專利名稱：電容式旋轉(zhuǎn)編碼器和感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容式編碼器技術(shù)，特別涉及電容式旋轉(zhuǎn)編碼器和感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中，例如電機的速度和位置控制系統(tǒng)等。旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量角度、轉(zhuǎn)速的裝置，包括定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子與被測物體連接，被測物體的轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)編碼器可將轉(zhuǎn)子的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。目前，光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛用于速度和位置反饋。但是，光學(xué)編碼器應(yīng)用于電機時不夠耐用。在惡劣環(huán)境下，如經(jīng)常受到機械沖擊、振動或處于高溫環(huán)境下等，編碼器內(nèi)的光電碼盤很容易受到外部因素的影響而損壞。與光學(xué)編碼器不同，磁性編碼器，如變壓器等，具有一定的機械強度。但它們不能提供足夠高的分辨率。而且，光學(xué)編碼器和磁性編碼器 都比較昂貴，一般只在高端的應(yīng)用場景中使用。相比光學(xué)編碼器和磁性編碼器，電容式編碼器具有一些基本的優(yōu)勢。電容式編碼器同時具有高精度和魯棒性。電容式編碼器的基本檢測發(fā)生在整個編碼器板區(qū)域的周圍，而光學(xué)編碼器必須將光束集中在光盤上的特定點。因此，電容式旋轉(zhuǎn)編碼器對轉(zhuǎn)子相對于軸的機械失調(diào)的敏感度遠比光學(xué)編碼器要低。現(xiàn)有的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器一般至少包括兩個定子和一個轉(zhuǎn)子，兩個定子一個作為發(fā)射器，一個作為接收器，通過轉(zhuǎn)子在兩個定子之間轉(zhuǎn)動，改變接收器收到的信號。這種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大。

發(fā)明內(nèi)容
由于現(xiàn)有技術(shù)中的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，本發(fā)明實施例提供一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其結(jié)構(gòu)簡單、體積較小。本發(fā)明實施例還提供一種使用上述電容式旋轉(zhuǎn)編碼器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法，可以利用簡單的編碼器結(jié)構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)角度測量。本發(fā)明實施例的一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器包括一個靜板和一個動板，其中所述靜板包括發(fā)射區(qū)、第一接收區(qū)和第二接收區(qū)，其中，第一接收區(qū)和第二接收區(qū)分別為導(dǎo)電區(qū)域，所述發(fā)射區(qū)、所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)之間彼此電氣隔離，所述發(fā)射區(qū)包括多個彼此電氣隔離的電極，所述電極徑向排列且每N個連續(xù)的電極分為一組，每組中不同的電極的激勵電信號的相位不同，且各組電極中的第M個電極的激勵電信號的相位相同，N為自然數(shù)，M為不大于N的正整數(shù)；所述動板，能夠圍繞一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，包括絕緣區(qū)、第一反射區(qū)和第二反射區(qū)，其中所述第一反射區(qū)位于所述第二反射區(qū)的外圍且與所述第二反射區(qū)同心，所述第一反射區(qū)和所述第二反射區(qū)由所述絕緣區(qū)隔離，所述第二反射區(qū)的邊緣具有多個朝向所述第一反射區(qū)的凸起，所述第一反射區(qū)的邊緣具有多個朝向所述第二反射區(qū)的凸起，第一反射區(qū)的所述多個凸起與第二反射區(qū)的所述多個凸起是交錯排列的；所述第一反射區(qū)和所述第二反射區(qū)均為導(dǎo)電區(qū)域，所述第一反射區(qū)與所述發(fā)射區(qū)和所述第一接收區(qū)分別電容耦合，所述第二反射區(qū)與所述發(fā)射區(qū)和第二接收區(qū)分別電容耦合；所述第一接收區(qū)用于接收所述第一反射區(qū)反射的電信號并輸出；所述第二接收區(qū)用于接收所述第二反射區(qū)反射的電信號并輸出。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述每組中不同的電極的激勵電信號為彼此正交的電信號。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述第二反射區(qū)的邊緣的多個凸起的形狀相同，且等間隔分布；第一反射區(qū)的邊緣的多個凸起的形狀相同，且等間隔分布。 根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述發(fā)射區(qū)、所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)為同心的環(huán)形，所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)分別位于所述發(fā)射區(qū)的兩側(cè)，且所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)的面積相同。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述電極為長條狀，等角度排列，每個電極的兩個長邊分別沿徑向方向；所述第二反射區(qū)的一個凸起所覆蓋的扇形區(qū)域的角度與所述發(fā)射區(qū)一組電極覆蓋的扇形區(qū)域的角度相等。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述第一反射區(qū)和第二反射區(qū)的邊緣凸起的形狀均為極坐標下的余弦波形狀。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述動板進一步包括至少一個扇形導(dǎo)電區(qū)域，所述扇形導(dǎo)電區(qū)域之間相互電氣隔離，且所述扇形導(dǎo)電區(qū)域分別與第一反射區(qū)和第二反射區(qū)電氣隔離；每個所述不同的激勵電信號分別加載到至少兩條信號線上，所述至少兩條信號線分別表示不同的編碼；每個電極根據(jù)預(yù)先設(shè)置的編碼連接到相應(yīng)的激勵電信號對應(yīng)的至少兩條信號線中的一條上；所述靜板進一步包括至少一個第三接收區(qū)，與所述發(fā)射區(qū)、所述第一接收區(qū)、所述第二接收區(qū)分別電氣隔離，每個第三接收區(qū)用于接收一個扇形導(dǎo)電區(qū)域反射的電信號并輸出。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述靜板由印刷電路板實現(xiàn)，當所述印刷電路板包括至少兩層時，其中靜板印刷在所述印刷電路板中的一層上，在另一層上印刷有至少一條信號線；當所述印刷電路板包括一層時，其中靜板印刷在所述印刷電路板中的一面上，在另一面上印刷有至少一條信號線；每一個所述激勵電信號加載在所述信號線上，所述電極通過過孔與相應(yīng)的信號線相連。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述旋轉(zhuǎn)編碼器進一步包括一處理電路，用于將所述第一接收區(qū)和第二接收區(qū)的輸出信號進行差分放大、解調(diào)和低通濾波，輸出一個正弦波信號和一個余弦波信號以計算所述動板相對所述靜板轉(zhuǎn)過的角度。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述旋轉(zhuǎn)編碼器進一步包括信號處理模塊，用于根據(jù)所述第一接收區(qū)、所述第二接收區(qū)和所述至少一個第三接收區(qū)的輸出信號確定一個碼串以確定所述扇形導(dǎo)電區(qū)域相對所述靜板所在的位置。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述信號處理模塊具體用于根據(jù)所述至少一個第三接收區(qū)的輸出信號確定與所述每個扇形導(dǎo)電區(qū)域耦合的各個電極對應(yīng)的編碼；根據(jù)所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)的輸出信號從每個第三接收區(qū)確定的編碼中去除一位與所述扇形導(dǎo)電區(qū)域不完全耦合的電極對應(yīng)的編碼；將剩下的編碼連接成所述碼串。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述旋轉(zhuǎn)編碼器進一步 包括控制單元，用于當動板靜止時，對各條信號線依次進行激勵；當所述動板轉(zhuǎn)動時，同時對所有信號線進行激勵。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述至少一個第三接收區(qū)與所述發(fā)射區(qū)、第一接收區(qū)、第二接收區(qū)為同心環(huán)形；所述動板上進一步包括至少一個同心環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域，每個同心環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域與一個不同的扇形導(dǎo)電區(qū)域相連；所述至少一個第三接收區(qū)與相應(yīng)的扇形區(qū)域所連接的同心環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域電容耦合。根據(jù)本發(fā)明一實施例，每個所述不同的電信號分別對應(yīng)兩條信號線，當所述電極的總數(shù)為P，P為2的Q次方，且采用4種不同的電信號時，則所述扇形導(dǎo)電區(qū)域的數(shù)目為Q除以3的商向上取整得到的整數(shù)，所述碼串的位數(shù)是Q。根據(jù)本發(fā)明一實施例，所述預(yù)先設(shè)置的編碼為R位的二進制碼串，根據(jù)0至R-I的各個整數(shù)的二進制碼生成；則每個所述不同的電信號分別激勵至少兩條信號線，所述至少兩條信號線分別表示不同的編碼，每個電極根據(jù)預(yù)先設(shè)置的編碼連接到相應(yīng)的電信號對應(yīng)的至少兩條信號線中的一條上包括4個正交的電信號激勵8條信號線，其中與每個電信號連接的兩條信號線分別代表0和I ;使按所述電極在靜板上的排列順序使每個電極對應(yīng)所述R位的二進制碼串中的一位碼，根據(jù)每個電極對應(yīng)的碼將該電極連接到其對應(yīng)的電信號所連接的兩條信號線中的一條上。本發(fā)明實施例提供的一種使用上述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法包括使用不同相位的電信號同時激勵靜板上的電極，其中每組電極中不同的電極由相位不同的電信號激勵；使動板在被測物體的帶動下旋轉(zhuǎn)；接收第一電信號和第二電信號，所述第一電信號為第一接收區(qū)感應(yīng)到的由第一反射區(qū)反射的電信號，所述第二電信號為第二接收區(qū)感應(yīng)到的由第二反射區(qū)反射的電信號；對所述第一電信號和所述第二電信號分別進行差分放大、解調(diào)和低通濾波，輸出一個正弦波信號和一個余弦波信號；根據(jù)所述正弦波信號和所述余弦波信號計算所述動板相對所述靜板轉(zhuǎn)過的角度；其中，所述正弦波信號和所述余弦波信號分別為所述角度的函數(shù)。本發(fā)明實施例提供的一種使用上述的帶有扇形導(dǎo)電區(qū)域的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法包括當動板靜止時，依次激勵同一相位的電信號對應(yīng)的U條信號線，
每次激勵時，接收每個第三接收區(qū)感應(yīng)到的對應(yīng)扇形導(dǎo)電區(qū)域反射的電信號，得到每扇形導(dǎo)電區(qū)域?qū)?yīng)的U個感應(yīng)值；當動板轉(zhuǎn)動時，同時激勵所有信號線，接收第一接收區(qū)感應(yīng)到的由第一反射區(qū)反射的第一電信號和第二接收區(qū)感應(yīng)到的由第二反射區(qū)反射的第二電信號；對所述第一電信號和所述第二電信號分別進行差分放大、解調(diào)和低通濾波，輸出一個正弦波信號和一個余弦波信號，計算所述動板相對所述靜板轉(zhuǎn)過的角度；根據(jù)計算所得角度從每個扇形導(dǎo)電區(qū)域?qū)?yīng)的U個感應(yīng)值中去除一個感應(yīng)值，利用剩余的感應(yīng)值計算得出一個編碼，利用得到的編碼確定動板相對于靜板的絕對位置。
從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器以及使用這種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法，僅采用了一個動板和一個靜板就可以進行旋轉(zhuǎn)角度的感知，結(jié)構(gòu)簡單，體積較小。進一步地，本發(fā)明另一實施例提供的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器以及使用這種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法，進一步對靜板上的電極通過其與激勵信號的連接方式進行數(shù)字編碼，從而實現(xiàn)同時具有增量式測量能力和絕對式測量能力的混合電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，且這種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器仍然只需要一個靜板、一個動板和同一組電極，結(jié)構(gòu)簡單，體積較小。


圖I為本發(fā)明實施例一中電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的靜板的示意圖。圖2為本發(fā)明實施例一中電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的動板的示意圖。圖3為本發(fā)明實施例二提供的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的靜板的示意圖。圖4為本發(fā)明實施例二提供的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的動板的示意圖。圖5為本發(fā)明實施例中一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理。圖6為本發(fā)明一個實施例中激勵脈沖信號和接收信號的例子。圖7為本發(fā)明實施例三提供的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的靜板的示意圖。圖8為本發(fā)明實施例三提供的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的動板的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的實施例的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明實施例進一步詳細說明。本發(fā)明實施例采用差分式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)增量角度測量的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，解決了現(xiàn)有技術(shù)中旋轉(zhuǎn)編碼器體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。本發(fā)明實施例提供的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器包括兩個電極一個靜板(也叫定子)和一個動板(也叫轉(zhuǎn)子)。靜板，以圖I為例，包括發(fā)射區(qū)、第一接收區(qū)103和第二接收區(qū)102。發(fā)射區(qū)包括若干徑向排列的電極101，其中每W個連續(xù)的電極分為一組(W為大于一的整數(shù))。每一組中不同的電極的激勵電信號的相位不同，且各組中相應(yīng)位置的電極被相同的電信號激勵，即第P組中順時針方向的第Y個電極與第Q組中順時針方向的第Y個電極的激勵電信號的相位相同。動板，以圖2為例，能夠圍繞一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。動板包括絕緣區(qū)200、第一反射區(qū)203和第二反射區(qū)202。其中所述第一反射區(qū)203位于所述第二反射區(qū)202的外圍且與所述第二反射區(qū)202同心，所述第一反射區(qū)203和所述第二反射區(qū)202由所述絕緣區(qū)200隔離，所述第二反射區(qū)202的邊緣具有多個朝向所述第一反射區(qū)的凸起，所述第一反射區(qū)203的邊緣具有多個朝向所述第二反射區(qū)202的凸起，第一反射區(qū)203的所述多個凸起與第二反射區(qū)202的所述多個凸起是交錯排列的。圖中示出的凸起的形狀為極坐標下的余弦曲線或正弦曲線，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，這些凸起的形狀也可以是其它的形狀，例如齒狀、鋸齒狀等。根據(jù)本發(fā)明一實施例，第一反射區(qū)邊緣的凸起和第二反射區(qū)邊緣的凸起形狀相同且等間隔分布，這樣可以使得靜板接收到的第一反射區(qū)的反射信號和第二反射區(qū)的反射信號具有較好的相關(guān)性，便于后續(xù)旋轉(zhuǎn)角度的計算。第一反射區(qū)和第二反射區(qū)均為導(dǎo)電區(qū)域，第一反射區(qū)203與靜板上的發(fā)射區(qū)和第一接收區(qū)103分別電容耦合，第二反射區(qū)202與 靜板上的發(fā)射區(qū)和第二接收區(qū)102分別電容耦合。
第一接收區(qū)用于接收第一反射區(qū)反射的電信號并輸出；第二接收區(qū)用于接收第二反射區(qū)反射的電信號并輸出。在本實施例中，所述第二反射區(qū)的邊緣具有多個朝向所述第一反射區(qū)的凸起，所述第一反射區(qū)的邊緣具有多個朝向所述第二反射區(qū)的凸起，第一反射區(qū)的所述多個凸起與第二反射區(qū)的所述多個凸起是交錯排列的，也即構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)。這種差分結(jié)構(gòu)可以使得這兩個反射區(qū)反射的信號互為差分信號，且均為動板旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)。為了幫助理解，可以簡單地認為這兩個信號的形式是Af( 0 )和-Bf( 0 )，A、B為與信號幅度有關(guān)的量，A，B大小可能相同，9為旋轉(zhuǎn)角度(注意，這里僅僅是為了幫助理解，實際信號與第一反射區(qū)、第二反射區(qū)的形狀、激勵信號的形式等有關(guān)，而且會比這個復(fù)雜)。這兩個信號可以通過相應(yīng)的信號處理方法得到一個正弦信號和一個余弦信號，根據(jù)這兩個信號就可以獲得動板旋轉(zhuǎn)的增量角度了。從以上例子可以看出，本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)編碼器只有兩個電極，即靜板和動板。動板隨軸旋轉(zhuǎn)的運動使動板上兩個互補的反射區(qū)與靜板的耦合電容發(fā)生變化，通過測量電容的變化就可以感應(yīng)得到動板與靜板相對旋轉(zhuǎn)的角度。電極可以由具有導(dǎo)電性的金屬條或金屬箔制成，可以根據(jù)其形狀、大小按照某種規(guī)律周期性地排列，例如，可以將形狀、大小完全相同的電極沿徑向等角度或等間距排列。電極可以是長條狀，也可以稱為條狀電極，其兩個長邊可以相互平行，也可以分別沿徑向方向。每一組中W個電極可以被W個不同相位的電信號所激勵。根據(jù)本發(fā)明一實施例，每組中不同的電極的激勵電信號為彼此正交的電信號。例如，可以采用四相正交交流電壓源激勵每四個連續(xù)的電極，等。采用正交電信號激勵電極可以使得各電極的發(fā)射信號之間的干擾比較小。第一接收區(qū)、第二接收區(qū)和電極組成的發(fā)射區(qū)可以是同心的環(huán)狀或環(huán)的一部分，其相對位置可以根據(jù)需要來設(shè)計，例如第一接收區(qū)和第二接收區(qū)可以分別位于發(fā)射區(qū)的兩偵U。在一個實施例中，第一接收區(qū)與第二接收區(qū)的面積相同，這樣可以使得第一接收區(qū)與第二接收區(qū)接收到的信號為幅度相同的差分信號，便于后續(xù)處理。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一反射區(qū)的凸起和第二反射區(qū)的凸起形狀可以相同也可以不同，例如，可以是正弦波形狀、鋸齒狀等。根據(jù)本發(fā)明一實施例，第二反射區(qū)的邊緣的多個凸起的形狀相同，且等間隔分布；第一反射區(qū)的邊緣的多個凸起的形狀相同，且等間隔分布。第二反射區(qū)的一個凸起圖案所覆蓋的扇形區(qū)域與一組電極覆蓋的扇形區(qū)域的角度相等。這樣，可以使得動板旋轉(zhuǎn)時，靜板的接收區(qū)接收到的反射信號以動板轉(zhuǎn)過第二反射區(qū)的一個凸起所覆蓋的扇形區(qū)域的角度為周期均勻變化。 本發(fā)明的上述旋轉(zhuǎn)編碼器的一個優(yōu)勢在于，其靜板和動板都可以由目前已經(jīng)非常成熟的印刷電路板技術(shù)制造，板基采用絕緣基底材料制成，電極、激勵信號線等可以通過金屬沉積或印刷等方式形成。當印刷電路板包括至少兩層時，靜板可以印刷在其中一層上，與靜板不同的一層上印刷若干信號線；當印刷電路板只有一層時，靜板可以印刷在一面，信號線印刷在另一面上。每一個激勵電信號可以加載在至少一條信號線上，電極可以通過過孔與相應(yīng)的信號線相連。這樣，只需要在印刷電路板中與靜板不同的層上印刷幾條信號線即可，電極與其激勵信號的連接關(guān)系比較簡單。這使得本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)編碼器容易制造，而且適合大規(guī)模生產(chǎn)。 該旋轉(zhuǎn)編碼器還可以包括一處理電路，用于對第一接收區(qū)和第二接收區(qū)的輸出信號進行初步的簡單處理，例如進行差分放大、解調(diào)和低通過濾，輸出一個正弦波信號和一個余弦波信號以計算所述動板相對所述靜板轉(zhuǎn)過的角度。該處理電路也可以通過印刷電路板工藝直接形成在印刷電路板中的一層上，制造起來也不復(fù)雜。以上就是本發(fā)明提供的可用于進行旋轉(zhuǎn)角度增量式測量的旋轉(zhuǎn)編碼器的原理和幾個例子，下面將舉一具體的例子對這種旋轉(zhuǎn)編碼器進行說明。實施例一圖I為本發(fā)明實施例一中電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的靜板的示意圖。它是用作編碼器的發(fā)射器和接收器。如圖I所示，相同的導(dǎo)電電極101排列在靜板上。每四個連續(xù)的電極構(gòu)成一個空間周期，如圖中所示，每四個電極A、B、C、D形成一個空間周期。每個周期中的四個電極分別由四種不同的信號進行激勵。本實施例中，與靜板不同的一面(當印刷電路板只有一層時)或者不同層的一層(當印刷電路板有多層時)上有四條導(dǎo)線104，分別對應(yīng)這四個不同的激勵電信號。信號發(fā)生器提供四種不同相位的交流激勵，分別加載在這四條導(dǎo)線104上。這四種交流激勵信號的相位差為90度。在作為發(fā)射器的電極101兩邊是反射信號接收區(qū)，即圖中靜板上兩個導(dǎo)電環(huán)形圖案，內(nèi)環(huán)102和外環(huán)103，用作反射信號的接收器。接收區(qū)102和接收區(qū)103的面積相同。圖2為本發(fā)明實施例一中電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的動板的示意圖。它是用作編碼器的反射器。如圖2所示，反射區(qū)為導(dǎo)電區(qū)域202和203，由絕緣區(qū)域200分隔。導(dǎo)電區(qū)域202和203彼此相鄰的邊緣具有多個正弦波形狀的凸起，這些凸起形狀相同，等間隔分布，且交錯排列，即構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)。絕緣區(qū)域200即圖中黑色的部分，圖中為了使其明顯而進行了加粗處理。實際實現(xiàn)時，絕緣區(qū)域200可能僅僅是一條很窄的線狀的絕緣材料，只要使導(dǎo)電區(qū)域202和203相互電氣隔離即可。在一些實施例中，絕緣區(qū)域200的寬度保持恒定；在一些實施例中，絕緣區(qū)域200沿徑向的寬度保持恒定，這樣可以使導(dǎo)電區(qū)域202和203邊緣的凸起形狀相同。以上是用于增量式測量的旋轉(zhuǎn)編碼器的實施例。有時候，僅僅能夠測量增量角度是不夠的，還需要提供絕對角度的測量。本發(fā)明實施例還提供一種既能夠測量增量角度，也能夠測量絕對角度的混合旋轉(zhuǎn)編碼器，其結(jié)構(gòu)和原理如下所述。本發(fā)明的一個實施例提供的混合旋轉(zhuǎn)編碼器只需要在上述增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的基礎(chǔ)上進行一些增加和修改即可。增加的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾點。I、對電極進行編碼，用電極與激勵信號的連接方式體現(xiàn)其編碼。具體來說，對靜板上各個電極進行編碼，電極的編碼由它的連接方式確定。這樣，某電極在靜板上的位置就可以通過該電極的編碼以及其相鄰的電極的編碼計算得到。電極與激勵信號的連接方式為每個不同的電信號分別激勵至少兩條信號線，該至少兩條信號線分別表示不同的編碼，如分別表示0、1等。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的編碼使每個電極連接到相應(yīng)的電信號對應(yīng)的至少兩條信號線中的一條上。例如，當各組中順時針方向的·第一個電極都由電信號A激勵時,第P組中順時針方向的第一個電極可以連接到電信號A對應(yīng)的編碼為0的信號線上，而第Q組中順時針方向的第一個電極連接到電信號A對應(yīng)的編碼為I的信號線上，等等。當電極的總數(shù)為G時，那么對G個電極進行編碼就是找出一個G位的碼串作為上述預(yù)先設(shè)置的編碼。該碼串是一個無頭無尾碼串。當每個電信號對應(yīng)F條信號線時，也即每個電極有F種可選的連接方式時，且G = F1，那么每個電極的位置可以用L個電極的編碼來表示。例如，當靜板上設(shè)置有64個電極、且每個電信號對應(yīng)兩條信號線時，每個電極可以選擇連接到其對應(yīng)的激勵信號對應(yīng)的兩條信號線中的一條，相當于對每個電極編碼為0或I，則這64個電極對應(yīng)的64個位置可以用6個電極的編碼表不。2、動板上增加至少一個扇形導(dǎo)電區(qū)域。靜板上的電極經(jīng)過編碼后，動板上需要設(shè)置相應(yīng)的反射器。除了第一反射區(qū)和第二反射區(qū)外，可以在動板上設(shè)置一個或多個扇形導(dǎo)電區(qū)域來對電極的發(fā)射信號進行反射。扇形導(dǎo)電區(qū)域之間相互電氣隔離，扇形導(dǎo)電區(qū)域與第一反射區(qū)和第二反射區(qū)之間也電氣隔離。具體來說，當靜板上每個電極的位置需要L位編碼來確定，則扇形導(dǎo)電區(qū)域則應(yīng)當至少對L個電極的發(fā)射信號進行反射，用于根據(jù)接收到的多個電極的編碼信號來確定動板轉(zhuǎn)動的絕對角度，此時，每L個電極的編碼組合起來能夠確定靜板上一個電極所在的位置。由于動板相對靜板的角度具有任意性，這時可能會出現(xiàn)扇形導(dǎo)電區(qū)域的邊緣落在某電極上，因此不能完全覆蓋這條電極，那么該扇形導(dǎo)電區(qū)域反射的這條電極的信號會比較微弱，影響判斷的正確性。因此，應(yīng)當從每個扇形導(dǎo)電區(qū)域的反射信號中剔除與該扇形導(dǎo)電區(qū)域不完全耦合的電極對應(yīng)的信號，而剩下的與每個扇形導(dǎo)電區(qū)域完全耦合的電極的數(shù)目應(yīng)當大于或等于L，以確定絕對角度。不完全耦合的電極的位置可以利用增量角度測量階段感應(yīng)到的信號判斷是哪個電極沒有被扇形導(dǎo)電區(qū)域完全覆蓋，然后從得到的各電極的編碼中剔除該電極對應(yīng)的編碼。例如，可以根據(jù)每個扇形導(dǎo)電區(qū)域的反射信號得到每個扇形導(dǎo)電區(qū)域覆蓋的W個電極對應(yīng)的W個編碼；根據(jù)第一接收區(qū)和第二接收區(qū)的輸出信號從每W個編碼中去除一位編碼，即扇形導(dǎo)電區(qū)域沒有完全覆蓋的電極對應(yīng)的編碼；最后將剩下的編碼連接成一個碼串用來確定動板相對于靜板轉(zhuǎn)動的絕對旋轉(zhuǎn)角度。
3、靜板上還需要包括至少一個第三接收區(qū)，分別與上述至少一個扇形導(dǎo)電區(qū)域電容耦合，用于接收其所耦合的扇形導(dǎo)電區(qū)域反射的電信號。此時，第一接收區(qū)、第二接收區(qū)的輸出信號仍然用于測量增量角度，而第三接收區(qū)的輸出信號則用于測量絕對角度。測量絕對角度時，需要根據(jù)第一接收區(qū)、第二接收區(qū)和第三接收區(qū)的輸出信號確定一個碼串，根據(jù)預(yù)先的設(shè)置確定該碼串代表的絕對角度。第三接收區(qū)可以是與所述發(fā)射區(qū)、第一接收區(qū)、第二接收區(qū)同心的環(huán)形。每個扇形導(dǎo)電區(qū)域還可以分別與所述動板上的至少一個同心環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域相連，相應(yīng)的第三接收區(qū)與該扇形導(dǎo)電區(qū)域連接的同心環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域電容耦合，這樣可以使得第三接收區(qū)收到的信號更強。4、該旋轉(zhuǎn)編碼器還可以包括控制單元，用于當所述動板靜止時，對各條信號線依次進行激勵；當所述動板轉(zhuǎn)動時，同時對所有信號線進行激勵，用來接收增量角度測量信號，這樣可以方便地使用扇形導(dǎo)電區(qū)域感應(yīng)出其覆蓋的各個電極對應(yīng)的編碼。5、該旋轉(zhuǎn)編碼器還可以包括信號處理模塊，用于根據(jù)所述第一接收區(qū)、所述第二 接收區(qū)和所述至少一個第三接收區(qū)的輸出信號確定一個碼串。具體來說，信號處理模塊可以根據(jù)所述至少一個第三接收區(qū)的輸出信號確定與所述每個扇形導(dǎo)電區(qū)域耦合的各個電極對應(yīng)的編碼；根據(jù)所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)的輸出信號從每個第三接收區(qū)確定的編碼中去除一位與所述扇形導(dǎo)電區(qū)域不完全耦合的電極對應(yīng)的編碼；將剩下的編碼連接成所述碼串。該信號處理模塊還可以進一步根據(jù)得到的碼串查找到其對應(yīng)的絕對角度值。上述控制單元和信號處理模塊可以是與所述動板、靜板獨立的模塊，也可以設(shè)置在靜板或動板上。本發(fā)明實施例的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器還可以包括信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生激勵信號。根據(jù)以上幾點原理，就可以根據(jù)具體的需要設(shè)計出能夠同時進行增量測量和絕對測量的旋轉(zhuǎn)編碼器了。例如，本發(fā)明一實施例的可用于絕對角度測量的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器，其動板進一步包括至少一個扇形導(dǎo)電區(qū)域，所述扇形導(dǎo)電區(qū)域之間相互電氣隔離，且所述扇形導(dǎo)電區(qū)域分別與第一反射區(qū)和第二反射區(qū)電氣隔離；每個所述不同的激勵電信號分別加載到至少兩條信號線上，所述至少兩條信號線分別表示不同的編碼；每個電極根據(jù)預(yù)先設(shè)置的編碼連接到相應(yīng)的激勵電信號對應(yīng)的至少兩條信號線中的一條上；所述靜板進一步包括至少一個第三接收區(qū)，與所述發(fā)射區(qū)、所述第一接收區(qū)、所述第二接收區(qū)分別電氣隔離，每個第三接收區(qū)用于接收一個扇形導(dǎo)電區(qū)域反射的電信號并輸出。為了使本發(fā)明的技術(shù)方案更加清楚、明白，以下舉幾個例子對本發(fā)明具體的實施方式進行說明。關(guān)于扇形導(dǎo)電區(qū)域的設(shè)置——例1，采用一個扇形導(dǎo)電區(qū)域進行絕對角度感應(yīng)。當靜板上每個電極的位置需要L位編碼來確定時，動板上扇形導(dǎo)電區(qū)域應(yīng)當覆蓋至少L+1個連續(xù)的電極，即與至少L+1個連續(xù)的電極電容耦合。此時，為了使接收信號清楚、干擾小，在進行絕對角度測量時，最好使得扇形導(dǎo)電區(qū)域覆蓋的所有電極被逐個地激勵。假設(shè)每組電極的數(shù)目為W，當W大于或等于L+1時，該組中的電極均由不同的信號進行激勵，因此，可以按照上述的方式對電極進行編碼和激勵；當胃小于L+1時，也就是扇形導(dǎo)電區(qū)域會覆蓋兩個或以上相鄰的組，不同組中的電極有可能連接到同一條信號線上，相互會產(chǎn)生干擾，這種情況下，只要使相鄰的組連接到不同的信號線上即可。例如，每個不同的電信號分別激勵兩組信號線，每組信號線中包括至少兩條表示不同編碼的信號線，相鄰組中的相應(yīng)的電極分別與這兩組信號線連接，這樣，當對各條信號線逐個進行激勵的時候，扇形導(dǎo)電區(qū)域覆蓋的L+1個電極就不會出現(xiàn)多條被同時激勵的情況了。例2，采用多個扇形導(dǎo)電區(qū)域進行絕對角度感應(yīng)。在上面的例子中，當L較大時，可能需要同一激勵信號對應(yīng)多組信號線，這樣，各個激勵信號對應(yīng)的信號線的總數(shù)就較大，逐個激勵各條信號線耗時就會較長，激勵電路結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。這時，可以采用多個扇形導(dǎo)電區(qū)域來獲得需要的L位編碼，即每個扇形導(dǎo)電區(qū)域僅覆蓋少量的電極。由于各個扇形導(dǎo)電區(qū)域之間電氣隔離，不同的扇形導(dǎo)電區(qū)域覆蓋的電極可以同時被激勵，這樣可以節(jié)省檢測反射信號所需的時間。同樣地，每個扇形導(dǎo)電區(qū)域可能會與某個電極不完全耦合，則每個扇形 導(dǎo)電區(qū)域反射的信號中也應(yīng)當有一個是冗余信號，對應(yīng)沒有被扇形導(dǎo)電區(qū)域完全覆蓋的電極，應(yīng)當從接收信號中刪除。則在上面的例子中，若采用三個扇形導(dǎo)電區(qū)域獲得需要的L位編碼，每個扇形導(dǎo)電區(qū)域覆蓋的電極數(shù)應(yīng)當至少為(L/3)+l個。這多個扇形導(dǎo)電區(qū)域的位置可以在電極編碼允許的情況下任意設(shè)置。例如，兩個扇形導(dǎo)電區(qū)域之間可以相隔兩組電極的距離，只要此時，對所有電極的編碼滿足從相隔兩組電極的位置取出L位電極的編碼均為唯一；如果這樣取出的L位編碼有重復(fù)的情況則不行。當每個扇形導(dǎo)電區(qū)域覆蓋一組電極，每組電極的數(shù)目為W，且需要L位碼來確定某
個電極所處的絕對位置時，動板上需要設(shè)置的扇形導(dǎo)電區(qū)域的數(shù)目為T個，T= -J-，其
W-I
中符號「I表示向上取整。例如，當電極的總數(shù)為M，M為2的N次方，且采用4種不同相位的電信號激勵每組4個電極時，則動板上需要設(shè)置的扇形導(dǎo)電區(qū)域的數(shù)目為N除以3的商向上取整得到的整數(shù)。關(guān)于預(yù)先設(shè)置的編碼——當電極的總數(shù)為G，采用一個扇形導(dǎo)電區(qū)域時，該預(yù)先設(shè)置的編碼可以使用以下方法得到列出所有0至G-I的數(shù)字的F進制編碼，然后將這G個碼按照一定的順序相連。該順序為后一個碼的前L-I位與前一個碼的后L-I位相同，然后將這兩個碼中間相同的碼重疊，合并成一個L+1位的碼，再用該后一個碼作為前一個碼，從剩下的碼中選出一個碼繼續(xù)上面的過程，直到連接成一個G位的碼串，且將這G位碼首尾相連時取出任意連續(xù)的L位碼均為一個不同的0至G-I的數(shù)字的F進制編碼。當電極的總數(shù)為G，采用兩個相隔H個電極的扇形導(dǎo)電區(qū)域，每個扇形導(dǎo)電區(qū)域覆蓋W+1個電極時，該預(yù)先設(shè)置的編碼可以使用以下方法得到冽出所有0至G-I的數(shù)字的F進制編碼，其中每個碼為2W位的碼；先從中任選一個碼，在這個碼的第W+1位的位置插入H+1個待確定的X位；從這個碼的第二位開始取出W個碼，跳過H+1個碼，取出后面的W-I位，從剩下的碼中選出一個碼，其前2W-1位與之前取出的2W-1位相同，將該碼的最后一位加在上述得到的碼的最后；從得到的碼的第三位開始取出W個碼，跳過H+1位，再取出后面的W-I位，繼續(xù)上面的過程，直到將所有O至G-I的數(shù)字的F進制編碼連接成一個G位的碼串，且將這G位碼首尾相連時取出相隔H+1的2W位碼均為一個不同的O至G-I的數(shù)字的F進制編碼。當采用的扇形導(dǎo)電區(qū)域的數(shù)目大于二時，碼串的生成方法與上面類似，下面不再贅述。針對設(shè)置的多個扇形導(dǎo)電區(qū)域的位置，不是一定能夠找到合適的碼串的。因此，可以根據(jù)扇形導(dǎo)電區(qū)域的位置的不同設(shè)置方案分別嘗試計算該碼串，然后根據(jù)找到的碼串來確定扇形區(qū)域的設(shè)置方式。以上只是獲得預(yù)先編碼的幾種方法，根據(jù)扇形導(dǎo)電區(qū)域的設(shè)計不同，具體的編碼也會具有不同的特性，獲得該編碼的方法也會不同。下面舉幾個具體的例子來對產(chǎn)生該編碼的過程加以說明。下面以每個電信號對應(yīng)兩條分別代表0和I的信號線，即該碼串為二進制碼串，采用一個扇形時的情況為例對上述獲得該碼串的方法進行說明。若碼串長度為M，即電極的總數(shù)為M，該碼串可以通過由0至M-I的各個整數(shù)的二進制碼連接而成，使得所述M位的二進 制碼串首位相連成環(huán)時，其中從不同位置取出的連續(xù)N位碼均為0至M-I中不同整數(shù)的二進制碼，M = 2n。舉個簡單的例子，當需要8位的二進制碼串對8個電極進行編碼時，可以用3位編碼確定一個電極所在的絕對角度。采用一個扇形導(dǎo)電區(qū)域時，則先列出0-7各個數(shù)的3位二進制碼，即000,001,010,011,100，101，110，111，然后將這8個碼按照一定的順序相連，該順序為，后一個碼的前三位等于前一個碼的后三位，且將這8位碼首尾相連時取出任意連續(xù)的3位碼均為一個不同的二進制碼，可以得到下面這個碼00010111。就可以按照得到的M位二進制碼為靜板上連續(xù)的M個電極依次分配一個對應(yīng)的碼，S卩，靜板上順序排列的電極對應(yīng)的編碼分別為0，0，0，1，0，1，1，1。根據(jù)每個電極的編碼，將該電極連接到相應(yīng)相位的電信號所激勵的該編碼對應(yīng)的信號線上。在上面那個簡單的例子中，若每兩個電極為一組，則每組第一個電極分別連接到第一相位信號的0、0、0、1 (對應(yīng)上面8位碼的奇數(shù)位)信號線上，每組第二個電極分別連接到第二相位信號的O、I、I、I (對應(yīng)上面8位碼的偶數(shù)位)信號線上?？梢钥闯?，這個M位的碼串無頭無尾，也就是，將這個M位的碼首尾連接起來，從任意碼位斷開都可以得到一個M位碼串，例如，可以得到10111000，或者順時針、逆時針方向來組成一個M位碼串都可以用在本發(fā)明實施例中，例如，可以用11101000。這個碼的生成方法也不限于上面給出的方法。對角度測量精度要求越高，則需要的電極的總數(shù)越大。以上就是本發(fā)明提供的可用于進行增量式和絕對式旋轉(zhuǎn)角度測量的旋轉(zhuǎn)編碼器的原理和幾個例子，下面將舉一具體的例子對這種旋轉(zhuǎn)編碼器進行說明。實施例二圖3為本發(fā)明實施例二提供的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的靜板的示意圖。如圖3所示，發(fā)射區(qū)設(shè)置有64個徑向排列的電極301組成一個軌道。8條信號線A0、A1、B0、B1、C0、C1、D0、D1設(shè)置在靜板的另一層，分為兩組1系列(Al、BI、Cl、Dl)和0系列(A0、B0、C0、D0)。注意，本發(fā)明實施例中信號線為環(huán)形，但其它實施例中，信號線也可以為其它形狀和形式。各電極301連接分別通過過孔與相應(yīng)的信號線相連。每四個連續(xù)的電極A、B、C、D構(gòu)成一個空間周期，分別由正交四相(A相、B相、C相、D相)交流電壓源激勵。每一相位的激勵信號分別連接到兩條信號線上，例如，A相的激勵信號連接到AO和Al信號線，等。各空間周期中由同一相位的電信號激勵的電極被稱為同相電極。每個周期中的各電極A都連接到其相應(yīng)的0系列(A0 D0)或I系列(Al Dl)電線。一個電極的編碼是由該電極連接到I系列的信號線還是連接到0系列的信號線確定。因此，電極的編碼是由其電氣連接體現(xiàn)的。接收區(qū)，也叫拾取電極，在靜板上排列成輻射環(huán)狀，形成四個同心圓。拾取電極303、304分別是位于發(fā)射區(qū)兩邊的導(dǎo)電環(huán)，具有相同的表面積以獲得相同的接收信號幅度。拾取電極302、305也是在靜板內(nèi)側(cè)和外側(cè)的導(dǎo)電環(huán)。圖4為本發(fā)明實施例二提供的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器的動板的示意圖。反射區(qū)403、404是一對導(dǎo)電表面，被絕緣區(qū)域隔開，絕緣區(qū)域即圖中黑色粗線所示的部分。反射區(qū)403、404相鄰的邊緣具有多個正弦波形狀的凸起，這些凸起形狀相同，等 間隔分布，且交錯排列，即形成差分結(jié)構(gòu)。反射區(qū)403、404將一對差分信號反射到靜板上的接收器303、304，用于增量角度測量。扇形導(dǎo)電區(qū)域402、405相互電氣隔離,一個與外圓連接，另一個與內(nèi)圓連接。扇形導(dǎo)電區(qū)域402、405在任何機械角度可以與至少3個且少于5個電極重疊。當信號發(fā)生電路產(chǎn)生一組脈沖信號依次激勵各條信號線時，靜板上相應(yīng)的接收區(qū)域302、305將收到扇形導(dǎo)電區(qū)域402、405重疊的電極的信號。碼串“0000000101100100101010000110001111111010011001101101010111100111”為發(fā)射區(qū)軌道上64個電極對應(yīng)的編碼，沒有首尾之分。表I示出用6位編碼定義的64個位置索引。
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， 所述靜板包括發(fā)射區(qū)、第一接收區(qū)和第二接收區(qū)，其中，第一接收區(qū)和第二接收區(qū)分別為導(dǎo)電區(qū)域，所述發(fā)射區(qū)、所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)之間彼此電氣隔離，所述發(fā)射區(qū)包括多個彼此電氣隔離的電極，所述電極徑向排列且每N個連續(xù)的電極分為一組，每組中不同的電極的激勵電信號的相位不同，且各組電極中的第M個電極的激勵電信號的相位相同，N為自然數(shù)，M為不大于N的正整數(shù)； 所述動板，能夠圍繞一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，包括絕緣區(qū)、第一反射區(qū)和第二反射區(qū)，其中所述第一反射區(qū)位于所述第二反射區(qū)的外圍且與所述第二反射區(qū)同心，所述第一反射區(qū)和所述第二反射區(qū)由所述絕緣區(qū)隔離，所述第二反射區(qū)的邊緣具有多個朝向所述第一反射區(qū)的凸起，所述第一反射區(qū)的邊緣具有多個朝向所述第二反射區(qū)的凸起，第一反射區(qū)的所述多個凸起與第二反射區(qū)的所述多個凸起是交錯排列的； 所述第一反射區(qū)和所述第二反射區(qū)均為導(dǎo)電區(qū)域，所述第一反射區(qū)與所述發(fā)射區(qū)和所述第一接收區(qū)分別電容耦合，所述第二反射區(qū)與所述發(fā)射區(qū)和第二接收區(qū)分別電容耦合； 所述第一接收區(qū)用于接收所述第一反射區(qū)反射的電信號并輸出； 所述第二接收區(qū)用于接收所述第二反射區(qū)反射的電信號并輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述每組中不同的電極的激勵電信號為彼此正交的電信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述第二反射區(qū)的邊緣的多個凸起的形狀相同，且等間隔分布；第一反射區(qū)的邊緣的多個凸起的形狀相同，且等間隔分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述發(fā)射區(qū)、所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)為同心的環(huán)形，所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)分別位于所述發(fā)射區(qū)的兩側(cè)，且所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)的面積相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述電極為長條狀且等角度排列，每個電極的兩個長邊分別沿徑向方向；所述第二反射區(qū)的一個凸起所覆蓋的扇形區(qū)域的角度與所述發(fā)射區(qū)一組電極覆蓋的扇形區(qū)域的角度相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述第一反射區(qū)和第二反射區(qū)的邊緣凸起的形狀均為極坐標下的余弦波形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述動板進一步包括至少一個扇形導(dǎo)電區(qū)域，所述扇形導(dǎo)電區(qū)域之間相互電氣隔離，且所述扇形導(dǎo)電區(qū)域分別與第一反射區(qū)和第二反射區(qū)電氣隔離； 每個所述不同的激勵電信號分別加載到至少兩條信號線上，所述至少兩條信號線分別表不不同的編碼； 每個電極根據(jù)預(yù)先設(shè)置的編碼連接到相應(yīng)的激勵電信號對應(yīng)的至少兩條信號線中的一條上； 所述靜板進一步包括至少一個第三接收區(qū)，與所述發(fā)射區(qū)、所述第一接收區(qū)、所述第二接收區(qū)分別電氣隔離，每個第三接收區(qū)用于接收一個扇形導(dǎo)電區(qū)域反射的電信號并輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述靜板由印刷電路板實現(xiàn)，當所述印刷電路板包括至少兩層時，其中靜板印刷在所述印刷電路板中的一層上，在另一層上印刷有至少一條信號線；當所述印刷電路板包括一層時，其中靜板印刷在所述印刷電路板中的一面上，在另一面上印刷有至少一條信號線； 所述激勵電信號加載在所述信號線上，所述電極通過過孔與相應(yīng)的信號線相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述旋轉(zhuǎn)編碼器進一步包括一處理電路，用于將所述第一接收區(qū)和第二接收區(qū)的輸出信號進行差分放大、解調(diào)和低通濾波，輸出一個正弦波信號和一個余弦波信號以計算所述動板相對所述靜板轉(zhuǎn)過的角度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述旋轉(zhuǎn)編碼器進一步包括信號處理模塊，用于根據(jù)所述第一接收區(qū)、所述第二接收區(qū)和所述至少一個第三接收區(qū)的輸出信號確定一個碼串以確定所述扇形導(dǎo)電區(qū)域相對所述靜板所在的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述信號處理模塊具體用于根據(jù)所述至少一個第三接收區(qū)的輸出信號確定與所述每個扇形導(dǎo)電區(qū)域耦合的各個電極對應(yīng)的編碼；根據(jù)所述第一接收區(qū)和所述第二接收區(qū)的輸出信號從每個第三接收區(qū)確定的編碼中去除一位與所述扇形導(dǎo)電區(qū)域不完全耦合的電極對應(yīng)的編碼；將剩下的編碼連接成所述碼串O
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述旋轉(zhuǎn)編碼器進一步包括 控制單元，用于當動板靜止時，對各條信號線依次進行激勵；當所述動板轉(zhuǎn)動時，同時對所有信號線進行激勵。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述至少一個第三接收區(qū)與所述發(fā)射區(qū)、第一接收區(qū)、第二接收區(qū)為同心環(huán)形；所述動板上進一步包括至少一個同心環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域，每個同心環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域與一個不同的扇形導(dǎo)電區(qū)域相連；所述至少一個第三接收區(qū)與相應(yīng)的扇形區(qū)域所連接的同心環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域電容耦合。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，每個所述不同的電信號分別對應(yīng)兩條信號線，當所述電極的總數(shù)為P，P為2的Q次方，且采用4種不同的電信號時，則所述扇形導(dǎo)電區(qū)域的數(shù)目為Q除以3的商向上取整得到的整數(shù)，所述碼串的位數(shù)是Q。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其中，所述預(yù)先設(shè)置的編碼為R位的二進制碼串，根據(jù)O至R-I的各個整數(shù)的二進制碼生成； 則每個所述不同的電信號分別激勵至少兩條信號線，所述至少兩條信號線分別表示不同的編碼，每個電極根據(jù)預(yù)先設(shè)置的編碼連接到相應(yīng)的電信號對應(yīng)的至少兩條信號線中的一條上包括4個正交的電信號激勵8條信號線，其中與每個電信號連接的兩條信號線分別代表O和I ;使按所述電極在靜板上的排列順序使每個電極對應(yīng)所述R位的二進制碼串中的一位碼，根據(jù)每個電極對應(yīng)的碼將該電極連接到其對應(yīng)的電信號所連接的兩條信號線中的一條上。
16.一種使用如權(quán)利要求1-15所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法，包括 使用不同相位的電信號同時激勵靜板上的電極，其中每組電極中不同的電極由相位不同的電信號激勵； 使動板在被測物體的帶動下旋轉(zhuǎn)； 接收第一電信號和第二電信號，所述第一電信號為第一接收區(qū)感應(yīng)到的由第一反射區(qū)反射的電信號，所述第二電信號為第二接收區(qū)感應(yīng)到的由第二反射區(qū)反射的電信號； 對所述第一電信號和所述第二電信號分別進行差分放大、解調(diào)和低通濾波，輸出一個正弦波信號和一個余弦波信號；根據(jù)所述正弦波信號和所述余弦波信號計算所述動板相對所述靜板轉(zhuǎn)過的角度； 其中，所述正弦波信號和所述余弦波信號分別為所述角度的函數(shù)。
17.—種使用如權(quán)利要求7-8及10-14中任一權(quán)利要求所述的電容式旋轉(zhuǎn)編碼器感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法， 包括 當動板靜止時， 依次激勵同一相位的電信號對應(yīng)的U條信號線， 每次激勵時，接收每個第三接收區(qū)感應(yīng)到的對應(yīng)扇形導(dǎo)電區(qū)域反射的電信號，得到每扇形導(dǎo)電區(qū)域?qū)?yīng)的U個感應(yīng)值； 當動板轉(zhuǎn)動時， 同時激勵所有信號線， 接收第一接收區(qū)感應(yīng)到的由第一反射區(qū)反射的第一電信號和第二接收區(qū)感應(yīng)到的由第二反射區(qū)反射的第二電信號； 對所述第一電信號和所述第二電信號分別進行差分放大、解調(diào)和低通濾波，輸出一個正弦波信號和一個余弦波信號，計算所述動板相對所述靜板轉(zhuǎn)過的角度； 根據(jù)計算所得角度從每個扇形導(dǎo)電區(qū)域?qū)?yīng)的U個感應(yīng)值中去除一個感應(yīng)值，利用剩余的感應(yīng)值計算得出一個編碼，利用得到的編碼確定動板相對于靜板的絕對位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電容式旋轉(zhuǎn)編碼器和感應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度的方法。編碼器包括靜板和動板，靜板包括發(fā)射區(qū)、第一接收區(qū)和第二接收區(qū)，相互電氣隔離；發(fā)射區(qū)包括多個徑向排列的電極，每N個分為一組，每組中不同電極的激勵信號的相位不同，各組電極中的第M個電極的激勵信號的相位相同；動板能圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，包括絕緣區(qū)分隔的第一反射區(qū)和第二反射區(qū)，第一反射區(qū)位于第二反射區(qū)的外圍且與第二反射區(qū)同心，第一反射區(qū)和第二反射區(qū)的邊緣分別具有多個朝向?qū)Ψ降耐蛊?，且兩個反射區(qū)的凸起交錯排列；第一反射區(qū)與發(fā)射區(qū)和第一接收區(qū)分別電容耦合，第二反射區(qū)與發(fā)射區(qū)和第二接收區(qū)分別電容耦合。
文檔編號H02K29/14GK102798405SQ201110141369
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者林燕凌, 楊藝榕, 杜昭輝 申請人:西門子公司