本發(fā)明屬于電容編碼器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種獲取電容編碼器絕對(duì)位置的方法及電容編碼器。

背景技術(shù)：

在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域，大眾所熟知的傳感器為編碼器，分為線性編碼器和旋轉(zhuǎn)編碼器，其中使用廣泛的為旋轉(zhuǎn)編碼器，因?yàn)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通?？梢酝ㄟ^(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)加傳送帶的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)編碼器包括3種類型：光電編碼器，磁電編碼器，電容編碼器。相比光電式編碼器，電容式編碼器更耐用，且造價(jià)低，能夠忍受惡劣的環(huán)境，比如沖擊，振動(dòng)，粉塵等；相比磁電式編碼器，電容編碼器可以提供更高的精度，更低的造價(jià)，且非常適合需要中空軸而不是實(shí)心軸的應(yīng)用。線性編碼器多為電容編碼器，很少使用光電編碼器和磁電編碼器。

電容式編碼器是通過(guò)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部分相對(duì)固定部分運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引發(fā)的電容的容值變化，從而得到兩者的相對(duì)位置信息，其中運(yùn)動(dòng)部分俗稱動(dòng)子，固定部分俗稱定子。應(yīng)用時(shí)，將動(dòng)子固定在待測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)部件上，即可隨時(shí)測(cè)量待測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。為了測(cè)量容值隨運(yùn)動(dòng)變化的可變電容在各個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的電容值，必須使用一個(gè)交流信號(hào)作為激勵(lì)，這個(gè)交流信號(hào)就是載波，載波通過(guò)變化的電容后，會(huì)被電容所調(diào)制，從而得到調(diào)制波，調(diào)制波中同時(shí)含有載波信息和電容值信息。為了得到電容容值信息，必須對(duì)調(diào)制波進(jìn)行解調(diào)。所以，電容編碼器至少需要包含3部分，載波發(fā)生電路，容值隨運(yùn)動(dòng)變化的可變電容，解調(diào)電路。

電容編碼器的動(dòng)子相對(duì)定子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引發(fā)的電容的變化量通常很小，使得調(diào)制波的幅度也很小，需要一個(gè)采樣放大電路對(duì)調(diào)制波進(jìn)行放大，另外，為了簡(jiǎn)化載波發(fā)生電路，載波并不是完美的正弦波，使得調(diào)制波的形狀也不是很完美，需要進(jìn)行濾波，所以采樣放大電路通常還顯式或隱式的包含了濾波電路。

相位解調(diào)電路輸出的信息為調(diào)制波相比載波的相位偏移量θ，這個(gè)相位偏移量由2部分組成，一部分是動(dòng)子的位置所決定的載波相位偏移量θ_CAP，另一部分是系統(tǒng)各個(gè)電路，包括采樣放大電路，解調(diào)電路等的固有延遲量D_SYS，其中θ隨著運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)而改變，D_SYS不隨著運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)而改變，是一個(gè)未知但是固定的值，相位偏移量θ的組成用公式可以表示為θ＝θ_CAP+D_SYS。

由于電容編碼器的這一原理，目前的編碼器在進(jìn)行絕對(duì)位置測(cè)量之前，需要使用者進(jìn)行至少一次調(diào)零操作，調(diào)零操作的原理是，保持動(dòng)子靜止，測(cè)量得到相位偏移量θ₀，取值范圍為0～360，然后用戶輸入一個(gè)給定的角度值θ_fit，取值范圍為0～360，電容編碼器計(jì)算θ₀-θ_fit，得到一個(gè)差值，這個(gè)差值就是基準(zhǔn)偏移量θ_offset，隨后的測(cè)量，只需要將當(dāng)前測(cè)到的相位偏移量θ，減去θ_offset，即可得到當(dāng)前電容編碼器的絕對(duì)位置。

調(diào)零操作給電容編碼器帶來(lái)了靈活性也帶來(lái)了局限，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，使用者不希望或者不能夠進(jìn)行調(diào)零操作，此時(shí)就需要一種新的方法來(lái)計(jì)算絕對(duì)位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的原理：對(duì)于使用相位調(diào)制原理的電容編碼器，必須使用多個(gè)不同相位的正弦波作為載波，多個(gè)載波之間的相位順序會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果，以4相載波為例，載波分別為sinωt，sin(ωt+90)，sin(ωt+180)，sin(ωt+270)，其中sinωt連到第1個(gè)可變電容上，sin(ωt+90)連到第2個(gè)可變電容上，sin(ωt+180)連到第3個(gè)可變電容上，sin(ωt+270)連到第4個(gè)可變電容上，當(dāng)動(dòng)子處在某個(gè)特定的位置時(shí)，4個(gè)電容的容值呈現(xiàn)出獨(dú)一無(wú)二的一個(gè)組合，電容的另一端連在一起，將電容對(duì)4路載波調(diào)制后的結(jié)果相加，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，電容編碼器通過(guò)采樣放大電路和解調(diào)電路可以測(cè)量得到相位偏移量θ_C，這個(gè)θ_C中包含2部分，第一部分是動(dòng)子位置所對(duì)應(yīng)的電容引起的相位調(diào)制偏移量θ_CAP，另一部分是系統(tǒng)延遲量D_SYS；保持動(dòng)子靜止，改變4路載波的相位順序，連到第1個(gè)可變電容上的載波變?yōu)閟in(ωt+90)，連到第2個(gè)可變電容上的載波變?yōu)閟in(ωt+90)，連到第3個(gè)可變電容上的載波變?yōu)閟in(ωt+270)，連到第4個(gè)可變電容上的載波變?yōu)閟in(ωt+180)，重新測(cè)量，得到相位偏移量θ_CC，由于載波的排列順序和之前完全相反，動(dòng)子位置所對(duì)應(yīng)的電容引起的相位調(diào)制偏移量不再是θ_CAP，而是360-θ_CAP；結(jié)合兩次測(cè)量的情況，可以列出如下的方程組：

θ_C＝θ_CAP+D_SYS

θ_CC＝360-θ_CAP+D_SYS

解這個(gè)方程，可以得到D_SYS的值為(θ_C+θ_CC-360)/2,通過(guò)兩次測(cè)量，一次計(jì)算，即可得到系統(tǒng)延遲量D_SYS的值。

得到系統(tǒng)延遲量D_SYS的值后，不管是本次還是之后任何一次測(cè)量，都可以用當(dāng)前測(cè)量的相位偏移量θ_C，減去系統(tǒng)延遲量D_SYS的值，即可得到電容編碼器的絕對(duì)位置。

此方法的關(guān)鍵是要交換載波的相位排序，由增序變成減序或者是由減序變成增序，至于交換順序后載波的排列起點(diǎn)，并不影響測(cè)量的方法，只是不同的載波起點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致方程中的“360”變成“90”或者“180”或者“270”。

為了提高精度，可以使用不同的相位排列測(cè)量多次，取平均值，對(duì)于4相載波電容編碼器，增序和減序各有4種可能，一共可以有16種組合，可以選擇其中部分或全部組合，用本發(fā)明中提出的方法計(jì)算系統(tǒng)延遲量D_SYS的值并取平均值。

本發(fā)明創(chuàng)造的核心思想是：利用系統(tǒng)延遲量雖然未知但是固定不變這一特征，使用相位順序可變的多相載波產(chǎn)生電路來(lái)產(chǎn)生相位排列順序相反的多相載波，并分別測(cè)量其相位偏移量，然后將載波順序相反的條件下測(cè)得的相位偏移量相加，消除掉其互補(bǔ)項(xiàng)，只留下共有項(xiàng)，也就是系統(tǒng)延遲量，然后從測(cè)量中得到的相位偏移量減去系統(tǒng)延遲量，剩下的就是電容編碼器的絕對(duì)位置。

有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種獲取電容編碼器絕對(duì)位置的方法，不需要使用者對(duì)電容編碼器進(jìn)行調(diào)零即可進(jìn)行絕對(duì)位置測(cè)量。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種獲取電容編碼器絕對(duì)位置的方法，包括如下內(nèi)容：通過(guò)調(diào)整多相載波產(chǎn)生電路輸出的載波的順序，測(cè)量得到至少一組相位相反的載波的順序下的兩個(gè)相位偏移量；通過(guò)對(duì)得到的多個(gè)相位偏移量進(jìn)行共有項(xiàng)提取運(yùn)算，得到并記錄系統(tǒng)延遲量；將測(cè)量得到的相位偏移量和記錄的系統(tǒng)延遲量進(jìn)行相減運(yùn)算，得到電容編碼器的絕對(duì)位置。

進(jìn)一步的，所述共有項(xiàng)提取運(yùn)算包含對(duì)測(cè)量得到的至少一組兩個(gè)相位偏移量進(jìn)行相加運(yùn)算和除法運(yùn)算。

進(jìn)一步的，所述相加運(yùn)算可以是直接相加，也可以相加前或相加后后再加或減一個(gè)固定的常數(shù)項(xiàng)，所述相加運(yùn)算和除法運(yùn)算可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步的，所述將測(cè)量得到的相位偏移量和記錄的系統(tǒng)延遲量進(jìn)行相減運(yùn)算中所述測(cè)量得到的相位偏移量可以是已有的用于所述共有項(xiàng)提取運(yùn)算的其中任意的相位偏移量，也可以是新測(cè)量的任意的相位偏移量。

進(jìn)一步的，所述相減運(yùn)算可以是直接相減，也可以相減后再減去一個(gè)固定的常數(shù)項(xiàng)，所述相減運(yùn)算可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)通過(guò)共有項(xiàng)提取運(yùn)算得到系統(tǒng)延遲量，消除了已有技術(shù)需要依賴于手動(dòng)調(diào)零這一操作的局限；

(2)即使外部環(huán)境比如溫度變化，系統(tǒng)延遲量發(fā)生變化，使用本發(fā)明的方法可以隨時(shí)計(jì)算并更新系統(tǒng)延遲量，完全可以消除外部環(huán)境對(duì)電容編碼器的影響；

(3)本發(fā)明編碼器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的另一目的在于提出一種電容編碼器，不需要使用者對(duì)電容編碼器進(jìn)行調(diào)零即可進(jìn)行絕對(duì)位置測(cè)量。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種電容編碼器，包括：

多相載波產(chǎn)生電路，包含至少一個(gè)輸入端口和多個(gè)輸出端口，所述多個(gè)輸出端口各自輸出相位不同的載波信號(hào)，當(dāng)輸入端口接收到的信號(hào)發(fā)生改變時(shí)，多個(gè)輸出端口所輸出的載波信號(hào)的相位發(fā)生改變；

多個(gè)可變電容，每個(gè)可變電容的一端極板分別連接多相載波產(chǎn)生電路輸出的一路載波信號(hào)；

信號(hào)采樣放大電路，其輸入端連接多個(gè)可變電容的另一端極板，輸入信號(hào)為多個(gè)可變電容所產(chǎn)生的調(diào)制波輸出，輸出為放大后的調(diào)制波；

相位解調(diào)電路，其輸入端連接信號(hào)采樣放大電路的輸出，輸入信號(hào)為放大后的調(diào)制波，輸出為相位解調(diào)得到的相位偏移量；

系統(tǒng)延遲量計(jì)算電路，內(nèi)部包含加法電路和除法電路，加法電路的輸入為解調(diào)電路輸出的相位偏移量，加法電路的輸出直接或間接連接到除法電路的輸入，除法電路的輸出為系統(tǒng)延遲量；

絕對(duì)位置計(jì)算電路，內(nèi)部包含減法電路，減法電路的輸入為解調(diào)電路輸出的相位偏移量和系統(tǒng)延遲量計(jì)算電路輸出的系統(tǒng)延遲量，輸出為電容編碼器的絕對(duì)位置。

進(jìn)一步的，所述多相載波產(chǎn)生電路同時(shí)輸出4個(gè)相位差為90度的正弦波，根據(jù)輸入信號(hào)的不同，4個(gè)正弦波相位可以呈現(xiàn)遞增或遞減的排列順序；或者，所述多相載波產(chǎn)生電路同時(shí)輸出2個(gè)相位差為90度的正弦波，根據(jù)輸入信號(hào)的不同，2個(gè)正弦波相位可以呈現(xiàn)遞增或遞減的排列順序。

進(jìn)一步的，所述加法電路的一個(gè)輸入端直接或間接連接解調(diào)電路的輸出端，另一個(gè)輸入端直接或間接連接到解調(diào)電路的輸出端的寄存器；所述除法電路的輸出端連接至寄存器，寄存器的輸出直接或間接連接到絕對(duì)位置計(jì)算電路的輸入端。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的電容編碼器具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)通過(guò)共有項(xiàng)提取運(yùn)算得到系統(tǒng)延遲量，消除了已有技術(shù)需要依賴于手動(dòng)調(diào)零這一操作的局限；

(2)即使外部環(huán)境比如溫度變化，系統(tǒng)延遲量發(fā)生變化，使用本發(fā)明的方法可以隨時(shí)計(jì)算并更新系統(tǒng)延遲量，完全可以消除外部環(huán)境對(duì)電容編碼器的影響；

(3)本發(fā)明編碼器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中電容編碼器的正面透視示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中電容編碼器的側(cè)面示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中發(fā)射極板的電學(xué)連接示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中接收極板的電學(xué)連接示意圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中動(dòng)子的正面形狀示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中編碼器測(cè)量原理的電路示意圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)延遲量計(jì)算電路的電路示意圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中電容編碼器的完整電路的電路示意圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例中多相載波在復(fù)平面坐標(biāo)中的相位遞增時(shí)的示意圖。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例中多相載波在復(fù)平面坐標(biāo)中的相位遞減時(shí)的示意圖。

具體實(shí)施方式

需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

本發(fā)明一實(shí)施例，電容編碼器，包括多相載波產(chǎn)生電路20，4個(gè)可變電容，采樣放大電路30，解調(diào)電路50，系統(tǒng)延遲計(jì)算電路60，和絕對(duì)位置計(jì)算電路70；

所述可變電容包括定子和動(dòng)子13，所述定子有2個(gè)，分別包含了電容的兩個(gè)極板，其中一個(gè)被定義為發(fā)射極板11，另一個(gè)被定義為接收極板12；所述動(dòng)子13位于兩個(gè)極板之間，由介電常數(shù)不等于空氣的介電常數(shù)的材質(zhì)構(gòu)成，通常選用絕緣材料，介電常數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的介電常數(shù)；2個(gè)所述定子和1個(gè)動(dòng)子13以同心的方式被組裝在一起，三者之間存在空氣縫隙，如圖1和圖2所示；所述接收電極板12為一個(gè)圓環(huán)，由導(dǎo)電材料制成，連接采樣放大電路30，如圖4所示。

所述發(fā)射極板11上包含了32個(gè)發(fā)射電極片，32個(gè)發(fā)射電極片圍繞發(fā)射極板11的圓周均勻分布，由導(dǎo)電材料制成；其中以4個(gè)發(fā)射電極片為一組，構(gòu)成8組，各組之間相互連接在一起，最終形成4個(gè)電極，4個(gè)電極分別接收4路載波信號(hào)，4路載波信號(hào)來(lái)自于多相載波產(chǎn)生電路20，如圖3所示。

所述發(fā)射極板11和接收極板12上的電極共同構(gòu)成了容值隨著編碼器機(jī)體運(yùn)動(dòng)而變化的可變電容，其電路表示為4個(gè)可變電容并聯(lián)，分別為第一可變電容41、第二可變電容42、第三可變電容43和第四可變電容44，當(dāng)動(dòng)子13轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，4個(gè)可變電容的極板中間的空氣和絕緣材料的比例會(huì)變化，相當(dāng)于電容的介電常數(shù)變化，因此4個(gè)可變電容的容值都會(huì)變化，且可變電容的容值和轉(zhuǎn)子13所處的角度有一一映射的關(guān)系。

4個(gè)可變電容會(huì)對(duì)4路載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，且合成為1路調(diào)制波信號(hào)31；采樣放大電路30對(duì)調(diào)制波信號(hào)31進(jìn)行放大，得到放大后的調(diào)制波信號(hào)51，解調(diào)電路50對(duì)調(diào)制波信號(hào)51進(jìn)行解調(diào)，得到相位偏移量信號(hào)52，如圖6所示。

相位偏移量信號(hào)52為載波相位順序?yàn)檫f增時(shí)測(cè)量的相位偏移量，多相載波產(chǎn)生電路20輸出的4路正弦載波21,22,23,24的相位順序繪制在復(fù)平面圖中，呈逆時(shí)鐘排列，如圖9所示。

相位偏移量信號(hào)61為載波相位順序?yàn)檫f減時(shí)測(cè)量的相位偏移量，多相載波產(chǎn)生電路20輸出的4路正弦載波21,22,23,24的相位順序繪制在復(fù)平面圖中，呈順時(shí)鐘排列，如圖10所示。

本實(shí)施例只是測(cè)得一組相位相反的載波的順序下的兩個(gè)相位偏移量，還可以測(cè)量多組相反的載波的順序下的相位偏移量，將偶數(shù)個(gè)相位偏移量相加，通過(guò)除法運(yùn)算計(jì)算平均數(shù)，通過(guò)加法電路和除法電路完成上述共有項(xiàng)提取運(yùn)算，得到并記錄系統(tǒng)延遲量。

因?yàn)楸緦?shí)施例只是測(cè)得一組相位相反的載波的順序下的兩個(gè)相位偏移量，所以，所述系統(tǒng)延遲計(jì)算電路60的加法電路和除法電路只需實(shí)現(xiàn)相加除2的運(yùn)算，采用相加除2電路63來(lái)實(shí)現(xiàn)。

所述系統(tǒng)延遲計(jì)算電路60接收相位偏移量信號(hào)52，并和第一寄存器61所存儲(chǔ)的歷史相位偏移量信號(hào)62輸入進(jìn)相加除2電路63，進(jìn)行相加除2運(yùn)算，得到系統(tǒng)延遲量信號(hào)64，因?yàn)橄到y(tǒng)延遲量為一個(gè)定值，因此不需要反復(fù)計(jì)算，計(jì)算成功后，將其存入第二寄存器65，只要保持第二寄存器65的值，第二寄存器65輸出的信號(hào)66便是此電容編碼器的系統(tǒng)延遲量。

圖7為所述系統(tǒng)延遲計(jì)算電路60的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)示意圖。

所述絕對(duì)位置計(jì)算電路70，接收相位偏移量信號(hào)52，并和寄存后的系統(tǒng)延遲量信號(hào)66進(jìn)行相減運(yùn)算，得到絕對(duì)位置71，如圖8所示。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。