一种提高电容编码器测量密度的方法及电容编码器与流程

本发明属于电容编码器技术领域，尤其是涉及一种提高电容编码器测量密度的方法及电容编码器。

背景技术：

在运动检测领域，大众所熟知的传感器为编码器，分为线性编码器和旋转编码器，其中使用广泛的为旋转编码器，因为旋转运动通常可以通过电机旋转加传送带的方式转变为线性运动。旋转编码器包括3种类型：光电编码器，磁电编码器，电容编码器。相比光电式编码器，电容式编码器更耐用，且造价低，能够忍受恶劣的环境，比如冲击，振动，粉尘等；相比磁电式编码器，电容编码器可以提供更高的精度，更低的造价，且非常适合需要中空轴而不是实心轴的应用。线性编码器多为电容编码器，很少使用光电编码器和磁电编码器。

电容式编码器是通过检测运动部分相对固定部分运动过程中引发的电容的容值变化，从而得到两者的相对位置信息。应用时，将运动部分固定在待测物体的运动部件上，即可随时测量待测物体的运动参数。为了测量容值随运动变化的可变电容在各个时刻点的电容值，必须使用一个交流信号作为激励，这个交流信号就是载波，载波通过变化的电容后，会被电容所调制，从而得到调制波，调制波中同时含有载波信息和电容值信息。为了得到电容容值信息，必须对调制波进行解调。所以，电容编码器至少需要包含3部分，载波发生电路，容值随运动变化的可变电容，解调电路。现有的电容编码器的测量密度存在不稳定的问题，有时测量密度可能会降到非常低，以至于在规定的时间段内，提供不了足够的测量信息。

技术实现要素：

本发明的原理：对于使用相位调制原理的电容编码器，其测量密度会受到多普勒效应的影响；其载波可以使用表达式sinωt来表示，其中ω表示角频率，t表示时间，对于多个不同相位的载波，可以将其中一路信号的相位视为载波的相位，也可以使用表达式sinωt来表示，电容编码器的动子的位置用θ表示，经过相位调制后，调制波可以用表达式sin(ωt+θ)来表示，解调电路恢复出θ，即可得到动子的位置。

当动子在持续运动时，θ是一个和时间t相关的函数，为了简单起见，假设动子为匀速运动，速度为v，那么动子的位置θ可以表示为θ＝vt，将其代入调制公式可以得到调制波的表达式为sin((ω+v)t)，由此可见，当v>0时，调制波的频率要高于载波的频率，而当v<0时，调制波的频率要低于载波的频率，动子的运动方向决定了调制波的频率是提高还是降低，这个效应便是多普勒效应在电容编码器上面的体现。

解调电路对比调制波和载波便可以得到动子的位置信息θ，解调电路可以在调制波的任意相位处进行对比，通常选择0相位处或180度相位处，如果调制波的频率越高，解调电路得到的动子位置信息θ就会越多，电容编码器的测量密度也就提高了，而反过来，如果调制波的频率越低，解调电路得到的动子位置信息θ就会越少，电容编码器的测量密度也就降低了。多普勒效应会导致电容编码器在测量不同方向的运动时，测量密度存在差别，而且更糟糕的是，当动子朝某个方向运动的速度非常快时，测量密度可能会降到非常低，以至于在规定的时间段内，提供不了足够的测量信息。

由于载波在电极上的排列是按照一定的顺序的，电极的排列顺序是固定的，因此总是会出现动子朝一个方向运动时导致调制波蓝移，而朝另一个方向运动时导致调制波红移。当调制波蓝移时，多普勒效应会使得电容编码器测量密度提高，当调制波红移时，多普勒效应会使得电容编码器测量密度降低。

本发明创造的核心思想是：使用相位顺序可变的多相载波产生电路来产生多相载波，同时使用一个运动方向检测电路对电容编码器的动子运动方向进行检测，当检测到动子的运动方向会使得调制波发生红移时，改变载波产生电路输出载波的相位顺序，使动子的的运动方向会使得调制波发生蓝移，提高了调制波的频率，从而提升了电容编码器的测量密度。

有鉴于此，本发明旨在提出一种提高电容编码器测量密度的方法，消除了多普勒效应导致电容编码器动子朝某一个方向运动时调制波红移而导致测量密度降低的问题，同时提高电容编码器测量密度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种提高电容编码器测量密度的方法，包括如下内容：通过检测电容编码器动子的运动方向，产生一个与运动方向相关的控制信号；

通过所述控制信号控制电容编码器输入端连接的多个相位不同的载波信号的输出相位排列顺序，使动子的运动方向总是使电容编码器的调制波发生蓝移；

其中，所述电容编码器为使用相位调制原理的电容编码器，所述电容编码器的容值会随着动子的运动而变化，从而得到了相位随动子位置变化而变化的调制波，当动子在持续运动时，调制波的频率也会被调制。

进一步的，检测电容编码器动子的运动方向的方法为，比较前一个时刻输出的动子位置信息和当前时刻输出的动子位置信息，即可得到动子的运动方向。

进一步的，检测电容编码器动子的运动方向的方法为，检测调制波的周期，比较调制波的周期和载波周期的大小，即可得到动子的运动方向。

相对于现有技术，本发明所述的方法具有以下优势：

(1)通过控制输入的多路载波的相位顺序，使得电容编码器的动子无论朝哪个方向运动，都会使得调制波发生蓝移，从而提高调制波的频率，提升了电容编码器的测量密度；

(2)使用本发明的技术后，当电容编码器的动子运动速度快时，电容编码器的测量密度比动子运动慢时要高，等同于提高了电容编码器的测量精度。

本发明的另一目的在于提出一种电容编码器，消除多普勒效应导致电容编码器动子朝某一个方向运动时调制波红移而导致测量密度降低的问题，同时提高电容编码器测量密度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种电容编码器，包括：

多相载波产生电路，包含至少一个输入端口和多个输出端口，所述多个输出端口各自输出相位不同的载波信号，当输入端口接收到的信号发生改变时，多个输出端口所输出的载波信号的相位发生改变；

多个可变电容，每个可变电阻的输入端分别连接多相载波产生电路输出的一路载波信号；

解调电路，其输入端连接多个可变电容产生的调制波输出，其输出端输出；

运动方向检测电路，根据解调电路的输出信号，判断电容编码器动子的运动方向，产生一个与运动方向相关的控制信号输出到多相载波产生电路的输入端口，控制多相载波产生电路的多个输出端口输出的载波信号的相位排列顺序，使动子的运动方向总是使电容编码器的调制波发生蓝移。

进一步的，所述多相载波产生电路同时输出4个相位差为90度的正弦波，根据运动方向检测电路输出的控制信号的不同，4个正弦波相位可以呈现递增或递减的排列顺序。

进一步的，所述多相载波产生电路同时输出2个相位差为90度的正弦波，根据运动方向检测电路输出的控制信号的不同，2个正弦波相位可以呈现递增或递减的排列顺序。

进一步的，所述多相载波产生电路内包含多个转换开关，控制信号通过控制转换开关改变多个输出端口输出的载波信号的相位排列顺序。

进一步的，所述运动方向检测电路的输入为位置信息，输出为动子运动的方向信息，所述运动方向检测电路的内部包含位置信息比较电路。

相对于现有技术，本发明所述的电容编码器具有以下优势：

(1)通过调整多相载波产生电路输出的载波的相位顺序，使得电容编码器的动子无论朝哪个方向运动，都会使得调制波发生蓝移，从而提高调制波的频率，提升了电容编码器的测量密度；

(2)使用本发明的技术后，当电容编码器的动子运动速度快时，电容编码器的测量密度比动子运动慢时要高，等同于提高了电容编码器的测量精度；

(3)本发明编码器设计简单，容易实现。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中电容编码器的正面透视示意图。

图2为本发明实施例中电容编码器的侧面示意图。

图3为本发明实施例中发射极板的电学连接示意图。

图4为本发明实施例中接收极板的电学连接示意图。

图5为本发明实施例中动子的正面形状示意图。

图6为本发明实施例中编码器测量原理的电路示意图。

图7为本发明实施例中运动方向检测电路的电路示意图。

图8为本发明实施例中多相载波产生电路的电路示意图。

图9为本发明实施例中多相载波在复平面坐标中的相位递增时的示意图。

图10为本发明实施例中多相载波在复平面坐标中的相位递减时的示意图。

图11为本发明实施例中各部分的连接的电路示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明一实施例，电容编码器，包括多相载波产生电路20，4个可变电容，解调电路30，和运动方向检测电路60；

所述可变电容包括定子和动子13，所述定子有2个，分别包含了电容的两个极板，其中一个被定义为发射极板11，另一个被定义为接收极板12；所述动子13位于两个极板之间，由介电常数不等于空气的介电常数的材质构成，通常选用绝缘材料，介电常数远大于空气的介电常数；2个所述定子和1个动子13以同心的方式被组装在一起，三者之间存在空气缝隙，如图1和图2所示；所述接收电极板12为一个圆环，由导电材料制成，连接解调电路，如图4所示。

所述发射极板11上包含了32个发射电极片，32个发射电极片围绕发射极板11的圆周均匀分布，由导电材料制成；其中以4个发射电极片为一组，构成8组，各组之间相互连接在一起，最终形成4个电极，4个电极分别接收4路载波信号，4路载波信号来自于多相载波产生电路20，如图3所示。

所述发射极板11和接收极板12上的电极共同构成了容值随着编码器机体运动而变化的可变电容，其电路表示为4个可变电容并联，分别为第一可变电容41、第二可变电容42、第三可变电容43和第四可变电容44，当动子13转动时，4个可变电容的极板中间的空气和绝缘材料的比例会变化，相当于电容的介电常数变化，因此4个可变电容的容值都会变化，且可变电容的容值和转子13所处的角度有一一映射的关系。

4个可变电容会对4路载波信号进行调制，且合成为1路调制波信号31；解调电路30对调制波信号31进行解调，得到位置信息51，如图6所示。

本实施方式所述运动检测电路60包含寄存器62，比较器63，比较器的其中一个输入连接至到寄存器的输出，此第一位置信号64为前一时刻的动子位置信息，另一个输入连接至寄存器的输入，此第二位置信号51为当前时刻的动子位置信息；通过比较前一个时刻输出的动子位置信息和当前时刻输出的动子位置信息，即可得到动子的运动方向，所述运动检测电路的电路图示意图如图7所示；对于旋转运动编码器，通常定义为顺时钟逆时钟两种方向，对于线性运动编码器，通常定位为向前和向后两种方向，根据得到的运动方向，运动检测电路60输出控制信号。

所述运动检测电路60的另一种实施方式是检测调制波的周期，比较调制波的周期和载波周期的大小，即可得到动子的运动方向。

所述运动检测电路60检测出动子13运动方向后，便可以知道当前的4路载波相位排列顺序，检测动子的运动方向会使得调制波31发生蓝移还是红移，如果是蓝移，那么就使输出信号61保持目前的电平，如果是红移，则切换输出信号61的电平，使动子的的运动方向会使得调制波发生蓝移，从而提高调制波的频率，提升了电容编码器的测量密度。

所述多相载波产生电路20包含一个输入端口25和4个输出端口，分别为第一输出端口26,第二输出端口27,第三输出端口28,第四输出端口29；所述输入端口25连接运动方向检测电路60输出端输出的控制信号(电平信号)；多相载波产生电路的电路示意图如图8所示；

当输入端口25接收到控制信号为高电平时，4个输出端口依次输出4路相位差为90度的4路正弦载波，分别为第一路正弦载波21,第二路正弦载波22,第三路正弦载波23,第四路正弦载波24，其载波的表达式依次为sinωt,sin(ωt+90),sin(ωt+180),sin(ωt+270)；4个输出端口输出的载波相位呈现递增的排列顺序，将其绘制在复平面坐标图中，呈逆时钟排列，如图9所示；

当输入端口25接收到的控制信号为低电平时，第二输出端口27和第四输出端口29的输出的载波信号发生交换，分别输出第四路正弦载波24和第二路正弦载波22，4个输出端口输出的载波的表达式依次为sinωt,sin(ωt+270),sin(ωt+180),sin(ωt+90)，4个输出端口输出的载波相位呈现递减的排列顺序，将其绘制在复平面坐标图中，呈顺时钟排列，如图10所示。

这些载波信号的相位顺序可以根据输入端口的信息进行调换，同时这些载波信号接到电容编码器的可变电容上，可变电容的容值会随着电容编码器的动子的运动而变化，从而得到了相位随动子位置变化而变化的调制波，当动子在持续运动时，调制波的频率也会被调制。

本发明电容编码器将运动检测电路60的输出信号61，连接到多相载波产生电路20的输入端口25，如图11所示，当方向检测电路检测到动子13的运动方向发生改变时，多相正弦波载波产生电路20改变多相载波的相位顺序，使得电容编码器动子13无论朝哪个方向运动，对调制波31的影响总是蓝移，因为解调电路在每个调制波周期的检测次数是一定的，当调制波31发生蓝移后，调制波31的频率提高了，解调电路30在相同的时间内有更多的检测点，可以更频繁的输出位置信息，从而提高了电容编码器的测量密度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。