【導(dǎo)讀】

眾所周知，對(duì)于伺服控制系統(tǒng)都需要配備速度反饋及位置反饋的編碼器，我們?cè)谶x擇編碼器時(shí)，不僅要考慮編碼器的類(lèi)型，還要考慮編碼器的接口、分辨率、精度、防護(hù)等級(jí)等方面，以滿(mǎn)足用戶(hù)的控制要求。尤其是編碼器的分辨率和精度與運(yùn)動(dòng)控制有著密切的聯(lián)系，今天我們就跟大家聊聊伺服編碼器的分辨率和精度。

1、分辨率

分辨率是指編碼器每個(gè)計(jì)數(shù)單位之間產(chǎn)生的距離，它是編碼器可以測(cè)量到的最小的距離。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)說(shuō)，分辨率一般定義為編碼器旋轉(zhuǎn)一圈所測(cè)量的單位或者脈沖(如,PPR)。而對(duì)于直線編碼器來(lái)說(shuō)，分辨率常常被定義為兩個(gè)量化單位之間產(chǎn)生的距離，通常給定的單位是微米(μm)或者納米(nm)。

絕對(duì)值編碼器分辨率一般被定義為位的形式，因?yàn)榻^對(duì)值編碼器輸出是基于編碼器實(shí)際位置的二進(jìn)制“字”。一位是一個(gè)二進(jìn)制單位，如16位等于216，或者65536。因此，一個(gè)16位編碼器每圈提供65536個(gè)量化單位。

2、精度

精度用于衡量正常情況下實(shí)際值和設(shè)定值之間可重復(fù)的平均偏差的量值，對(duì)于旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)說(shuō)，一般被定義為角秒或者角分，同時(shí)對(duì)于直線編碼器來(lái)說(shuō)精度一般為微米。

一個(gè)很重要的需要注意的一點(diǎn)是，高的分辨率并不代表高的精度。例如，兩個(gè)同樣精度的旋轉(zhuǎn)編碼器,一個(gè)分辨率是3600PPR,而另外一個(gè)是10000PPR。低分辨率的編碼器(3600PPR)可以提供0.1°的測(cè)量距離，而高分辨率的編碼器可以提供一個(gè)更小的測(cè)量距離，但是二者的精度是相同的，高分辨率編碼器僅僅是具有將0.1°縮小到更小的增量距離的能力。

編碼器分辨率和精度是兩個(gè)獨(dú)立的概念，如上圖所示，兩個(gè)編碼器具有相同的分辨率(24PPR)但是具有不同的精度。

當(dāng)我們討論精度的時(shí)候，一般還會(huì)涉及到另外一個(gè)編碼器的性能指標(biāo)—“可重復(fù)性”。精度是指測(cè)量值與真實(shí)值之間的接近程度，不與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，精度就無(wú)從談起。“可重復(fù)性”是指在外部狀態(tài)不變的情況下，重現(xiàn)相同結(jié)果的能力。

某些情況下,“可重復(fù)性”可能比精度更加重要。這是因?yàn)?，如果系統(tǒng)具有可重復(fù)性，那么可以通過(guò)補(bǔ)償取消掉誤差。一般來(lái)說(shuō)編碼器的可重復(fù)性被定義為編碼器精度的倍率，常常是5到10倍的編碼器精度值。

下邊我們通過(guò)一幅圖來(lái)感受一下三者的關(guān)系:

而我們通常討論精度的時(shí)候，常常將“精度”和“可重復(fù)性”二者合二為一，我們往往認(rèn)為精度更傾向于用“真實(shí)度”來(lái)表示。當(dāng)我們討論精度時(shí)往往指的是“可重復(fù)性高的高精度”。

3、影響編碼器分辨率的因素

一個(gè)編碼器的分辨率依賴(lài)于其編碼器的刻線數(shù)(增量編碼器)或者編碼器碼盤(pán)模式(絕對(duì)值編碼器)。一般來(lái)說(shuō)，分辨率是一個(gè)固定值，一旦編碼器被制造出來(lái)就沒(méi)辦法再增加刻線數(shù)或者編碼。

但是增量編碼器可以通過(guò)信號(hào)細(xì)分來(lái)增加分辨率，例如，方波增量編碼器(HTL/TTL)輸出增量方波信號(hào)，通過(guò)每次記錄每個(gè)增量通道(信號(hào)A)的上升沿和下降沿，可以提高兩倍的編碼器分辨率。這樣當(dāng)我們記錄兩個(gè)通道(信號(hào)A和B)的上升沿和下降沿時(shí)，我們可以提高四倍的編碼器分辨率(4倍頻)，如下圖所示。

對(duì)于采用sin/cos信號(hào)的編碼器，相對(duì)于方波信號(hào)，我們可以通過(guò)θ來(lái)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行細(xì)分以提供更高的分辨率，如下圖所示。

4、影響編碼器精度的因素

當(dāng)編碼器的線數(shù)和測(cè)量單位確定以后，精度受到這些刻線或者測(cè)量單位的寬度和間距的影響，不一致的寬度或者間距會(huì)導(dǎo)致脈沖的誤差。同時(shí)，一些外部因素同樣會(huì)影響編碼器的精度。旋轉(zhuǎn)編碼器的精度主要取決以下幾方面：

1)徑向光柵的方向偏差

2)刻線碼盤(pán)相對(duì)軸承的偏心

3)軸承徑向偏差

4)與聯(lián)軸器的連接導(dǎo)致的誤差

對(duì)于直線編碼器來(lái)說(shuō)，由于溫度引起的刻線和安裝表面的擴(kuò)張同樣會(huì)影響編碼器的精度，一致的寬度和測(cè)量間隙是影響增量編碼器精度的關(guān)鍵因素。

對(duì)于伺服電機(jī)編碼器來(lái)說(shuō)，分辨率與精度的關(guān)系非常容易讓人混淆。精度主要取決于編碼器的制造工藝，而分辨率可以通過(guò)細(xì)分來(lái)提高，但不是說(shuō)高的分辨率就代表編碼器可以達(dá)到高的精度。例如:通過(guò)使用sin/cos增量信號(hào)，西門(mén)子伺服電機(jī)編碼器可以將分辨率提高到高達(dá)24位(分辨率16777216)，轉(zhuǎn)換后編碼器可以描述的最小單位為0.07角秒,但是其物理精度僅僅可以達(dá)到±40角秒，分辨率能提供的精度遠(yuǎn)大于編碼器的實(shí)際物理精度。

但是對(duì)于使用HTL或者TTL類(lèi)型的西門(mén)子伺服電機(jī)編碼器來(lái)說(shuō)，分辨率只能提高4倍。如1024SR或者2048SR類(lèi)型編碼器，可提供的最高分辨率為4096或者8192，轉(zhuǎn)換后編碼器可以描述的最小單位為5.27角分或者2.63角分，但是其物理精度可以提供達(dá)到±1角分,分辨率提供的精度小于編碼器的實(shí)際物理精度。