一种电容式旋转编码器及确定绝对旋转角度的方法
【专利摘要】本发明提供一种电容式旋转编码器，包括一静板和一动板，静板包括第一接收区、第二接收区和发射区；动板包括第一反射区、第二反射区和耦合区。其中，发射区包括多个彼此电气隔离且具有编码的激励极，用于发射电信号；耦合区与所述发射区电容耦合并且具有多个重复形状用于测量所述动板与所述静板的增量旋转角度。动板还包括与所述第一反射区、第二反射区以及耦合区电气隔离的吸收区，该吸收区吸收其覆盖的激励极发射的电信号。本发明节约了动板和静板上用于测量增量旋转角度的面积，并且解决了现有技术中测量绝对旋转角度时存在的信号干扰问题，使得绝对旋转角度的测量结果更加准确。
【专利说明】一种电容式旋转编码器及确定绝对旋转角度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及编码器技术，尤其涉及一种电容式旋转编码器。本发明还涉及一种确定绝对旋转角度的方法。
【背景技术】
[0002]旋转编码器是一类用于测量角度和转速的装置，目前已广泛应用于多个领域，例如可用于测量电机的速度或者用于位置控制系统等。按照检测的原理，旋转编码器可分为光学编码器、磁性编码器和电容式编码器等。相比光学和磁性编码器，电容式旋转编码器具有较高的精度性和鲁棒性，因而，研究电容式旋转编码器具有重要的意义。
[0003]传统的电容式旋转编码器一般包括至少两个静板(也称作定子)和一个动板(也称作转子)。动板能够绕轴旋转，静板包括发射区与接收区，静板上的接收区能够接收动板反射的电信号，并根据该电信号来确定旋转角度。动板上通常具有重复的形状/图案(或称周期)，与静板的发射区电容耦合并用于测量动板与静板的相对旋转角度，即增量角度。动板和静板一般为圆形，重复图案/形状可以是重复的正弦或余弦形状、方波形状等。增量角度表示一个在重复形状内(或称一个周期内)的相对旋转角度。图1和图2分别示出了两种常见的电容式编码器的动板重复形状，其中重复形状的个数(或称周期数)分别为8和32个。通过测量动板相对于静板的增量角度以及动板转过的重复形状个数能够得到该动板的绝对旋转角度。要测量动板转过的周期数，动板上的重复图案内部通常还具有一个内部形状/图案(例如圆形形状)，如图2所示。该内部形状用于计算动板转过的一个大概位置，该大概位置能够确定动板转过多少个周期数。图3给出了另一种动板的重复形状的示例，与图2类似，其中重复形状内部也包括一个内部形状(圆形形状)用于计算动板转过的周期数。上述用于计算绝对旋转角度的模拟方法通常需要占用动板和静板的很多面积(用于计算动板转过周期数的内部形状占用了 50%的面积)，减少了用于反射电信号的面积，即减少了用于测量增量角度的面积，因而可能导致所测量的增量旋转角度不准确。
[0004]在申请号为201110141369.0的中国发明专利申请中公开了一种电容式旋转编码器，其采用一种数字方法来测量动板的绝对旋转角度。图4和5分别示出了该电容式旋转编码器的静板10和动板20的示意图，图4中，静板10包括发射区11和四个接收区12、12’、13、13’。发射区11包括多个电极(或称激励极)101，每个激励极101编有编码。图5中，动板20包括耦合区21和两个扇形导电区域202，202’。其中，动板20上的耦合区21与静板10上的发射区11电容耦合。动板20上的反射区22，22’分别与静板10上的两个接收区12，12’电容耦合，接收区12，12’用于接收反射区22，22’反射的电信号；动板20的反射区23，23’分别与静板10上的接收区13，13’电容耦合，接收区13，13’用于接收额外的反射区23，23’(与扇形导电区域202，202’相连接)反射的电信号。与扇形导电区域202，202’相连的反射区23，23’反射的电信号可用于测量动板的绝对旋转角度。动板20在旋转一定角度后，其上的扇形导电区域202，202’所耦合的激励极发生变化，根据接收区13，13’所接收的电信号能够确定动板20上扇形导电区域202，202’耦合的激励极对应的编码，根据该编码可确定动板20的绝对旋转角度(其中，使用6位的二进制编码来表示动板20的每个位置)。
[0005]虽然与传统模拟方法相比，上述数字方法(每个激励极具有编码)在动板和静板上占用面积较小。但从图4和5可知，其动板20仍然额外需要两个扇形导电区域202和202’(其覆盖8个激励极)和额外的两个反射区23，23’，静板10需要与该反射区耦合23，23’的额外接收区13，13’来测量动板20的绝对旋转角度。从而用于计算增量角度的面积仍然比较小，使得静板10所接收的正弦振幅很小，从而影响了所测旋转角度的准确性。此外，该专利所公开的方案中，在测量反射区23，23’反射的电信号时，与其耦合的额外接收区13，13’可能会受到其他反射区(如反射区22，22’)所反射的电信号的干扰，从而导致检测的结果不够准确。
【发明内容】
[0006]本发明旨在提供一种电容式旋转编码器，用于测量动板的绝对旋转角度。所述电容式旋转编码器包括一静板和一动板，所述静板包括第一接收区，第二接收区和发射区；所述动板包括第一反射区，第二反射区和耦合区。其中，所述发射区包括多个彼此电气隔离且具有编码的激励极，用于发射电信号，所述耦合区与所述发射区电容耦合并且具有多个重复形状用于测量所述动板与所述静板的增量旋转角度，所述第一反射区和第二反射区用于反射由所述发射区发射的电信号，所述第一接收区和第二接收区用于分别接收由所述第一反射区和第二反射区反射的电信号。所述动板还包括吸收区，与所述第一反射区、第二反射区以及耦合区电气隔离并且吸收其覆盖的激励极发射的电信号。在所述电容式旋转编码器中，所述第一反射区与所述第一接收区电容耦合，所述第二反射区与所述第二接收区电容耦合。
[0007]在一个实施例中，所述发射区包括N个激励极，每M个连续的激励极分为一组，所述吸收区覆盖的面积与所述发射区的连续M个激励极覆盖的面积相等，所述耦合区具有K
个重复形状，其中M为正整数，N大于M且为M的整数倍，
【权利要求】
1.一种电容式旋转编码器,包括一静板和一动板， 所述静板包括第一接收区，第二接收区和发射区； 所述动板包括第一反射区，第二反射区和耦合区； 其中所述发射区包括多个彼此电气隔离且具有编码的激励极，用于发射电信号，所述耦合区与所述发射区电容耦合并且具有多个重复形状用于测量所述动板与所述静板的增量旋转角度，所述第一反射区和第二反射区用于反射由所述发射区发射的电信号，所述第一接收区和第二接收区用于分别接收由所述第一反射区和第二反射区反射的电信号； 所述动板还包括: 吸收区，与所述第一反射区、第二反射区以及耦合区电气隔离并且吸收其覆盖的激励极发射的电信号； 其中所述第一反射区与所述第一接收区电容耦合，所述第二反射区与所述第二接收区电容耦合。
2.根据权利要求1所述的电容式旋转编码器，其中 所述发射区包括N个激励极，每M个连续的激励极分为一组，所述吸收区覆盖的面积与所述发射区的连续M个激励极覆盖的面积相等，所述耦合区具有K个重复形状，其中M为正整数，N大于M且为M的整数倍
3.根据权利要求2所述的电容式旋转编码器，其中每组激励极中不同激励极的激励电信号的相位不同，每组的第i个激励极的激励电信号的相位相同，i为不大于M的正整数。
4.根据权利要求3所述的电容式旋转编码器，其中所述静板还包括激励信号线，用于向所述激励极提供激励电信号； 所述激励信号线分为L组，每组之间具有不同的分组编码并且每组具有M条激励信号线，该M条激励信号线上分别加载不同相位的激励电信号，且Lsh 3K+1。
5.根据权利要求4所述的电容式旋转编码器，其中所述绝缘区的重复形状的个数K满足:K+1是L的整数倍。
6.根据权利要求1-5中任何一个所述的电容式旋转编码器，其中所述吸收区接地。
7.根据权利要求1-5中任何一个所述的电容式旋转编码器，其中所述重复形状为正弦或余弦形状。
8.根据权利要求3-5中任何一个所述的电容式旋转编码器，其中每组激励极中不同激励极之间的激励电信号彼此正交。
9.根据权利要求4或5所述的电容式旋转编码器，其中不同的相位具有不同的相位编码，所述激励极的编码由向其提供激励电信号的激励信号线的相位编码和该激励信号线的分组编码组成。
10.根据权利要求9所述的电容式旋转编码器，还包括信号处理模块，所述信号处理模块根据所述接收区接收的电信号确定由所述吸收区覆盖的激励极的编码。
11.根据权利要求10所述的电容式旋转编码器，其中确定由所述吸收区覆盖的激励极的编码包括: 根据所述接收区接收的电信号，确定所述吸收区覆盖的M-1种激励极的相位； 根据所确定的M-1种激励极的相位，在所述接收区接收的电信号中，确定包括该M-1种相位编码的各种激励极的编码出现的次数； 将包括该M-1种相位编码的各种激励极的编码的总数分别减去包括该M-1种相位编码的各种激励极的编码在接收区接收的电信号中出现的次数，相减结果不为O的激励极的编码即为由所述吸收区覆盖的激励极的编码。
12.根据权利要求4所述的电容式旋转编码器，其中激励极的个数N为64，每组激励极中激励极的个数M为4，重复图案的个数K为15，激励信号线的分组个数L为3，每组激励信号线包括4根加载了不同相位的激励电信号的激励信号线。
13.根据权利要求5所述的电容式旋转编码器，其中激励极的个数N为60，每组激励极中激励极的个数M为4，重复图案的个数K为14，激励信号线的分组个数L为3，每组激励信号线包括4根加载了不同相位的激励电信号的激励信号线。
14.一种基于权利要求1-13中任何一个所述的电容式旋转编码器确定绝对旋转角度的方法，包括: 确定动板的增量旋转角度； 根据增量旋转角度确定吸收区覆盖的激励极的相位； 用所确定的相位对应的激励信号线激励其连接的激励极，根据接收的电信号确定吸收区的位置； 根据增量旋转角度和吸收区的位置得到动板的绝对旋转角度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中根据接收的电信号确定吸收区的位置包括: 根据接收的电信号确定吸收区覆盖的激励极的编号； 根据该激励极的编号确定吸收区的位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中根据接收的电信号确定吸收区覆盖的激励极的编号包括: 根据所确定的吸收区覆盖的激励极的相位，在接收的电信号中确定包括该相位的相位编码的各种激励极的编码出现的次数； 将包括该相位的相位编码的各种激励极的编码的总数分别减去包括该相位的相位编码的各种激励极的编码在接收的电信号中出现的次数，相减结果不为O的激励极的编码即为由所述吸收区覆盖的激励极的编码。
【文档编号】G01D5/24GK104075740SQ201310102998
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月27日 优先权日:2013年3月27日
【发明者】付俊华, 林燕凌, 卓越, 李 浩, 孟尔平 申请人:西门子公司