Design, Optimization, and Compensation of a High-Precision Single-Excitation Absolute Capacitance Angular Encoder up to ±4$^{\prime\prime}$

编码器 旋转编码器 电容 电容感应 转子(电动) 电极 角位移 计算机科学 材料科学 声学 定子 激发 电子工程 物理 电气工程 工程类 量子力学 操作系统
作者
Bo Hou,Chao Li,Zhenyi Gao,Qi Wei,Bin Zhou,Rong Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Electronics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:66 (10): 8161-8171 被引量:32
标识
DOI:10.1109/tie.2018.2886762
摘要

This paper presents a single-excitation absolute capacitive rotary encoder that is small in size, lightweight, robust, and highly precise. The encoder consists of two plates: a rotor and a stator. The rotor consists of a planar coupling ring, a petal-form sensitive electrode, and a rough sensitive electrode, whereas the stator consists of a planar excitation ring and eight groups of collection electrodes. First, the two sensitive electrodes together with the eight sets of collection electrodes encode the angular position into amplitude-modulated signals, which are read out by a single-excitation electronic system. High-precision absolute position information is obtained by using the combination of 36 petal-form sensitive electrodes and a rough sensitive electrode. Then, a linear programming method is used to optimize the critical dimensions of the encoder within a limited area to achieve a miniaturized design. Finally, a harmonic frequency compensation method is used to reduce repeatable and periodical measurement errors, which are caused by manufacturing, circuit, and installation errors. A prototype is fabricated and tested on a high-precision testing turntable. The measurement results show that the resolution is 0.00015° and the accuracy over the full absolute range is 0.0022°, indicating that the encoder has considerable potential for use in high-precision applications.
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