一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器及確定絕對旋轉(zhuǎn)角度的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，包括一靜板和一動板，靜板包括第一接收區(qū)、第二接收區(qū)和發(fā)射區(qū)；動板包括第一反射區(qū)、第二反射區(qū)和耦合區(qū)。其中，發(fā)射區(qū)包括多個彼此電氣隔離且具有編碼的激勵極，用于發(fā)射電信號；耦合區(qū)與所述發(fā)射區(qū)電容耦合并且具有多個重復(fù)形狀用于測量所述動板與所述靜板的增量旋轉(zhuǎn)角度。動板還包括與所述第一反射區(qū)、第二反射區(qū)以及耦合區(qū)電氣隔離的吸收區(qū)，該吸收區(qū)吸收其覆蓋的激勵極發(fā)射的電信號。本發(fā)明節(jié)約了動板和靜板上用于測量增量旋轉(zhuǎn)角度的面積，并且解決了現(xiàn)有技術(shù)中測量絕對旋轉(zhuǎn)角度時存在的信號干擾問題，使得絕對旋轉(zhuǎn)角度的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。
【專利說明】一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器及確定絕對旋轉(zhuǎn)角度的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及編碼器技術(shù)，尤其涉及一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器。本發(fā)明還涉及一種確定絕對旋轉(zhuǎn)角度的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]旋轉(zhuǎn)編碼器是一類用于測量角度和轉(zhuǎn)速的裝置，目前已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，例如可用于測量電機的速度或者用于位置控制系統(tǒng)等。按照檢測的原理，旋轉(zhuǎn)編碼器可分為光學(xué)編碼器、磁性編碼器和電容式編碼器等。相比光學(xué)和磁性編碼器，電容式旋轉(zhuǎn)編碼器具有較高的精度性和魯棒性，因而，研究電容式旋轉(zhuǎn)編碼器具有重要的意義。
[0003]傳統(tǒng)的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器一般包括至少兩個靜板(也稱作定子)和一個動板(也稱作轉(zhuǎn)子)。動板能夠繞軸旋轉(zhuǎn)，靜板包括發(fā)射區(qū)與接收區(qū)，靜板上的接收區(qū)能夠接收動板反射的電信號，并根據(jù)該電信號來確定旋轉(zhuǎn)角度。動板上通常具有重復(fù)的形狀/圖案(或稱周期)，與靜板的發(fā)射區(qū)電容耦合并用于測量動板與靜板的相對旋轉(zhuǎn)角度，即增量角度。動板和靜板一般為圓形，重復(fù)圖案/形狀可以是重復(fù)的正弦或余弦形狀、方波形狀等。增量角度表示一個在重復(fù)形狀內(nèi)(或稱一個周期內(nèi))的相對旋轉(zhuǎn)角度。圖1和圖2分別示出了兩種常見的電容式編碼器的動板重復(fù)形狀，其中重復(fù)形狀的個數(shù)(或稱周期數(shù))分別為8和32個。通過測量動板相對于靜板的增量角度以及動板轉(zhuǎn)過的重復(fù)形狀個數(shù)能夠得到該動板的絕對旋轉(zhuǎn)角度。要測量動板轉(zhuǎn)過的周期數(shù)，動板上的重復(fù)圖案內(nèi)部通常還具有一個內(nèi)部形狀/圖案(例如圓形形狀)，如圖2所示。該內(nèi)部形狀用于計算動板轉(zhuǎn)過的一個大概位置，該大概位置能夠確定動板轉(zhuǎn)過多少個周期數(shù)。圖3給出了另一種動板的重復(fù)形狀的示例，與圖2類似，其中重復(fù)形狀內(nèi)部也包括一個內(nèi)部形狀(圓形形狀)用于計算動板轉(zhuǎn)過的周期數(shù)。上述用于計算絕對旋轉(zhuǎn)角度的模擬方法通常需要占用動板和靜板的很多面積(用于計算動板轉(zhuǎn)過周期數(shù)的內(nèi)部形狀占用了 50%的面積)，減少了用于反射電信號的面積，即減少了用于測量增量角度的面積，因而可能導(dǎo)致所測量的增量旋轉(zhuǎn)角度不準(zhǔn)確。
[0004]在申請?zhí)枮?01110141369.0的中國發(fā)明專利申請中公開了一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其采用一種數(shù)字方法來測量動板的絕對旋轉(zhuǎn)角度。圖4和5分別示出了該電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的靜板10和動板20的示意圖，圖4中，靜板10包括發(fā)射區(qū)11和四個接收區(qū)12、12’、13、13’。發(fā)射區(qū)11包括多個電極(或稱激勵極)101，每個激勵極101編有編碼。圖5中，動板20包括耦合區(qū)21和兩個扇形導(dǎo)電區(qū)域202，202’。其中，動板20上的耦合區(qū)21與靜板10上的發(fā)射區(qū)11電容耦合。動板20上的反射區(qū)22，22’分別與靜板10上的兩個接收區(qū)12，12’電容耦合，接收區(qū)12，12’用于接收反射區(qū)22，22’反射的電信號；動板20的反射區(qū)23，23’分別與靜板10上的接收區(qū)13，13’電容耦合，接收區(qū)13，13’用于接收額外的反射區(qū)23，23’(與扇形導(dǎo)電區(qū)域202，202’相連接)反射的電信號。與扇形導(dǎo)電區(qū)域202，202’相連的反射區(qū)23，23’反射的電信號可用于測量動板的絕對旋轉(zhuǎn)角度。動板20在旋轉(zhuǎn)一定角度后，其上的扇形導(dǎo)電區(qū)域202，202’所耦合的激勵極發(fā)生變化，根據(jù)接收區(qū)13，13’所接收的電信號能夠確定動板20上扇形導(dǎo)電區(qū)域202，202’耦合的激勵極對應(yīng)的編碼，根據(jù)該編碼可確定動板20的絕對旋轉(zhuǎn)角度(其中，使用6位的二進制編碼來表示動板20的每個位置)。
[0005]雖然與傳統(tǒng)模擬方法相比，上述數(shù)字方法(每個激勵極具有編碼)在動板和靜板上占用面積較小。但從圖4和5可知，其動板20仍然額外需要兩個扇形導(dǎo)電區(qū)域202和202’(其覆蓋8個激勵極)和額外的兩個反射區(qū)23，23’，靜板10需要與該反射區(qū)耦合23，23’的額外接收區(qū)13，13’來測量動板20的絕對旋轉(zhuǎn)角度。從而用于計算增量角度的面積仍然比較小，使得靜板10所接收的正弦振幅很小，從而影響了所測旋轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確性。此外，該專利所公開的方案中，在測量反射區(qū)23，23’反射的電信號時，與其耦合的額外接收區(qū)13，13’可能會受到其他反射區(qū)(如反射區(qū)22，22’)所反射的電信號的干擾，從而導(dǎo)致檢測的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在提供一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，用于測量動板的絕對旋轉(zhuǎn)角度。所述電容式旋轉(zhuǎn)編碼器包括一靜板和一動板，所述靜板包括第一接收區(qū)，第二接收區(qū)和發(fā)射區(qū)；所述動板包括第一反射區(qū)，第二反射區(qū)和耦合區(qū)。其中，所述發(fā)射區(qū)包括多個彼此電氣隔離且具有編碼的激勵極，用于發(fā)射電信號，所述耦合區(qū)與所述發(fā)射區(qū)電容耦合并且具有多個重復(fù)形狀用于測量所述動板與所述靜板的增量旋轉(zhuǎn)角度，所述第一反射區(qū)和第二反射區(qū)用于反射由所述發(fā)射區(qū)發(fā)射的電信號，所述第一接收區(qū)和第二接收區(qū)用于分別接收由所述第一反射區(qū)和第二反射區(qū)反射的電信號。所述動板還包括吸收區(qū)，與所述第一反射區(qū)、第二反射區(qū)以及耦合區(qū)電氣隔離并且吸收其覆蓋的激勵極發(fā)射的電信號。在所述電容式旋轉(zhuǎn)編碼器中，所述第一反射區(qū)與所述第一接收區(qū)電容耦合，所述第二反射區(qū)與所述第二接收區(qū)電容耦合。
[0007]在一個實施例中，所述發(fā)射區(qū)包括N個激勵極，每M個連續(xù)的激勵極分為一組，所述吸收區(qū)覆蓋的面積與所述發(fā)射區(qū)的連續(xù)M個激勵極覆蓋的面積相等，所述耦合區(qū)具有K
個重復(fù)形狀，其中M為正整數(shù)，N大于M且為M的整數(shù)倍，

【權(quán)利要求】
1.一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器,包括一靜板和一動板， 所述靜板包括第一接收區(qū)，第二接收區(qū)和發(fā)射區(qū)； 所述動板包括第一反射區(qū)，第二反射區(qū)和耦合區(qū)； 其中所述發(fā)射區(qū)包括多個彼此電氣隔離且具有編碼的激勵極，用于發(fā)射電信號，所述耦合區(qū)與所述發(fā)射區(qū)電容耦合并且具有多個重復(fù)形狀用于測量所述動板與所述靜板的增量旋轉(zhuǎn)角度，所述第一反射區(qū)和第二反射區(qū)用于反射由所述發(fā)射區(qū)發(fā)射的電信號，所述第一接收區(qū)和第二接收區(qū)用于分別接收由所述第一反射區(qū)和第二反射區(qū)反射的電信號； 所述動板還包括: 吸收區(qū)，與所述第一反射區(qū)、第二反射區(qū)以及耦合區(qū)電氣隔離并且吸收其覆蓋的激勵極發(fā)射的電信號； 其中所述第一反射區(qū)與所述第一接收區(qū)電容耦合，所述第二反射區(qū)與所述第二接收區(qū)電容耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中 所述發(fā)射區(qū)包括N個激勵極，每M個連續(xù)的激勵極分為一組，所述吸收區(qū)覆蓋的面積與所述發(fā)射區(qū)的連續(xù)M個激勵極覆蓋的面積相等，所述耦合區(qū)具有K個重復(fù)形狀，其中M為正整數(shù)，N大于M且為M的整數(shù)倍
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中每組激勵極中不同激勵極的激勵電信號的相位不同，每組的第i個激勵極的激勵電信號的相位相同，i為不大于M的正整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中所述靜板還包括激勵信號線，用于向所述激勵極提供激勵電信號； 所述激勵信號線分為L組，每組之間具有不同的分組編碼并且每組具有M條激勵信號線，該M條激勵信號線上分別加載不同相位的激勵電信號，且Lsh 3K+1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中所述絕緣區(qū)的重復(fù)形狀的個數(shù)K滿足:K+1是L的整數(shù)倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中所述吸收區(qū)接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一個所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中所述重復(fù)形狀為正弦或余弦形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任何一個所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中每組激勵極中不同激勵極之間的激勵電信號彼此正交。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中不同的相位具有不同的相位編碼，所述激勵極的編碼由向其提供激勵電信號的激勵信號線的相位編碼和該激勵信號線的分組編碼組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，還包括信號處理模塊，所述信號處理模塊根據(jù)所述接收區(qū)接收的電信號確定由所述吸收區(qū)覆蓋的激勵極的編碼。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中確定由所述吸收區(qū)覆蓋的激勵極的編碼包括: 根據(jù)所述接收區(qū)接收的電信號，確定所述吸收區(qū)覆蓋的M-1種激勵極的相位； 根據(jù)所確定的M-1種激勵極的相位，在所述接收區(qū)接收的電信號中，確定包括該M-1種相位編碼的各種激勵極的編碼出現(xiàn)的次數(shù)； 將包括該M-1種相位編碼的各種激勵極的編碼的總數(shù)分別減去包括該M-1種相位編碼的各種激勵極的編碼在接收區(qū)接收的電信號中出現(xiàn)的次數(shù)，相減結(jié)果不為O的激勵極的編碼即為由所述吸收區(qū)覆蓋的激勵極的編碼。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中激勵極的個數(shù)N為64，每組激勵極中激勵極的個數(shù)M為4，重復(fù)圖案的個數(shù)K為15，激勵信號線的分組個數(shù)L為3，每組激勵信號線包括4根加載了不同相位的激勵電信號的激勵信號線。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其中激勵極的個數(shù)N為60，每組激勵極中激勵極的個數(shù)M為4，重復(fù)圖案的個數(shù)K為14，激勵信號線的分組個數(shù)L為3，每組激勵信號線包括4根加載了不同相位的激勵電信號的激勵信號線。
14.一種基于權(quán)利要求1-13中任何一個所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器確定絕對旋轉(zhuǎn)角度的方法，包括: 確定動板的增量旋轉(zhuǎn)角度； 根據(jù)增量旋轉(zhuǎn)角度確定吸收區(qū)覆蓋的激勵極的相位； 用所確定的相位對應(yīng)的激勵信號線激勵其連接的激勵極，根據(jù)接收的電信號確定吸收區(qū)的位置； 根據(jù)增量旋轉(zhuǎn)角度和吸收區(qū)的位置得到動板的絕對旋轉(zhuǎn)角度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中根據(jù)接收的電信號確定吸收區(qū)的位置包括: 根據(jù)接收的電信號確定吸收區(qū)覆蓋的激勵極的編號； 根據(jù)該激勵極的編號確定吸收區(qū)的位置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中根據(jù)接收的電信號確定吸收區(qū)覆蓋的激勵極的編號包括: 根據(jù)所確定的吸收區(qū)覆蓋的激勵極的相位，在接收的電信號中確定包括該相位的相位編碼的各種激勵極的編碼出現(xiàn)的次數(shù)； 將包括該相位的相位編碼的各種激勵極的編碼的總數(shù)分別減去包括該相位的相位編碼的各種激勵極的編碼在接收的電信號中出現(xiàn)的次數(shù)，相減結(jié)果不為O的激勵極的編碼即為由所述吸收區(qū)覆蓋的激勵極的編碼。
【文檔編號】G01D5/24GK104075740SQ201310102998
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月27日
【發(fā)明者】付俊華, 林燕凌, 卓越, 李 浩, 孟爾平 申請人:西門子公司