本發(fā)明屬于電容編碼器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種提高電容編碼器測(cè)量密度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。應(yīng)用時(shí)，將運(yùn)動(dòng)部分固定在待測(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?，F(xiàn)有的電容編碼器的測(cè)量密度存在不穩(wěn)定的問(wèn)題，有時(shí)測(cè)量密度可能會(huì)降到非常低，以至于在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，提供不了足夠的測(cè)量信息。

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，其測(cè)量密度會(huì)受到多普勒效應(yīng)的影響；其載波可以使用表達(dá)式sinωt來(lái)表示，其中ω表示角頻率，t表示時(shí)間，對(duì)于多個(gè)不同相位的載波，可以將其中一路信號(hào)的相位視為載波的相位，也可以使用表達(dá)式sinωt來(lái)表示，電容編碼器的動(dòng)子的位置用θ表示，經(jīng)過(guò)相位調(diào)制后，調(diào)制波可以用表達(dá)式sin(ωt+θ)來(lái)表示，解調(diào)電路恢復(fù)出θ，即可得到動(dòng)子的位置。

當(dāng)動(dòng)子在持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，θ是一個(gè)和時(shí)間t相關(guān)的函數(shù)，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)動(dòng)子為勻速運(yùn)動(dòng)，速度為v，那么動(dòng)子的位置θ可以表示為θ＝vt，將其代入調(diào)制公式可以得到調(diào)制波的表達(dá)式為sin((ω+v)t)，由此可見(jiàn)，當(dāng)v>0時(shí)，調(diào)制波的頻率要高于載波的頻率，而當(dāng)v<0時(shí)，調(diào)制波的頻率要低于載波的頻率，動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向決定了調(diào)制波的頻率是提高還是降低，這個(gè)效應(yīng)便是多普勒效應(yīng)在電容編碼器上面的體現(xiàn)。

解調(diào)電路對(duì)比調(diào)制波和載波便可以得到動(dòng)子的位置信息θ，解調(diào)電路可以在調(diào)制波的任意相位處進(jìn)行對(duì)比，通常選擇0相位處或180度相位處，如果調(diào)制波的頻率越高，解調(diào)電路得到的動(dòng)子位置信息θ就會(huì)越多，電容編碼器的測(cè)量密度也就提高了，而反過(guò)來(lái)，如果調(diào)制波的頻率越低，解調(diào)電路得到的動(dòng)子位置信息θ就會(huì)越少，電容編碼器的測(cè)量密度也就降低了。多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電容編碼器在測(cè)量不同方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量密度存在差別，而且更糟糕的是，當(dāng)動(dòng)子朝某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的速度非?？鞎r(shí)，測(cè)量密度可能會(huì)降到非常低，以至于在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，提供不了足夠的測(cè)量信息。

由于載波在電極上的排列是按照一定的順序的，電極的排列順序是固定的，因此總是會(huì)出現(xiàn)動(dòng)子朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)致調(diào)制波藍(lán)移，而朝另一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)致調(diào)制波紅移。當(dāng)調(diào)制波藍(lán)移時(shí)，多普勒效應(yīng)會(huì)使得電容編碼器測(cè)量密度提高，當(dāng)調(diào)制波紅移時(shí)，多普勒效應(yīng)會(huì)使得電容編碼器測(cè)量密度降低。

本發(fā)明創(chuàng)造的核心思想是：使用相位順序可變的多相載波產(chǎn)生電路來(lái)產(chǎn)生多相載波，同時(shí)使用一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)電路對(duì)電容編碼器的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)使得調(diào)制波發(fā)生紅移時(shí)，改變載波產(chǎn)生電路輸出載波的相位順序，使動(dòng)子的的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)使得調(diào)制波發(fā)生藍(lán)移，提高了調(diào)制波的頻率，從而提升了電容編碼器的測(cè)量密度。

有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種提高電容編碼器測(cè)量密度的方法，消除了多普勒效應(yīng)導(dǎo)致電容編碼器動(dòng)子朝某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)調(diào)制波紅移而導(dǎo)致測(cè)量密度降低的問(wèn)題，同時(shí)提高電容編碼器測(cè)量密度。

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：

一種提高電容編碼器測(cè)量密度的方法，包括如下內(nèi)容：通過(guò)檢測(cè)電容編碼器動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向，產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)的控制信號(hào)；

通過(guò)所述控制信號(hào)控制電容編碼器輸入端連接的多個(gè)相位不同的載波信號(hào)的輸出相位排列順序，使動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向總是使電容編碼器的調(diào)制波發(fā)生藍(lán)移；

其中，所述電容編碼器為使用相位調(diào)制原理的電容編碼器，所述電容編碼器的容值會(huì)隨著動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)而變化，從而得到了相位隨動(dòng)子位置變化而變化的調(diào)制波，當(dāng)動(dòng)子在持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)制波的頻率也會(huì)被調(diào)制。

進(jìn)一步的，檢測(cè)電容編碼器動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向的方法為，比較前一個(gè)時(shí)刻輸出的動(dòng)子位置信息和當(dāng)前時(shí)刻輸出的動(dòng)子位置信息，即可得到動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向。

進(jìn)一步的，檢測(cè)電容編碼器動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向的方法為，檢測(cè)調(diào)制波的周期，比較調(diào)制波的周期和載波周期的大小，即可得到動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向。

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)控制輸入的多路載波的相位順序，使得電容編碼器的動(dòng)子無(wú)論朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，都會(huì)使得調(diào)制波發(fā)生藍(lán)移，從而提高調(diào)制波的頻率，提升了電容編碼器的測(cè)量密度；

(2)使用本發(fā)明的技術(shù)后，當(dāng)電容編碼器的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度快時(shí)，電容編碼器的測(cè)量密度比動(dòng)子運(yùn)動(dòng)慢時(shí)要高，等同于提高了電容編碼器的測(cè)量精度。

本發(fā)明的另一目的在于提出一種電容編碼器，消除多普勒效應(yīng)導(dǎo)致電容編碼器動(dòng)子朝某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)調(diào)制波紅移而導(dǎo)致測(cè)量密度降低的問(wèn)題，同時(shí)提高電容編碼器測(cè)量密度。

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)可變電阻的輸入端分別連接多相載波產(chǎn)生電路輸出的一路載波信號(hào)；

解調(diào)電路，其輸入端連接多個(gè)可變電容產(chǎn)生的調(diào)制波輸出，其輸出端輸出；

運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)電路，根據(jù)解調(diào)電路的輸出信號(hào)，判斷電容編碼器動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向，產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相關(guān)的控制信號(hào)輸出到多相載波產(chǎn)生電路的輸入端口，控制多相載波產(chǎn)生電路的多個(gè)輸出端口輸出的載波信號(hào)的相位排列順序，使動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向總是使電容編碼器的調(diào)制波發(fā)生藍(lán)移。

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)運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)電路輸出的控制信號(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。

進(jìn)一步的，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)運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)電路輸出的控制信號(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，所述多相載波產(chǎn)生電路內(nèi)包含多個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，控制信號(hào)通過(guò)控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)改變多個(gè)輸出端口輸出的載波信號(hào)的相位排列順序。

進(jìn)一步的，所述運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)電路的輸入為位置信息，輸出為動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的方向信息，所述運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)電路的內(nèi)部包含位置信息比較電路。

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)調(diào)整多相載波產(chǎn)生電路輸出的載波的相位順序，使得電容編碼器的動(dòng)子無(wú)論朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，都會(huì)使得調(diào)制波發(fā)生藍(lán)移，從而提高調(diào)制波的頻率，提升了電容編碼器的測(cè)量密度；

(2)使用本發(fā)明的技術(shù)后，當(dāng)電容編碼器的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度快時(shí)，電容編碼器的測(cè)量密度比動(dòng)子運(yùn)動(dòng)慢時(shí)要高，等同于提高了電容編碼器的測(cè)量精度；

(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)施例中運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)電路的電路示意圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中多相載波產(chǎn)生電路的電路示意圖。

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。

圖11為本發(fā)明實(shí)施例中各部分的連接的電路示意圖。

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，解調(diào)電路30，和運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)電路60；

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，連接解調(diào)電路，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；解調(diào)電路30對(duì)調(diào)制波信號(hào)31進(jìn)行解調(diào)，得到位置信息51，如圖6所示。

本實(shí)施方式所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路60包含寄存器62，比較器63，比較器的其中一個(gè)輸入連接至到寄存器的輸出，此第一位置信號(hào)64為前一時(shí)刻的動(dòng)子位置信息，另一個(gè)輸入連接至寄存器的輸入，此第二位置信號(hào)51為當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)子位置信息；通過(guò)比較前一個(gè)時(shí)刻輸出的動(dòng)子位置信息和當(dāng)前時(shí)刻輸出的動(dòng)子位置信息，即可得到動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向，所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路的電路圖示意圖如圖7所示；對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)編碼器，通常定義為順時(shí)鐘逆時(shí)鐘兩種方向，對(duì)于線性運(yùn)動(dòng)編碼器，通常定位為向前和向后兩種方向，根據(jù)得到的運(yùn)動(dòng)方向，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路60輸出控制信號(hào)。

所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路60的另一種實(shí)施方式是檢測(cè)調(diào)制波的周期，比較調(diào)制波的周期和載波周期的大小，即可得到動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向。

所述運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路60檢測(cè)出動(dòng)子13運(yùn)動(dòng)方向后，便可以知道當(dāng)前的4路載波相位排列順序，檢測(cè)動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)使得調(diào)制波31發(fā)生藍(lán)移還是紅移，如果是藍(lán)移，那么就使輸出信號(hào)61保持目前的電平，如果是紅移，則切換輸出信號(hào)61的電平，使動(dòng)子的的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)使得調(diào)制波發(fā)生藍(lán)移，從而提高調(diào)制波的頻率，提升了電容編碼器的測(cè)量密度。

所述多相載波產(chǎn)生電路20包含一個(gè)輸入端口25和4個(gè)輸出端口，分別為第一輸出端口26,第二輸出端口27,第三輸出端口28,第四輸出端口29；所述輸入端口25連接運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)電路60輸出端輸出的控制信號(hào)(電平信號(hào))；多相載波產(chǎn)生電路的電路示意圖如圖8所示；

當(dāng)輸入端口25接收到控制信號(hào)為高電平時(shí)，4個(gè)輸出端口依次輸出4路相位差為90度的4路正弦載波，分別為第一路正弦載波21,第二路正弦載波22,第三路正弦載波23,第四路正弦載波24，其載波的表達(dá)式依次為sinωt,sin(ωt+90),sin(ωt+180),sin(ωt+270)；4個(gè)輸出端口輸出的載波相位呈現(xiàn)遞增的排列順序，將其繪制在復(fù)平面坐標(biāo)圖中，呈逆時(shí)鐘排列，如圖9所示；

當(dāng)輸入端口25接收到的控制信號(hào)為低電平時(shí)，第二輸出端口27和第四輸出端口29的輸出的載波信號(hào)發(fā)生交換，分別輸出第四路正弦載波24和第二路正弦載波22，4個(gè)輸出端口輸出的載波的表達(dá)式依次為sinωt,sin(ωt+270),sin(ωt+180),sin(ωt+90)，4個(gè)輸出端口輸出的載波相位呈現(xiàn)遞減的排列順序，將其繪制在復(fù)平面坐標(biāo)圖中，呈順時(shí)鐘排列，如圖10所示。

這些載波信號(hào)的相位順序可以根據(jù)輸入端口的信息進(jìn)行調(diào)換，同時(shí)這些載波信號(hào)接到電容編碼器的可變電容上，可變電容的容值會(huì)隨著電容編碼器的動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)而變化，從而得到了相位隨動(dòng)子位置變化而變化的調(diào)制波，當(dāng)動(dòng)子在持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)制波的頻率也會(huì)被調(diào)制。

本發(fā)明電容編碼器將運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路60的輸出信號(hào)61，連接到多相載波產(chǎn)生電路20的輸入端口25，如圖11所示，當(dāng)方向檢測(cè)電路檢測(cè)到動(dòng)子13的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，多相正弦波載波產(chǎn)生電路20改變多相載波的相位順序，使得電容編碼器動(dòng)子13無(wú)論朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)調(diào)制波31的影響總是藍(lán)移，因?yàn)榻庹{(diào)電路在每個(gè)調(diào)制波周期的檢測(cè)次數(shù)是一定的，當(dāng)調(diào)制波31發(fā)生藍(lán)移后，調(diào)制波31的頻率提高了，解調(diào)電路30在相同的時(shí)間內(nèi)有更多的檢測(cè)點(diǎn)，可以更頻繁的輸出位置信息，從而提高了電容編碼器的測(cè)量密度。

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)。