電容式旋轉編碼器和感應旋轉角度的方法技術

本發明專利技術公開了一種電容式旋轉編碼器和感應旋轉角度的方法。編碼器包括靜板和動板，靜板包括發射區、第一接收區和第二接收區，相互電氣隔離；發射區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；動板能圍繞旋轉軸旋轉，包括絕緣區分隔的第一反射區和第二反射區，第一反射區位于第二反射區的外圍且與第二反射區同心，第一反射區和第二反射區的邊緣分別具有多個朝向對方的凸起，且兩個反射區的凸起交錯排列；第一反射區與發射區和第一接收區分別電容耦合，第二反射區與發射區和第二接收區分別電容耦合。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及電容式編碼器技術，特別涉及。
技術介紹
旋轉編碼器廣泛應用在各個領域中，例如電機的速度和位置控制系統等。旋轉編碼器是用來測量角度、轉速的裝置，包括定子和轉子。轉子與被測物體連接，被測物體的轉動帶動轉子轉動。旋轉編碼器可將轉子的角位移、角速度等機械量轉換成電信號輸出。目前，光學旋轉編碼器廣泛用于速度和位置反饋。但是，光學編碼器應用于電機時不夠耐用。在惡劣環境下，如經常受到機械沖擊、振動或處于高溫環境下等，編碼器內的光電碼盤很容易受到外部因素的影響而損壞。與光學編碼器不同，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，光學編碼器和磁性編碼器 都比較昂貴，一般只在高端的應用場景中使用。相比光學編碼器和磁性編碼器，電容式編碼器具有一些基本的優勢。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生在整個編碼器板區域的周圍，而光學編碼器必須將光束集中在光盤上的特定點。因此，電容式旋轉編碼器對轉子相對于軸的機械失調的敏感度遠比光學編碼器要低。現有的電容式旋轉編碼器一般至少包括兩個定子和一個轉子，兩個定子一個作為發射器，一個作為接收器，通過轉子在兩個定子之間轉動，改變接收器收到的信號。這種電容式旋轉編碼器結構比較復雜，體積較大。
技術實現思路
由于現有技術中的電容式旋轉編碼器結構復雜、體積較大，本專利技術實施例提供一種電容式旋轉編碼器，其結構簡單、體積較小。本專利技術實施例還提供一種使用上述電容式旋轉編碼器感應旋轉角度的方法，可以利用簡單的編碼器結構進行旋轉角度測量。本專利技術實施例的一種電容式旋轉編碼器包括一個靜板和一個動板，其中所述靜板包括發射區、第一接收區和第二接收區，其中，第一接收區和第二接收區分別為導電區域，所述發射區、所述第一接收區和所述第二接收區之間彼此電氣隔離，所述發射區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，M為不大于N的正整數；所述動板，能夠圍繞一旋轉軸旋轉，包括絕緣區、第一反射區和第二反射區，其中所述第一反射區位于所述第二反射區的外圍且與所述第二反射區同心，所述第一反射區和所述第二反射區由所述絕緣區隔離，所述第二反射區的邊緣具有多個朝向所述第一反射區的凸起，所述第一反射區的邊緣具有多個朝向所述第二反射區的凸起，第一反射區的所述多個凸起與第二反射區的所述多個凸起是交錯排列的；所述第一反射區和所述第二反射區均為導電區域，所述第一反射區與所述發射區和所述第一接收區分別電容耦合，所述第二反射區與所述發射區和第二接收區分別電容耦合；所述第一接收區用于接收所述第一反射區反射的電信號并輸出；所述第二接收區用于接收所述第二反射區反射的電信號并輸出。根據本專利技術一實施例，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。根據本專利技術一實施例，所述第二反射區的邊緣的多個凸起的形狀相同，且等間隔分布；第一反射區的邊緣的多個凸起的形狀相同，且等間隔分布。 根據本專利技術一實施例，所述發射區、所述第一接收區和所述第二接收區為同心的環形，所述第一接收區和所述第二接收區分別位于所述發射區的兩側，且所述第一接收區和所述第二接收區的面積相同。根據本專利技術一實施例，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；所述第二反射區的一個凸起所覆蓋的扇形區域的角度與所述發射區一組電極覆蓋的扇形區域的角度相等。根據本專利技術一實施例，所述第一反射區和第二反射區的邊緣凸起的形狀均為極坐標下的余弦波形狀。根據本專利技術一實施例，所述動板進一步包括至少一個扇形導電區域，所述扇形導電區域之間相互電氣隔離，且所述扇形導電區域分別與第一反射區和第二反射區電氣隔離；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；每個電極根據預先設置的編碼連接到相應的激勵電信號對應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，與所述發射區、所述第一接收區、所述第二接收區分別電氣隔離，每個第三接收區用于接收一個扇形導電區域反射的電信號并輸出。根據本專利技術一實施例，所述靜板由印刷電路板實現，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的信號線相連。根據本專利技術一實施例，所述旋轉編碼器進一步包括一處理電路，用于將所述第一接收區和第二接收區的輸出信號進行差分放大、解調和低通濾波，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過的角度。根據本專利技術一實施例，所述旋轉編碼器進一步包括信號處理模塊，用于根據所述第一接收區、所述第二接收區和所述至少一個第三接收區的輸出信號確定一個碼串以確定所述扇形導電區域相對所述靜板所在的位置。根據本專利技術一實施例，所述信號處理模塊具體用于根據所述至少一個第三接收區的輸出信號確定與所述每個扇形導電區域耦合的各個電極對應的編碼；根據所述第一接收區和所述第二接收區的輸出信號從每個第三接收區確定的編碼中去除一位與所述扇形導電區域不完全耦合的電極對應的編碼；將剩下的編碼連接成所述碼串。根據本專利技術一實施例，所述旋轉編碼器進一步 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；當所述動板轉動時，同時對所有信號線進行激勵。根據本專利技術一實施例，所述至少一個第三接收區與所述發射區、第一接收區、第二接收區為同心環形；所述動板上進一步包括至少一個同心環形導電區域，每個同心環形導電區域與一個不同的扇形導電區域相連；所述至少一個第三接收區與相應的扇形區域所連接的同心環形導電區域電容耦合。根據本專利技術一實施例，每個所述不同的電信號分別對應兩條信號線，當所述電極的總數為P，P為2的Q次方，且采用4種不同的電信號時，則所述扇形導電區域的數目為Q除以3的商向上取整得到的整數，所述碼串的位數是Q。根據本專利技術一實施例，所述預先設置的編碼為R位的二進制碼串，根據0至R-I的各個整數的二進制碼生成；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，每個電極根據預先設置的編碼連接到相應的電信號對應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所述R位的二進制碼串中的一位碼，根據每個電極對應的碼將該電極連接到其對應的電信號所連接的兩條信號線中的一條上。本專利技術實施例提供的一種使用上述的電容式旋轉編碼器感應旋轉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；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感應到的由第一反射區反射的電信號，所述第二電信號為第二接收區感應到的由第二反射區反射的電信號；對所述第一電信號和所述第二電信號分別進行差分放大、解調和低通濾波，輸出一個正弦波信號和一個余弦波本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種電容式旋轉編碼器，包括一靜板和一動板，所述靜板包括發射區、第一接收區和第二接收區，其中，第一接收區和第二接收區分別為導電區域，所述發射區、所述第一接收區和所述第二接收區之間彼此電氣隔離，所述發射區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，M為不大于N的正整數；所述動板，能夠圍繞一旋轉軸旋轉，包括絕緣區、第一反射區和第二反射區，其中所述第一反射區位于所述第二反射區的外圍且與所述第二反射區同心，所述第一反射區和所述第二反射區由所述絕緣區隔離，所述第二反射區的邊緣具有多個朝向所述第一反射區的凸起，所述第一反射區的邊緣具有多個朝向所述第二反射區的凸起，第一反射區的所述多個凸起與第二反射區的所述多個凸起是交錯排列的；所述第一反射區和所述第二反射區均為導電區域，所述第一反射區與所述發射區和所述第一接收區分別電容耦合，所述第二反射區與所述發射區和第二接收區分別電容耦合；所述第一接收區用于接收所述第一反射區反射的電信號并輸出；所述第二接收區用于接收所述第二反射區反射的電信號并輸出。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：林燕凌，楊藝榕，杜昭輝，
申請(專利權)人：西門子公司，
類型：發明
國別省市：