深入浅出|浅谈伺服编码器的分辨率和精度

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本文转载于《西家传动》微信公众号2018年3月2日期

前言

众所周知，对于伺服控制系统都需要配备速度反馈及位置反馈的编码器，我们在选择编码器时，不仅要考虑编码器的类型，还要考虑编码器的接口、分辨率、精度、防护等级等方面，以满足用户的控制要求。尤其是编码器的分辨率和精度与运动控制有着密切的联系，今天我们就跟大家聊聊伺服编码器的分辨率和精度。

编码器分辨率(resolution)

分辨率是指编码器每个计数单位之间产生的距离，它是编码器可以测量到的最小的距离。

对于旋转编码器来说，分辨率一般定义为编码器旋转一圈所测量的单位或者脉冲(如,PPR)。而对于直线编码器来说，分辨率常常被定义为两个量化单位之间产生的距离，通常给定的单位是微米(μm)或者纳米(nm)。

绝对值编码器分辨率一般被定义为位的形式，因为绝对值编码器输出是基于编码器实际位置的二进制“字”。一位是一个二进制单位，如16位等于216，或者65536。因此，一个16位编码器每圈提供65536个量化单位。

编码器精度(accuracy)

精度用于衡量正常情况下实际值和设定值之间可重复的平均偏差的量值，对于旋转编码器来说，一般被定义为角秒或者角分，同时对于直线编码器来说精度一般为微米。

一个很重要的需要注意的一点是，高的分辨率并不代表高的精度。例如，两个同样精度的旋转编码器,一个分辨率是3600 PPR, 而另外一个是10000 PPR。低分辨率的编码器(3600 PPR)可以提供 0.1°的测量距离，而高分辨率的编码器可以提供一个更小的测量距离，但是二者的精度是相同的，高分辨率编码器仅仅是具有将0.1°缩小到更小的增量距离的能力。



编码器分辨率和精度是两个独立的概念，如上图所示，两个编码器具有相同的分辨率(24PPR)但是具有不同的精度。



当我们讨论精度的时候，一般还会涉及到另外一个编码器的性能指标—“可重复性”。精度是指测量值与真实值之间的接近程度，不与标准进行比较，精度就无从谈起。“可重复性”是指在外部状态不变的情况下，重现相同结果的能力。某些情况下, “可重复性”可能比精度更加重要。这是因为，如果系统具有可重复性，那么可以通过补偿取消掉误差。一般来说编码器的可重复性被定义为编码器精度的倍率，常常是5到10倍的编码器精度值。

下边我们通过一幅图来感受一下三者的关系:





而我们通常讨论精度的时候，常常将“精度”和“可重复性”二者合二为一，我们往往认为精度更倾向于用“真实度”来表示。当我们讨论精度时往往指的是“可重复性高的高精度”。

影响编码器分辨率的因素

一个编码器的分辨率依赖于其编码器的刻线数(增量编码器)或者编码器码盘模式(绝对值编码器)。一般来说，分辨率是一个固定值，一旦编码器被制造出来就没办法再增加刻线数或者编码。但是增量编码器可以通过信号细分来增加分辨率，例如，方波增量编码器(HTL/TTL)输出增量方波信号，通过每次记录每个增量通道(信号A)的上升沿和下降沿，可以提高两倍的编码器分辨率。这样当我们记录两个通道(信号A和B)的上升沿和下降沿时，我们可以提高四倍的编码器分辨率(4倍频)，如下图所示。



对于采用sin/cos信号的编码器，相对于方波信 号，我们可以通过θ来对电信号进行细分以提供更高的分辨率，如下图所示。



影响编码器精度的因素

当编码器的线数和测量单位确定以后，精度受到这些刻线或者测量单位的宽度和间距的影响，不一致的宽度或者间距会导致脉冲的误差。同时，一些外部因素同样会影响编码器的精度。旋转编码器的精度主要取决以下几方面：

1)  径向光栅的方向偏差

2)  刻线码盘相对轴承的偏心

3)  轴承径向偏差

4)  与联轴器的连接导致的误差

对于直线编码器来说，由于温度引起的刻线和安装表面的扩张同样会影响编码器的精度，一致的宽度和测量间隙是影响增量编码器精度的关键因素。

对于伺服电机编码器来说，分辨率与精度的关系非常容易让人混淆。精度主要取决于编码器的制造工艺，而分辨率可以通过细分来提高，但不是说高的分辨率就代表编码器可以达到高的精度。例如:通过使用sin/cos增量信号，西门子伺服电机编码器可以将分辨率提高到高达24位(分辨率16777216)，转换后编码器可以描述的最小单位为0.07角秒,但是其物理精度仅仅可以达到±40角秒，分辨率能提供的精度远大于编码器的实际物理精度。



但是对于使用HTL或者TTL类型的西门子伺服电机编码器来说，分辨率只能提高4倍。如 1024 SR或者2048 SR类型编码器，可提供的最高分辨率为 4096 或者 8192，转换后编码器可以描述的最小单位为 5.27角分或者 2.63角分，但是其物理精度可以提供达到±1角分, 分辨率提供的精度小于编码器的实际物理精度。



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