压的多重振荡来传输每个二进制值(1)。一种用于对至少一个好点设备(5)进行控制和供电的系统，所述耗电设备能够借助于电缆导电地与电源相连接；该系统具有用于生成交流电压的设备(9)，所述设备(9)被布置在所述电源与所述至少一个耗电设备(5)之间；该系统具有用于对交流电压进行角度调制的设备；并且所述耗电设备(5)具有解码器(17)。

Description

用于对至少一个耗电设备进行控制和供电的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于对至少一个耗电设备进行控制和供电的方法，其中所述至少一个耗电设备可以以有线方式导电地与电源相连接。

背景技术

在现代的居住区域、工作区域以及休闲区域中使用数目持续上升的耗电设备，以便为用户提供多种新的可能性和便利。同时将日益改善在启用、尤其是在操作各个耗电设备时的舒适性。

作为对耗电设备的控制和供电的要求增加的示例是照明技术。用户希望可以选择性地被起动的多色可控照明系统。同时，这样的照明系统应当被设计为尽可能有效的以及节能的，并且使得能够低成本地实现以及简单地安装。其它的非常类似的示例涉及建筑技术的不同领域，例如供暖设备控制、空调设备控制、舒适性设备控制以及健身设备控制领域。但是也可以设想工业应用，例如在船舶、游艇或者在飞机中的使用。

从实际中公知有如下的照明系统：这些照明系统将单独的线路或者甚至分开的电缆用于控制和用于供电。在DE 10 2007 010 998 A1中描述有一种方法和一种装置，在所述方法和装置中，通过三个分开的线路为耗电设备、即电驱动设备供应电能以及供应控制信号，其中在使用商业上常用的三相电流电缆的情况下，通过两个线路传输所述电能并且通过单独的第三条线路传输所述控制信号。在其它公知系统的情况下，另外还有必要为控制设备单独地供应电能，因此该控制设备具有与耗电设备分开的电能供应。

从实际中还公知有如下的照明系统：在所述照明系统的情况下，供电以有线方式进行，并且控制以无线方式进行，例如通过无线电传送、红外传送或者超声波传送来进行。

公知的用于对耗电设备进行控制和供电的方法在构造上成本高，并且常常对干扰敏感。由于对耗电设备分别进行单独控制，所以在耗电设备的安装和启用时的相对较高的成本是不可避免的。

发明内容

因此本发明的任务是，提供一种用于对至少一个耗电设备进行控制和供电的方法，使得可以将对所述耗电设备的控制实现为尽可能低成本并且对干扰不敏感。对各个耗电设备的安装以及启用和控制将尽可能简单。

根据本发明，该任务通过如下方式来解决：借助于交流电压和用于控制所述至少一个耗电设备的控制信息借助于对用于供电的所述交流电压的角度调制来将电能传输给所述耗电设备。通过对用于供电的所述交流电压进行角度调制来传输控制信息的显著优点在于，可以使用相同的线路来为耗电设备供应电能以及控制信号。分开的控制线路或者高成本的总线系统是不必要的。

特别有利地规定：在相同的线路上传输电能和控制信息。在简单的情况下，仅仅需要双芯无极连接线路。对多个彼此连接的耗电设备的安装非常简单，因为既不需要单独的电能供应和控制信息供应，也不必注意该无极双芯连接线路的特别极性或者连接技术。当然，所述连接线路也可以被设置用于有极性的应用并且被相应地连接。

如果在个别情况下适宜或者有利，则也可以规定：尤其是在要传输大功率的情况下使用三芯或三极连接线路。也可以使用多个连接线路。

优选地规定：借助于对用于供电的交流电压的频率调制来传输控制信息。当然同样可以设想：在交流电压的频率恒定的情况下借助于对用于供电的交流电压的相位调制来传输所述控制信息。替代于前述对用于供电的交流电压进行角度调制的可能性，也可以将所述交流电压的幅度调制用于所述控制信息的传输。

根据本发明思想的一个特别有利的扩展方案规定：以二进制的形式传送控制信息，其中通过预先给定的分别分配给用于供电的交流电压的频率来表示和传送各个二进制值。在最初的试验中被证明特别有利的是，将用于供电的交流电压的频率在两个成10∶11比例的频率之间直接切换。例如可以通过用于供电的交流电压的较高频率来表示和传送二进制的1，并且通过用于供电的交流电压的较低频率来表示和传送二进制的0。

在耗电设备侧仅需确定用于供电的交流电压的频率或区分两个预先给定的频率，以便能够根据所确定的频率推断出二进制控制信息。于是，可以通过连续地确定相继跟随的二进制控制信息并且对其进行分析来将复杂的控制传输给耗电设备并且用于对所述耗电设备的控制。

同样可以设想：将每个位不仅分配给所述交流电压的一个频率，而且分配给所述交流电压的多个不同频率。

为了使复杂控制信息的传输变得容易并且能够以简单方式迅速并可靠地控制多个不同的或者同样的耗电设备规定：使用结构化的数据格式和/或可预先给定的传输协议来传送所述控制信息。

根据本发明思想的扩展方案规定：为所述耗电设备分配唯一的地址并且所述控制信息分别包含识别所控制的耗电设备的地址信息。为了使同时控制多个耗电设备变得容易而规定：多个耗电设备可以组成具有共同的组地址的组并且控制信息可以包含识别所述组的组地址信息。所述组地址信息可以替代于或附加于各个耗电设备的地址信息而被设置并且利用控制信息被传送。当然可以规定：每个耗电设备也可以属于多个组。

为了提高传输控制信息时的可靠性和抗干扰安全性而规定：通过所述交流电压的多重振荡来传输每个二进制值。因此，单个二进制控制信息、即单个位分别对应于所述交流电压的多个相继跟随的脉冲。

根据本发明思想的特别有利的扩展方案规定：针对二进制值所传输的振荡数目反比于为所述交流电压所分别分配的频率。通过这种方式可以保证，控制信息的每个信息单元或每个二进制值的长度恒定。因此，控制信息的最小单元、即位单元总是具有相同的时间长度。通过这种方式可以利用商业上常用的时钟控制部件来进行在耗电设备处所实施的对控制信息的分析。

适宜地规定：在使用两个预先给定的成10∶11比例的频率的情况下，用于二进制值的振荡数目成反比例、即成11∶10的比例。但是其它的比例也是可能的并且在个别情况下是适宜的。

有利地规定：用于供电的交流电压的频率为至少5kHz，优选地为至少10kHz，并且特别优选地为20kHz以上。尤其是在使用具有20kHz以上频率的交流电压的情况下可以排除由取决于频率的噪声等对环境造成损害。除此之外，使用具有频率高于听阈的交流电压具有其它优点，例如使用低成本的商业上常用的构件的可能性。但是还可以设想，如果相应的应用需要或允许，则所使用的交流电压可以为仅仅几百赫兹或者大约为1kHz至5kHz。

给定8MHz的基频，可以以简单和低成本的方式通过合适的频率划分(因子为240和264)生成适于传输所述电能和所述控制信息的频率30.3kHz和33.3kHz。在使用具有小损耗的合适电缆的情况下也可以例如使用比例为132比120的频率60.6kHz和66.6kHz以及比例为66比60的121.2kH和133.3kHz。

可设想的变型方案还可以是逐位的频率改变(频宽调制)，其优点是显著更高的可传输的数据速率。

为了使屏蔽用于传输交流电压的电缆变得容易并且减少与其它电部件的相互作用，可以相对于低成本的矩形信号减小用于供电的交流电压的边沿陡度。在此，尤其重要的是避免或抑制对交流电压关键的频率的奇次谐波，以便提高干扰安全性并且减少传输损耗。

如果用于供电的交流电压具有小的边沿陡度，则获得特别有利的结果。利用正弦电压曲线可以几乎完全避免产生干扰的高频谐波，但是在这方面非常有利的正弦电压曲线常常不能低成本地生成。

为了在仅仅传输电能而没有附加的控制信息的情况下易于以及改善电能传输和供电而规定：在不传输控制信息的情况下针对用于供电的交流电压使用尽可能高的频率。

由于为空闲状态下的一些电子构件有利地馈送二进制输入值，因此规定：以尽可能高的频率传输二进制值“1”。在没有以被分配给二进制值“1”的较高频率来进行附加控制信息传输的纯粹电能传输的时间上完全有优势的情况下，可以在没有较高成本的情况下使有关电子构件与耗电设备进行互连。

本发明还涉及一种用于对至少一个耗电设备进行控制和供电的系统，其中所述耗电设备能够借助于电缆导电地与电源相连接。

根据本发明规定，所述系统具有用于生成交流电压的设备，该设备被布置在电源与所述至少一个耗电设备之间；所述系统具有用于对交流电压进行角度调制的设备；并且所述耗电设备具有解码器，该解码器采集交流电压的角度调制并且将其转换成用于控制所述耗电设备的控制信号。

在大多数情况下，合适的解码器可以低成本地由商业上常用的电子和电气构件组成。可设想的例如有：具有或没有附加的商业上常用的部件的低成本微处理器、或者单独开发并经过编程的微处理器。

根据本发明思想的有利的扩展方案规定，解码器具有通用的异步接收器和发送器(UART)。合适的UART例如可以作为商业上常用的微控制器或微处理器的组件来模拟或者以软件方式低成本地模拟。通过这种方式可以简单并低成本地对控制信号进行可靠的解码。在使用UART的情况下不需要用于传送控制信号的时钟保持不变或者所传送的控制信号的长度保持不变。在以逐位方式进行数据传输的情况下，可以根据所传输的数据为每次传输确定时钟。通过将用于供电的交流电压的频率或相位用作控制信息的载体，在传输控制信息时对干扰的敏感度非常小。

为了附加地提高干扰安全性并且减小不期望的传输损耗规定：用于生成交流电压的设备具有谐波滤波器。通过使用合适的谐波滤波器，尤其是可以在传输之前滤除在将低成本的矩形信号用于生成交流电压时所出现并且不能被完全抑制的干扰谐波。

如果需要则可以规定，在用于生成交流电压的设备与耗电设备之间的电缆具有屏蔽。

根据本发明，所述系统可以包括一个供应模块或多个供应模块，借助于所述供应模块可以为耗电设备供应电能和控制信号。所述耗电设备可以借助于两个线路或芯线(以单相方式)或者三个线路(以三相方式)与所述一个或多个供应模块相连接。单独的控制信息线路或者用于控制电压的线路是多余的。

有利的是，电网抗干扰装置和过压保护装置被集中地设置在所述供应模块中或者相应的装置被布置在那里。因此，相应的耗电设备不需要这种用于电网抗干扰的装置并且因此可以更紧凑、更简单以及成本更低地来制造。

在必要时所需的对控制设备的电能供应可以从供电电压中取得。

为了提高安全性，可以通过变压器对发电方和/或耗电设备侧的线路进行电隔离。尤其是在高频情况下，可以获得商业上常用的小且低成本的变压器。

为了能够利用已有的布线结构，可以利用自适应设备扩展所述系统，该自适应设备可以利用现有的供应系统并且从所述系统中或者单独地通过有线或者无线装置获得所述供应系统的控制信息。

另外，所述供应模块可以具有用于产生非极性电压的整流器和滤波电容器、尤其是中间电路电容器。

对所述供应模块的电压供应可以是直流电压并且可以从现有电压电网、例如汽车或船舶上的车/舰用电网中提取出。

对所述供应明模块的电压供应是单相或者三相的交流电压。

所述供应模块可以包含用于抑制电网干扰的功率因数控制设备(PFC)和/或用于稳定中间电路电压的装置。

另外，所述供应模块可以包含用于控制和调节输出电压的电平的装置。

所述供应模块同样可以在通往耗电设备的输出端处包含变压器，以便使电网电压或中间电路电压任意地与所述系统的要求相适应。

所述供应模块可以包含由电子功率半导体开关(如FET或IGBT)构成的输出级。所述输出级又可以包含与全桥或半桥电路中的输出变压器和/或电子功率半导体串联的电容器。

所述供应模块可以在通往耗电设备的输出侧包含由电容器和电阻构成的用于抑制过压峰值的串联电路。

所述供电模块可以包含用于测量该模块和/或输出级的温度的装置，以便在不允许的温度上升的情况下能够使得切断输出级或者限制功率。

所述供应模块可以包含用于测量以及必要时以多个等级限制流经输出级的电流的装置。

所述供应模块可以补充地包含用于在电流过高的情况下快速切断输出级的装置。

所述供应模块可以包含用于将损耗热量从输出级和其余有损耗的构件中导出的装置。

所述供应模块可以包含用于限制接通时的最大输入电流的装置。

所述供应模块可以包含电网滤波器和/或类似的合适装置以便保护免受电网过电压或瞬态损害。

一个或多个供应模块可以包含用于为上级总线结构供电的电路。

所述供应模块可以包含用于与上级总线结构进行电隔离的电路。

所述供应模块可以在输出级之后包含一个或多个用于限制电压上升速度的电抗器或LC滤波器。在前述系统中，所述供应模块和/或耗电设备可以包括至少一个被设置为在供应线路上进行数据传输的发送电路和/或接收电路。

在所述系统中，所述一个供应模块或多个供应模块以及一个或多个耗电设备通过数据总线系统彼此和/或与一个或多个控制设备相连接。

所述系统例如可以被用于控制照明设备或者控制执行器。

还可以设想：可以借助于合适的接口将所述系统与已有的通信系统和控制系统、包括总线系统和总线结构—如Insta总线(欧洲安装总线EIB)—相组合并且由此可以整合到复杂的和至少部分已有的系统中。

供应模块与耗电设备之间的布线可以包括单独的配电箱。

供应模块与耗电设备之间的布线可以借助于具有低电容(尤其是小于30pF/m)的特殊电缆进行。

所述布线可以具有切削技术和/或接线技术中的合适的插头连接设备。

附图说明

下面进一步阐述在附图中所示的本发明思想的实施例。其中：

图1示出通过对用于供电的交流电压进行频率调制或相位调制来传输控制信息的示意图，其中信息单元的时间长度恒定；

图2示出根据图1的示意图，其中各个信息内容的时间长度根据分别分配的二进制值而不同；

图3示出用于对多个耗电设备进行控制和供电的系统的示意图；以及

图4示出用于对耗电设备进行控制和供电的系统的简化电路图。

具体实施方式

在图1和图2中分别在最上面的那行中示出二进制值序列1，该二进制值序列1整体上对应于用于控制耗电设备的控制信息。在图1中每个二进制值1都具有相同的时间长度，而在图2中示意性示出的二进制值1由长度不同的位单元来表示。在图1和图2中，分别在二进制值序列1下方一定距离处示出用于供电的交流电压3的经过频率调制的振荡序列2。

为了分别获得各个二进制值1的位单元的一致长度，要么在低的第一频率的情况下传输一个振荡，要么在两倍那么高的频率的情况下传输两个振荡。与此不同地，图2示出对经过频率调制的控制信息2的传输，其中每个二进制值1无论在较低频率的情况下还是在较高频率的情况下都通过正好一个振荡而被传送。

为了图解说明还在图1中示意性地示出交流电压3的各个振荡的经过相位调制的序列4。根据每个信息单元或位单元开始时的不同的相位，可以推断出通过这种方式所传输的二进制值1，因此在多个二进制值1的情况下推断出可能复杂的控制信息。

在图3中示意性地示出用于为多个耗电设备进行控制和供电的系统。每个耗电设备5都可以例如由照明装置6或者任意的执行器7构成。合适的照明装置6可以由一个或多个发光二极管(LED)或者必要时具有不同颜色和亮度的其它照明器件构成。执行器7例如可以是用于遮光帘、卷帘、开门装置的操控元件，并且可以由不同的组件和/或电路板构成，例如由电机、继电器、磁体或者阀门以及其它合适的执行机构构成。当然，照明装置6和执行器7也可以形成功能单元并且共同表示耗电设备5。耗电设备5的实施和使用可能性几乎可以是任意多样化的，并且例如还包括淋浴配件、洗涤配件、浴缸配件、供暧控制、空调控制、通风控制以及可电操控的遮阳板、门驱动装置以及安全设备。

耗电设备5通过双芯无极连接线路8与用于生成交流电压的设备9以导电的方式相连接。该用于生成交流电压的设备9进一步具有用于对交流电压进行频率调制的设备10。

该用于生成交流电压的设备9又可以要么被供应以220伏或110伏下的50赫兹或60赫兹的常用交流电压、在特定电网中公知的16Hz或400Hz的交流电压，要么例如被供应以直流电压。用于对耗电设备5进行控制和供电的系统的工作电压的有效值有利地处于40伏与120伏之间。尤其感兴趣的例如是48V，因为在此还未对接触安全提出高的要求。

对用于生成交流电压的设备9以及用于对交流电压进行频率调制的设备10的操作和控制可以要么直接通过USB、因特网、ip、W-LAN等进行控制，要么具有独立的非相容的总线结构—例如基于RS485的总线结构。

同样可以设想，可以通过一个双向连接线路8、通过两个或更多个双向连接线路8、或者分开的发送连接和接收连接来使多个用于生成交流电压的设备9、包括合适的操作元件和/或控制元件彼此连接。总线结构可以由中央控制单元或者由多个分散的控制单元来控制。各个连接线路8还可以具有光纤部件。

各个耗电设备5可以串联、并联或者星形地布置。任意的混合结构都是可能的。尤其是在不使用滤波设备或者匹配机构的情况下也可能通过使用合适的连接元件来生成彼此串联的耗电设备5的线性结构。

整个系统的最大功率传输、进而耗电设备5的最大数目仅仅由所使用的连接线路8的最大截面以及所使用的部件彼此之间和与环境之间所必需的电绝缘来限制。

对耗电设备5的各个功能的控制通过可预先给定的协议利用所选耗电设备5的唯一标识以及后续所传输的数据来进行，其中所述数据可以有选择地由单义的同步码、寻址、长度说明、指令码、索引、校验数据以及有效载荷(Payload(有效载荷))以任意的或者确定的顺序构成。

可以为每个耗电设备5分配唯一的标识号。该标识号或地址可以在随附的产品说明书中或者直接地或借助于耗电设备5上的标签而被呈现出，以便例如在安装期间识别该耗电设备5。

所述标识还可以通过特别的方法来进行，例如通过加调制(aufmodulieren)成有用功能的代码来进行。

可以设想，耗电设备5附加地将例如状态信息无线地传送给可以分析和显示各个状态信息的中央接收单元。

还可以设想，以较高频率将反向通道传输到连接线路8上。

在图4中用相应电路示例性地示出用于生成交流电压的设备9以及耗电设备5。通过左边所示的供应线路11为用于生成交流电压的设备9供应电能。在经过滤波器12、整流器13以及中间电路14以后，借助于执行机构15和变压器16生成适于为耗电设备5供电的交流电压，该交流电压通过另一滤波器12馈入到双芯绞合连接线路8中。通过执行机构15还可以在该交流电压的不同频率之间进行切换，以便以频率调制的方式将控制信号传输给耗电设备5。滤波器12或者整流器13的使用依赖于通过供应线路11所馈入的电能形式。

在耗电设备5处输入的交流电压通过滤波器12和变压器16输送给解码器17，该解码器17可以确定频率调制或预先给定的频率并且将其传输给用于控制耗电设备5的控制设备18。该控制设备优选是经过合适配置和编程的微处理器。如果期望的话，可以再次通过整流器13、中间电路14以及执行机构15或滤波器12将输入的交流电压馈入到用于连接另一耗电设备5的另一连接线路8中。

Claims (1)

1. 一种用于对至少一个耗电设备（5）进行控制和供电的方法，其中所述至少一个耗电设备（5）能够以有线方式导电地与电源相连接，其中借助于交流电压和用于控制所述至少一个耗电设备（5）的控制信息借助于对用于供电的所述交流电压的角度调制来将电能传输给所述耗电设备（5），其中在相同的线路上传输所述电能和所述控制信息，其中借助于对用于供电的所述交流电压的频率调制来传输所述控制信息，并且其中以二进制的形式传送所述控制信息，其中通过预先给定的分别分配给用于供电的交流电压的频率来表示和传送各个二进制值（1），其特征在于，通过所述交流电压的多重振荡来传输每个二进制值（1），其中针对二进制值（1）所传输的振荡数目反比于为所述交流电压所分别分配的频率，并且其中每个二进制值具有相同的时间长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用结构化的数据格式和/或可预先给定的传输协议来传送所述控制信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为所述耗电设备分配唯一的地址并且所述控制信息分别包含识别所控制的耗电设备的地址信息。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，多个耗电设备能够组成具有共同的组地址的组并且所述控制信息能够包含识别所述组的组地址信息。

5.根据前述权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，用于供电的所述交流电压的频率为至少5kHz。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，用于供电的所述交流电压的频率为至少10kHz。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用于供电的所述交流电压的频率为20kHz以上。

8.根据前述权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，用于供电的所述交流电压具有小的边沿陡度。

9.根据前述权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在不传输控制信息的情况下针对用于供电的所述交流电压使用尽可能高的频率。

10.根据前述权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，以尽可能高的频率传输二进制值“1”。