(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811479742.1
(22)申请日 2018.12.05
(71)申请人 连云港杰瑞电子有限公司
地址 222000 江苏省连云港市海州区圣湖
路18号
(72)发明人 高文政 石洪 邱静 王德才
王磊 朱刘英
(74)专利代理机构 连云港润知专利代理事务所
32255
代理人 刘喜莲
(51)Int.Cl.
G01B 7/30(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明是一种绝对式容栅位移旋转编码器，
电压，通过旋转转子在接收极定子上耦合容栅电
流信号，通过电流放大器、同步检波和低频滤波，
形成粗机和精机两路正余弦信号，经过A/D转换
和微处理器的信号处理，输出以360°为模的圆周
绝对值数字角度信号。本发明绝对式容栅位移旋
转编码器采用粗机数字角度与精机数字角度进
行数据组合，通过粗机和精机的数据组合与纠
错，可以得到高分辨率和高精度数字角度，输出
以360°为模的高精度和高分辨率的圆周绝对值
数字角度信号。权利要求书2页 说明书5页 附图7页CN 109341517 A 2019.02.15
C N 109341517
A
1.一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于：该编码器包括容栅位移传感器、检波与滤波器电路、A/D转换和微处理器；该编码器采用容栅位移传感器，通过激励电路在发射极定子上施加激励电压，通过旋转转子，在接收极定子上耦合容栅电流信号，通过电流放大器、同步检波，形成粗机和精机两路正余弦信号，经过A/D转换和微处理器的信号处理，输出以360°为模的圆周绝对值数字角度信号。
2.根据权利要求1所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，采用金属环对容栅位移传感器进行包裹，把容栅位移传感器与周围的其他物体屏蔽分开，通过接地来屏蔽外部信号干扰，对容栅旋转编码器中的固有低信号电平提供保护，阻断外部信号和寄生电容耦合到激励电压上。
3.根据权利要求1所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，所述的容栅位移传感器由发射极定子、转子和接收极定子组成，发射极定子和接收极定子分布在转子的两侧，采用印刷电路板设计；在转子一侧的发射极定子包括精机发射极、粗机发射极和屏蔽区；在转子另一侧的接收极定子包括精机接收区、粗机接收区和屏蔽区。
4.根据权利要求3所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，所述的精机发射极设置4N个栅
极，N位正整数，每四个栅极为一组，按A、B、C、D排列，相同编号的栅极用印制线相连，共N组，精机极对数为N；粗机发射极设置4n个栅极，n为正整数，每四个栅极为一组，按E、F、G、H排列，相同编号的栅极用印制线相连，共n组，粗机极对数为n；规定N＞n，
精机接收区和粗机接收区采用圆环设计，圆环尺寸与发射极定子中精机发射极
和粗机发射极一一对应；转子采用塑料材料设计，外部图案对应发射极定子中精机发射极，采用N对极的余弦锯齿波形，每一对极的余弦锯齿图案对应精机发射极的4个栅极；内部图案对应发射极定子中粗机发射极，采用凹槽设计，图案为n对极余弦波形，每一对极的余弦图案对应粗机发射极4个栅极。
5.根据权利要求4所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，接收极定子上耦合容栅电流信号，通过电流放大器、同步检波和低频滤波，精机容栅电压信号解调成N倍转子移动角度的正余弦信号，粗机容栅电压信号解调成n倍转子移动角度的正余弦信号。
6.根据权利要求4所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，精机发射极设置256个栅极，共64组，精机极对数为64；粗机发射极设置12个栅极，共3组，粗机极对数为3。
7.根据权利要求3所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，发射极定子和接收极定子采用金属环连接，把发射极定子和接收极定子的外围屏蔽区连接在一起，把转子包裹在金属环里。
8.根据权利要求1所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，所述的激励电路主要包括D/A转换器、低通滤波器、反相电路和功率放大器组成，微处理器通过查表的方式产生2路相位相差90°数字正弦波，通过D/A转换器，转换成模拟信号，经过低通滤波器、反相电路和功率放大器，输出四路幅值相同、频率相同、相位相差90°正弦激磁电压；由激励电路产生四路励磁电压，施加到发射极定子上，通过转动转子，在接收极定子上耦合容栅电流信号。
9.根据权利要求1所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特征在于，粗机和精机两路正余弦信号经过A/D转换，分别转换成数字信号，微处理器进行数据采样，计算出粗机和
精机的数字角度信号，通过信号处理方法把粗机、精机两路数字角度信号进行组合与纠错，输出以360°为模的圆周绝对值数字角度信号。
一种绝对式容栅位移旋转编码器
技术领域
[0001]本发明是属于机电一体化技术领域，特别是一种绝对式容栅位移旋转编码器，涉及到容栅转换技
术、数据频率合成技术、容栅编码技术。
背景技术
[0002]在自动控制领域，旋转编码器用来测量角度、位置和速度的传感器，广泛应用于数控机床、风力发电、伺服控制、电动车以及机器人等控制领域，目前光电编码器以其出的转换精度和分辨率，占据了旋转编码器主要市场，但结构复杂、体积大、价格昂贵，抗恶劣环境能力差。与光电编码器不同，磁电编码器、机电编码器具有较强环境适应能力，但磁电编码器精度较低，而机电编码器技术复杂、体积大，磁电编码器、机电编码器一般用于环境比较恶劣、精度要求不高的系统。
[0003]容栅测量系统已经诞生了30余年了，主要采用反射式容栅编码器，以动栅和静栅方式实现容电转换，需要内置电源，是一种准绝对式编码器。市场上主要以直线型数字容栅编码器作为测量工具，如数字游标卡尺、数字千分尺和数显表等，具有量程大、分辨率高、非接触、结构简单等特点。与光电编码器、磁电编码器和机电编码器相比，容栅编码器有下列优势：
[0004]1、分辨率高，转换速度快；
[0005]2、结构简单，构造紧凑，易于小型化；
[0006]3、功耗低，容栅传感器在正常工作时，其工作电流小于10微安；
[0007]4、低成本，使用印刷电路板工艺加工传感器部分。
[0008]容栅编码器凭借性价比高的优势，可以在编码器市场占有一席之地。但国内容栅编码器主要以线性容栅编码器为主，目前容栅旋转编码器只是处于概念阶段，相应的产品也是凤毛麟角。容栅编码器的传感器工作在低电压、低电流状态，极易受到外界电场、磁场、尤其是电源波动或脉冲波动的影响，引起输入信号失真，甚至使整个系统瘫痪。另外容栅编码器是一种准绝对式编码器，在长期断电工作时，需要定期更换电池，难于用于长期自动测量。这些缺陷是制约容栅编码器发展的主要因素。
发明内容
[0009]本发明所要解决的技术问题就是对现有技术的不足，提出了一种新的绝对式容栅位移旋转编码器，该编码器可以输出高精度和高分辨率的以360°为模的圆周绝对值数字角度信号。
[0010]本发明要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种绝对式容栅位移旋转编码器，其特点是：该编码器包括容栅位移传感器、检波与滤波器电路、A/D转换和微处理器；采用容栅位移传感器，通过激励电路在发射极定子上施加激励电压，通过旋转转子，在接收极定子上耦合容栅电流信号，通过电流放大器、同步检波，形成粗机和精机两路正余弦信号，经过A/D转换和微处理器的信号处理，输出以360°为模的圆周绝对值数字
角度信号。
[0011]本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：采用金属环对容栅位移传感器进行包裹，把容栅位移传感器与周围的其他物体屏蔽分开，通过接地来屏蔽外部信号干扰，对容栅旋转编码器中的固有低信号电平提供保护，阻断外部信号和寄生电容耦合到激励电压上。
[0012]本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：所述的容栅位移传感器由发射极定子、转子和接收极定子组成，发射极定子和接收极定子分布在转子的两侧，采用印刷电路板设计；在转子一侧的发射极定子包括精机发射极、粗机发射极和屏蔽区；在转子另一侧的接收极定子包括精机接收区、粗机接收区和屏蔽区。[0013]本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：所述的精机发射极设置4N个栅极，N位正整数，每四个栅极为一组，按A、B、C、D排列，相同编号的栅极用印制线相连，共N组，精机极对数为N；粗机发射极设置4n个栅极，n为正整数，每四个栅极为一组，按E、F、G、H排列，相同编号的栅极用印制线相连，共n组，粗机极对数为n；规
定N＞n，整数；在转子另一侧的接收极定子包括精机接收区、粗机接收区和屏蔽区，精
机接收区和粗机接收区采用圆环设计，圆环尺寸与发射极定子中精机发射极和粗机发射极一一对应；转子采用塑料材料设计，外部图案对应发射极定子中精机发射极，采用N对极的余弦锯齿波形，每一对极的余弦锯齿图案对应精机发射极的4个栅极；内部图案对应发射极定子中粗机发射极，采用凹槽设计，图案为n对极余弦波形，每一对极的余弦图案对应粗机发射极4个栅极。
[0014]本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：接收极定子上耦合容栅电流信号，通过电流放大器、同步检波和低频滤波，精机容栅电压信号解调成或N倍转子移动角度的正余弦信号，粗机容栅电压信号解调成或n倍转子移动角度的正余弦信号。
[0015]本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：精机发射极设置256个栅极，共64组，精机极对数为64；粗机发射极设置12个栅极，共3组，粗机极对数为3。
[0016]本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：发射极定子和接收极定子采用金属环连接，把发射极定子和接收极定子的外围屏蔽区连接在一起，把转子包裹在金属环里。
[0017]本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：所述的激励电路主要包括D/A转换器、低通滤波器、反相电路和功率放大器组成，微处理器通过查表的方式产生2路相位相差90°数字正弦波，通过D/A转换器，转换成模拟信号，经过低通滤波器、反相电路和功率放大器，输出四路幅值相同、频率相同、相位相差90°正弦激磁电压；由激励电路产生四路励磁电压，施加到发射极定子上，通过转动转子，在接收极定子上耦合容栅电流信号。
[0018]本发明所述的一种绝对式容栅位移旋转编码器，其进一步优选的技术方案是：粗机和精机两路正余弦信号经过A/D转换，分别转换成数字信号，微处理器进行数据采样，计算出粗机和精机的数字角度
信号，通过信号处理方法把粗机、精机两路数字角度信号进行
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