CN208522755U - 用于改进的dc电力线通信的系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于通过具有至少两个导线的线缆进行通信并且提供电力的设备，包括：第一电感器，具有主绕组和副绕组；第二电感器，具有主绕组和副绕组，所述第二电感器的所述主绕组在一端处耦合到所述第一电感器的所述主绕组，所述第一电感器和第二电感器的所述副绕组中的每一个耦合到所述线缆中的所述至少两个导线之一。所述设备还包括：收发机，耦合到所述第一电感器和第二电感器的所述主绕组，其中，所述第一电感器以相对于平均电位对称地改变所述导线中的每一个的电位的方式耦合到本地的地电位。
Description
优先权要求
该专利申请要求2015年9月26日提交的美国临时专利申请序列号 61/233,328的优先权的利益。该临时专利申请无论出于什么目的均通过引用全部合并到本文中。
技术领域
本实用新型涉及通信系统，更具体地说，涉及用于通过电力线进行监控设备与传感器之间的通信的系统和方法。
背景技术
工业控制系统、自动化电子设备、医疗装置、舰艇、飞行器以及安全系统是可以采用在通信网络中与传感器和致动器设备相连接的电子控制监控设备的系统的示例。在现有技术中，控制设备通常称为“主件”，而传感器和致动器设备称为“从件”。
在一些系统中，从件既由可以看作主件之子系统的源供电又从其接收通信。引入至每个从件的线缆包括用于通信、供电电压的导线以及回路导线。为了减少将主件连接到从件的线缆束的重量、成本和刚度，出于将电力传送到从件并且与之进行通信的双重目的，可以使用承载信号的导线。导线针对电力和通信二者的这种双重用法称为DC电力线通信(“PLC”)。在PLC中，可以仅使用两个导线在各PLC节点之间发送电力和数据，无需附加引线以互连设备。
现有PLC系统已经适用于成本和大小(组件面积)并非重要考虑因素的系统。例如，以太网上的电力(PoE)在链路的每个端处使用两个双绞线以及DC-DC 转换器。PoE的实施因此相对昂贵，并且需要用于紧凑的从件设备的太多电路。另一组系统使用用于发射机的电流注入以及用于接收机的AC耦合式电压检测，因此它们不能使用关于标准(例如RS-485)存在的大量现成的发射机/接收机集成电路。这不仅使得它们的实现方式复杂化，而且还意味着：设计可以在有电力线通信的情况下或在没有电力线通信的情况下使用的主件或从件是不切实际的。
其它PLC系统仅利用线缆屏蔽以保护不受共模干扰，但这在很多应用中可能是不足的。在DC PLC线缆位于EMC干扰源(例如引向伺服电机的电力导线) 附近的应用中，暴露于共模干扰是特别显著的问题。Sick-Stegmann GmbH公开文献“Hiperface DSL InterfaceManual”中所描述的一种值得注意的系统尝试通过使用变压器和阻抗匹配来应对共模干扰，但具有这样的缺点：其使用占据大量板面积并且降低传输效率的多个变压器、电容器和电感器组件。
例如，图3示出通信系统300，其中，“主件”302通过通信介质330将信号发送到“从件”303并且接收来自“从件”303的信号。主件302首先通过阻抗匹配网络304和变压器305向通信介质330进行发送。变压器305包括主侧电感器 307以及副电感器308。从副电感器308的第一端子起始的信号路径延伸穿过电容器315，然后分支，其中，一条路径引向单绕组电感器322(其将电压电平与信号解耦合)，并且另一路径引向通信介质330。相似地，从副电感器308的第二端子起始的信号路径延伸穿过电容器316，然后分支，其中，一条路径引向另一单绕组电感器324，并且另一路径引向通信介质330。在电路的从件侧上采用电感器和电容器的类似布置。不同于变压器305的单独的单绕组电感器322和 324以及附加电容器315和316占据过多的电路板空间，并且增加通信电路的总成本。
因此将会有利的是，提供一种用于改进的DC电力线通信的系统和方法，其对共模干扰具有稳健性，在占据尽可能小的板空间方面是足够的，并且具有改进的传输效率。
实用新型内容
根据一个实施例，本实用新型提供一种用于通过具有至少两个导线的线缆进行通信并且提供电力的设备，其包括：第一电感器，具有主绕组和副绕组；以及第二电感器，具有主绕组和副绕组，所述第二电感器的所述主绕组在一端处耦合到所述第一电感器的所述主绕组，所述第一电感器和第二电感器两者的所述副绕组中的每一个耦合到所述线缆中的所述至少两个导线之一。所述设备还包括：收发机，耦合到所述第一电感器和第二电感器两者的所述主绕组。所述第一电感器以相对于平均电位对称地改变所述导线中的每一个的电位的方式耦合到本地的地电位。
根据另一实施例，本实用新型还提供一种用于通过具有至少两个导线的线缆进行通信的设备，其包括：电感器，具有两个副绕组以及一个主绕组；以及收发机，耦合到所述电感器的所述主绕组。所述电感器的所述两个副绕组耦合到所述线缆的所述至少两个导线中的两个，并且相对于平均电位对称地变化的电压信号由所述电感器的所述副绕组提供给所述导线。
根据又一实施例，本实用新型还提供一种用于通过具有至少两个导线的线缆进行通信并且提供电力的设备，其包括：电感器，具有串行连接的两个主绕组以及串行连接的两个副绕组，所述副绕组还连接到所述线缆中的所述至少两个导线中的两个；以及收发机，耦合到所述电感器的所述两个主绕组。从所述副绕组被提供给所述两个导线的所述电压信号相对于平均电位对称地变化。
根据又一实施例，本实用新型提供一种用于通过具有至少两个导线的线缆进行通信并且提供电力的PLC通信系统，其包括主件设备，其包括：第一电感器，具有主绕组和副绕组；第二电感器，具有主绕组和副绕组，所述第二电感器的所述主绕组在一端处耦合到所述第一电感器的所述主绕组，所述第一电感器和第二电感器两者的所述副绕组中的每一个耦合到所述线缆中的所述至少两个导线之一；以及收发机，耦合到所述第一电感器和第二电感器两者的所述主绕组。所述第一电感器以相对于平均电位对称地改变所述导线中的每一个的电位的方式耦合到本地的地电位。所述PLC通信系统还包括：从件设备，其包括：第一电感器，具有主绕组和副绕组；第二电感器，具有主绕组和副绕组，所述第二电感器的所述主绕组在一端处耦合到所述第一电感器的所述主绕组，所述第一电感器和第二电感器两者的所述副绕组中的每一个耦合到所述线缆中的所述至少两个导线之一；以及收发机，耦合到所述第一电感器和第二电感器两者的所述主绕组。
附图说明
图1是根据本实用新型示例性实施例的DC电力线通信系统的示意性电路图。
图2是根据本实用新型另一示例性实施例的DC电力线通信系统的示意性电路图。
图3是本领域公知的DC电力线通信系统的示意性电路图。
具体实施方式
为了在主件(例如伺服电机驱动器)与从件(例如位置传感器)之间提供改进的通信系统，并且克服当前可用设备的缺点和问题，本实用新型提供DC PLC系统，其高效地使用更少并且更小的组件，显著减少组件面积和板大小，并且同时改进传输效率。
图1是根据本实用新型的PLC系统的示例性实施例的示意性电路图。在系统100中，主件收发机102在各个+V/2和–V/2信号线路104、106上发送(并且也接收)信号。信号线路104耦合到第一电感器110的主绕组的第一侧，而信号线路106耦合到第二电感器112的主绕组的第二侧。可以使用大规模市场应用中所使用的库存物品(例如DC-DC转换器，其比具有将另外需要的单绕组电感器的脉冲变压器的组合更小并且更廉价)来实现第一和第二(耦合式)电感器110、112。优选地，电感器110、112具有近似1-2Ω的低DC电阻以及高频率处的高得多的阻抗(例如2MHz处的1.25kQ)，允许提供电力而不干扰通信。此外，电感器110、112的阻抗应近似相等，以确保通信信号的对称性。
第一电感器110的主绕组的第二端直接耦合到第二电感器112的主绕组的第一侧。在所描述的系统中，包括串联的两个电阻器和一个电容器的阻抗匹配网络114跨越信号线路104、106而耦合在主件102与电感器110、112之间。阻抗匹配网络被设计为在期望的发送频率处匹配双绞线线缆的阻抗。
现参照电感器110、112的副绕组，电感器110的副绕组的第一端耦合到DC 电力源基准电压(例如+12V)，并且电感器110的副绕组的第二端耦合到双绞线导线中的导线122的第一(主件)端。关于第二电感器112，第二端耦合到基准电压(例如接地)，而第一端耦合到双绞线的第二导线124的第一(主件)端。导线122、124都可以可选地被包封在屏蔽式线缆130中。导线122、124从电路的主件侧将电力和命令信号二者发送到从件侧。信号通信在导线122、124之间对称地变化。
图1和图2中所描述的收发机电路适合于半双工通信，其中，主件或从件可以交替地通过导线进行发送，如工业系统中典型的那样。然而，在此所公开的教导不限于半双工通信。例如，使用吉比特以太网通信中所使用的混合收发机时可以采用全双工通信。
现参照电路的从件侧，导线122的第二(从件)端耦合到第三电感器132 的副绕组的第二侧，而导线124的第二(从件)端耦合到第四电感器134的副绕组的第一侧。也可以使用较小且相对廉价的组件来实现第三和第四电感器 132、134。优选地，电感器132、134具有近似1-2Ω的低DC电阻以及高频率处的高得多的阻抗(例如2MHz处的1.25kQ)。第三电感器132的副绕组的第一侧耦合到将DC电力提供给从件设备的电力调节电路140，而第四导线134的副侧的第二侧耦合到基准电压(例如接地)。由于电感器132具有对DC电力信号的低阻抗，因此其有效地将电力信号偏转到电力调节电路140。电力调节电路 140可以包括与降压电压调节串联布置的二极管，以使得DC电压电平下降到用于从件设备的适当电平。设计者具有关于元件110、112、132和134使用相同电感器的选项。
与主件侧上的布置相似，电感器132的副绕组的第一侧耦合到从件收发机 160的信号线路152，并且电感器134的副绕组的第二侧耦合到从件收发机160 的信号线路154，而电感器132的第二侧和电感器134的第一侧直接彼此耦合。包括分压器和电容器的第二阻抗匹配网络155布置成跨越电感器与从件收发机 160之间的输入线路152、154而与电感器132、134并联。
在操作方面，当主件收发机102发送差分电压(V)时，于是穿过具有相等电感和匝比的电感器110、112的串连式主绕组中的每一个而产生V/2。归因于主绕组和副绕组的磁耦合，穿过电感器110、112的副绕组的电压也是V/2，例外的是归因于提供给从件的DC电流的小DC偏置电压。电压的极性基于点法则 (dot convention)。虽然电感器对AC通信信号提供高阻抗，但实质上对DC电力干线电压没有阻抗。这样允许在没有从主件侧上的电力干线到电路的从件侧上的电力调节电路的显著衰减的情况下发送DC电力。反之，当从成对导线在电感器的副绕组处接收到AC通信信号时，跨越绕组所生成的电压通过磁耦合传送到主绕组，并且由此传送到对端收发机。以此方式，电路将DC电力信号与AC 通信信号解耦合。
图2中示出根据本实用新型的PLC系统200的另一实施例。在该实施例中，主件收发机在各个+V/2和–V/2信号线路204、206上发送(并且也接收)信号。在图2的实施例中，信号线路耦合到单个4绕组电感器，而非两个分离的2绕组电感器。更具体地说，信号线路204耦合到电感器210的第一主绕组的第一侧，信号线路206耦合到第二电感器210的第二主绕组的第二侧，并且第一电感器210的第一主绕组的第二端直接耦合到第二主绕组的第一侧。如在图1的实施例中那样，V/2的差分电压穿过电路的主件侧上的电感器的第一和第二主绕组和对应副绕组二者而产生。然而，由于这些电压都是相等的，因此可以将所耦合的电感器210的所有四个绕组布置为环绕公共磁芯，即，将所耦合的电感器组合为所示的单个4绕组耦合式电感器。
电感器210的所连接的主绕组的中心抽头215直接地或经由电容器218连接到固定基准电位。在所示示例中，中心抽头215直接接地，这样具有益处：两个主绕组充当赋予额外的抗共模干扰性的自动变压器，并且中心抽头的接地提供路径以偏转因绕组间电容而出现的电流。此外，将中心抽头215直接地或经由电容器218连接到固定电位，则允许端接阻抗匹配网络得以简化为单个电阻器220，因为所耦合的电感器210的中心抽头215限定用于收发机202的共模电位。
再次参照图2，电感器210的第一副绕组的第一侧耦合到基准DC电压，并且第一副绕组的第二侧耦合到线缆230中所包封的成对导线222、224中的第一导线222。相似地，电感器210的第二副绕组的第一侧耦合到第二导线224，并且副绕组的第二侧耦合到基准电压(例如接地)。线缆230也可以受屏蔽，以减少干扰。
在系统的从件侧上，并非4绕组电感器，示出3绕组电感器232。为了清楚，注意，根据本实用新型，主件侧电感器210和从件侧电感器之一或二者可以具有4个绕组或3个绕组，从而可以取决于方便性而使用3绕组电感器和4绕组电感器的任何组合(例如，制造具有四个相同绕组而非不完全相同的三个绕组的耦合式电感器一般是更简单的)。可以有利的是，将电感器232的两个主绕组布置为具有所设置的数量(N)匝，并且将副绕组设置为具有双倍匝数(2xN)，因为这样给出用于信号传输的总体1：1比率，因此保留所发送的和接收到的信号的幅度。
电感器232的第一主绕组的第一侧耦合到电力调节电路235，其提供用于从件收发机260和设备262的DC电力。电力调节电路140可以包括与降压电压调节串联布置的二极管，以使得DC电压电平下降到用于从件设备的适当电平。电感器232的第一主绕组的第二侧耦合到第二主绕组的第一侧，而第二主绕组的第二侧耦合到基准电压(例如接地)。信号线路242、244从电感器232的副绕组的第一侧和第二侧延伸。跨越信号线路242、244的是阻抗匹配网络250，与用于匹配对线缆导线的阻抗的图1所示的情况相似。信号线路242、244端接在从件收发机260处。
图1和图2所示的根据本实用新型的PLC系统的实施例实际上不受当信号线缆(例如130、230)与EMC干扰源线缆捆绑在一起时可能产生的共模干扰的浪涌影响。如果电浪涌产生在导线上，则其不桥接经磁耦合而非电耦合的电路的主件侧或从件侧上的电感器的主侧与副侧之间的空气间隙。此外，突然瞬变通过电感器的动作得以强烈地减弱，从而当浪涌产生时，磁耦合也对应地是很小的。电感器比典型地执行这些功能的变压器远更小并且更廉价。
因此，电感器比将另外必须的脉冲变压器和成对单绕组电感器的组合更便宜，并且占据远更少的板空间。发现图1和图2的实施例几乎是一半的成本，仅占据四分之一的板面积，并且是基于传统变压器的PLC系统中使用的有效体积的仅近似八分之一。另一优点是，通过新电路接收到的信号在幅度方面处于更大10％的量级，这样允许使用更长的线缆。本实用新型的系统的其它优点包括用于选择更期望的组件的能力。当与产业中的其它产品相比时，现也可以制造相对更小的产品，尤其是多轴产品和编码器。高的组件也类似地得以消除，由此进一步使得更小的产品成为可能。益处赋予主件(驱动器、控制器)和从件(反馈设备/编码器)二者。
本领域技术人员应理解，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以关于要素替换等同物。此外，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以进行很多修改以将材料的特定特征适配于本实用新型的教导。因此，本实用新型旨在不受限于所公开的特定实施例，而是本实用新型将包括落入权利要求的范围内的所有实施例。
Claims (14)
1.一种用于通过具有至少两个导线的线缆进行通信并且提供电力的设备，其特征在于包括：
第一电感器，具有主绕组和副绕组；
第二电感器，具有主绕组和副绕组，所述第二电感器的所述主绕组在一端处耦合到所述第一电感器的所述主绕组，所述第一电感器和第二电感器两者的所述副绕组中的每一个耦合到所述线缆中的所述至少两个导线之一；以及
收发机，耦合到所述第一电感器和所述第二电感器两者的所述主绕组；
其中，所述第一电感器以相对于平均电位对称地改变所述导线中的每一个的电位的方式耦合到本地的地电位。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二电感器的所述副绕组还耦合到DC电压源。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二电感器从所述线缆的所述导线抽取DC电力。
4.一种用于通过具有至少两个导线的线缆进行通信的设备，其特征在于包括：
电感器，具有两个副绕组以及一个主绕组；以及
收发机，耦合到所述电感器的所述主绕组；
其中，所述电感器的所述两个副绕组耦合到所述线缆的所述至少两个导线中的两个，并且相对于平均电位对称地变化的电压信号由所述电感器的所述两个副绕组提供给所述导线。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述电感器的所述副绕组还耦合到DC电压源。
6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述电感器的所述副绕组从所述线缆的所述导线抽取DC电力。
7.一种用于通过具有至少两个导线的线缆进行通信并且提供电力的设备，其特征在于包括：
电感器，具有串行连接的两个主绕组以及串行连接的两个副绕组，所述副绕组还连接到所述线缆中的所述至少两个导线中的两个；以及
收发机，耦合到所述电感器的所述两个主绕组；
其中，从所述副绕组被提供给所述两个导线的电压信号相对于平均电位对称地变化。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电感器的所述两个副绕组之一去往DC电压源，并且所述两个副绕组中的另一个耦合到接地装置。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电感器的所述副绕组中的第一绕组从DC电压源抽取电力，并且所述副绕组中的第二绕组耦合到接地装置。
10.如权利要求7所述的设备，其特征在于还包括：
中心抽头，连接至固定电位且耦合在所述电感器的所述两个主绕组之间。
11.如权利要求7所述的设备，其特征在于还包括：
电容器，耦合在中心抽头与固定电位之间。
12.一种用于通过具有至少两个导线的线缆进行通信并且提供电力的PLC通信系统，其特征在于包括主件设备和从件设备，其中，
所述主件设备包括：
第一电感器，具有主绕组和副绕组；
第二电感器，具有主绕组和副绕组，所述第二电感器的所述主绕组在一端处耦合到所述第一电感器的所述主绕组，所述第一电感器和第二电感器两者的所述副绕组中的每一个耦合到所述线缆中的所述至少两个导线之一；以及
收发机，耦合到所述第一电感器和所述第二电感器两者的所述主绕组；
其中，所述第一电感器以相对于平均电位对称地改变所述导线中的每一个的电位的方式耦合到本地的地电位，
所述从件设备包括：
第一电感器，具有主绕组和副绕组；
第二电感器，具有主绕组和副绕组，所述第二电感器的所述主绕组在一端处耦合到所述第一电感器的所述主绕组，所述第一电感器和第二电感器两者的所述副绕组中的每一个耦合到所述线缆中的所述至少两个导线之一；以及
收发机，耦合到所述第一电感器和所述第二电感器两者的所述主绕组。
13.如权利要求12所述的PLC通信系统，其特征在于，所述主件设备的所述第二电感器的所述副绕组还耦合到DC电压源。
14.如权利要求12所述的PLC通信系统，其特征在于，所述从件设备的所述第二电感器从所述线缆抽取DC电力。
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