線性電容式編碼器和位置確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施例涉及線性編碼器和對應(yīng)的位置確定方法，特別涉及可提供絕對位置測量和相對較高測量分辨率的線性電容式編碼器。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有的制造環(huán)境中，線性編碼器(可用于測量運動位移)被廣泛用于電機的速度和位置控制。一般而言，編碼器使用兩種類型的測量方案中的一種:絕對和增量。
[0003]當(dāng)系統(tǒng)在關(guān)機之后初始化或重新啟動時，絕對編碼器可立即提供絕對位置測量，而無需先使用復(fù)位例行程序。然而，絕對編碼器通常比增量編碼器成本高，且尺寸大。
[0004]與此相反，增量編碼器通過相對位移的測量計算絕對位置，并且在計算時需要參考點。通常而言，初始復(fù)位例行程序用于提供所需的參考點。然而，在許多應(yīng)用場景中，使用復(fù)位例行程序是不實際的。
[0005]編碼器還可采用不同類型的感測機制，兩種類型是光學(xué)編碼器和磁性編碼器。光學(xué)編碼器被廣泛用于速度和位置反饋。然而，光學(xué)編碼器通常不會在電動機中穩(wěn)健地執(zhí)行。在硬環(huán)境影響下，諸如機械沖擊和/或振動，或高溫度下，編碼器內(nèi)的光學(xué)組件的損傷是可能的。與此相反，磁性編碼器確實具有機械穩(wěn)健性。然而，磁性編碼器通常不會為伺服驅(qū)動器內(nèi)的控制行為提供足夠速度。
[0006]一些編碼器采用使用電容式檢測的另一種已知的感測機制。然而，一般而言，電容式檢測型的大部分編碼器僅使用增量測量，一些電容式檢測型編碼器確實使用絕對測量。
[0007]美國專利號7，126，495 (在此將其內(nèi)容通過引用的方式也并入本文)描述了一種電容式編碼器，可從增量測量的尺度同時提供絕對模式正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。然而，所描述的編碼器以一種模擬方式測量絕對位置。絕對位置以空分復(fù)用概念的方式、使用模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化模擬輸出來解釋。因此，絕對位置并不源于完全二進(jìn)制代碼。通過模擬檢測的方式確定絕對位置的系統(tǒng)的測量長度和準(zhǔn)確性是有限的。這種系統(tǒng)也趨向于對讀取頭的傾斜敏感，需要精確的元器件。
[0008]美國專利號7，420，376 (在此將其內(nèi)容通過引用的方式也并入本文)描述了一種通過多軌道電極圖案對絕對位置進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。讀取頭橫穿并滑過軌道以拾取每個軌道所代表的每個位。每個軌道包括一(ONE)區(qū)段和零(ZERO)區(qū)段，其由正向脈沖和負(fù)向脈沖同時驅(qū)動。因為需要幾個電極圖案軌道，且許多ONE區(qū)段和ZERO區(qū)段被布置在每個軌道上，到激勵源的連接是復(fù)雜的。因此，這樣的設(shè)計將導(dǎo)致裝置的尺寸和所獲得的分辨率之間的沖突。具體而言，編碼器的分辨率越高，所需電極的尺寸越小，從而限制了這種編碼器的精確度。
[0009]常規(guī)編碼器通常包括固定(或靜止)部分和相對于固定部分移動的活動部分。不論其工作原理如何，這些常規(guī)編碼器通常都包括到固定部分和活動部分兩者的布線。這樣的布線在某些應(yīng)用場景中是大問題。例如，力敏感的系統(tǒng)可能遭受由布線引起的機械干擾，或高速系統(tǒng)可能發(fā)生關(guān)于電線損壞的問題。此外，到滑動部分的這種布線可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
[0010]美國專利號7，199，727(在此將其內(nèi)容通過引用的方式也并入本文)描述了一種包括無線傳感器滑動件的電容式編碼器。該傳感器包括長接收器膜和發(fā)射器膜，其分別包含四相和兩相電極。發(fā)射器用作滑動件且接收器用作定子。電力通過靜電感應(yīng)被供應(yīng)到發(fā)送電極，從而不再需要從滑動件引出的電線。
[0011]雖然所描述的編碼器采用未連導(dǎo)線的滑動件，然而，所描述的編碼器只能測量滑動件和定子之間的相對位移。如上所述，這樣的僅增量編碼器在某些應(yīng)用場景中具有許多限制。
[0012]因此，上述編碼器都包括某些缺點。首先，編碼器的分辨率和精確度受基于模擬的絕對位置檢測方法的限制。其次，為了檢測絕對位置，編碼器使用多軌道結(jié)構(gòu)，其尺寸相對較大且制造成本高。第三，上述的未拴系電容編碼器僅提供增量位置信息。
[0013]因此，編碼器需要提供增量測量模式和絕對測量模式兩者來使穩(wěn)健性與高測量分辨率相結(jié)合，并包括不連導(dǎo)線的滑動部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的實施例涉及這些和其它需要。
[0015]本發(fā)明的實施例涉及線性電容式編碼器，包括活動板，活動板包括至少一個增量反射器和至少一個絕對反射器；和固定板，設(shè)置在鄰近活動板處，固定板可以包括多個發(fā)射電極，設(shè)置在沿活動板的移動方向上延伸的單一線性發(fā)射線中的第一層上；多個激勵線，設(shè)置在第二層上，其中每個發(fā)射電極電連接到一個激勵線；至少一個增量拾取電極(incremental pickup electrode)，用于接收由發(fā)射電極產(chǎn)生并由至少一個增量反射器反射的信號；以及至少一個絕對拾取電極，用于接收由發(fā)射電極產(chǎn)生并由至少一個絕對反射器反射的信號。
[0016]本發(fā)明的實施例可以包括信號發(fā)生器，用于向激勵線生成增量信號，并向激勵線生成絕對信號；增量處理模塊，電連接到增量拾取電極，用于輸出幅度相對于活動板到固定板的增量位置而變化的信號；絕對處理模塊，電連接到絕對拾取電極，用于輸出指示相對于活動板到固定板的絕對位置的二進(jìn)制碼串的信號；以及控制器，電連接到增量處理模塊和絕對處理模塊，用于確定活動板相對于固定板的位置?？刂破麟娺B接到信號發(fā)生器，用于在增量模式下使信號發(fā)生器生成增量信號，并且在絕對模式下使信號發(fā)生器生成絕對信號?？刂破饔糜诨趶脑隽刻幚砟K接收的信號確定活動板相對于固定板的增量位置，且控制器還用于基于從絕對處理模塊接收的信號和所確定的增量位置確定活動板相對于固定板的絕對位置。
[0017]本發(fā)明的實施例還涉及一種確定線性電容式編碼器的活動板相對于線性電容式編碼器的固定板的位置的方法，活動板包括至少一個增量反射器和至少一個絕對反射器，固定板包括設(shè)置在沿所述活動板的移動方向延伸的單一線性發(fā)射線中的第一層上的多個發(fā)射電極；設(shè)置在第二層上的多個激勵線，其中每個發(fā)射電極電連接到一個激勵線；至少一個增量拾取電極，用于接收由發(fā)射電極產(chǎn)生并由至少一個增量反射器反射的信號；以及至少一個絕對拾取電極，用于接收由發(fā)射電極產(chǎn)生并由至少一個絕對反射器反射的信號。
[0018]該方法可以包括由信號發(fā)生器向激勵線生成增量信號，并向激勵線生成絕對信號；在增量模式下由控制器基于從增量處理模塊接收的信號確定活動板相對于固定板的增量位置，增量處理模塊電連接到至少一個增量拾取電極并用于輸出幅度相對于活動板到固定板的增量位置而變化的信號；以及在絕對模式下由控制器基于從絕對處理模塊接收的信號和所確定的增量位置確定活動板相對于固定板的絕對位置，絕對處理模塊電連接到至少一個絕對拾取電極并用于輸出指示活動板相對于固定板的絕對位置的二進(jìn)制碼串的信號。
[0019]通過本發(fā)明的實施例，如在下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的，提供了一種線性電容式編碼器，可實現(xiàn)差分構(gòu)造的增量位移測量并通過對設(shè)置在單一線性發(fā)射線上的導(dǎo)電柵條(Pitchbars)進(jìn)行數(shù)字編碼來確定絕對位置。
【附圖說明】
[0020]通過結(jié)合附圖和對下述示例性實施例的詳細(xì)描述，可更容易地理解本發(fā)明，其中:
[0021]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的示出固定板和活動板的相對位置的編碼器的示意圖；
[0022]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖1的固定板的示意圖；
[0023]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖1的活動板的示意圖；以及
[0024]圖4是根據(jù)某些實施例的編碼器的控制電路的示意圖。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明的實施例提供了一種線性電容式編碼器，其可實現(xiàn)差分構(gòu)造的增量位移測量并通過對設(shè)置在單一線性發(fā)射線上的導(dǎo)電柵條進(jìn)行數(shù)字編碼來確定絕對位置。電壓信號被提供到編碼器的固定板上的導(dǎo)電柵條，并且通過靜電感應(yīng)在活動板的反射器中產(chǎn)生電勢分布?；顒影宓囊苿訉?dǎo)致電容變化，這可由固定板上的接收器電極來測量以檢測活動板相對固定板的位移。除其它特征，編碼器還包括信號發(fā)生器、控制器、增量處理模塊和絕對處理模塊。
[0026]根據(jù)圖1，示出了根據(jù)某些實施例的線性電容式編碼器I的示意圖。編碼器I包括定位在鄰近活動板20處的固定板10?；顒影?0覆蓋固定板10，如圖所示。在下面將對固定板10和活動板20進(jìn)一步詳細(xì)描述。編碼器I的絕對位置由活動板20的增量角度和絕對位置確定，如下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的。
[0027]根據(jù)圖2，示出了在編碼器I的某些實施例中的固定板10的一部分(在此也稱為“刻度”)。多個發(fā)射電極(在此也稱為作為“導(dǎo)電柵條”)11彼此相鄰地設(shè)置在固定板10的第一層上，從而形成沿活動板20的移動方向上延伸的線(在此也稱為“發(fā)射器軌道”)。十