CN106482759B - 一种获取电容编码器绝对位置的方法及电容编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容编码器，包含一个输出载波相位顺序可调的多相载波产生电路，用来产生调制波的多个容值随编码器运动而变化的电容，测量并输出相位偏移量的相位解调电路，和对多个相位偏移量进行共有项提取运算得到系统延迟量的系统延迟量计算电路，以及绝对位置计算电路；获取电容编码器的绝对位置的方法为：改变多相载波产生电路输出的载波相位顺序，通过多个容值随编码器运动而变化的电容，采样放大电路，和测量并输出相位偏移量的相位解调电路分别进行测量，得到多个相位偏移量，通过系统延迟量计算电路得到系统延迟量，通过绝对位置计算电路对相位偏移量和系统延迟量进行相减运算得到电容编码器的绝对位置。

Description

一种获取电容编码器绝对位置的方法及电容编码器
技术领域
本发明属于电容编码器技术领域，尤其是涉及一种获取电容编码器绝对位置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，其中运动部分俗称动子，固定部分俗称定子。应用时，将动子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。
电容编码器的动子相对定子运动过程中引发的电容的变化量通常很小，使得调制波的幅度也很小，需要一个采样放大电路对调制波进行放大，另外，为了简化载波发生电路，载波并不是完美的正弦波，使得调制波的形状也不是很完美，需要进行滤波，所以采样放大电路通常还显式或隐式的包含了滤波电路。
相位解调电路输出的信息为调制波相比载波的相位偏移量θ，这个相位偏移量由2部分组成，一部分是动子的位置所决定的载波相位偏移量θCAP，另一部分是系统各个电路，包括采样放大电路，解调电路等的固有延迟量DSYS，其中θ随着运动部分的运动而改变，DSYS不随着运动部分的运动而改变，是一个未知但是固定的值，相位偏移量θ的组成用公式可以表示为θ＝θCAP+DSYS。
由于电容编码器的这一原理，目前的编码器在进行绝对位置测量之前，需要使用者进行至少一次调零操作，调零操作的原理是，保持动子静止，测量得到相位偏移量θ0，取值范围为0～360，然后用户输入一个给定的角度值θfit，取值范围为0～360，电容编码器计算θ0-θfit，得到一个差值，这个差值就是基准偏移量θoffset，随后的测量，只需要将当前测到的相位偏移量θ，减去θoffset，即可得到当前电容编码器的绝对位置。
调零操作给电容编码器带来了灵活性也带来了局限，在某些应用场合，使用者不希望或者不能够进行调零操作，此时就需要一种新的方法来计算绝对位置。
发明内容
本发明的原理：对于使用相位调制原理的电容编码器，必须使用多个不同相位的正弦波作为载波，多个载波之间的相位顺序会影响测量的结果，以4相载波为例，载波分别为sinωt，sin(ωt+90)，sin(ωt+180)，sin(ωt+270)，其中sinωt连到第1个可变电容上，sin(ωt+90)连到第2个可变电容上，sin(ωt+180)连到第3个可变电容上，sin(ωt+270)连到第4个可变电容上，当动子处在某个特定的位置时，4个电容的容值呈现出独一无二的一个组合，电容的另一端连在一起，将电容对4路载波调制后的结果相加，实现相位调制，电容编码器通过采样放大电路和解调电路可以测量得到相位偏移量θC，这个θC中包含2部分，第一部分是动子位置所对应的电容引起的相位调制偏移量θCAP，另一部分是系统延迟量DSYS；保持动子静止，改变4路载波的相位顺序，连到第1个可变电容上的载波变为sin(ωt+90)，连到第2个可变电容上的载波变为sin(ωt+90)，连到第3个可变电容上的载波变为sin(ωt+270)，连到第4个可变电容上的载波变为sin(ωt+180)，重新测量，得到相位偏移量θCC，由于载波的排列顺序和之前完全相反，动子位置所对应的电容引起的相位调制偏移量不再是θCAP，而是360-θCAP；结合两次测量的情况，可以列出如下的方程组：
θC＝θCAP+DSYS
θCC＝360-θCAP+DSYS
解这个方程，可以得到DSYS的值为(θC+θCC-360)/2,通过两次测量，一次计算，即可得到系统延迟量DSYS的值。
得到系统延迟量DSYS的值后，不管是本次还是之后任何一次测量，都可以用当前测量的相位偏移量θC，减去系统延迟量DSYS的值，即可得到电容编码器的绝对位置。
此方法的关键是要交换载波的相位排序，由增序变成减序或者是由减序变成增序，至于交换顺序后载波的排列起点，并不影响测量的方法，只是不同的载波起点，会导致方程中的“360”变成“90”或者“180”或者“270”。
为了提高精度，可以使用不同的相位排列测量多次，取平均值，对于4相载波电容编码器，增序和减序各有4种可能，一共可以有16种组合，可以选择其中部分或全部组合，用本发明中提出的方法计算系统延迟量DSYS的值并取平均值。
本发明创造的核心思想是：利用系统延迟量虽然未知但是固定不变这一特征，使用相位顺序可变的多相载波产生电路来产生相位排列顺序相反的多相载波，并分别测量其相位偏移量，然后将载波顺序相反的条件下测得的相位偏移量相加，消除掉其互补项，只留下共有项，也就是系统延迟量，然后从测量中得到的相位偏移量减去系统延迟量，剩下的就是电容编码器的绝对位置。
有鉴于此，本发明旨在提出一种获取电容编码器绝对位置的方法，不需要使用者对电容编码器进行调零即可进行绝对位置测量。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种获取电容编码器绝对位置的方法，包括如下内容：通过调整多相载波产生电路输出的载波的顺序，测量得到至少一组相位相反的载波的顺序下的两个相位偏移量；通过对得到的多个相位偏移量进行共有项提取运算，得到并记录系统延迟量；将测量得到的相位偏移量和记录的系统延迟量进行相减运算，得到电容编码器的绝对位置。
进一步的，所述共有项提取运算包含对测量得到的至少一组两个相位偏移量进行相加运算和除法运算。
进一步的，所述相加运算可以是直接相加，也可以相加前或相加后后再加或减一个固定的常数项，所述相加运算和除法运算可以用硬件实现，也可以用软件实现。
进一步的，所述将测量得到的相位偏移量和记录的系统延迟量进行相减运算中所述测量得到的相位偏移量可以是已有的用于所述共有项提取运算的其中任意的相位偏移量，也可以是新测量的任意的相位偏移量。
进一步的，所述相减运算可以是直接相减，也可以相减后再减去一个固定的常数项，所述相减运算可以用硬件实现，也可以用软件实现。
相对于现有技术，本发明所述的方法具有以下优势：
(1)通过共有项提取运算得到系统延迟量，消除了已有技术需要依赖于手动调零这一操作的局限；
(2)即使外部环境比如温度变化，系统延迟量发生变化，使用本发明的方法可以随时计算并更新系统延迟量，完全可以消除外部环境对电容编码器的影响；
(3)本发明编码器设计简单，容易实现。
本发明的另一目的在于提出一种电容编码器，不需要使用者对电容编码器进行调零即可进行绝对位置测量。
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，每个可变电容的一端极板分别连接多相载波产生电路输出的一路载波信号；
信号采样放大电路，其输入端连接多个可变电容的另一端极板，输入信号为多个可变电容所产生的调制波输出，输出为放大后的调制波；
相位解调电路，其输入端连接信号采样放大电路的输出，输入信号为放大后的调制波，输出为相位解调得到的相位偏移量；
系统延迟量计算电路，内部包含加法电路和除法电路，加法电路的输入为解调电路输出的相位偏移量，加法电路的输出直接或间接连接到除法电路的输入，除法电路的输出为系统延迟量；
绝对位置计算电路，内部包含减法电路，减法电路的输入为解调电路输出的相位偏移量和系统延迟量计算电路输出的系统延迟量，输出为电容编码器的绝对位置。
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，根据输入信号的不同，4个正弦波相位可以呈现递增或递减的排列顺序；或者，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，根据输入信号的不同，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，所述加法电路的一个输入端直接或间接连接解调电路的输出端，另一个输入端直接或间接连接到解调电路的输出端的寄存器；所述除法电路的输出端连接至寄存器，寄存器的输出直接或间接连接到绝对位置计算电路的输入端。
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)通过共有项提取运算得到系统延迟量，消除了已有技术需要依赖于手动调零这一操作的局限；
(2)即使外部环境比如温度变化，系统延迟量发生变化，使用本发明的方法可以随时计算并更新系统延迟量，完全可以消除外部环境对电容编码器的影响；
(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为本发明实施例中系统延迟量计算电路的电路示意图。
图8为本发明实施例中电容编码器的完整电路的电路示意图。
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。
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，采样放大电路30，解调电路50，系统延迟计算电路60，和绝对位置计算电路70；
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，连接采样放大电路30，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；采样放大电路30对调制波信号31进行放大，得到放大后的调制波信号51，解调电路50对调制波信号51进行解调，得到相位偏移量信号52，如图6所示。
相位偏移量信号52为载波相位顺序为递增时测量的相位偏移量，多相载波产生电路20输出的4路正弦载波21,22,23,24的相位顺序绘制在复平面图中，呈逆时钟排列，如图9所示。
相位偏移量信号61为载波相位顺序为递减时测量的相位偏移量，多相载波产生电路20输出的4路正弦载波21,22,23,24的相位顺序绘制在复平面图中，呈顺时钟排列，如图10所示。
本实施例只是测得一组相位相反的载波的顺序下的两个相位偏移量，还可以测量多组相反的载波的顺序下的相位偏移量，将偶数个相位偏移量相加，通过除法运算计算平均数，通过加法电路和除法电路完成上述共有项提取运算，得到并记录系统延迟量。
因为本实施例只是测得一组相位相反的载波的顺序下的两个相位偏移量，所以，所述系统延迟计算电路60的加法电路和除法电路只需实现相加除2的运算，采用相加除2电路63来实现。
所述系统延迟计算电路60接收相位偏移量信号52，并和第一寄存器61所存储的历史相位偏移量信号62输入进相加除2电路63，进行相加除2运算，得到系统延迟量信号64，因为系统延迟量为一个定值，因此不需要反复计算，计算成功后，将其存入第二寄存器65，只要保持第二寄存器65的值，第二寄存器65输出的信号66便是此电容编码器的系统延迟量。
图7为所述系统延迟计算电路60的内部电路结构示意图。
所述绝对位置计算电路70，接收相位偏移量信号52，并和寄存后的系统延迟量信号66进行相减运算，得到绝对位置71，如图8所示。
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。

Claims (3)

1.一种电容编码器，其特征在于包括：
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，每个可变电容的一端极板分别连接多相载波产生电路输出的一路载波信号；
信号采样放大电路，其输入端连接多个可变电容的另一端极板，输入信号为多个可变电容所产生的调制波输出，输出为放大后的调制波；
相位解调电路，其输入端连接信号采样放大电路的输出，输入信号为放大后的调制波，输出为相位解调得到的相位偏移量；
系统延迟量计算电路，内部包含加法电路和除法电路，加法电路的输入为解调电路输出的相位偏移量，加法电路的输出直接或间接连接到除法电路的输入，除法电路的输出为系统延迟量；
绝对位置计算电路，内部包含减法电路，减法电路的输入为解调电路输出的相位偏移量和系统延迟量计算电路输出的系统延迟量，输出为电容编码器的绝对位置。
2.根据权利要求1所述的电容编码器，其特征在于：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，根据输入信号的不同，4个正弦波相位可以呈现递增或递减的排列顺序；
或者，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，根据输入信号的不同，2个正弦波相位可以呈现递增或递减的排列顺序。
3.根据权利要求1所述的电容编码器，其特征在于：所述加法电路的一个输入端直接或间接连接解调电路的输出端，另一个输入端直接或间接连接到解调电路的输出端的寄存器；所述除法电路的输出端连接至寄存器，寄存器的输出直接或间接连接到绝对位置计算电路的输入端。
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