绝对式电容编码器的制作方法

本实用新型涉及编码器技术领域，特别是涉及一种绝对式电容编码器。

背景技术：

旋转编码器作为一种位置和速度的检测元件，广泛应用于数控机床、工业机器人、医疗设备、新能源及航空航天等测量和控制领域。目前，旋转编码器市场几乎被光电式和电磁式编码器垄断。其中，光电式编码器由于技术成熟和精度高，应用最为广泛，但是因为有光学器件，其抗震性差，对尘埃和结露环境敏感，对工作环境要求高。电磁式编码器能工作在比较恶劣的环境下，但是因为对电磁干扰敏感，很难实现高精度测量。此外，高精度的光电式和电磁式编码器都比较昂贵，一般都只用于高端场合。

相对比于光电式和电磁式编码器，设计良好的电容式旋转编码器，不仅可适应震动、灰尘、高湿度等恶劣环境，具备高精度、高分辨率、高可靠性和动态特性好等优点，其应用前景可观。

技术实现要素：

基于此，本实用新型提供一种测量精度高、可靠性强、结构简单的绝对式电容编码器。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种绝对式电容编码器，包括一静盘、相对于所述静盘设置的动盘、及连接所述静盘的处理电路；所述静盘朝向所述动盘的一面上设有粗分发射环及细分发射环，所述粗分发射环、所述细分发射环与所述静盘同圆心设置；所述粗分发射环靠近所述静盘的圆心，所述细分发射环远离所述静盘的圆心；所述粗分发射环的环体相对内外两侧分别具有一粗分内接收环与粗分外接收环，所述粗分发射环的环体上设置有沿其径向排列的若干粗分激励极；所述细分发射环的环体相对内外两侧分别具有一细分内接收环与细分外接收环，所述细分发射环的环体上设置有沿其径向排列的若干细分激励极；所述动盘朝向所述静盘的一面上分别印刷有若干连续的多个重复图案，所述重复图案分别构成了粗分图案及细分图案；所述粗分图案的内外两侧分别设有一粗分内反射区及粗分内反射区，所述细分图案的内外两侧分别设有一细分内反射区及细分外反射区；所述处理电路包括分别连接于所述静盘上的载波驱动与信号采集模块、连接所述信号采集模块的信号过滤模块、及连接所述信号过滤模块的芯片模块，所述芯片模块还连接所述载波驱动，所述芯片模块用于产生激励信号。

上述绝对式电容编码器，基于电信号层面，无需其他特殊功能器材或者元器件，不易受灰尘、潮气等环境因素的干扰，提高了测量出精确度，也大大地降低了该绝对式电容编码器的安装门槛，拓宽了使用场合。

在其中一个实施例中，所述静盘与所述动盘同轴心设置，所述动盘位于所述静盘的正上方。

在其中一个实施例中，所述粗分激励极、所述细分激励极均以每连续的四个激励极作为一个周期。

在其中一个实施例中，所述粗分内接收环位于所述粗分发射环的环体内侧，所述粗分外接收环位于所述粗分发射环的环体外侧。

在其中一个实施例中，所述细分内接收环位于所述细分发射环的环体内侧，所述细分外接收环位于所述细分发射环的环体外侧。

在其中一个实施例中，所述粗分内反射区与所述粗分外反射区的形状互补，所述细分内反射区与所述细分外反射区的形状互补。

在其中一个实施例中，所述芯片模块产生四路时延为1/4周期的方波信号。

在其中一个实施例中，所述信号采集模块内具有第一差分放大器及第二差分放大器。

在其中一个实施例中，所述芯片模块内具有ADC单元、解调单元、数字低通滤波单元、补偿单元及cordic单元。

附图说明

图1为本实用新型一较佳实施方式的绝对式电容编码器的静盘与动盘的结构示意图；

图2为图1所示的圆圈A的放大示意图；

图3为图1所示的绝对式电容编码器的静盘与处理电路的连接示意图；

附图标注说明：

10-静盘，20-粗分发射环，21-粗分内接收环，22-粗分外接收环，23-粗分激励极，30-细分发射环，31-细分内接收环，32-细分外接收环，33-细分激励极，40-第一屏蔽区，50-动盘，60-粗分图案，61-粗分内反射区，62-粗分外反射区，70-细分图案，71-细分内反射区，72-细分外反射区，81-载波驱动，82-信号采集模块，83-信号过滤模块，84-芯片模块。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

请参阅图1至图3，为本实用新型一较佳实施方式的绝对式电容编码器，安装于电机的机轴上，所述绝对式电容编码器包括一静盘10、相对于所述静盘10设置的动盘50、及连接所述静盘10的处理电路；所述静盘10与所述动盘50同轴心设置，所述动盘50位于所述静盘10的正上方。所述静盘10与所述动盘50均为呈圆环状的PCB板，所述静盘10静止不动，所述动盘50与所述电机的机轴同心安装且随着所述机轴做同步旋转。

所述静盘10上朝向所述动盘50的一面上设有粗分发射环20及细分发射环30，所述粗分发射环20、所述细分发射环30与所述静盘10同圆心设置；所述粗分发射环20靠近所述静盘10的圆心，所述细分发射环30远离所述静盘10的圆心。所述粗分发射环20的环体相对内外两侧分别具有一粗分内接收环21与粗分外接收环22，具体地，所述粗分内接收环21位于所述粗分发射环20的环体内侧，所述粗分外接收环22位于所述粗分发射环20的环体外侧。所述粗分发射环20的环体上设置有沿其径向排列的若干粗分激励极23，所述粗分激励极23以偶数个数构成一组或者一个周期，如四个、六个、八个等。在本实施例中，所述粗分激励极23以每连续的四个激励极为一个周期。所述细分发射环30的环体相对内外两侧分别具有一细分内接收环31与细分外接收环32，具体地，所述细分内接收环31位于所述细分发射环30的内侧，所述细分外接收环32位于所述细分发射环30的外侧。所述细分发射环30的环体上设置有沿其径向排列的若干细分激励极33，所述细分激励极33以偶数个数构成一组或者一个周期，如四个、六个、八个等。在本实施例中，所述细分激励极33以每连续的四个激励极为一个周期。

为了避免相邻环体之间的直接耦合，所述粗分内接收环21与粗分发射环20之间、所述粗分发射环20与所述粗分外接收环22之间、所述粗分外接收环22与所述细分内接收环31之间、所述细分内接收环31与所述细分发射环30之间、及所述细分发射环30与所述细分外接收环32之间均设有第一屏蔽区40；进一步地，所述第一屏蔽区40为PCB板上的阻焊部分，可有效地防止相邻环体之间的直接耦合。

所述动盘50能够绕着电机的机轴旋转，其朝向所述静盘10的一面上分别印刷有若干连续的多个重复图案，所述重复图案为覆盖所述动盘50完整圆周的正弦波形；在其他的实施例中，所述重复图案也可以是余弦波形、方波形或者锯齿状波形等。所述重复图案分别构成了粗分图案60及细分图案70。在本实施例中，所述粗分图案60的周期数为M，所述细分图案70的周期数为N，N与M互质。该绝对式电容编码器启动保持不动，先计算所述粗分图案60对应的角度，然后切换到计算所述细分图案70，根据这两个值就可以算出当前的角度位于所述细分图案70的哪个细分区间i上，最后输出的角度为i*360/N+X。

所述粗分图案60的内外两侧分别设有一粗分内反射区61及粗分外反射区62，所述粗分内反射区61与所述粗分外反射区62的形状互补。所述细分图案70的内外两侧分别设有一细分内反射区71及细分外反射区72，所述细分内反射区71与所述细分外反射区72的形状互补。所述细分内反射区71与所述粗分外反射区62之间还设置有第二屏蔽区80，所述第二屏蔽区80为PCB板上的阻焊部分，可有效地防止所述细分内反射区71与所述粗分外反射区62之间的直接耦合。

请再次参阅图3，所述处理电路包括分别连接于所述静盘10上的载波驱动81与信号采集模块82、连接所述信号采集模块82的信号过滤模块83、及连接所述信号过滤模块83的芯片模块84，所述芯片模块84还连接所述载波驱动81。所述芯片模块84能产生四路激励信号，分别加载到所述粗分激励极23或者细分激励极33的各个激励极组上。具体地，所述芯片模块84产生四路时延为1/4周期的方波信号，该方波信号经由所述载波驱动81放大后，加载到各个激励极上。

所述信号采集模块82电连接所述静盘10的各个接收环，采集分别来自各个反射区反射回来的调制信号。所述信号采集模块82内具有第一差分放大器和第二差分放大器，所述第一差分放大器的正输入端连接所述细分内接收环31，所述第一差分放大器的负输入端连接所述细分外接收环32，所述第二差分放大器的正输入端连接所述粗分内接收环21，所述第二差分放大器的负输入端连接所述粗分外接收环22。所述调制信号在所述信号采集模块82内进行放大，同时部分共模的PWM噪声在此级被消除，因为电机轴上的PWM噪声作为共模噪声也被耦合到各个接收环上，采用双端差分接收，该PWM噪声可以被消除。此时所述信号采集模块82输出的信号V的表达式为V＝K(g,T,A,M)·(cos(X)sin(ωt)+sin(X)cosωt)，其中K与两个盘的气隙g、放大器的增益A、温度T及机械偏差M等有关，X表示要测量的位移，该信号V为模拟信号。

在本实施例中，所述信号过滤模块83包括一模拟开关、及连接该模拟开关的模拟低通滤波器。所述信号V输入所述信号过滤模块83，进一步消除PWM的噪声。所述芯片模块84连接所述信号过滤模块83，在本实施例中，所述芯片模块84为可编程逻辑芯片(FPGA)；在其他的实施例中，所述芯片模块84也可以是专用集成电路(ASIC)等。所述芯片模块84内有一ADC单元，已消除PWM噪声的信号V进入ADC单元进行模数转化，变成数字信号。该数字化信号V分成两路，经过解调单元、数字低通滤波单元、补偿单元，分别进行解调、滤波、补偿后，得到K*sin(X)和K*cos(X)，再送到cordic单元求出位移X，最后通过协议转换单元以一定的协议格式输出。

本实用新型中的所述芯片模块84采用的四相载波技术，获得一对调相的差分信号±Ksin(ωt+X)，相比于调幅信号，本实用新型的技术优势有：

第一，位移信号调制到合成信号的相位中，并非调制到合成信号的幅度中，故幅度噪声的干扰可轻松过滤。

第二，只有一个合成信号用于解调，假如环境和气隙变化对合成信号的幅度有影响，由于最终的sin(X)和cos(X)来自同一干扰源，合成信号幅度的变化对sin(X)和cos(X)的影响是一致的，一次，在所述cordic单元计算atan(X)的过程中，幅度上的影响被消除了，即所述绝对式电容编码器本身对于气隙和温度不敏感。

第三，所述静盘10全面积作为探测区用于测量，对于任何机械上的偏心或者倾斜，信号再合成过程中做均化处理，使得该方法对机械上的对准要求较低。

第四，电机轴上的PWM噪声作为共模噪声也被耦合到各个接收环上，由于采用的是双端差分接收，PWM噪声可以被消除。

上述绝对式电容编码器，基于电信号层面，无需其他特殊功能器材或者元器件，不易受灰尘、潮气等环境因素的干扰，提高了测量出精确度，也大大地降低了该绝对式电容编码器的安装门槛，拓宽了使用场合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。