一种旋转角度测量装置及测量方法与流程

本发明涉及旋转角度测量技术，尤其涉及一种绝对式旋转角度测量装置。本发明还涉及一种绝对旋转角度的测量方法。

背景技术：

旋转角度测量装置，又称旋转编码器，是一类用于测量角度和转速的装置，目前已广泛应用于多个领域，例如可用于测量电机的速度或者用于位置控制系统等。按照检测的原理，旋转编码器可分为光学编码器、磁性编码器和电容式编码器等。相比光学和磁性编码器，电容式旋转编码器具有较高的精确度和鲁棒性。

现有技术中的一种电容式旋转编码器包括一个动盘(也称作转子)和一个静盘(也称作定子)。动盘能够绕轴(例如电机等转动部件的旋转轴)旋转，从而相对于静盘产生一个旋转角度。动盘包括一个反射区，静盘包括一个发射区与一个接收区，静盘上的发射区和接收区之间能够形成静电场，且所形成的静电场在动盘的旋转过程中被动盘上的反射区所调制。因而，根据静盘上的接收区的输出，便能够确定动盘的旋转角度。动盘上的反射区通常具有周期性的形状，例如重复的正弦、余弦或三角波等形状。在动盘的旋转过程中，静盘上的发射区和接收区之间形成的静电场被动盘上具有周期性形状的反射区所调制，也相应地产生周期性地变化，反射区的每个重复的形状代表静电场的一个周期。通过确定动盘在所述静电场的一个周期中转过的角度，便可确定动盘的增量旋转角度(即动盘相对于每个周期起点的旋转角度)。进一步地，通过确定动盘的初始位置，便可确定动盘的绝对旋转角度(即动盘相对于零点的实际旋转角度)。

在不同的应用领域中，有时需要确定动盘在一圈中的绝对旋转角度，有时还需要能够确定动盘的多圈旋转角度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种旋转角度测量装置和方法，其能 够确定动盘在一圈中的绝对旋转角度，并且结构简单紧凑，测量精确度和鲁棒性较好。

根据本发明的旋转角度测量装置，包括：

一个动盘，其可绕一轴线旋转；该动盘包括：

一个反射区，其具有周期性变化的形状；

一个静盘，其和所述动盘相对布置；该静盘包括：

一个发射区；

一个接收区，其可与所述发射区之间形成静电场，所述静电场被所述反射区调制而随所述动盘的旋转周期性地变化；

一个磁体，其布置在所述动盘上；

一个第一磁传感器，其布置在所述静盘上，在所述磁体的作用下而随所述动盘的旋转产生一角度信号；

信号处理电路，其根据所述接收区的输出确定所述动盘的增量旋转角度，根据所述第一磁传感器产生的角度信号确定所述静电场的周期，根据所述静电场的周期和所述增量旋转角度确定所述动盘的绝对旋转角度。

根据本发明的旋转角度测量方法，所述旋转角度指一个动盘相对于一个静盘的旋转角度；所述动盘可绕一轴线旋转，其包括：一个反射区，所述反射区具有周期性变化的形状；所述静盘和所述动盘相对布置，其包括：一个发射区和一个接收区，所述接收区可与所述发射区之间形成静电场，所述静电场被所述反射区调制而随所述动盘的旋转周期性地变化；所述动盘上布置有一个磁体；所述静盘上布置有一个第一磁传感器，所述第一磁传感器在所述磁体的作用下而随所述动盘的旋转产生一角度信号；所述方法包括：

根据所述接收区的输出确定所述动盘的增量旋转角度，根据所述第一磁传感器产生的角度信号确定所述静电场的周期，根据所述静电场的周期和所述增量旋转角度确定所述动盘的绝对旋转角度。

本发明的目的还在于提供一种多圈绝对旋转角度测量装置和方法，其能够确定动盘的多圈绝对旋转角度，并且结构简单紧凑，测量精确度和鲁棒性较好。

进一步地，根据本发明的装置，还包括：

至少一个第二磁传感器，各第二磁传感器间隔设定的角度布置在所述静盘上，分别在所述磁体的作用下而随所述动盘的旋转产生一脉冲信号；

所述信号处理电路，其还根据两个磁传感器产生的信号确定所述动盘的旋转方向，所述两个磁传感器为所述第一磁传感器和所述至少一个第二磁传感器中的两个；以及，根据所述动盘的旋转方向和所述至少一个第二磁传感器中的一个产生的脉冲信号确定所述动盘的旋转圈数。

进一步地，根据本发明的方法，所述静盘上还布置有至少一个第二磁传感器，各第二磁传感器间隔设定的角度布置，分别在所述磁体的作用下而随所述动盘的旋转产生一脉冲信号；所述方法还包括：

根据两个磁传感器产生的信号确定所述动盘的旋转方向，所述两个磁传感器为所述第一磁传感器和所述至少一个第二磁传感器中的两个；以及，

根据所述动盘的旋转方向和所述至少一个第二磁传感器中的一个产生的脉冲信号确定所述动盘的旋转圈数。

附图说明

以下将结合附图，通过根据本发明的具体实施例来对本发明的目的、特征和效果进行详细说明。这些说明仅用于示例，并不用以限制本发明的保护范围。其中：

图1示出了本发明实施例一的旋转角度测量装置的静止部分；

图2示出了本发明实施例一的旋转角度测量装置的转动部分；

图3示出了本发明实施例二的旋转角度测量装置的静止部分；

图4示出了本发明实施例二中的第一和第二磁传感器产生的信号；

图5示出了本发明实施例三的旋转角度测量装置的静止部分；

图6示出了本发明实施例三中的第二磁传感器产生的信号；

图7示出了本发明实施例四的旋转角度测量装置的信号处理电路。

具体实施例

以下将结合图1和图2对根据本发明装置的实施例一进行说明，其中，图1示出了根据本发明的一个旋转角度测量装置的静止部分，图2示出了该旋转角度测量装置的转动部分。

如图1所示，该旋转角度测量装置的静止部分包括一静盘10以及布置在静盘10上的一个第一磁传感器14。静盘10包括由多个电极12形成的一个发射区，以及由电极11和13形成的一对差分式接收区。通过为多个电极 12提供激励信号，能够在发射区与接收区之间形成静电场。各个电极12、电极11以及电极13之间(例如通过间隙)彼此电气隔离。为了提高电气隔离度，避免发射区和接收区之间的串扰，还可在发射区和接收区之间进一步布置导体环17和18。

如图2所示，该旋转角度测量装置的转动部分包括一动盘20以及布置在动盘20上的一个磁体24，动盘20可绕一轴线(例如被测电机的旋转轴)旋转，从而带动磁体24一同旋转。动盘20包括由电极21和23形成的一对差分式反射区。电极21和23具有周期性变化的形状，彼此形状互补并电气隔离。

静盘10和动盘20相对地布置，使得静盘10的发射区和接收区与动盘20的反射区相对。随着动盘20的旋转，静盘10的发射区和接收区之间的静电场被动盘20的反射区调制，具体而言，发射区的各电极12与接收区的电极11之间的静电场被反射区的电极21调制，发射区的各电极12与接收区的电极13之间的静电场被反射区的电极23调制，接收区的电极11和13的输出构成一对幅值相等相位相反的差分信号。由于反射区具有周期性变化的形状，发射区和接收区之间的静电场在动盘20的旋转过程中也周期性地变化，反射区的每个重复的形状代表静电场的一个周期，根据接收区的输出可以确定动盘20在静电场的一个周期中转过的角度，也即动盘20的增量旋转角度。

增加动盘20的反射区的形状的周期数(即动盘20旋转一圈中的静电场的周期数)，可以提高增量旋转角度的测量精确度和分辨率。通过差分式的结构，利用静盘10的接收区的电极11和13的输出信号的差值，能够增强接收区的输出中的有用信号分量，消减噪声，从而改善测量的精确度。

静盘10上的第一磁传感器14用于检测动盘20上的磁体24产生的磁场。随着动盘20的旋转，磁体24产生的磁场也一同旋转，第一磁传感器14在磁体24的作用下产生一角度信号，该角度信号表示动盘20在一圈中转过的角度。第一磁传感器14产生的角度信号被用来确定静电场的周期，根据该静电场的周期以及动盘20的增量旋转角度，可以确定动盘20在一圈中的绝对旋转角度。

通过上述实施例一的旋转角度测量装置，由于第一磁传感器14产生的角度信号只用来确定静电场的周期，而不直接用于确定动盘20的绝对旋转 角度，对于第一磁传感器14的灵敏度、第一磁传感器14产生的角度信号与磁体24产生的磁场之间的线性度、以及信号处理的精确度要求有所降低，从而可以节约旋转角度测量装置的成本，降低造价。不仅如此，通过接收区的输出来确定动盘20的增量旋转角度，可以保留电容式旋转编码器的优点，使旋转角度测量装置具有较高的精确度和鲁棒性。通过差分式的结构，利用接收区的电极11和13的输出信号的差值，可以使输出信号中的噪声相互抵消，并使有用信号分量加倍，从而进一步提高测量的精确度。此外，通过第一磁传感器14产生的角度信号来确定静电场的周期，进而确定动盘20在一圈中的绝对旋转角度，装置结构简单紧凑，易于实施。

除了需要确定动盘20在一圈中的绝对旋转角度，在例如涉及安全性等对位置有严格要求的应用领域中，还需要能够确定动盘20的多圈绝对旋转角度。以下将结合图3对根据本发明装置的实施例二进行说明，实施例二与实施例一中相同的部分将不再赘述，仅对实施例二中的不同部分加以重点说明。

图3示出了实施例二的旋转角度测量装置的静止部分，该旋转角度测量装置的转动部分与实施例一中的转动部分相同，可以参见图2。如图3所示，该旋转角度测量装置的静止部分包括静盘10以及布置在静盘10上的第一磁传感器14，与图1所示相同，除此之外，该旋转角度测量装置的静止部分还包括一个第二磁传感器15。第二磁传感器15布置在静盘10上，用于在动盘20上的磁体24的作用下而随动盘20的旋转产生一脉冲信号，该脉冲信号为动盘20每转一圈产生一个或多个脉冲的形式，能够反映磁体24的磁场的旋转圈数。

当需要确定动盘20的多圈绝对旋转角度时，在确定了动盘20在一圈中的绝对旋转角度的基础上，还需要能够确定动盘20转过的圈数。为了确定动盘20的旋转圈数，需确定动盘20的旋转方向。在实施例二中，根据第一磁传感器14和第二磁传感器15产生的信号来确定动盘20的旋转方向。

参见图4，在动盘20的旋转过程中，第一磁传感器14产生一角度信号，在图4中表示为一正弦曲线M₁；第二磁传感器15产生一脉冲信号，该脉冲信号为动盘20每转一圈产生一个脉冲的形式，在图4中表示为一占空比为50％的脉冲序列M₂。通过边缘检测，可以获知第二磁传感器15产生的脉冲信号的上升沿和/或下降沿。结合第一磁传感器14产生的角度信号对应于该 上升沿和/或下降沿的角度值，便可确定动盘20的旋转方向。例如，对应于第二磁传感器15产生的脉冲信号的上升沿，动盘20正转时，第一磁传感器14产生的角度信号的角度值为B，动盘20反转时，第一磁传感器14产生的角度信号的角度值为A；对应于第二磁传感器15产生的脉冲信号的下降沿，动盘20正转时，第一磁传感器14产生的角度信号的角度值为A，动盘20反转时，第一磁传感器14产生的角度信号的角度值为B。

根据所确定的旋转方向和对第二磁传感15产生的脉冲信号的脉冲计数，便可确定动盘20的旋转圈数，例如，动盘20正转，第二磁传感器15产生的脉冲信号的脉冲计数为1；动盘20反转，第二磁传感器15产生的脉冲信号的脉冲计数为-1；依次累加。为了保证在同样的位置上对动盘20的旋转圈数计数，可以根据所确定的动盘20的旋转方向，分别设定在第二磁传感器15产生的脉冲信号的上升沿或下降沿对其脉冲计数。例如，动盘20正转时，在第二磁传感器15产生的脉冲信号的下降沿进行计数，动盘20反转时，在第二磁传感器15产生的脉冲信号的上升沿进行计数。

通过上述实施例二的旋转角度测量装置，可以在确定了动盘20的单圈绝对旋转角度的基础上，进一步确定其多圈绝对旋转角度。并且，第二磁传感器15用于产生脉冲信号，其可以采用低功耗的磁传感器件，从而降低旋转角度测量装置的功耗。为了进一步降低电能消耗，例如在旋转角度测量装置的主电源断电而由电池供电时，还可以使第一磁传感器14只在对应于第二磁传感器15产生的脉冲信号的上升沿和/或下降沿产生角度信号时被供电。

以下将结合图5对根据本发明装置的实施例三进行说明，该实施例三的旋转角度测量装置能够确定动盘20的多圈绝对旋转角度，并且具有更低的功耗。实施例三与上述实施例中相同的部分将不再赘述，仅对其不同部分加以重点说明。

图5示出了实施例三的旋转角度测量装置的静止部分，该旋转角度测量装置的转动部分与实施例一中的转动部分相同，可以参见图2。如图5所示，该旋转角度测量装置的静止部分包括静盘10以及布置在静盘10上的第一磁传感器14，与图1所示相同，除此之外，该旋转角度测量装置的静止部分还包括两个第二磁传感器15和16。第二磁传感器15和16间隔设定的角度布置在静盘10上，分别用于在动盘20上的磁体24的作用下而随动盘20的旋 转产生一脉冲信号，各脉冲信号分别为动盘20每转一圈产生一个或多个脉冲的形式，能够反映磁体24的磁场的旋转圈数。

在确定了动盘20在一圈中的绝对旋转角度的基础上，为了确定动盘20的旋转圈数，需确定动盘20的旋转方向。在实施例三中，根据第二磁传感器15和16产生的脉冲信号来确定动盘20的旋转方向。

参见图6，在动盘20的旋转过程中，第二磁传感器15和16分别产生一脉冲信号，各脉冲信号均为动盘20每转一圈产生一个脉冲的形式，在图6中分别表示为一占空比为50％的脉冲序列M₂₁和M₂₂。由于第二磁传感器15和16间隔设定的角度布置，在动盘20的旋转过程中，取决于动盘20的旋转方向，第二磁传感器15和16产生的脉冲信号具有设定的次序。例如，根据脉冲信号的上升沿，动盘20正转时，第二磁传感器15和16产生的脉冲信号的次序为16先15后(M₂₂先M₂₁后)，动盘20反转时，第二磁传感器15和16产生的脉冲信号的次序为15先16后(M₂₁先M₂₂后)；根据脉冲信号的下降沿，动盘20正转时，第二磁传感器15和16产生的脉冲信号的次序为15先16后(M₂₁先M₂₂后)，动盘20反转时，第二磁传感器15和16产生的脉冲信号的次序为16先15后(M₂₂先M₂₁后)。因此，根据第二磁传感器15和16产生的脉冲信号的次序，可以确定动盘20的旋转方向。例如，通过边缘检测，可以获知第二磁传感器15和16产生的脉冲信号的上升沿和/或下降沿，根据所检测到的上升沿和/或下降沿的次序，便可以确定动盘20的旋转方向。

根据所确定的旋转方向和对第二磁传感15和16中的任一个产生的脉冲信号的脉冲计数，便可确定动盘20的旋转圈数。脉冲计数的具体操作可以参见实施例二，在此不再赘述。

通过上述实施例三的旋转角度测量装置，可以确定动盘20的多圈绝对旋转角度。并且，第一磁传感器14只需在确定动盘20的单圈绝对旋转角度时被主电源供电，对动盘20的旋转圈数的计数可以通过第二磁传感器15和16产生的脉冲信号来持续地进行。第二磁传感器15和16可以采用低功耗的磁传感器件，从而使旋转角度测量装置的功耗显著降低。

本领域的技术人员应当理解，虽然在上述实施例中，第二磁传感器优选为磁开关传感器(magnetic switch sensor)，其输出信号在所检测的磁场强度大于和/或低于设定的门限值时发生极性反转，因此输出为脉冲信号，功耗低。 但本发明不限于此，在第二磁传感器输出一连续信号时，例如与第一磁传感器同样地输出一正弦信号时，也可以通过门限电路等变换方式来产生所需的脉冲信号。

在根据本发明装置的实施例中，第一磁传感器优选为磁角度传感器(magnetic angle sensor)，例如为霍尔传感器(Hall sensor)、巨磁阻传感器(GMR)、各向异性磁阻传感器(AMR)、隧道磁阻传感器(TMR)等。

磁体24优选为圆盘式，沿径向磁化，布置在动盘20的轴心上。例如，可将磁体24放入一壳体内，将该壳体布置在动盘20的轴心，并通过紧固件将该壳体和动盘20一同固定在旋转轴上。这样，磁体24产生的磁场和动盘20可同轴地旋转。第一磁传感器14优选也与磁体24同轴布置，这样，第一磁传感器14产生的角度信号便可直接表示动盘20转过的角度。第二磁传感器15优选与磁体24在径向上间距设定的距离布置，这样，在动盘20的旋转过程中，磁体24的磁场在第二磁传感器15中产生的信号电平可以具有更显著的差异，使得脉冲检测和计数更准确。

以下将结合图7对根据本发明装置的实施例四进行说明，该实施例四的旋转角度测量装置的转动部分和静止部分可以参见实施例三的说明，这里仅对旋转角度测量装置的信号处理电路重点说明。

信号处理电路用于根据静盘10的接收区的输出确定动盘20的增量旋转角度，根据第一磁传感器14产生的角度信号确定静电场的周期，根据该静电场的周期和所确定的增量旋转角度确定动盘20的绝对旋转角度。进一步地，信号处理电路还根据两个磁传感器产生的信号确定动盘20的旋转方向，所述两个磁传感器为第一磁传感器14和第二磁传感器15，或者为第二磁传感器15和16；以及，根据动盘20的旋转方向和第二磁传感器15和16中的一个产生的脉冲信号确定动盘20的旋转圈数。信号处理电路可以布置在静盘10上，也可以作为一个单独的电路板来设置。

如图7所示的信号处理电路30中(图中所示各元件及其连接仅用于说明信号的流向，而不反映元件的物理位置)，静盘10的接收区的电极11和13的输出信号经运算放大器31求取差值并经过模数转换32转换为数字信号，该数字信号经过带通滤波33以进一步滤除带外噪声。经带通滤波后的数字信号分别与正交载波(正弦和余弦)信号41和41’通过乘法器34和34’进行解调，解调后的两路正交信号分别经过低通滤波35和35’获得基带信号。 基带信号的同相支路和正交支路进一步通过反正切运算36获得动盘20的增量旋转角度。

绝对旋转角度确定单元37根据所获得的增量旋转角度和第一磁传感器14产生的角度信号，可以确定动盘20在一圈中的绝对旋转角度。

进一步地，微处理器38根据第二磁传感器15和16产生的脉冲信号的次序确定动盘20的旋转方向，根据所确定的旋转方向以及第二磁传感器15或16产生的脉冲信号的脉冲计数，便能够确定动盘20的旋转圈数。

绝对旋转角度确定单元37根据动盘20在一圈中的绝对旋转角度和旋转圈数，便能够确定动盘20的多圈绝对旋转角度。

为了能够在旋转角度测量装置的主电源(为简明起见，图7中未示出)掉电时，持续地记录动盘20的旋转圈数，第二磁传感器15和16以及微处理器38还可以通过电池40供电。

绝对旋转角度确定单元37所确定的动盘20的多圈绝对旋转角度可以通过接口单元39转换成适当的信号格式以提供给上层控制系统，例如电机的速度或位置控制系统。

此外，信号处理电路30中还可以包括数模转换42和运算放大器43，用于对正交载波信号41和41’进行数模变换并产生A至D四路正交激励信号。该四路正交激励信号分别为0度、90度、180度、270度的正弦信号，以对静盘10的发射区的电极12进行激励。每四个电极12构成一组发射电极，与接收区的一个重复的形状相对，由A至D四路正交激励信号进行激励，具体布置可以参见现有的电容式编码器，在此不再赘述。

相应于本发明所提供的旋转角度测量装置，本发明还提供了一种旋转角度测量方法，所述旋转角度指一个动盘相对于一个静盘的旋转角度；所述动盘可绕一轴线旋转，其包括：一个反射区，所述反射区具有周期性变化的形状；所述静盘和所述动盘相对布置，其包括：一个发射区和一个接收区，所述接收区可与所述发射区之间形成静电场，所述静电场被所述反射区调制而随所述动盘的旋转周期性地变化；所述动盘上布置有一个磁体；所述静盘上布置有一个第一磁传感器，所述第一磁传感器在所述磁体的作用下而随所述动盘的旋转产生一角度信号；所述方法包括：根据所述接收区的输出确定所述动盘的增量旋转角度，根据所述第一磁传感器产生的角度信号确定所述静电场的周期，根据所述静电场的周期和所述增量旋转角度确定所述动盘在一 圈中的绝对旋转角度。

为了进一步确定所述动盘的多圈绝对旋转角度，所述静盘上还布置有至少一个第二磁传感器，各第二磁传感器间隔设定的角度布置，分别在所述磁体的作用下而随所述动盘的旋转产生一脉冲信号；本发明的方法还包括：根据两个磁传感器产生的信号确定所述动盘的旋转方向，所述两个磁传感器为所述第一磁传感器和所述至少一个第二磁传感器中的两个；以及，根据所述动盘的旋转方向和所述至少一个第二磁传感器中的一个产生的脉冲信号确定所述动盘的旋转圈数。

在根据本发明的方法中，为了确定所述动盘的多圈绝对旋转角度，优选只在一主电源上电时确定所述动盘在一圈中的绝对旋转角度；并持续地确定所述动盘的增量旋转角度和旋转圈数。

对于根据本发明方法的详细说明可以参见根据本发明装置的上述实施例中的相关内容，在此不再赘述。

本领域技术人员应该理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

以上所述仅为本发明示例性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。