技术精讲一篇文章带你精通编码器分辨率与精度

1、技术精讲一篇文章带你精通编码器分辨率与精度小广告：启程自动化培训 专注于自动化系统集成技术 培训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

2、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

3、， 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。正余弦信号sincos，可通过变化量与相位角细分 例如，德国 Heidenhain 的 ROD426 的 3600 线编码器，方波 输出，就是3600ppr，脉冲周期0.1度，通过A相B相4倍 频后，可获得 0.025 度的测量步距；而其提供的精度参数为 18角秒（ 0.005度）。 如果是 ROD486 的 3600线的正余 弦信号输出，可进行 25倍的电子细分，获

4、得 90000 的脉冲（ppr）， 0.004度的脉冲周期，通过 A/B 相的四倍频，可获 得 0.001 度最小测量步距的分辨率，而其原始编码器的精度 为 18 角秒（ 0.005 度，不含细分误差） 。 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，例如仍以德国海德汉的 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

5、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 2.55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

6、的影响污染，衰减。 例如光学码盘 ,首先是母板的刻线精度 ,Heidenhain 的母板据 说其是在地下几十米双悬浮工作室内加工的，对于外界各种 因素的影响减小到最小，甚至要考虑到海浪的次声波和远处 汽车引擎的振动， 为此，很多编码器厂家甚至向其购买母板。 其次，加工的过程，光学成像的时间，温度，物理化学的变 化，污染等，都会影响到码盘刻线的宽度和边缘性。所以， 即使是一样的码盘刻线数，各家能做到的精度也是不同的。 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。例如，就轴承的结构而 言，单轴承支

7、撑结构的轴承偏差无法消除，而且经使用后偏 差会更大，而双轴承结构或多支承结构，可有效降低单个轴承的偏差。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； 例如，如果电子细分，也会带来的误差，按照德国海德汉提 供的介绍，海德汉编码器的细分电气误差与正余弦曲线的误 差约在原始刻线宽度的 1%左右。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

8、。最常见的是我们自己使 用安装的方法与安装结果的偏差。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

9、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。 那么为什么我们有时候感到细分后，对于加工精度是提高的 呢？这里有几个因素： 1细分前，精度远优于分辨率，细分后可以将精度用的更 充分，例如前面介绍的 ROD486 ，细分前 3600 刻线，分辨度（Step）步距为0.025度，按照土 1步距来看，其使用精度仅 达到 0.05 度，而精度为 18角秒，细分后，在 18角秒前，是 可以提高精度的使用的，这样，给我们的感觉是，细分“提 高了精度”。但如果细分倍数再高，其使用精度就无法超越 18 角秒。2目前大部分的运动控制是用速度环控制的，细分

10、提高了 分辨率，是可以提高速度环的精度的（下篇讨论） ，带来的 最终加工效果看，似乎也是精度提高了。这样，给我们同样 的感觉是“细分提高了精度” 。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

11、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 58 毫米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。 【 1】常见自动化仪表术语中英文对照 【2】现场经验 |图文形式分享常见电气柜成套所存在的问题 【3】现场经验 |图文形式分享常见电气柜成套所存在的问题 【 4】机器人 |日本机器人在德国奥迪工厂！哪家机器人公司 这么强？【视频】【5】 SpaceX 再创奇迹，实现史上首次海上回收火箭，马斯 克要上天【6】专家课程西门子博途TIA SCL 高级编程班报名中【7】技术分享