电容式旋转编码器和感应旋转角度的方法技术

本发明专利技术公开了一种电容式旋转编码器和感应旋转角度的方法。编码器包括静板和动板，静板包括发射区、第一接收区和第二接收区，相互电气隔离；发射区包括多个径向排列的电极，每N个分为一组，每组中不同电极的激励信号的相位不同，各组电极中的第M个电极的激励信号的相位相同；动板能围绕旋转轴旋转，包括绝缘区分隔的第一反射区和第二反射区，第一反射区位于第二反射区的外围且与第二反射区同心，第一反射区和第二反射区的边缘分别具有多个朝向对方的凸起，且两个反射区的凸起交错排列；第一反射区与发射区和第一接收区分别电容耦合，第二反射区与发射区和第二接收区分别电容耦合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电容式编码器技术，特别涉及。
技术介绍
旋转编码器广泛应用在各个领域中，例如电机的速度和位置控制系统等。旋转编码器是用来测量角度、转速的装置，包括定子和转子。转子与被测物体连接，被测物体的转动带动转子转动。旋转编码器可将转子的角位移、角速度等机械量转换成电信号输出。目前，光学旋转编码器广泛用于速度和位置反馈。但是，光学编码器应用于电机时不够耐用。在恶劣环境下，如经常受到机械冲击、振动或处于高温环境下等，编码器内的光电码盘很容易受到外部因素的影响而损坏。与光学编码器不同，磁性编码器，如变压器等，具有一定的机械强度。但它们不能提供足够高的分辨率。而且，光学编码器和磁性编码器 都比较昂贵，一般只在高端的应用场景中使用。相比光学编码器和磁性编码器，电容式编码器具有一些基本的优势。电容式编码器同时具有高精度和鲁棒性。电容式编码器的基本检测发生在整个编码器板区域的周围，而光学编码器必须将光束集中在光盘上的特定点。因此，电容式旋转编码器对转子相对于轴的机械失调的敏感度远比光学编码器要低。现有的电容式旋转编码器一般至少包括两个定子和一个转子，两个定子一个作为发射器，一个作为接收器，通过转子在两个定子之间转动，改变接收器收到的信号。这种电容式旋转编码器结构比较复杂，体积较大。
技术实现思路
由于现有技术中的电容式旋转编码器结构复杂、体积较大，本专利技术实施例提供一种电容式旋转编码器，其结构简单、体积较小。本专利技术实施例还提供一种使用上述电容式旋转编码器感应旋转角度的方法，可以利用简单的编码器结构进行旋转角度测量。本专利技术实施例的一种电容式旋转编码器包括一个静板和一个动板，其中所述静板包括发射区、第一接收区和第二接收区，其中，第一接收区和第二接收区分别为导电区域，所述发射区、所述第一接收区和所述第二接收区之间彼此电气隔离，所述发射区包括多个彼此电气隔离的电极，所述电极径向排列且每N个连续的电极分为一组，每组中不同的电极的激励电信号的相位不同，且各组电极中的第M个电极的激励电信号的相位相同，N为自然数，M为不大于N的正整数；所述动板，能够围绕一旋转轴旋转，包括绝缘区、第一反射区和第二反射区，其中所述第一反射区位于所述第二反射区的外围且与所述第二反射区同心，所述第一反射区和所述第二反射区由所述绝缘区隔离，所述第二反射区的边缘具有多个朝向所述第一反射区的凸起，所述第一反射区的边缘具有多个朝向所述第二反射区的凸起，第一反射区的所述多个凸起与第二反射区的所述多个凸起是交错排列的；所述第一反射区和所述第二反射区均为导电区域，所述第一反射区与所述发射区和所述第一接收区分别电容耦合，所述第二反射区与所述发射区和第二接收区分别电容耦合；所述第一接收区用于接收所述第一反射区反射的电信号并输出；所述第二接收区用于接收所述第二反射区反射的电信号并输出。根据本专利技术一实施例，所述每组中不同的电极的激励电信号为彼此正交的电信号。根据本专利技术一实施例，所述第二反射区的边缘的多个凸起的形状相同，且等间隔分布；第一反射区的边缘的多个凸起的形状相同，且等间隔分布。 根据本专利技术一实施例，所述发射区、所述第一接收区和所述第二接收区为同心的环形，所述第一接收区和所述第二接收区分别位于所述发射区的两侧，且所述第一接收区和所述第二接收区的面积相同。根据本专利技术一实施例，所述电极为长条状，等角度排列，每个电极的两个长边分别沿径向方向；所述第二反射区的一个凸起所覆盖的扇形区域的角度与所述发射区一组电极覆盖的扇形区域的角度相等。根据本专利技术一实施例，所述第一反射区和第二反射区的边缘凸起的形状均为极坐标下的余弦波形状。根据本专利技术一实施例，所述动板进一步包括至少一个扇形导电区域，所述扇形导电区域之间相互电气隔离，且所述扇形导电区域分别与第一反射区和第二反射区电气隔离；每个所述不同的激励电信号分别加载到至少两条信号线上，所述至少两条信号线分别表示不同的编码；每个电极根据预先设置的编码连接到相应的激励电信号对应的至少两条信号线中的一条上；所述静板进一步包括至少一个第三接收区，与所述发射区、所述第一接收区、所述第二接收区分别电气隔离，每个第三接收区用于接收一个扇形导电区域反射的电信号并输出。根据本专利技术一实施例，所述静板由印刷电路板实现，当所述印刷电路板包括至少两层时，其中静板印刷在所述印刷电路板中的一层上，在另一层上印刷有至少一条信号线；当所述印刷电路板包括一层时，其中静板印刷在所述印刷电路板中的一面上，在另一面上印刷有至少一条信号线；每一个所述激励电信号加载在所述信号线上，所述电极通过过孔与相应的信号线相连。根据本专利技术一实施例，所述旋转编码器进一步包括一处理电路，用于将所述第一接收区和第二接收区的输出信号进行差分放大、解调和低通滤波，输出一个正弦波信号和一个余弦波信号以计算所述动板相对所述静板转过的角度。根据本专利技术一实施例，所述旋转编码器进一步包括信号处理模块，用于根据所述第一接收区、所述第二接收区和所述至少一个第三接收区的输出信号确定一个码串以确定所述扇形导电区域相对所述静板所在的位置。根据本专利技术一实施例，所述信号处理模块具体用于根据所述至少一个第三接收区的输出信号确定与所述每个扇形导电区域耦合的各个电极对应的编码；根据所述第一接收区和所述第二接收区的输出信号从每个第三接收区确定的编码中去除一位与所述扇形导电区域不完全耦合的电极对应的编码；将剩下的编码连接成所述码串。根据本专利技术一实施例，所述旋转编码器进一步 包括控制单元，用于当动板静止时，对各条信号线依次进行激励；当所述动板转动时，同时对所有信号线进行激励。根据本专利技术一实施例，所述至少一个第三接收区与所述发射区、第一接收区、第二接收区为同心环形；所述动板上进一步包括至少一个同心环形导电区域，每个同心环形导电区域与一个不同的扇形导电区域相连；所述至少一个第三接收区与相应的扇形区域所连接的同心环形导电区域电容耦合。根据本专利技术一实施例，每个所述不同的电信号分别对应两条信号线，当所述电极的总数为P，P为2的Q次方，且采用4种不同的电信号时，则所述扇形导电区域的数目为Q除以3的商向上取整得到的整数，所述码串的位数是Q。根据本专利技术一实施例，所述预先设置的编码为R位的二进制码串，根据0至R-I的各个整数的二进制码生成；则每个所述不同的电信号分别激励至少两条信号线，所述至少两条信号线分别表示不同的编码，每个电极根据预先设置的编码连接到相应的电信号对应的至少两条信号线中的一条上包括4个正交的电信号激励8条信号线，其中与每个电信号连接的两条信号线分别代表0和I ;使按所述电极在静板上的排列顺序使每个电极对应所述R位的二进制码串中的一位码，根据每个电极对应的码将该电极连接到其对应的电信号所连接的两条信号线中的一条上。本专利技术实施例提供的一种使用上述的电容式旋转编码器感应旋转角度的方法包括使用不同相位的电信号同时激励静板上的电极，其中每组电极中不同的电极由相位不同的电信号激励；使动板在被测物体的带动下旋转；接收第一电信号和第二电信号，所述第一电信号为第一接收区感应到的由第一反射区反射的电信号，所述第二电信号为第二接收区感应到的由第二反射区反射的电信号；对所述第一电信号和所述第二电信号分别进行差分放大、解调和低通滤波，输出一个正弦波信号和一个余弦波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容式旋转编码器，包括一静板和一动板，所述静板包括发射区、第一接收区和第二接收区，其中，第一接收区和第二接收区分别为导电区域，所述发射区、所述第一接收区和所述第二接收区之间彼此电气隔离，所述发射区包括多个彼此电气隔离的电极，所述电极径向排列且每N个连续的电极分为一组，每组中不同的电极的激励电信号的相位不同，且各组电极中的第M个电极的激励电信号的相位相同，N为自然数，M为不大于N的正整数；所述动板，能够围绕一旋转轴旋转，包括绝缘区、第一反射区和第二反射区，其中所述第一反射区位于所述第二反射区的外围且与所述第二反射区同心，所述第一反射区和所述第二反射区由所述绝缘区隔离，所述第二反射区的边缘具有多个朝向所述第一反射区的凸起，所述第一反射区的边缘具有多个朝向所述第二反射区的凸起，第一反射区的所述多个凸起与第二反射区的所述多个凸起是交错排列的；所述第一反射区和所述第二反射区均为导电区域，所述第一反射区与所述发射区和所述第一接收区分别电容耦合，所述第二反射区与所述发射区和第二接收区分别电容耦合；所述第一接收区用于接收所述第一反射区反射的电信号并输出；所述第二接收区用于接收所述第二反射区反射的电信号并输出。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林燕凌，杨艺榕，杜昭辉，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：