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一篇文章帶你精通編碼器分辨率與精度

文章來源:未知時間:2018-11-09 點擊:

一篇文章帶你精通編碼器分辨率與精度

 

 

對于傳感器的分辨率與精度的理解,可以用我們所用的機械三指針式手表打這樣一個比喻:時針的分辨率是小時,分針的分辨率是分,秒針的分辨率是秒,眼睛反應快的,通過秒針在秒間的空格,我們甚至能分辨至約0.3秒,這是三針式機械指針手表都可以做到的;而精度是什么,就是每個手表對標準時間的準確性,這是每個手表都不同的,或者在使用的不同時間里都不同的(越走越快的或越走越慢的),大致在1秒至30秒之間。

 

同樣的,在旋轉編碼器的使用中,分辨率與精度是完全不同的兩個概念。

  

編碼器的分辨率,是指編碼器可讀取并輸出的最小角度變化,對應的參數有:每轉刻線數(line)、每轉脈沖數(PPR)、最小步距(Step)、位(Bit)等。

編碼器的精度,是指編碼器輸出的信號數據對測量的真實角度的準確度,對應的參數是角分(′)、角秒(″)。

 

分辨率:線(line),就是編碼器的碼盤的光學刻線,如果編碼器是直接方波輸出的,它就是每轉脈沖數(PPR)了(圖1),但如果是正余弦(sin/cos)信號輸出的,是可以通過信號模擬量變化電子細分,獲得更多的方波脈沖PPR輸出(圖2),編碼器的方波輸出有A相與B相,相當于人的左右眼睛(“相”字邊旁有個“目”),A相與B相差1/4個脈沖周期,可以判斷旋轉方向(反過來就是3/4周期),也可以通過上升沿與下降沿的判斷,就可以獲得1/4脈沖周期的變化步距(4倍頻),這就是最小測量步距(Step)了,所以,嚴格地講,最小測量步距就是編碼器的分辨率。

 

 

在以通訊數據輸出型的編碼器或絕對值編碼器,其輸出的分辨率是以多少“位”來表達,即2的冪次方的圓周分割度。

 

旋轉編碼器的精度,以角分、角秒為單位,與分辨率有一點關系,又不是全部,例如以德國海德漢的ROD400系列為例,其5000線以下的,海德漢提供的刻線精度為刻線寬度的1/20(與分辨率相關),6000-10000線的,精度為12角秒(與分辨率無關)。而海德漢的RON系列角度編碼器,同樣的是9000線—36000線,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,都不由分辨率決定。實際上,影響編碼器精度的有以下4個部分:

A:光學部分

B:機械部分

C:電氣部分

D:使用中的安裝與傳輸接收部分,使用后的精度下降,機械部分自身的偏差。

 

A編碼器光學部分對精度的影響:

光學碼盤—主要的是母板精度、每轉刻線數、刻線精度、刻線寬度一致性、邊緣精整性等。

光發射源—光的平行與一致性、光衰減。

光接收單元—讀取夾角、讀取響應。

光學系統使用后的影響—污染,衰減。

 

B編碼器機械部分對精度的影響:

軸的加工精度與安裝精度。

軸承的精度與結構精度。

碼盤安裝的同心度,光學組建安裝的精度。

安裝定位點與軸的同心度。

 

C編碼器電氣部分對精度的影響:

電源的穩定精度—對光發射源與接收單元的影響。

讀取響應與電氣處理電路帶來的誤差;

電氣噪音影響,取決于編碼器電氣系統的抗干擾能力;

 

D編碼器使用中帶來的精度影響:

安裝時與測量轉軸連接的同心度;

輸出電纜的抗干擾與信號延遲(較長距離或較快頻率下);

接收設備的響應與接收設備內部處理可能的誤差。

編碼器高速旋轉時的動態響應偏差。

 

細分技術對分辨率與精度的影響

細分技術( Interpolation and Digitizing Electronics) ,將電壓或電流式正余弦波信號分割轉換成為方波信號,這種計算關系有專門的DSP電路與內置計算系統,可用于一般正余弦波信號輸出的傳感器。

 


細分電路對于A/B相波形量的變化,判斷出相位角,并再次分割出更細的方波脈沖輸出,同樣提供1/4周期差的A’/B’兩相和Z’相,A’/B’相可以繼續的4倍頻。

 

五倍的細分示波器圖:

 

 

事實上對于細分后的編碼器來說,其細分前的刻線數很重要,而其細分前的系統精度更加重要,細分可以提高分辨率,但不能提高精度,甚至可能降低了精度。

需要說明的是,上面這里兩種“細分提高了使用精度”是因為對于信號使用的問題,而非真正“提高了編碼器精度”。

高分辨率的編碼器,精度不一定就高,以某日系17位編碼器為例,其原始最高刻線為8位256線(如圖3),經過多倍細分和A/B相4倍頻后,得到17位(約13萬圓周分割度)的分辨率,折算角度分辨率為9.89角秒,可其并沒有提供精度參數,如以業內精度較高的海德漢提供的方法推算,編碼器系統原始精度(誤差)為刻線(256)的1/20,細分誤差為原始刻線(256)的1%計算,得到的精度為152角秒—相當于2.5角分,如此的精度,證實這樣的高分辨率編碼器主要是應用于速度環的,對于定位的位置環,精度并不高。

  圖3  某日系17位編碼器,256刻線細分至17位的碼盤

 

綜上所述,影響編碼器精度的因素很多,編碼器的精度與分辨率相關的,僅僅是光學部分的刻線數,刻線數越多(越密),精度可能越高,但還要看其余的很多部分,都與分辨率無關。而刻線數密度,也是受材料與加工工藝及光學衍射的限制的,一般58mm外徑工業級編碼器的刻線數最高到10000線,更高的分辨率均由正余弦信號細分來完成的,其精度也就受到了一定的限制。


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