[发明专利]一种电容型绝对式旋转编码器

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转编码器，特别涉及一种可获得单圈绝对角位移的电容式旋转编码器。

背景技术

旋转编码器作为一种位置和速度检测元件，广泛应用于数控机床、航空航天、工业机器人、新能源、医疗设备等测量和控制领域。目前，旋转编码器市场几乎被光电式和电磁式编码器垄断。其中，光电式编码器由于技术成熟和精度高，应用最为广泛，但是因为有光学器件，其抗震性较差，对尘埃和结露环境敏感，对工作环境要求高。电磁式编码器能工作在比较恶劣的环境下，但是因为对电磁干扰敏感，很难实现高精度测量。此外，高精度的光电式和电磁式编码器都比较昂贵，一般都只用在高端应用场合。

相比于光电式和电磁式编码器，设计良好的电容式旋转编码器，不仅可适应震动、高温、灰尘、高湿度等恶劣环境，具备高精度、高分辨率、高可靠性、动态特性好等优点，而且结构简单、成本低、功耗低、容易实现小型化。因而电容式旋转编码器受到越来越多的关注，其应用前景可观。

已有的电容式旋转编码器，都是根据动极板改变发射极与接收极之间电容的耦合面积的原理，通过分析接收极获得的周期变化信号，得到动极板的角位移。动极板的极板形状不同，接收极获得的周期信号不同。如美国专利US5598153和US20100148801A1描述电容式旋转编码器，接收极获得脉冲信号，通过对脉冲细分和计数来确定动极板角位移，这种编码器的分辨率和精度都不高。美国专利US6774642B2中，接收极获得三角波信号，通过测量三角波的幅值确定动极板角位移，这种编码器抗干扰能力差，外界的机械扰动和干扰信号对测量结果产生很大影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种测量精度高、可靠性高、结构简单、成本低、体积小、功耗低的可获得单圈绝对角位移的电容式旋转编码器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种电容型绝对式旋转编码器，由两个增量式旋转编码器组成，两个增量式旋转编码器每圈分别输出2^N和2^N-1个正弦周期信号，N为自然数，该两个正弦周期信号之差即为该旋转编码器的绝对角度；包括一个动极板和至少一个定极板，动极板至少一面铺有反射极，定极板在在朝向动极板的一面铺有发射极和接收极；每个增量式旋转编码器由反射极、发射极和接收极组成，两个增量式旋转编码器的反射极共享一块动极板；

所述发射极是定极板上环形均匀布置的栅状电极，分成4组电气连接且交替排列的激励电极组，其中一个增量式旋转编码器的反射极的每组激励电极组包括2^N个电极，另一个增量式旋转编码器的反射极的每组激励电极组包括2^N-1个电极，N为自然数；

所述接收极是定极板上分别布置于发射极内侧和外侧的两个环形电极；

所述反射极是动极板上边界为正弦形包络且嵌合在一起的两块花瓣型电极，正弦形边界的位置正对定极板的发射极，正弦形边界的周期数与其所面对的发射极的激励电极组中电极的个数相同。

进一步的，所述发射极、接收极和反射极都是由电路板印制而成。

进一步的，所述定极板的不同的电极区域之间、定极板和动极板的边缘都有保护电极，以屏蔽外界的电磁干扰，减小电容的边缘效应和寄生电容的影响。

进一步的，所述定极板的未印制发射极和接收极的一面设置有信号激励和信号处理装置，信号激励装置产生4组相位差为90°的正弦信号，通过电路板的过孔施加给发射极的4组激励电极组，信号处理装置对接收极的信号进行检测与处理，解算出动极板的角位移。

进一步的，所述增量式旋转编码器包括两种工作方式，一种是相位的调制与解调，将动极板的角位移调制为信号的相位，利用鉴相解调获得动极板的角位移，另一种是幅值的调制与解调，将动极板的角位移调制为信号的幅值，利用鉴幅解调获得动极板的角位移。