JP6157183B2 - 制御ユニットと位置測定器の間でエネルギーとデータを伝送するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載された制御ユニットと位置測定器の間でエネルギーとデータを伝送するための装置及び請求項６に記載された制御ユニットと位置測定器の間でエネルギーとデータを伝送するための方法に関する。そのような装置又は本発明による方法によって、単一の配線ペアを介して制御ユニットから位置測定器を動作させることが可能である。

自動化技術において、デジタル形式の絶対位置の値を供給する位置測定器が益々用いられている。多くの場合、そのような位置測定器は、プログラミング可能な形でも構成されている、即ち、その測定器は、例えば、記憶ユニットを備えており、そのユニットから記憶内容を読み出すか、或いはそのユニットに記憶内容を書き込むことができる。その記憶内容は、例えば、校正データ又はコンフィギュレーションデータとすることができる。更に、位置測定器には、別のパラメータを測定する、例えば、温度を測定するためのセンサーを配備することもできる。デジタルデータ、特に、絶対位置の値を伝送するためには、比較的少ないデータ伝送配線で間に合い、それにも関わらず速いデータ伝送速度を有するので、主にシリアルデータインタフェースが使用されている。

位置測定器と制御ユニット、例えば、工作機械の制御部を接続する場合の大きなコスト要因は、使用する高価なデータケーブルの価格を主に決定するので、その動作に必要な電気配線数である。即ち、例えば、（例えば、ＲＳ−４８５標準に準拠した）差動信号伝送による従来の同期シリアルインタフェースでは、クロック及びデータ信号を伝送するために、それぞれ二本の配線が必要である。位置測定器の電源供給のために、更に二本の配線を配備しなければならない。即ち、全体として六本の配線が必要である。ここで、例として、特許文献１を挙げる。

特許文献２は、雑音に強く、達成可能なデータ伝送速度が速いために特に有利な差動信号伝送を堅持しつつ必要な配線数を削減するために、クロック信号の伝送を省いて、両方向動作する一つの配線ペアだけを介してデータ伝送を行なうことを提案している。即ち、そこでは、電源供給用の配線と合わせて、僅かに四本の配線だけが配備されている。

欧州特許第０６６０２０９号明細書 ドイツ特許公開第１０２００８０２７９０２号明細書

本発明の課題は、動作に必要な配線数を一層削減できるとともに、更に差動信号伝送を可能とする、位置測定器と制御ユニットの間でエネルギーとデータを伝送するための装置を提供することである。

更に、本発明の課題は、動作に必要な配線数を一層削減できるとともに、更に差動信号伝送を可能とする、位置測定器と制御ユニットの間でエネルギーとデータを伝送するための方法を提供することである。

本課題は、請求項１に記載の装置によって解決される。本装置の有利な詳細は、請求項１に従属する請求項から明らかとなる。

ここで、一つの配線ペアだけを介して制御ユニットと位置測定器の間でエネルギーとデータを伝送するための装置を提案し、その装置では、エネルギーの伝送が充電モードにおいて行なわれ、データの伝送が通信モードにおいて行なわれ、位置測定器には、充電モードにおいて配線ペアを介して充電可能なエネルギー貯蔵器が配備され、そのエネルギー貯蔵器を用いて、通信モードにおいて位置測定器にエネルギーを供給することが可能であり、制御ユニットには、充電ユニットと切換手段が配備されており、その切換手段によって、充電モードにおいて充電ユニットを配線ペアと二つの極形態で接続することが可能である。

また、本課題は、請求項６に記載の方法によって解決される。本装置の有利な詳細は、請求項６に従属する請求項から明らかとなる。

そのために、一つの配線ペアだけを介して制御ユニットと位置測定器の間でエネルギーとデータを伝送するための方法を提案し、その方法では、エネルギーの伝送が充電モードにおいて行なわれ、データの伝送が通信モードにおいて行なわれ、位置測定器には、充電モードにおいて配線ペアを介して充電されるエネルギー貯蔵器が配備されており、そのエネルギー貯蔵器を用いて、通信モードにおいて位置測定器にエネルギーを供給し、制御ユニットには、充電ユニットと切換手段が配備されており、その切換手段によって、充電モードにおいて充電ユニットを配線ペアと二つの極形態で接続する。

本発明の更なる利点及び詳細は、以下における図面に基づく記述から明らかとなる。

本発明による装置のブロック接続図 配線ペアにおける電圧信号の推移を表す信号グラフ 充電ユニットの有利な実施構成のブロック接続図

図１は、単一の配線ペア１１０を介して位置測定器１０と制御ユニット１００の間でエネルギーとデータを伝送するための装置のブロック接続図を図示している。

本発明は、先ずは充電モードにおいて、一つの配線ペア１１０を介して位置測定器１０にエネルギーを伝送して、そこで、典型的には、コンデンサ、例えば、セラミックコンデンサ又は電解コンデンサであるエネルギー貯蔵器１５に貯蔵するとの基本思想をベースとする。次に、通信モードにおいて、同じく配線ペア１１０を介して、制御ユニット１００と位置測定器１０の間の通信が行なわれる。通信モードにおいては、位置測定器１０へのエネルギー供給はエネルギー貯蔵器１５から行なわれる。

充電モードと通信モードの間を切り換えるために、スイッチ素子１２０．１，１２０．２の形の切換手段が制御ユニット１００の側に配備されており、それによって、充電モードにおいて、配線ペア１１０を充電ユニット１３０と接続することが可能である。有利には、スイッチ素子１２０．１，１２０．２として、電子スイッチ、例えば、ＭＯＳＦＥＴトランジスタが用いられる。

充電ユニット１３０は、最も簡単な場合、電源ユニット、或いは例えば、制御ユニット１００において、それ以外のコンポーネントにも電源を供給する役割を果たす、中央の電源ユニットから出力される電圧を供給するユニットである。更に、有利には、障害時に出力電流を制限又は遮断するために、電流制限回路及び／又は保護回路が配備される。更に、充電ユニット１３０は、例えば、位置測定器１０に出力する充電電圧の極性を切り換える手段などの有利な機能を備えることができる。

配線ペア１１０を介した位置測定器１０との通信のために、通信ユニット１３５が配備されている。そのユニットは、両方向のデータ交換に適した形で切り換えられる、差動式送信モジュール１３５．１及び差動式受信モジュール１３５．２を備えている。そのために、特に、送信モジュール１３５．１には、送信モジュール１３５．１の出力の有効化と無効化を可能とするイネーブル線ＯＥが配備されている。送信モジュール１３５．１と受信モジュール１３５．２は、例えば、周知のＲＳ−４８５標準仕様に準拠する。

図示された例では、スイッチ素子１２０．１，１２０．２は、切換スイッチとして構成されており、そのため、充電モードにおいて、通信ユニット１３５が配線ペア１１０から切り離される。ここで、そのことが必ずしも必要でないことを指摘しておく。例えば、充電モードにおいて見込まれる最大電圧が通信ユニット１３５の入力電圧の許容範囲内となるように、通信ユニット１３５の入力回路が構成されている場合、充電モードの間でも、通信ユニット１３５を配線ペア１１０と接続した状態に留めることができる。その場合、スイッチ素子１２０．１，１２０．２は、単純なオンオフスイッチとして構成することができる。

全てのプロセスを制御するために、制御ユニット１００は、中央の処理ユニット１５０を備えている。この処理ユニット１５０は、特に、制御ユニット１００と位置測定器１０の間の通信（コマンドと、場合によっては、通信ユニット１３５へのデータの伝送、通信ユニット１３５からのデータの受信及び処理、送信モジュール１３５．１の有効化／無効化による通信ユニット１３５のデータ方向の設定）並びに充電モードと通信モードの切換を制御する。更に、処理ユニット１５０は、充電ユニット１３０の駆動と、場合によっては、スイッチ素子１２０．１，１２０．２の切換とによって、エネルギー貯蔵器１５の充電プロセスを制御する。

処理ユニット１５０は、全体的又は部分的に、プログラミング可能な高集積モジュールとして、例えば、ＦＰＧＡの形で実現することができ、マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラを備えることもできる。

同様に、位置測定器１０には、制御ユニット側の通信ユニット１３５とほぼ同様に構成された通信ユニット２０が配備されている。従って、そのユニットは、差動式送信モジュール２０．１と差動式受信モジュール２０．２を備えている。送信モジュール２０．１は、又もやイネーブル線ＯＥによって有効化又は無効化することができる。この有利な実施例では、位置測定器側の通信ユニット２０は、充電モードにおいて位置測定器１０に到達する最大充電電圧が通信ユニット２０の入力電圧範囲内となるように構成されている。それは、二つの理由から特に有利であり、一つ目の理由は、充電モードの間でも通信ユニット２０が配線ペア１１０と接続された状態に留めることができる、即ち、充電モードにおいて通信ユニット２０を配線ペア１１０から切り離すためのスイッチを配備する必要が無いことである。二つ目の理由は、受信モジュール２０．２が、以下において更に詳しく説明する通り、充電電圧を、充電モードから通信モードへの移行を検知するために位置測定器１０で使用可能なデジタル信号に変換することが可能なことである。

位置測定器１０には、エネルギー貯蔵器１５を充電するために、整流器ユニット２５が配備されており、その入力は、配線ペア１１０と接続され、その出力はエネルギー貯蔵器１５と接続されている。有利には、整流器ユニット２５は、ブリッジ整流器として構成されており、エネルギー貯蔵器１５の充電は、充電電圧の極性に依存せずに行なわれる。更に、ブリッジ整流器の全てのダイオードがそれと接続された配線ペア１１０に関して遮断方向に動作するので、このブリッジ整流器は、通信モードにおける差動式データ伝送の間、整流器ユニット２５を配線ペア１１０から二つの極形態で接続させないように配線ペア１１０に作用する。

エネルギー貯蔵器１５の後には、原理的に変動を伴うエネルギー貯蔵器１５の電圧から、中央の位置検出ユニット４０用の少なくとも一つの安定した供給電圧を発生する電圧変換ユニット３０が接続されている。電圧変換ユニット３０としては、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。

位置検出ユニット４０は、例えば、基準尺の走査により発生する位置に依存した信号を計測するための検出器、位置に依存する信号の補正、処理、デジタル形式の位置の値への変換のための信号処理ユニット、通信ユニット２０を介した制御ユニット１００との通信、特に、制御ユニット１００へのデジタル形式の位置の値を伝送するためのインタフェースなどの測定値の生成及び制御ユニット１００との通信の制御に必要な位置測定器１０の全ての機能ユニットを備えている。更に、同じく制御ユニット１００からの読み出し及び／又はプログラミングが可能な記憶ユニットを配備することもできる。そのような機能ユニットの例は、例えば、特許文献１から読み取ることができる。

位置測定器１０の通常動作では、充電モードと通信モードの間で連続的にモードが切り換えられるので、位置検出ユニット４０には、位置検出ユニット４０での受信モジュール２０．２に到着するデジタル信号を評価して、所定の信号パターンを検知することによって、充電モードから通信モードへの切換時点を検出する評価ユニット４５が配備されている。それによって、充電モードの間必要とされない位置検出ユニット４０の機能ユニットを通信モードの終了後に停止するか、或いは電力節約動作状態に移行させて、評価ユニット４５が充電モードの終了を通報してきた場合に再び作動させることができる。そのようにして、位置測定器１０の電力消費量を大幅に削減することができ、そのことは、エネルギー貯蔵器のサイズ設計に非常に有利に作用する。

位置検出ユニット４０は、全体的又は部分的に、高集積モジュールとして、例えば、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣの形で実現することができ、更に、マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラを備えることもできる。

通信モードの間における制御ユニット側の通信ユニット１３５、配線ペア１１０及び位置測定器１０内の通信ユニット２０を介した制御ユニット１００内の中央の処理ユニット１５０と位置測定器１０内の位置検出ユニット４０の間の通信は、例えば、特許文献２に記載されている通り実施することができ、ここにおいて、その文献を明確に参照する。

本発明による装置では、通信モードの間に位置測定器１０の電気回路が制御ユニット１００から基準電位（地電位）を供給されないことを特に強調したい。そのことは、制御ユニット１００と位置測定器１０の間の単一の電気接続配線が通信モードの間専ら差動式データ伝送のために用いられる配線ペア１１０であることから全く容易に明らかとなる。その結果、位置測定器１０が通信モードの間にバッテリー駆動式機器のように動作することとなる。即ち、供給電圧への雑音信号の混入や接地ループなどの周知の問題は、原理的に全く起こり得ない。

図２は、配線ペア１１０の配線間の電圧信号の簡略化した推移を図示している。本装置は、符号Ｔ_Ｌで表示された時間の間充電モードに有り、符号Ｔ_Ｋで表示された時間の間通信モードに有る。図示された二番目の充電モードでは、更に、充電電流ｉ_Ｌが理想的な形で図示されている。信号の振幅もパルス幅も正しい縮尺ではなく、本発明を分かり易く説明する役割だけを果たす。

図２から分かる通り、充電モードは、二つのフェーズに分かれており、一つのフェーズＴ_Ｐの間、正の電圧が配線ペア１１０に加わり、フェーズＴ_Ｎの間、負の電圧が配線ペア１１０に加わる。そのため、そのような特別な信号形態は、実際に配線ペア１１０が自然にインダクタンスのようにも作用するので有利である。それは、有意な充電電流ｉ_Ｌが依然として流れている時点での充電電圧の遮断が、場合によっては確かに破壊的な作用を引き起こすこともある大きな振幅となる可能性が有る逆誘導起電圧を発生させることを意味する。しかし、他方において、（実際には位置測定器１０への制御ユニット１００からの二つの位置照会の間の時間間隔に相当する）二つの通信モードの間の時間間隔を出来る限り短くするためには、充電モードが出来る限り短い時間しか必要としないようにすべきであることから、充電モードの時間をエネルギー貯蔵器１５の充電電流が問題の無い値に低下するまでの時間とすることも有効ではない。そこで、時間Ｔ_Ｐ後に充電電圧を転極することは、充電電流ｉ_Ｌを制御して低下させて、時間Ｔ_Ｎの経過後にゼロ交差させるように作用する。その時点は、当然のことながら電流が流れずに逆誘導起電圧も見込まれないので、充電電圧の遮断に最適な時点である。

即ち、一般的に、充電モードにおいて、少なくとも一回充電電圧を転極して、充電電圧を遮断するためのトリガーとして用いる充電電流ｉ_Ｌのゼロ交差を生じさせることは、短い時間長の充電モードを実現するのに有利であると言うことができる。

既に前述した通り、位置測定器１０の評価ユニット４５には、通信ユニット２０の受信モジュール２０．２の出力信号が供給される。それは、配線ペア１１０の差動電圧を簡単なデジタル信号に変換するので、充電電圧の異なる極性に異なる論理レベルを割り当てることともなる。そのため、充電モードのフェーズＴ_ＰとフェーズＴ_Ｎの時間長が互いに異なるとともに、通信モードにおけるデータ伝送信号のパルス時間長と明らかに異なるので、評価ユニット４５は、デジタル信号の時間的推移を評価することによって、充電モードの終了を検知することができる。即ち、通信モードの準備のために、位置検出ユニット４０の停止されていたユニットを再び作動するか、或いは電力節約モードを終了させることができる。

それに代わって、評価ユニット４５は、配線ペア１１０の配線間に信号（即ち、充電モードでの充電電圧又は通信モードでのデータ信号）を直接供給して、その電圧レベルの評価によって充電モードの終了を検知することもできる。

通信モードから充電モードに切り換えることができる時点は、データ伝送の終了により検知される。その時点は、制御ユニット１００の中央の処理ユニット１５０にも位置検出ユニット４０にも既知である、使用しているインタフェースのデータ伝送プロトコルに基づき正確に検知することができる。

図３は、図２に図示された充電モードの信号推移を発生させる、或いはベースとする本方法を実施するのに適した、充電ユニット１３０のブロック接続図を図示している。それは、例えば、図１に導入することができる。

配線ペア１１０に対する充電電圧を異なる極性に切り換えることができるように、四つのスイッチ素子２００．１，２００．２，２００．３，２００．４の形の切換手段が配備されている。それらは、電源２１０のプラス極とマイナス極をそれぞれ出力ＡとＢに切り換えることができるようにスイッチングされる。スイッチ素子２００．１，２００．２，２００．３，２００．４が開いた状態では、充電ユニット１３０が配線ペア１１０から切り離されているので、場合によっては、図１に図示されたスイッチ素子１２０．１，１２０．２を完全に省略することができる。しかし、充電モードにおいて、通信ユニット１３５を配線ペア１１０から切り離す必要がある場合、それに対応するスイッチ素子１２０．１，１２０．２を通信ユニット１３５と配線ペア１１０の間に配備しなければならない。有利な実現形態では、スイッチ素子は、周知のＨ型ブリッジ回路と接続されたＭＯＳＦＥＴトランジスタとして実現される。充電制御ユニット２２０が、充電電圧の所要の極性に応じて、相応の制御線を介してスイッチ素子２００．１，２００．２，２００．３，２００．４を駆動する。

電源２１０の二つの出力の中の一方、有利には、通常は制御ユニット１００の基準電位に有るマイナス極と、それに対応するＨ型ブリッジ回路の端子との間には、ゼロ交差検出器２３０が接続されている。電流のゼロ交差に関する判定基準は、例えば、電流方向の反転を検知するか、或いは電源の出力と直列に接続された電流測定抵抗での電圧降下が低下することで判定することができる。電流のゼロ交差を検出した場合、そのことは充電制御ユニット２２０に通報される。

従って、充電モードでの充電プロセスは、次の通り構成することができる。
（ａ）通信モードの終了後、処理ユニット１５０が充電制御ユニット２２０に充電モードの開始を通報して、場合によっては、スイッチ素子１２０．１，１２０．２を切り換えて、充電ユニット１３０を配線ペア１１０と接続する。
（ｂ）充電制御ユニット２２０は、スイッチ素子２００．１，２００．２，２００．３，２００．４を相応に駆動することによって、出力ＡとＢが第一の極性となるように電源２１０を切り換える。
（ｃ）所定の時間Ｔ_Ｐ後に、充電制御ユニット２２０は、スイッチ素子２００．１，２００．２，２００．３，２００．４によって、電源の極性を切り換える。
（ｄ）ゼロ交差検出器２３０が電流のゼロ交差を通報して来たら、充電制御ユニット２２０は、スイッチ素子２００．１，２００．２，２００．３，２００．４を開くことによって、充電電圧を遮断して、処理ユニット１５０に充電モードの終了を通報する。そのユニットは、場合によっては、配線ペア１１０を充電ユニット１３０から切り離す。

本発明は、所謂モーター用ロータリエンコーダとして構成されて、電気モータに直接組み込まれた、モータのシャフトの角度位置及び／又は回転速度を測定するための位置測定器１０に特に適している。位置測定器１０の動作のために、僅かに一つの配線ペア１１０だけが必要なので、場合によっては、シールドを備えた、そのような配線ペア１１０を電気モータの駆動に何れにせよ必要なモータ用ケーブルに非常に簡単に統合することができる。即ち、位置測定器１０用の別個のケーブルを節約することができる。通信のために必要な配線を一つの配線ペア１１０に最小化できるにも関わらず、雑音に強い差動式データ伝送を実現できることによって、モータ用ケーブルの過酷な環境でもケーブル長が長い場合でもデータ伝送の高い信頼度が達成される。

しかし、当然のことながら、本発明は、そのような用途に限定されず、それ以外の分野に用いることもできる。

１０ 位置測定器
１５ エネルギー貯蔵器
２０ 通信ユニット
２０．１ 送信モジュール
２０．２ 受信モジュール
２５ 整流器ユニット
３０ 電圧変換ユニット
４０ 位置検出ユニット
４５ 評価ユニット
１００ 制御ユニット
１１０ 配線ペア
１２０．１，１２０．２ スイッチ素子
１３０ 充電ユニット
１３５ 通信ユニット
１３５．１ 送信モジュール
１３５．２ 受信モジュール
１５０ 処理ユニット
２００．１，２００．２，２００．３，２００．４ スイッチ素子
２１０ 電源
２２０ 充電制御ユニット
２３０ ゼロ交差検出器
Ａ，Ｂ 出力
Ｔ_Ｌ 充電モード時間
Ｔ_Ｋ 通信モード時間
Ｔ_Ｐ 正の電圧が配線ペア１１０に加わる充電モード時間
Ｔ_Ｎ 負の電圧が配線ペア１１０に加わる充電モード時間
ｉ_Ｌ 充電電流

Claims (4)

1. 一つの配線ペア（１１０）を介して制御ユニット（１００）と位置測定器（１０）の間でエネルギーとデータを伝送するための装置であって、
   エネルギーの伝送が充電モードにおいて行なわれ、データの伝送が通信モードにおいて行なわれ、位置測定器（１０）には、充電モードにおいて配線ペア（１１０）を介して充電可能なエネルギー貯蔵器（１５）が配備されており、そのエネルギー貯蔵器を用いて、通信モードにおいて位置測定器（１０）にエネルギーを供給することが可能であり、制御ユニット（１００）には、充電ユニット（１３０）と切換手段（１２０．１，１２０．２；２００．１，２００．２，２００．３，２００．４）が配備されており、この切換手段によって、充電モードにおいて充電ユニット（１３０）を配線ペア（１１０）と二つの極形態で接続することが可能であり、
   充電ユニット（１３０）には、充電制御ユニット（２２０）とスイッチ素子（２００．１，２００．２，２００．３，２００．４）が配備されており、この充電制御ユニット（２２０）は、エネルギー貯蔵器（１５）を充電するために電源（２１０）の電圧を二つの極形態で出力できるように、このスイッチ素子を駆動することが可能であり、
   充電ユニット（１３０）には、充電電流（ｉ _Ｌ ）のゼロ交差を検出して、そのことを充電制御ユニット（２２０）に通報することが可能なゼロ交差検出器（２３０）が配備されており、
   位置測定器（１０）には、更に、評価ユニット（４５）が配備されており、その評価ユニットを用いて、配線ペア（１１０）の配線間の信号の電圧レベル又は時間的推移を評価することによって、充電モードの終了を検知することが可能である、
   装置。
2. 位置測定器（１０）には、エネルギー貯蔵器（１５）と配線ペア（１１０）の間に整流器ユニット（２５）が配備されている請求項１に記載の装置。
3. 一つの配線ペア（１１０）を介して制御ユニット（１００）と位置測定器（１０）の間でエネルギーとデータを伝送するための方法であって、
   エネルギーの伝送が充電モードにおいて行なわれ、データの伝送が通信モードにおいて行なわれ、位置測定器（１０）には、充電モードにおいて配線ペア（１１０）を介して充電されるエネルギー貯蔵器（１５）が配備されており、そのエネルギー貯蔵器を用いて、通信モードにおいて位置測定器（１０）にエネルギーを供給し、制御ユニット（１００）には、充電ユニット（１３０）と切換手段（１２０．１，１２０．２；２００．１，２００．２，２００．３，２００．４）が配備されており、その切換手段によって、充電モードにおいて充電ユニット（１３０）を配線ペア（１１０）と二つの極形態で接続し、
   充電ユニット（１３０）には、充電制御ユニット（２２０）とスイッチ素子（２００．１，２００．２，２００．３，２００．４）が配備されており、充電制御ユニット（２２０）がスイッチ素子を駆動して、充電ユニット（１３０）がエネルギー貯蔵器（１５）の充電のために出力する充電電圧を充電モード毎に少なくとも一回転極させ、
   充電ユニット（１３０）には、ゼロ交差検出器（２３０）が配備されており、そのゼロ交差検出器を用いて、当該の充電電圧の転極によって生じる充電電流（ｉ _Ｌ ）のゼロ交差を検出して、そのことを充電制御ユニット（２２０）に通報し、
   位置測定器（１０）には、更に、評価ユニット（４５）が配備されており、その評価ユニットを用いて、配線ペア（１１０）の配線間の信号の電圧レベル又は時間的推移を評価することによって、充電モードの終了を検出する、
   方法。
4. 充電モードの終了時に、切換手段（１２０．１，１２０．２；２００．１，２００．２，２００．３，２００．４）を用いて、配線ペア（１１０）を再び充電ユニット（１３０）から切り離す請求項３に記載の方法。

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