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一篇文章带你精通编码器分辨率与精度

文章来源:未知时间:2018-11-09 点击:

一篇文章带你精通编码器分辨率与精度

 

 

对于传感器的分辨率与精度的理解,可以用我们所用的机械三指针式手表打这样一个比喻:时针的分辨率是小时,分针的分辨率是分,秒针的分辨率是秒,眼睛反应快的,通过秒针在秒间的空格,我们甚至能分辨至约0.3秒,这是三针式机械指针手表都可以做到的;而精度是什么,就是每个手表对标准时间的准确性,这是每个手表都不同的,或者在使用的不同时间里都不同的(越走越快的或越走越慢的),大致在1秒至30秒之间。

 

同样的,在旋转编码器的使用中,分辨率与精度是完全不同的两个概念。

  

编码器的分辨率,是指编码器可读取并输出的最小角度变化,对应的参数有:每转刻线数(line)、每转脉冲数(PPR)、最小步距(Step)、位(Bit)等。

编码器的精度,是指编码器输出的信号数据对测量的真实角度的准确度,对应的参数是角分(′)、角秒(″)。

 

分辨率:线(line),就是编码器的码盘的光学刻线,如果编码器是直接方波输出的,它就是每转脉冲数(PPR)了(图1),但如果是正余弦(sin/cos)信号输出的,是可以通过信号模拟量变化电子细分,获得更多的方波脉冲PPR输出(图2),编码器的方波输出有A相与B相,相当于人的左右眼睛(“相”字边旁有个“目”),A相与B相差1/4个脉冲周期,可以判断旋转方向(反过来就是3/4周期),也可以通过上升沿与下降沿的判断,就可以获得1/4脉冲周期的变化步距(4倍频),这就是最小测量步距(Step)了,所以,严格地讲,最小测量步距就是编码器的分辨率。

 

 

在以通讯数据输出型的编码器或绝对值编码器,其输出的分辨率是以多少“位”来表达,即2的幂次方的圆周分割度。

 

旋转编码器的精度,以角分、角秒为单位,与分辨率有一点关系,又不是全部,例如以德国海德汉的ROD400系列为例,其5000线以下的,海德汉提供的刻线精度为刻线宽度的1/20(与分辨率相关),6000-10000线的,精度为12角秒(与分辨率无关)。而海德汉的RON系列角度编码器,同样的是9000线—36000线,其RON200系列的精度是2.5~5角秒,RON700系列的是2角秒,RON800系列的是1角秒,RON900系列的是0.4角秒,都不由分辨率决定。实际上,影响编码器精度的有以下4个部分:

A:光学部分

B:机械部分

C:电气部分

D:使用中的安装与传输接收部分,使用后的精度下降,机械部分自身的偏差。

 

A编码器光学部分对精度的影响:

光学码盘—主要的是母板精度、每转刻线数、刻线精度、刻线宽度一致性、边缘精整性等。

光发射源—光的平行与一致性、光衰减。

光接收单元—读取夹角、读取响应。

光学系统使用后的影响—污染,衰减。

 

B编码器机械部分对精度的影响:

轴的加工精度与安装精度。

轴承的精度与结构精度。

码盘安装的同心度,光学组建安装的精度。

安装定位点与轴的同心度。

 

C编码器电气部分对精度的影响:

电源的稳定精度—对光发射源与接收单元的影响。

读取响应与电气处理电路带来的误差;

电气噪音影响,取决于编码器电气系统的抗干扰能力;

 

D编码器使用中带来的精度影响:

安装时与测量转轴连接的同心度;

输出电缆的抗干扰与信号延迟(较长距离或较快频率下);

接收设备的响应与接收设备内部处理可能的误差。

编码器高速旋转时的动态响应偏差。

 

细分技术对分辨率与精度的影响

细分技术( Interpolation and Digitizing Electronics) ,将电压或电流式正余弦波信号分割转换成为方波信号,这种计算关系有专门的DSP电路与内置计算系统,可用于一般正余弦波信号输出的传感器。

 


细分电路对于A/B相波形量的变化,判断出相位角,并再次分割出更细的方波脉冲输出,同样提供1/4周期差的A’/B’两相和Z’相,A’/B’相可以继续的4倍频。

 

五倍的细分示波器图:

 

 

事实上对于细分后的编码器来说,其细分前的刻线数很重要,而其细分前的系统精度更加重要,细分可以提高分辨率,但不能提高精度,甚至可能降低了精度。

需要说明的是,上面这里两种“细分提高了使用精度”是因为对于信号使用的问题,而非真正“提高了编码器精度”。

高分辨率的编码器,精度不一定就高,以某日系17位编码器为例,其原始最高刻线为8位256线(如图3),经过多倍细分和A/B相4倍频后,得到17位(约13万圆周分割度)的分辨率,折算角度分辨率为9.89角秒,可其并没有提供精度参数,如以业内精度较高的海德汉提供的方法推算,编码器系统原始精度(误差)为刻线(256)的1/20,细分误差为原始刻线(256)的1%计算,得到的精度为152角秒—相当于2.5角分,如此的精度,证实这样的高分辨率编码器主要是应用于速度环的,对于定位的位置环,精度并不高。

  图3  某日系17位编码器,256刻线细分至17位的码盘

 

综上所述,影响编码器精度的因素很多,编码器的精度与分辨率相关的,仅仅是光学部分的刻线数,刻线数越多(越密),精度可能越高,但还要看其余的很多部分,都与分辨率无关。而刻线数密度,也是受材料与加工工艺及光学衍射的限制的,一般58mm外径工业级编码器的刻线数最高到10000线,更高的分辨率均由正余弦信号细分来完成的,其精度也就受到了一定的限制。


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