本實用新型涉及編碼器技術領域，特別是涉及一種絕對式電容編碼器。

背景技術：

旋轉編碼器作為一種位置和速度的檢測元件，廣泛應用于數控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)療設備、新能源及航空航天等測量和控制領域。目前，旋轉編碼器市場幾乎被光電式和電磁式編碼器壟斷。其中，光電式編碼器由于技術成熟和精度高，應用最為廣泛，但是因為有光學器件，其抗震性差，對塵埃和結露環(huán)境敏感，對工作環(huán)境要求高。電磁式編碼器能工作在比較惡劣的環(huán)境下，但是因為對電磁干擾敏感，很難實現(xiàn)高精度測量。此外，高精度的光電式和電磁式編碼器都比較昂貴，一般都只用于高端場合。

相對比于光電式和電磁式編碼器，設計良好的電容式旋轉編碼器，不僅可適應震動、灰塵、高濕度等惡劣環(huán)境，具備高精度、高分辨率、高可靠性和動態(tài)特性好等優(yōu)點，其應用前景可觀。

技術實現(xiàn)要素：

基于此，本實用新型提供一種測量精度高、可靠性強、結構簡單的絕對式電容編碼器。

為了實現(xiàn)本實用新型的目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種絕對式電容編碼器，包括一靜盤、相對于所述靜盤設置的動盤、及連接所述靜盤的處理電路；所述靜盤朝向所述動盤的一面上設有粗分發(fā)射環(huán)及細分發(fā)射環(huán)，所述粗分發(fā)射環(huán)、所述細分發(fā)射環(huán)與所述靜盤同圓心設置；所述粗分發(fā)射環(huán)靠近所述靜盤的圓心，所述細分發(fā)射環(huán)遠離所述靜盤的圓心；所述粗分發(fā)射環(huán)的環(huán)體相對內外兩側分別具有一粗分內接收環(huán)與粗分外接收環(huán)，所述粗分發(fā)射環(huán)的環(huán)體上設置有沿其徑向排列的若干粗分激勵極；所述細分發(fā)射環(huán)的環(huán)體相對內外兩側分別具有一細分內接收環(huán)與細分外接收環(huán)，所述細分發(fā)射環(huán)的環(huán)體上設置有沿其徑向排列的若干細分激勵極；所述動盤朝向所述靜盤的一面上分別印刷有若干連續(xù)的多個重復圖案，所述重復圖案分別構成了粗分圖案及細分圖案；所述粗分圖案的內外兩側分別設有一粗分內反射區(qū)及粗分內反射區(qū)，所述細分圖案的內外兩側分別設有一細分內反射區(qū)及細分外反射區(qū)；所述處理電路包括分別連接于所述靜盤上的載波驅動與信號采集模塊、連接所述信號采集模塊的信號過濾模塊、及連接所述信號過濾模塊的芯片模塊，所述芯片模塊還連接所述載波驅動，所述芯片模塊用于產生激勵信號。

上述絕對式電容編碼器，基于電信號層面，無需其他特殊功能器材或者元器件，不易受灰塵、潮氣等環(huán)境因素的干擾，提高了測量出精確度，也大大地降低了該絕對式電容編碼器的安裝門檻，拓寬了使用場合。

在其中一個實施例中，所述靜盤與所述動盤同軸心設置，所述動盤位于所述靜盤的正上方。

在其中一個實施例中，所述粗分激勵極、所述細分激勵極均以每連續(xù)的四個激勵極作為一個周期。

在其中一個實施例中，所述粗分內接收環(huán)位于所述粗分發(fā)射環(huán)的環(huán)體內側，所述粗分外接收環(huán)位于所述粗分發(fā)射環(huán)的環(huán)體外側。

在其中一個實施例中，所述細分內接收環(huán)位于所述細分發(fā)射環(huán)的環(huán)體內側，所述細分外接收環(huán)位于所述細分發(fā)射環(huán)的環(huán)體外側。

在其中一個實施例中，所述粗分內反射區(qū)與所述粗分外反射區(qū)的形狀互補，所述細分內反射區(qū)與所述細分外反射區(qū)的形狀互補。

在其中一個實施例中，所述芯片模塊產生四路時延為1/4周期的方波信號。

在其中一個實施例中，所述信號采集模塊內具有第一差分放大器及第二差分放大器。

在其中一個實施例中，所述芯片模塊內具有ADC單元、解調單元、數字低通濾波單元、補償單元及cordic單元。

附圖說明

圖1為本實用新型一較佳實施方式的絕對式電容編碼器的靜盤與動盤的結構示意圖；

圖2為圖1所示的圓圈A的放大示意圖；

圖3為圖1所示的絕對式電容編碼器的靜盤與處理電路的連接示意圖；

附圖標注說明：

10-靜盤，20-粗分發(fā)射環(huán)，21-粗分內接收環(huán)，22-粗分外接收環(huán)，23-粗分激勵極，30-細分發(fā)射環(huán)，31-細分內接收環(huán)，32-細分外接收環(huán)，33-細分激勵極，40-第一屏蔽區(qū)，50-動盤，60-粗分圖案，61-粗分內反射區(qū)，62-粗分外反射區(qū)，70-細分圖案，71-細分內反射區(qū)，72-細分外反射區(qū)，81-載波驅動，82-信號采集模塊，83-信號過濾模塊，84-芯片模塊。

具體實施方式

為了便于理解本實用新型，下面將參照相關附圖對本實用新型進行更全面的描述。附圖中給出了本實用新型的較佳實施例。但是，本實用新型可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本實用新型的公開內容的理解更加透徹全面。

需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本實用新型的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本實用新型的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本實用新型。

請參閱圖1至圖3，為本實用新型一較佳實施方式的絕對式電容編碼器，安裝于電機的機軸上，所述絕對式電容編碼器包括一靜盤10、相對于所述靜盤10設置的動盤50、及連接所述靜盤10的處理電路；所述靜盤10與所述動盤50同軸心設置，所述動盤50位于所述靜盤10的正上方。所述靜盤10與所述動盤50均為呈圓環(huán)狀的PCB板，所述靜盤10靜止不動，所述動盤50與所述電機的機軸同心安裝且隨著所述機軸做同步旋轉。

所述靜盤10上朝向所述動盤50的一面上設有粗分發(fā)射環(huán)20及細分發(fā)射環(huán)30，所述粗分發(fā)射環(huán)20、所述細分發(fā)射環(huán)30與所述靜盤10同圓心設置；所述粗分發(fā)射環(huán)20靠近所述靜盤10的圓心，所述細分發(fā)射環(huán)30遠離所述靜盤10的圓心。所述粗分發(fā)射環(huán)20的環(huán)體相對內外兩側分別具有一粗分內接收環(huán)21與粗分外接收環(huán)22，具體地，所述粗分內接收環(huán)21位于所述粗分發(fā)射環(huán)20的環(huán)體內側，所述粗分外接收環(huán)22位于所述粗分發(fā)射環(huán)20的環(huán)體外側。所述粗分發(fā)射環(huán)20的環(huán)體上設置有沿其徑向排列的若干粗分激勵極23，所述粗分激勵極23以偶數個數構成一組或者一個周期，如四個、六個、八個等。在本實施例中，所述粗分激勵極23以每連續(xù)的四個激勵極為一個周期。所述細分發(fā)射環(huán)30的環(huán)體相對內外兩側分別具有一細分內接收環(huán)31與細分外接收環(huán)32，具體地，所述細分內接收環(huán)31位于所述細分發(fā)射環(huán)30的內側，所述細分外接收環(huán)32位于所述細分發(fā)射環(huán)30的外側。所述細分發(fā)射環(huán)30的環(huán)體上設置有沿其徑向排列的若干細分激勵極33，所述細分激勵極33以偶數個數構成一組或者一個周期，如四個、六個、八個等。在本實施例中，所述細分激勵極33以每連續(xù)的四個激勵極為一個周期。

為了避免相鄰環(huán)體之間的直接耦合，所述粗分內接收環(huán)21與粗分發(fā)射環(huán)20之間、所述粗分發(fā)射環(huán)20與所述粗分外接收環(huán)22之間、所述粗分外接收環(huán)22與所述細分內接收環(huán)31之間、所述細分內接收環(huán)31與所述細分發(fā)射環(huán)30之間、及所述細分發(fā)射環(huán)30與所述細分外接收環(huán)32之間均設有第一屏蔽區(qū)40；進一步地，所述第一屏蔽區(qū)40為PCB板上的阻焊部分，可有效地防止相鄰環(huán)體之間的直接耦合。

所述動盤50能夠繞著電機的機軸旋轉，其朝向所述靜盤10的一面上分別印刷有若干連續(xù)的多個重復圖案，所述重復圖案為覆蓋所述動盤50完整圓周的正弦波形；在其他的實施例中，所述重復圖案也可以是余弦波形、方波形或者鋸齒狀波形等。所述重復圖案分別構成了粗分圖案60及細分圖案70。在本實施例中，所述粗分圖案60的周期數為M，所述細分圖案70的周期數為N，N與M互質。該絕對式電容編碼器啟動保持不動，先計算所述粗分圖案60對應的角度，然后切換到計算所述細分圖案70，根據這兩個值就可以算出當前的角度位于所述細分圖案70的哪個細分區(qū)間i上，最后輸出的角度為i*360/N+X。

所述粗分圖案60的內外兩側分別設有一粗分內反射區(qū)61及粗分外反射區(qū)62，所述粗分內反射區(qū)61與所述粗分外反射區(qū)62的形狀互補。所述細分圖案70的內外兩側分別設有一細分內反射區(qū)71及細分外反射區(qū)72，所述細分內反射區(qū)71與所述細分外反射區(qū)72的形狀互補。所述細分內反射區(qū)71與所述粗分外反射區(qū)62之間還設置有第二屏蔽區(qū)80，所述第二屏蔽區(qū)80為PCB板上的阻焊部分，可有效地防止所述細分內反射區(qū)71與所述粗分外反射區(qū)62之間的直接耦合。

請再次參閱圖3，所述處理電路包括分別連接于所述靜盤10上的載波驅動81與信號采集模塊82、連接所述信號采集模塊82的信號過濾模塊83、及連接所述信號過濾模塊83的芯片模塊84，所述芯片模塊84還連接所述載波驅動81。所述芯片模塊84能產生四路激勵信號，分別加載到所述粗分激勵極23或者細分激勵極33的各個激勵極組上。具體地，所述芯片模塊84產生四路時延為1/4周期的方波信號，該方波信號經由所述載波驅動81放大后，加載到各個激勵極上。

所述信號采集模塊82電連接所述靜盤10的各個接收環(huán)，采集分別來自各個反射區(qū)反射回來的調制信號。所述信號采集模塊82內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輸入端連接所述細分內接收環(huán)31，所述第一差分放大器的負輸入端連接所述細分外接收環(huán)32，所述第二差分放大器的正輸入端連接所述粗分內接收環(huán)21，所述第二差分放大器的負輸入端連接所述粗分外接收環(huán)22。所述調制信號在所述信號采集模塊82內進行放大，同時部分共模的PWM噪聲在此級被消除，因為電機軸上的PWM噪聲作為共模噪聲也被耦合到各個接收環(huán)上，采用雙端差分接收，該PWM噪聲可以被消除。此時所述信號采集模塊82輸出的信號V的表達式為V＝K(g,T,A,M)·(cos(X)sin(ωt)+sin(X)cosωt)，其中K與兩個盤的氣隙g、放大器的增益A、溫度T及機械偏差M等有關，X表示要測量的位移，該信號V為模擬信號。

在本實施例中，所述信號過濾模塊83包括一模擬開關、及連接該模擬開關的模擬低通濾波器。所述信號V輸入所述信號過濾模塊83，進一步消除PWM的噪聲。所述芯片模塊84連接所述信號過濾模塊83，在本實施例中，所述芯片模塊84為可編程邏輯芯片(FPGA)；在其他的實施例中，所述芯片模塊84也可以是專用集成電路(ASIC)等。所述芯片模塊84內有一ADC單元，已消除PWM噪聲的信號V進入ADC單元進行模數轉化，變成數字信號。該數字化信號V分成兩路，經過解調單元、數字低通濾波單元、補償單元，分別進行解調、濾波、補償后，得到K*sin(X)和K*cos(X)，再送到cordic單元求出位移X，最后通過協(xié)議轉換單元以一定的協(xié)議格式輸出。

本實用新型中的所述芯片模塊84采用的四相載波技術，獲得一對調相的差分信號±Ksin(ωt+X)，相比于調幅信號，本實用新型的技術優(yōu)勢有：

第一，位移信號調制到合成信號的相位中，并非調制到合成信號的幅度中，故幅度噪聲的干擾可輕松過濾。

第二，只有一個合成信號用于解調，假如環(huán)境和氣隙變化對合成信號的幅度有影響，由于最終的sin(X)和cos(X)來自同一干擾源，合成信號幅度的變化對sin(X)和cos(X)的影響是一致的，一次，在所述cordic單元計算atan(X)的過程中，幅度上的影響被消除了，即所述絕對式電容編碼器本身對于氣隙和溫度不敏感。

第三，所述靜盤10全面積作為探測區(qū)用于測量，對于任何機械上的偏心或者傾斜，信號再合成過程中做均化處理，使得該方法對機械上的對準要求較低。

第四，電機軸上的PWM噪聲作為共模噪聲也被耦合到各個接收環(huán)上，由于采用的是雙端差分接收，PWM噪聲可以被消除。

上述絕對式電容編碼器，基于電信號層面，無需其他特殊功能器材或者元器件，不易受灰塵、潮氣等環(huán)境因素的干擾，提高了測量出精確度，也大大地降低了該絕對式電容編碼器的安裝門檻，拓寬了使用場合。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對實用新型專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。因此，本實用新型專利的保護范圍應以所附權利要求為準。