容柵式旋轉(zhuǎn)編碼器的設(shè)計及應(yīng)用

侯 俊，周歡喜，肖伸平，李 德，劉建陽

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南鷹谷技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410000；3. 湖南長高高壓開關(guān)集團(tuán)股份公司，湖南 長沙 410216）

容柵式旋轉(zhuǎn)編碼器的設(shè)計及應(yīng)用

侯 俊1，周歡喜2，肖伸平1，李 德3，劉建陽3

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南鷹谷技術(shù)有限公司，湖南 長沙 410000；3. 湖南長高高壓開關(guān)集團(tuán)股份公司，湖南 長沙 410216）

根據(jù)容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的原理和預(yù)定技術(shù)指標(biāo)設(shè)計了2款分辨率不同的容柵編碼器電路。經(jīng)過PCB設(shè)計、制版、組裝、測試，分析了相關(guān)的性能指標(biāo)。實驗結(jié)果顯示：所設(shè)計的容柵編碼器均符合預(yù)設(shè)技術(shù)指標(biāo)，其中低分辨率容柵精度達(dá)到0.1°，高分辨率容柵精度達(dá)到0.03°，2款容柵編碼器都具有較好的工程實用性。

容柵傳感器；工作原理；PCB設(shè)計；工程實用

0 引言

容柵傳感器是一種利用電容耦合作用，通過測量不同電容器上的電信號相位來精密測量位移的電子器件?，F(xiàn)在市場上測量位移或者角度的精密儀器較多，比如電位計、旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器等。隨著精密系統(tǒng)的逐漸發(fā)展、對測量元件的要求也越來越高。對于傳感器而言，無論是精度、分辨率、體積和成本都成為傳感器在市場上競爭的熱點。旋轉(zhuǎn)式容柵傳感器與其他形式的傳感器相比，具有制作成本低、分辨率和準(zhǔn)確度高、測量速度快和對使用環(huán)境要求不高等突出的特點，因此在電子測量技術(shù)中占有十分重要的地位[1]。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)檢索，國內(nèi)外對于容柵傳感器的研究是較為火熱的。首先，容柵傳感技術(shù)的原理較為簡單、容柵理論研究較為成熟。其次，市場上應(yīng)用較多的直線型容柵，比如數(shù)字式游標(biāo)卡尺，同時也有很多工業(yè)測量應(yīng)用了直線型數(shù)字容柵測距技術(shù)，如皮草厚度測量等。盡管對圓形容柵有很多研究成果，但是形成產(chǎn)品的幾乎為零。圓形的容柵傳感器相對于直線型的容柵傳感器是有一定的優(yōu)勢：首先，直線型容柵傳感器會受到長度的限制，而圓形的容柵作為測角元件則能夠360°無死角轉(zhuǎn)動；其次，圓形的容柵傳感器的體積通常要比直線型容柵小很多，如果加工精度能達(dá)到要求，就可以根據(jù)其所在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求設(shè)計大小，這對精密系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

本文基于1款用于保持視軸穩(wěn)定的伺服控制平臺的測角元件的性能要求和結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計了2款在外形結(jié)構(gòu)符合安裝要求和性能符合系統(tǒng)對測角傳感器要求的容柵旋轉(zhuǎn)編碼器，使用Cadence完成了對原理圖和PCB板的繪制、通過焊接、調(diào)試、應(yīng)用測試，最終通過實驗說明了本次設(shè)計的合理性和實用性。

1 容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)

容柵傳感器現(xiàn)在應(yīng)用較多的是用在數(shù)字式游標(biāo)卡尺和千分尺的測量功能元件，由動?xùn)藕挽o柵2部分組成。在數(shù)字式游標(biāo)卡尺中，動?xùn)派喜贾冒l(fā)射電極、接收電極、LCD、電池等有源電路，定柵上布置反射電極和屏蔽電極等無源電路[2]。

圖1 旋轉(zhuǎn)式容柵的結(jié)構(gòu)組成Fig.1 The structure of the rotary capacitive gate

如圖1所示，容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的動?xùn)藕挽o柵2部分，都為精密加工的印刷電路板[3]。容柵的工作原理總結(jié)起來可分為2個部分，電容耦合和信號解耦調(diào)理、配套的結(jié)構(gòu)組成如下。接地。動?xùn)派戏植加腥舾傻陌l(fā)射極片，其數(shù)量和間隔可以根據(jù)容柵的設(shè)計尺寸和加工進(jìn)度設(shè)置。通常把發(fā)射極片分為若干組，但是每組的個數(shù)都為8個，這與所加的激勵信號有關(guān)系。動?xùn)派弦唤M發(fā)射極片對應(yīng)靜柵上的一個反射極和屏蔽極。在實際的應(yīng)用過程中，動?xùn)藕挽o柵上分布的電極是可以互換的，不影響其電容耦合。動?xùn)藕挽o柵的裝配方式為同軸平行裝配，間距要考慮到實際情況，主要根據(jù)極間的信號耦合強(qiáng)度而定。

1.2 容柵旋轉(zhuǎn)編碼器原理的簡要分析

在動?xùn)诺囊唤M發(fā)射電極上分別加上一組等幅、同頻、相位依次相差 /4的方波激勵電壓信號Ui(t)(i=0, 1, …, 7)。在電路的設(shè)計過程中，編號相同的發(fā)射電極片是相互連接的，所以編號相同的發(fā)射電極片極上的信號相同。經(jīng)過發(fā)射機(jī)和反射極，反射極和接收極間的電容耦合，在接收極上形成輸出信號，可以設(shè)計信號分析電路對信號進(jìn)行濾波、解耦等運算，最終得到需要的位置、角度等信息。

根據(jù)上述的圓形容柵的結(jié)構(gòu)組成，容柵其實可以簡化等效為一組電容Ci(x)(i=0, 1, …, 7)。這組電容器共有8個電容組成，每個電容所加的激勵信號如圖2所示。假設(shè)Ci(x)用來表示發(fā)射極和反射極間的電容耦合所形成的電容器，Cf代表反射極與接收極相互耦合之后形成的電容器，由圓形容柵的機(jī)構(gòu)組成可知，靜柵上的一組反射極和屏蔽極對應(yīng)動?xùn)派系囊唤M發(fā)射極，而且所有的柵極都是等距圓形排列，接收極和反射極的間距、相對面積、介電常數(shù)均為定值，所以接收極和反射極的極間電容耦合也是一個常數(shù)，即Cf為一個常數(shù)。

動?xùn)藕挽o柵均為預(yù)定大小的圓形結(jié)構(gòu)。電容耦合主要由3種電極片完成，即發(fā)射板、反射極和接收極。電機(jī)片的分布位置可根據(jù)具體情況而定，一般情況下發(fā)射極和接收極分布在靜柵，屏蔽極則分布在發(fā)射極和接收極之間，其目的是防止發(fā)射極和接收極之間的直接電容耦合。動?xùn)派戏植加蟹瓷錁O，反射極之間也分布有屏蔽極，并且兩者的寬度一致。不管是動?xùn)派系钠帘螛O還是靜柵上的屏蔽極，作用都是防止直接電容耦合，所以對于屏蔽極的處理都是

圖2 激勵驅(qū)動信號時序Fig. 2 Timing of the drive signal

旋轉(zhuǎn)式容柵工作原理數(shù)學(xué)推導(dǎo)如下。

激勵信號Ui(t)通過電容Ci(x)和定值電容Cf耦合后，得到傳感器的輸出信號[4]。不考慮輸出阻抗和電磁干擾等條件的理想情況下，對各信號歸一處理，可得下式：

式中U0(x, t)表示容柵接收極的輸出信號。

將Ui(t)和Ci(x)作傅立葉級數(shù)展開，選擇合適的零點，可視為偶函數(shù)：

容柵處理電路會濾去高次諧波，可以采用基波求解，將式（2）和式（3）代入并做歸一化處理，可得：

當(dāng)容柵保持勻速旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)Ui(t)和電容Ci(x)的特點可將式（4）等效如下：

式中k的符號為容柵動?xùn)畔鄬τ陟o柵的旋轉(zhuǎn)方向。

從上面的推導(dǎo)可以得出以下的結(jié)論：首先，由式（5）可知，在一個周期之內(nèi)，容柵的接收極信號的位相與容柵動?xùn)畔鄬τ陟o柵的位移呈現(xiàn)一個一次函數(shù)的關(guān)系，即一個接收信號的相位對應(yīng)一個動靜柵的相對位移；其次，輸出信號是一個余弦信號，由表達(dá)式可知，每當(dāng)輸出信號的相位變化一個周期，動?xùn)畔鄬τ陟o柵的運動位移為2個反射極片的節(jié)距。如果能夠通過設(shè)計一款鑒別信號相位的電路對容柵的輸出信號的相位進(jìn)行檢測，通過得到輸出信號的相位從而能夠得到容柵在單周期內(nèi)動?xùn)畔鄬τ陟o柵的相對位移。對位移信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理，可得到角度、速度等所需的物理量。如果能對周期進(jìn)行計數(shù)，那么就能夠在一周的有限距離內(nèi)對長距離進(jìn)行測量。當(dāng)然，經(jīng)過電容耦合的接收極板接收到的信號在輸入到鑒相電路之前還要進(jìn)行處理，比如解調(diào)、濾波、放大和整形等等。

2 容柵旋轉(zhuǎn)編碼器的設(shè)計與實現(xiàn)

本文將對2款分辨率不同的容柵編碼器展開設(shè)計與討論。根據(jù)容柵原理，分辨率的高低主要取決于整圈發(fā)射電極片的個數(shù)，電極片的個數(shù)越多，則容柵編碼器的分辨率就越高。當(dāng)然，一圈發(fā)射電極片的個數(shù)在一定程度上還取決于加工精度。

2.1 發(fā)射電極

電極片的外形根據(jù)編碼器安裝部位的外形和尺寸自行設(shè)計而成，如圖3所示。極片采取自定義外形的通孔焊盤實現(xiàn)，見圖4。根據(jù)所在穩(wěn)定平臺對測量器件的尺寸要求形成自定義焊盤。內(nèi)層及B面為圓形焊盤，通孔直徑8 mil。

圖3 電極片自定義外形Fig. 3 The custom shape of electrode

圖4 電極片內(nèi)層Fig. 4 The electrode sheet layer

2.2 靜柵

靜柵上分布發(fā)射極片和接收極片。發(fā)射極和接收極之間有屏蔽極隔絕開，屏蔽極接地。同時在接收極的中心部分開有6 mm的機(jī)械過孔，用以安裝和固定。

低分辨率靜柵發(fā)射極采用8組電極片組構(gòu)成，每組電極片組由8片電極片構(gòu)成。電極片扇腳為5°，按5.625°間隔均勻分布，極間間隙為0.625°（最窄處約4.07 mil, 0.1 mm）；接收極為一個圓環(huán)電極。具體設(shè)計如圖5所示。

圖5 低分辨率容柵Fig. 5 A low resolution capacitive grid

高分辨率容柵發(fā)射極采用18組電極，每組8個電極片，電極片扇角2°，按2.5°間隔均布，極間間隙0.5°（最窄處約4.07 mil, 0.1 mm）；接收極為一個圓環(huán)電極。具體設(shè)計如圖6所示。

圖6 高分辨率容柵Fig. 6 A high resolution capacitive grid

2.3 動?xùn)?/p>

動?xùn)派戏植加蟹瓷錁O和屏蔽極。高分辨率容柵反射極采用18個按圓周等角度均布的電極片，發(fā)射電極片與屏蔽極瓣的扇角9°，極片、極瓣按20°間隔均布，發(fā)射電極片與屏蔽極瓣的間隙為1°；齒輪狀發(fā)射極間使用屏蔽填充。低分辨率容柵反射極采用8個按圓周等角度均布的電極片，發(fā)射電極片與屏蔽極瓣的扇角21.5°，極片、極瓣按45°間隔均布，發(fā)射電極片與屏蔽極瓣的間隙為1°。2款動?xùn)诺牡讓佣际卿伨W(wǎng)格銅接地，具體設(shè)計如圖7所示。

圖7 動?xùn)耪鍲ig. 7 Front of a athletic grid

2.4 測量電路部分

旋轉(zhuǎn)式容柵傳感器的輸出信號的相位反映了容柵的動?xùn)藕挽o柵的相對位移，對輸出信號的相位檢測電路的基本原理如圖8所示[5]。

圖8 鑒相電路框圖Fig. 8 Phase detector circuit block diagram

根據(jù)鑒相原理，設(shè)計了一款基于旋轉(zhuǎn)型容柵的激勵信號產(chǎn)生和輸出信號處理的電路。鑒相電路采用的是GC7616A為信號處理主芯片，該芯片可以產(chǎn)生激勵信號、處理輸出信號并且還能將輸出結(jié)果通過液晶屏顯示，是一款容柵專用集成芯片，高集成、低功耗，其應(yīng)用較廣。測量部分原理圖如圖9所示。

如圖所示，PIN7至PIN14輸出的是晶振的信號通過分頻器分頻后送到8路驅(qū)動電路進(jìn)行相移,然后形成8路驅(qū)動信號，每路信號之間相位相差 /4。這8路周期激勵信號分別送到容柵傳感器每一組的8個電極片上。信號經(jīng)過圓形容柵傳感器的動靜柵的電容耦合形成接收信號，接收信號送至PIN23。PIN23連接的鑒相模塊對接收極上的高頻耦合信號進(jìn)行之前還需要經(jīng)過解調(diào)、濾波、放大和整形，最后通過液晶顯示最終得到的動靜柵的相對位移量[6-7]。如果對于預(yù)設(shè)的常數(shù)要求不同，還可對輸出信號進(jìn)行處理，通過進(jìn)行邏輯上的轉(zhuǎn)換可以形成不同類型的數(shù)據(jù)，如角度、速度等。

2.5 實物及說明

產(chǎn)品實物如圖10所示，由于動?xùn)诺脑O(shè)計簡單且相似，不予展示。左邊的為前期產(chǎn)品，主要目的在于對原理的驗證，對尺寸的要求不高，與后期所設(shè)計的容柵編碼器相比，尺寸偏大。右邊的為后期制作的2款容柵編碼器，就尺寸而言，比前期產(chǎn)品的基礎(chǔ)上縮小了一倍。后期的2款容柵的高低精度各有不同，可以根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)計，既充分利用了空間也減少了系統(tǒng)協(xié)調(diào)的難易程度。

圖10 容柵實物Fig. 10 The capacitive grid

3 實驗和結(jié)果分析

3.1 實驗方案

實驗采用長春華特編號為E1050D6的18位高精度光電絕對編碼器作為測量標(biāo)定基準(zhǔn)。該光電式絕對編碼器的分辨率為20″，精度為40″，無論是在精度還是分辨度上都遠(yuǎn)超出本文設(shè)計的容柵編碼器的指標(biāo)要求，因此，其適合作為標(biāo)定基準(zhǔn)。

將靜柵貼裝在編碼器軸側(cè)外殼端面，與外殼采用硅橡膠粘合。動?xùn)刨N裝在定位盤內(nèi)，通過定位盤連接到光電編碼器主軸，動?xùn)排c定位盤采用綁定膠粘合。編碼器采用外部5 V供電，容柵采用紐扣電池供電。由于動?xùn)藕凸怆娋幋a器保持同軸轉(zhuǎn)動，在任意位置容柵編碼器和光電編碼器所轉(zhuǎn)過的角度是相同的。通過比較容柵編碼器和光電編碼器的輸出，就能對容柵編碼器的性能指標(biāo)進(jìn)行測量。

3.2 實驗結(jié)果和分析

經(jīng)上述方法所得的部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示。通過與18位光電編碼器的數(shù)據(jù)比較可得，容柵編碼器相對于光電編碼器的相對誤差位于±1%之間，說明本次設(shè)計的容柵是滿足預(yù)定的設(shè)計要求的。

對于低分辨組容柵進(jìn)行同樣方式的實驗，所得結(jié)果與高分辨組容柵一致。

表1 一組容柵的實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data for a group of capacitive grids

將所得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，并對高低組容柵數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，所得結(jié)果如表2所示。

表2 2組容柵的數(shù)據(jù)比較Table 2 Data comparison of two groups of capacity grids

經(jīng)過前面的論述以及對實驗的總結(jié)，得到如下結(jié)論：容柵分辨率的高低主要取決于整圈發(fā)射電極片的個數(shù)，電極片的個數(shù)越多，則容柵編碼器的分辨率就越高，當(dāng)然，一圈發(fā)射電極片的個數(shù)在一定程度上還取決于加工精度。通過對容柵的自行設(shè)計，不僅能在很大程度上降低測角測距原件的生產(chǎn)成本，而且能夠根據(jù)不同產(chǎn)品的實際要求設(shè)計出精度不同的容柵編碼器，實現(xiàn)資源的合理化應(yīng)用。容柵對工作環(huán)境也有一定的要求，所以在后期的裝調(diào)中，將使用金屬屏蔽罩對容柵進(jìn)行封裝，減少電磁干擾。

4 結(jié)語

經(jīng)過對容柵編碼器的設(shè)計和實現(xiàn)，說明了容柵傳感器的可行性。本研究使得取代旋變編碼器成為穩(wěn)定平臺的測角元件成為可能。相比旋變編碼器而言，容柵編碼器能在低成本下實現(xiàn)平臺所需的精度和準(zhǔn)確度，并且結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)和修理。當(dāng)然，現(xiàn)階段的容柵編碼器也存在不足，比如數(shù)據(jù)更新速度低等，所以還需努力，不斷改進(jìn)。

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（責(zé)任編輯：申 劍）

Design and Application of Capacitive Grating Rotary Encoder

Hou Jun1，Zhou Huanxi2，Xiao Shenpin1，Li De3，Liu Jianyang3
（1. School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan412007，China；2. Hunan Eagle Valley Technologies Limited，Changsha 410000，China；3. Hunan Changgao High Voltage Switchgear Group Co., Ltd., Changcha 410216，China）

According to the principle of the capacitive grating rotary encoder and the predetermined technical indicators, the circuits of 2 capacitive grating encoders of different resolutions are designed. Through PCB design, plate making, assembly and testing, the relevant performance indicators are analyzed. The experimental results show that the designed capacitive grating encoders accord with the predetermined technical indicators, the low resolution capacitive grating precision reaches 0.1°and the high resolution capacitive gating precision reaches 0.03°, and the 2 encoders both have good engineering practicability.

capacitive sensor；working principle；PCB design；engineering practicability

TH712

A

1673-9833(2015)05-0045-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.05.010

2015-08-03

湖南省自然科學(xué)基金資助項目（2015JJ5021），湖南省教育廳重點項目基金資助項目（14A038）

侯 ?。?991-），男，湖南衡陽人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的集成與協(xié)調(diào)控制，E-mail：164213837@qq.com