CN103365226B

CN103365226B - 在控制单元和测位设备之间传输能量和数据的设备和方法

Info

Publication number: CN103365226B
Application number: CN201310122448.6A
Authority: CN
Inventors: B.博伊里; H.霍夫鲍尔; M.莫沙默; E.施特拉泽; E.蒂利克; S.唐多夫
Original assignee: John Nei Si Heidenhain Doctor Co Ltd
Current assignee: John Nei Si Heidenhain Doctor Co Ltd
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2018-04-24
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: CN103365226A; JP2013220015A; EP2651043B1; DE102012205802A1; US9627898B2; JP6157183B2; US20130265000A1; EP2651043A1; ES2646739T3

Abstract

本发明描述了用于在控制单元（100）和位置测量设备（10）之间经由一个线路对（110）传输能量和数据的设备和方法，其中能量的传输在充电模式中进行，以及数据的传输在通信模式中进行，其中在位置测量设备（10）中配备储能器（15），该储能器能够在充电模式中经由所述线路对（110）充电，并且利用该储能器能够在通信模式中向位置测量设备（10）提供能量，以及在控制单元（100）中配备充电单元（130），以及开关装置（120.1,120.2；200.1，200.2,200.3,200.4），在充电模式中经由该开关装置能够将充电单元（130）与所述线路对（110）双极连接。

Description

在控制单元和测位设备之间传输能量和数据的设备和方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的在控制单元和位置测量设备之间传输能量和数据的设备，以及根据权利要求6的在控制单元和位置测量设备之间传输能量和数据的方法。借助这种设备或本发明的方法，可以经由唯一的线路对实现位置测量设备在控制单元处的运行。

背景技术

在自动化技术中更多地采用提供数字的绝对位置值的位置测量设备。通常这种位置测量设备也可编程地实施，也就是说位置测量设备例如包括存储单元，可以从这些存储单元中读取存储内容或将存储内容写入存储单元中。存储内容例如可以是校准数据或配置数据。此外，在位置测量设备中还可以配备用于测量其它参数的传感器，例如用于测量温度的传感器。为了传输数字数据，尤其是绝对位置值，主要采用串行数据接口，因为所述串行数据接口用比较少的数据传输线路就能应付并且尽管如此仍然具有高的数据传输速率。

在位置测量设备连接到诸如机床控制装置的控制单元情况下的重要成本因素是运行所需要的电线路的数量，因为这些电线路决定性地确定所采用的高质量数据电缆的价格。从而例如经典的、具有差分信号传输的同步串行接口（例如根据RS-485标准）分别需要两个线路来用于传输时钟信号和数据信号。为了对位置测量设备进行电流供应，必须再次配备两个线路。因此总共需要6个线路。在此作为示例是指EP0660209B2。

为了在保持由于其不易遭干扰性和可达到的高数据传输速率而特别有利的差分数据传输的条件下减少必要的线路的数量，DE10 2008 027 902 A1建议放弃时钟信号的传输并且仅经由一个双向运行的线路对来执行数据传输。因此在此与用于电流供应的线路一起仅还配备4个线路。

发明内容

本发明的任务是提供用于在位置测量设备和控制单元之间传输能量和数据的设备，在该设备情况下运行所需要的线路的数量可以被进一步减少并且该设备还允许差分的数据传输。

该任务通过根据权利要求1的设备解决。该设备的有利细节从权利要求1的从属权利要求中得到。

现在建议一种用于在控制单元和位置测量设备之间仅经由一个线路对传输能量和数据的设备，其中能量的传输在充电模式中进行，并且数据的传输在通信模式中进行，其中在位置测量设备中配备储能器，该储能器可以在充电模式中经由线路对充电，并且利用该储能器可以在通信模式中向位置测量设备提供能量，以及在控制单元中配备充电单元，以及开关装置，在充电模式中经由该开关装置可以将充电单元与线路对双极连接。

此外本发明的任务是说明一种用于在位置测量设备和控制单元之间传输能量和数据的方法，其中可以进一步减少运行所需的线路的数量并且该方法还允许差分的数据传输。

该任务通过根据权利要求6的方法解决。该方法的有利细节从权利要求6的从属权利要求中得到。

为此建议一种在位置测量设备和控制单元之间仅经由一个线路对传输能量和数据的方法，其中能量的传输在充电模式中进行，以及数据的传输在通信模式中进行，其中在位置测量设备中配备储能器，该储能器可以在充电模式中经由线路对充电，并且利用该储能器可以在通信模式中向位置测量设备提供能量，以及在控制单元中配备充电单元，以及开关装置，在充电模式中经由该开关装置可以将充电单元与线路对双极连接。

附图说明

本发明的其它优点以及细节从下面借助附图的描述中得到。在此：

图1示出本发明设备的框图，

图2示出具有线路对上的电压的信号走向的信号图，以及

图3示出充电单元的优选实施方式的线路框图。

具体实施方式

图1示出用于在位置测量设备10和控制单元100之间经由唯一的线路对110传输能量和数据的设备的框图。

本发明基于以下原理：首先经由该一个线路对110在充电模式中将能量传输到位置测量设备10并在那里存储在储能器15中，所述储能器典型地是电容器，例如陶瓷电容器或电解电容器。接着在通信模式中，同样经由该线路对110在控制单元100和位置测量设备10之间进行通信。在通信模式中从储能器15对位置测量设备10进行能量供应。

为了在充电模式和通信模式之间转换，在控制单元100一侧配备开关元件120.1,120.2形式的开关装置，线路对110在充电模式中可以经由这些开关装置与充电单元130连接。作为开关元件120.1,120.2，有利地采用电子开关，例如MOSFET晶体管。

充电单元130在最简单的情况下是电源设备或由中央电源设备输出的供电电压，该供电电压例如在控制单元100中也用于对其它组件供电。此外有利地配备限流电路和/或保险装置，以便在故障情况下限制或关断输出电流。此外，充电单元130也可以包括广泛的功能，例如用于转换输出给位置测量设备10的充电电压的极性的可能性。

为了经由线路对110与位置测量设备10通信，配备通信单元135。该通信单元包括差分发射组件135.1，以及差分接收组件135.2，它们被连接为，使得它们适合于双向数据交换。为此尤其是在发射组件135.1处配备允许激活/停用发射组件135.1的输出端的释放线路OE。发射组件135.1和接收组件135.2例如与公知的RS-485标准的规范相应。

在所示示例中，开关元件120.1,120.2被设计为转换器，从而通信单元135在充电模式中与线路对110分开。在此要指出的是，这并不是必须的。如果例如通信单元135的输入电路的尺寸被确定为使得在充电模式中预期的最大电压处于通信单元135的输入电压的容差范围内，则通信单元135也可以在充电模式期间保持与线路对110连接。在这种情况下，开关元件120.1,120.2可以实施为简单的常开接点。

为了控制所有流程，控制单元100包括中央处理单元150。该处理单元150尤其是控制控制单元100和位置测量单元10之间的通信（命令和必要时的数据向通信单元135的传输，通信单元135对数据的接收和处理，通过对发射组件135.1的激活/停用来调整通信单元135的数据方向），以及充电模式和通信模式之间的转换。此外，处理单元150还通过控制充电单元130以及必要时对开关元件120.1,120.2的开关来监控储能器15的充电过程。

处理单元40可以完全或部分地实施为高度集成的可编程组件，例如以FPGA的形式，并且还可以包括微处理器或微控制器。

在位置测量设备10中，同样设置尽可能与控制装置侧的通信单元135相同构造的通信单元20。该通信单元20由此包括差分发射组件20.1以及差分接收组件20.2。发射组件20.1又可以经由释放线路OE被激活/停用。在该优选实施例中，测量设备侧的通信单元20的尺寸被确定为，使得在充电模式中到达位置测量设备10的最大充电电压处于通信单元20的输入电压范围内。这出于两个原因是特别有利的：一方面通信单元20也可以在充电模式期间保持与线路对110连接，也就是无需配备开关来将通信单元20在充电模式中与线路对110分开。另一方面，接收组件20.2将充电电压转换为数字信号，该数字信号如下面还要详细讲述的可以在位置测量设备10中用于识别从充电模式向通信模式的转变。

为了对储能器15充电，在位置测量设备10中配备整流单元25，该整流单元的输入端与线路对110连接，并且该整流单元的输出端与储能器15连接。整流单元25有利地被构造为桥式整流器，从而储能器15的充电与充电电压的极性无关地进行。此外，桥式整流器在差分数据传输期间就像整流单元25与线路对110的双极断开那样作用于通信模式中的线路对110，因为桥式整流器的所有二极管关于与该桥式整流器连接的线路对110都在截止方向上运行。

在储能器15之后连接变压器单元30，该变压器单元从储能器15的受制于原理而经受波动的电压中产生至少一个稳定的供电电压来用于中央位置检测单元40。作为变压器单元30，例如可以采用DC/DC转换器。

位置检测单元40包括位置测量设备10的为了产生测量值以及为了控制与控制单元100的通信而需要的所有功能单元，例如用于测量取决于位置的信号的探测器，所述信号通过计量用具的采样而形成；用于校正、制备取决于位置的信号并将其转换为数字位置值的信号处理单元；用于经由通信单元20与控制单元100通信，尤其是用于将数字位置值传输到控制单元100的接口单元。此外，仍然还可以配备存储单元，其同样可以由控制单元100读取和/或编程。这种功能单元的示例例如可以参考EP0 660 209 B2。

由于在位置测量设备10的正常运行中连续地在充电模式和通信模式之间来回切换，因此在位置检测单元40中配备分析单元45，所述分析单元分析从接收单元20.2到达位置检测单元40的数字信号并且通过确定特定的信号模式而识别从充电模式转换到通信模式的时刻。由此，位置检测单元40的在充电模式期间不需要的功能单元可以在通信模式结束之后被关断，或者被置于省电运行中，并且当分析单元45发信号通知充电模式的结束时才又被激活。通过这种方式可以显著减少位置测量设备10的电流消耗，这非常有利地影响了储能器的尺寸确定。

位置检测单元40可以完全或部分地作为高度集成的组件实施，例如以FPGA或ASIC的形式，并且可以包括微处理器或微控制器等。

在控制单元100中的中央处理单元150和位置测量设备10中的位置检测单元40之间经由控制装置侧的通信单元135、线路对110和位置测量设备10中的通信单元20在通信模式期间的通信例如可以像在DE10 2008 027 902 A1中描述的那样进行，在此明确地参照该文献。

特别要强调的是，在本发明的设备情况下在位置测量设备10的电路的通信模式期间不由控制单元100输送电参考电势（地电势）。这可以很简单地通过以下来解释：控制单元100和位置测量设备10之间的唯一的电连接是线路对110，该线路对在通信模式期间仅仅被用于差分数据传输。其结果是，位置测量设备10在通信模式期间就像电池运行的设备那样行动。因此，诸如干扰信号入射到供电电压上以及接地回路的公知问题受制于原理而根本就不会出现。

图2示出在线路对110的线路之间的电压的简化信号走向。在用T_L表示的时间期间，所述设备处于充电模式中，在用T_K表示的时间期间处于通信模式中。在第二种示出的充电模式中，附加地理想化地示出充电电流i_L。信号振幅以及脉冲宽度都不是按比例的，并且仅仅用于使本发明可理解地描述本发明。

如从图2中看出的，充电模式分为两个阶段，阶段T_P和阶段T_N，在阶段T_P期间在线路对110处施加正电压，以及在阶段T_N期间在线路对110处施加负电压。因此这种特殊的信号引导是有利的，因为线路对110实际上当然也象电感那样起作用。这意味着，在还有显著的充电电流i_L流过的时刻关断充电电压导致可以达到相当大振幅的互感电压，该相当大的振幅甚至可能发挥破坏性作用。但是另一方面，由于充电模式应当占用尽可能少的时间，这样两个通信模式之间的时间间距（实际上与控制单元100向位置测量设备10的两次位置查询之间的时间间距相应）才能尽可能短，因此将充电模式一直扩展到储能器15的充电电流下降到非临界值也是不切实际的。充电电压在时间T_P之后的极性转换现在引起充电电流i_L的受控式下降，该充电电流在时间T_N结束之后具有过零点。这是用于关断充电电压的最佳时刻，因为如果没有电流流通当然也不能预期有互感电压。

因此，一般来说可以断定，为了实现充电模式的短的持续时间有利的是在充电模式中充电电压被转换极性至少一次，以引发充电电流i_L的过零点，该过零点被用作用于关断充电电压的触发器。

如上面已经提到的，向位置测量设备10的分析单元45输送通信单元20的接收组件20.2的输出信号。由于该接收组件将线路对110上的差电压转换为简单的数字信号，因此该接收组件也向充电电压的不同极性分配不同的逻辑电平。因此分析单元45可以通过分析该数字信号的时间走向来识别充电模式的结束，因为充电模式的阶段T_P和阶段T_N的持续时间既相互不同，又与通信模式中的数据传输信号的脉冲持续时间明显不同。从而位置检测单元40的为了对通信模式进行预处理而关断的单元又可以被接通，或结束省电模式。

替换的，可以向分析单元45直接输送在线路对110的线路之间（也就是充电模式中的充电电压，或通信模式中的数据信号）的信号，并且通过分析电压电平识别充电模式的结束。

可以从通信模式转换到充电模式的时刻由数据传输的结束来确定。该结束可以借助所使用的接口的数据传输协议来精确确定，该数据传输协议是控制单元100的中央处理单元150已知的，也是位置检测单元40已知的。

图3示出充电单元130的线路框图，该充电单元适于产生充电模式的在图2中所描述的信号走向，或适于执行所基于的方法。该充电单元例如可以添加到图1中。

为了能够将不同极性中的充电电压切换到线路对110，设置4个开关元件200.1,200.2,200.3,200.4形式的开关装置。这些开关元件如此接线，使得电压源210的正极和负极分别可以被切换到输出端A和B。由于在开关元件200.1,200.2,200.3,200.4的断开状态下充电单元130与线路对110分开，因此必要时可以完全放弃图1所示的开关元件120.1,120.2。但是如果需要在充电模式中将通信单元135与线路对110分开，则要在通信单元135和线路对110之间配备相应的开关元件120.1,120.2。在一种有利的实现中，这些开关元件被实施为MOSFET晶体管，它们被接线成公知的H桥电路。开关元件200.1,200.2,200.3,200.4由充电监控单元220经由相应的控制线路分别根据所需要的充电电压极性来控制。

在电压源210的两个输出端之一、优选通常处于控制单元100的参考电势的负极与至H桥电路的相应连接端之间连接过零点探测器230。电流过零点的标准例如可以是电流方向反向的确定，或者低于电流测量电阻处的电压降，该电流测量电阻与电压源的输出端串联连接。如果探测到电流过零点，则发信号通知充电监控单元220。

由此充电模式中的充电过程可以总结如下：

-在通信模式结束之后，处理单元150发信号通知充电监控单元220充电模式的开始，并且必要时对开关元件120.1,120.2进行开关，使得充电单元130与线路对110连接。

-充电监控单元220通过相应地控制开关元件200.1,200.2,200.3,200.4将电压源210在第一极性下切换到输出端A和B。

-在定义的时间T_P之后，充电监控单元220经由开关元件200.1,200.2,200.3,200.4转换电压源的极性。

-在过零点探测器230显示出电流过零点之后，充电监控单元220通过断开开关元件200.1,200.2,200.3,200.4关断充电电压并且发信号通知处理单元150充电模式的结束。该处理单元必要时将线路对110与充电电压130分开。

本发明特别适用于实施为所谓的马达轴编码器（Motordrehgeber）并且直接安装在电动马达中以测量马达轴的角位置和/或转速的位置测量设备10。由于为了位置测量设备10的运行仅还需要一个线路对110，因此很容易将该线路对110，必要时配备屏蔽装置地集成在马达电缆中，所述马达电缆是控制电动马达无论如何都需要的。因此可以省去用于位置测量设备10的单独的电缆。通过尽管将通信所需要的线路最小化到一个线路对110仍然可以实现防干扰的差分数据传输，即使在马达电缆的关键环境中也在电缆长度较大的同时实现高的数据传输安全性。

然而，本发明当然不限于该应用领域，而是还可以在其它领域中使用。

Claims

1.一种用于在控制单元（100）和位置测量设备（10）之间经由一个线路对（110）传输能量和数据的设备，其中能量的传输在充电模式中进行，以及数据的传输在通信模式中进行，其中在所述位置测量设备（10）中配备储能器（15），该储能器能够在所述充电模式中经由所述线路对（110）充电，并且利用该储能器能够在所述通信模式中向所述位置测量设备（10）提供能量，以及在所述控制单元（100）中配备充电单元（130），以及开关装置（120.1,120.2；200.1，200.2,200.3,200.4），在所述充电模式中经由所述开关装置能够将所述充电单元（130）与所述线路对（110）双极连接，

其中在所述充电单元（130）中设置充电监控单元（220），以及开关元件（200.1，200.2,200.3,200.4），所述开关元件能够由所述充电监控单元（220）控制，使得电压源（210）的电压能够以两个极性输出，用于对所述储能器（15）充电，其中所述充电监控单元（220）控制所述开关元件，使得所述充电单元（130）输出的用于对所述储能器（15）充电的充电电压在每次充电模式中都转换极性至少一次，以引发充电电流（i_L）的电流过零点，

其中在所述充电单元（130）中设置过零点探测器（230），利用该过零点探测器（230）能够确定在所述充电模式中充电电流（i_L）的电流过零点并且发信号通知所述充电监控单元（220），

其中所述充电监控单元（220）被进一步构造为，在所述过零点探测器（230）确定了充电电流（i_L）的电流过零点之后，所述充电监控单元（220）通过断开所述开关元件来关断充电电压。

2.根据权利要求1的设备，其中在所述位置测量设备（10）中，在所述储能器（15）和所述线路对（110）之间设置整流单元（25）。

3.根据上述权利要求之一的设备，其中在所述位置测量设备（10）中还设置分析单元（45），利用该分析单元（45）能够通过分析所述线路对（110）的线路之间的信号的电压电平或时间走向来确定所述充电模式的结束。

4.一种用于在位置测量设备（10）和控制单元（100）之间经由一个线路对（110）传输能量和数据的方法，其中能量的传输在充电模式中进行，以及数据的传输在通信模式中进行，其中在所述位置测量设备（10）中设置储能器（15），该储能器（15）能够在所述充电模式中经由所述线路对（110）充电，并且利用该储能器（15）能够在所述通信模式中向所述位置测量设备（10）提供能量，以及在所述控制单元（10）中配备充电单元（130），以及开关装置（120.1,120.2；200.1，200.2,200.3,200.4），在所述充电模式中经由所述开关装置能够将所述充电单元（130）与所述线路对（110）双极连接，

其中在所述充电单元（130）中设置充电监控单元（220），以及开关元件（200.1，200.2,200.3,200.4），所述开关元件能够由所述充电监控单元（220）控制，使得所述充电单元（130）输出的用于对所述储能器（15）充电的充电电压在每次充电模式中被转换极性至少一次，以引发充电电流（i_L）的电流过零点，

其中在所述充电单元（130）中设置过零点探测器（230），利用该过零点探测器（230）确定充电电流（i_L）的电流过零点并且发信号通知所述充电监控单元（220），

其中在所述过零点探测器（230）确定了充电电流（i_L）的电流过零点之后，由所述充电监控单元（220）通过断开所述开关元件来关断充电电压。

5.根据权利要求4的方法，其中在所述充电模式结束时借助所述开关装置（120.1,120.2；200.1，200.2,200.3,200.4）又将所述线路对（110）与所述充电单元（130）分开。

6.根据权利要求4至5之一的方法，其中在所述位置测量设备（10）中还设置分析单元（45），利用该分析单元（45）通过分析所述线路对（11）的线路之间的信号的电压电平或时间走向来确定所述充电模式的结束。