[發(fā)明專利]電容編碼器的讀出電路及方法

有效

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• 申請日: 2012-10-31
• 公開（公告）號: CN103791928A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡喜;卓越;付俊華
• 申請（專利權(quán)）人: 西門子公司
• 主分類號: G01D5/24
• 分類號: G01D5/24
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11240
• 代理人: 李慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電容編碼器，具體涉及一種用于電容編碼器的讀出電路和相應(yīng)的方法。

背景技術(shù)

在運(yùn)動控制領(lǐng)域，經(jīng)常需要使用位置傳感器對軸的旋轉(zhuǎn)角度或者線性位移進(jìn)行測量，以便控制運(yùn)動對象的位置、速度和加速度等各種參量。光學(xué)編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器是兩類常用的位置傳感器。光學(xué)編碼器一般分為增量式光學(xué)編碼器和絕對式光學(xué)編碼器。增量式光學(xué)編碼器由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，測量具有很高的精度，因此使用比較普遍。然而，增量式光學(xué)編碼器只能夠測量相對位置。相反，絕對式光學(xué)編碼器能夠測量絕對位置，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本相對較高。近些年來，還開發(fā)了混合式光電編碼器，其在增量式光電編碼器的基礎(chǔ)上，組合了絕對式光學(xué)編碼器。然而，由于光學(xué)編碼器對機(jī)械安裝和環(huán)境的要求比較高，可靠性較差，而且使用壽命相對短。作為替代，旋轉(zhuǎn)變壓器能夠測量絕對位置，對機(jī)械安裝的要求和環(huán)境的敏感度低，可靠性較高。然而，旋轉(zhuǎn)變壓器的測量精度有限，不能夠滿足高精度測量的要求。要提高測量分辨率和精度，需要增加極對數(shù)，然而這使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了制造成本。

近年來，提出了一種電容編碼器，其利用激勵源產(chǎn)生靜電場，通過轉(zhuǎn)子與定子之間的相對運(yùn)動對靜電場進(jìn)行調(diào)制，并且檢測由此引起的耦合電容的變化來確定轉(zhuǎn)子的位置，從而確定軸的位置。相比于光學(xué)編碼器，電容編碼器具有低成本、可靠性高、低功耗等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而，電容編碼器的正常工作通常要求在存在寄生電容、噪聲和外部干擾的情況下，能夠以毫微微法拉（10^-15F）的精度來分辨由于定轉(zhuǎn)子之間的相對運(yùn)動引起的耦合電容的變化。因此，如何最小化甚至消除編碼器自身的寄生電容、噪聲，以及外部干擾對耦合電容測量的影響，保持測量的穩(wěn)定性，并且以高分辨率來測量耦合電容的變化，是電容編碼器能否正常工作并且實現(xiàn)高精度測量的關(guān)鍵。

現(xiàn)有技術(shù)中，主要存在兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電容編碼器：三板式電容編碼器和兩板式電容編碼器。三板式電容編碼器通常包括三個板，其中第一個作為發(fā)射板，發(fā)射由激勵源產(chǎn)生的靜電場，第二個作為接收板，接收被定轉(zhuǎn)子之間的相對運(yùn)動調(diào)制后的靜電場，而第三個作為屏蔽板。在兩板式電容編碼器中，在一個板上集成了發(fā)射板和接收板，另一個板作為反射板。圖1示出了兩板式電容編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，接收板和發(fā)射板被集成在一個板上，與之在軸向方向上相對的是反射板，二者之間是絕緣層，例如，氣隙。圖2和圖3分別示出了三板式電容編碼器和兩板式電容編碼器的等效電路圖。如圖2中所示，Ve1-Ve4表示靜電場激勵信號源，C1,C2,C3,C4表示發(fā)射板和屏蔽板之間的耦合電容，C0表示屏蔽板和接收板之間的耦合電容，并且通過后級處理電路對隨轉(zhuǎn)子的運(yùn)動而變化的耦合電容的電容值進(jìn)行處理。圖3是兩板式電容編碼器的等效電路圖，如上所述，兩板式電容編碼器中不存在單獨(dú)的屏蔽板，而是將發(fā)射板和接收板集成在一個板上，并且在軸向上存在與之相對的反射板，接收板通過反射板對靜電場的反射而接收調(diào)制的靜電場。如圖3所示，由于不存在單獨(dú)的屏蔽板，耦合電容C0被消除，而C1,C2,C3,C4表示發(fā)射板和接收板之間的耦合電容。然而，在這兩種電容編碼器中，沒有采取措施來降低甚至消除由于低頻噪聲、運(yùn)算放大器的直流偏置和有限增益，以及電容編碼器自身存在的寄生電容對編碼器的測量精度和動態(tài)范圍造成的不利影響。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的實施例提出了一種用于電容編碼器的讀出電路及方法，其利用相關(guān)雙采樣（CDS）技術(shù)，提高了電容編碼器的測量精度和動態(tài)范圍，同時降低了由于低頻噪聲、運(yùn)算放大器的直流偏置和有限增益，以及寄生電容對測量的不利影響。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，提出了一種用于電容編碼器的讀出電路，所述電容編碼器包括發(fā)射板和接收板，發(fā)射板發(fā)射周期性變化的靜電場，接收板接收響應(yīng)于定轉(zhuǎn)子之間的相對運(yùn)動而被調(diào)制的靜電場，讀出電路包括：第一開關(guān)，連接在產(chǎn)生靜電場激勵信號的激勵源和發(fā)射板之間；第二開關(guān)，連接在發(fā)射板和地之間；運(yùn)算放大器，反相輸入端連接到接收板，正相輸入端接地；第三開關(guān)，連接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間；第四開關(guān)，連接在運(yùn)算放大器的輸出端和第一節(jié)點(diǎn)之間；第五開關(guān)，連接在第一節(jié)點(diǎn)和地之間；以及積分電容器，一端連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端，另一端連接到第一節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例的讀出電路，其中，在第一階段期間，第一開關(guān)、第三開關(guān)和第五開關(guān)導(dǎo)通，并且第二開關(guān)和第四開關(guān)關(guān)斷；在第二階段期間，第一開關(guān)、第三開關(guān)和第五開關(guān)關(guān)斷，并且第二開關(guān)和第四開關(guān)導(dǎo)通。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例的讀出電路，其中，第一階段是預(yù)充電階段，第二階段是采樣和電荷積分階段。