伺服編碼器的分辨率和精度及影響因素

伺服編碼器的分辨率和精度及影響因素
對於伺服控製係統都需要配備速度反饋及位置反饋的編碼器，我們在選擇編碼器時，不僅要考慮編碼器的類型，還要考慮編碼器的接口、分辨率、精度、防護等級等方麵，以滿足用戶的控製要求。尤其是編碼器的分辨率和精度與運動控製有著密切的聯係，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計數單位之間產生的距離，它是編碼器可以測量到的最小的距離。
對於旋轉編碼器來說，分辨率一般定義為編碼器旋轉一圈所測量的單位或者脈衝(如,PPR)。而對於直線編碼器來說，分辨率常常被定義為兩個量化單位之間產生的距離，通常給定的單位是微米(μm)或者納米(nm)。
絕對值編碼器分辨率一般被定義為位的形式，因為絕對值編碼器輸出是基於編碼器實際位置的二進製“字”。一位是一個二進製單位，如16位等於216，或者65536。因此，一個16位編碼器每圈提供65536個量化單位。
2、精度
精度用於衡量正常情況下實際值和設定值之間可重複的平均偏差的量值，對於旋轉編碼器來說，一般被定義為角秒或者角分，同時對於直線編碼器來說精度一般為微米。
一個很重要的需要注意的一點是，高的分辨率並不代表高的精度。例如，兩個同樣精度的旋轉編碼器,一個分辨率是3600 PPR, 而另外一個是10000 PPR。低分辨率的編碼器(3600 PPR)可以提供 0.1°的測量距離，而高分辨率的編碼器可以提供一個更小的測量距離，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獨立的概念，如上圖所示，兩個編碼器具有相同的分辨率(24PPR)但是具有不同的精度。
當我們討論精度的時候，一般還會涉及到另外一個編碼器的性能指標—“可重複性”。精度是指測量值與真實值之間的接近程度，不與標準進行比較，精度就無從談起。“可重複性”是指在外部狀態不變的情況下，重現相同結果的能力。
某些情況下, “可重複性”可能比精度更加重要。這是因為，如果係統具有可重複性，那麼可以通過補償取消掉誤差。一般來說編碼器的可重複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。
下邊我們通過一幅圖來感受一下三者的關係:


而我們通常討論精度的時候，常常將“精度”和“可重複性”二者合二為一，我們往往認為精度更傾向於用“真實度”來表示。當我們討論精度時往往指的是“可重複性高的高精度”。
3、影響編碼器分辨率的因素
一個編碼器的分辨率依賴於其編碼器的刻線數(增量編碼器)或者編碼器碼盤模式(絕對值編碼器)。一般來說，分辨率是一個固定值，一旦編碼器被製造出來就沒辦法再增加刻線數或者編碼。
但是增量編碼器可以通過信號細分來增加分辨率，例如，方波增量編碼器(HTL/TTL)輸出增量方波信號，通過每次記錄每個增量通道(信號A)的上升沿和下降沿，可以提高兩倍的編碼器分辨率。這樣當我們記錄兩個通道(信號A和B)的上升沿和下降沿時，我們可以提高四倍的編碼器分辨率(4倍頻)，如下圖所示。

對於采用sin/cos信號的編碼器，相對於方波信 號，我們可以通過θ來對電信號進行細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
當編碼器的線數和測量單位確定以後，精度受到這些刻線或者測量單位的寬度和間距的影響，不一致的寬度或者間距會導致脈衝的誤差。同時，一些外部因素同樣會影響編碼器的精度。旋轉編碼器的精度主要取決以下幾方麵：
1) 徑向光柵的方向偏差
2) 刻線碼盤相對軸承的偏心
3) 軸承徑向偏差
4) 與聯軸器的連接導致的誤差
對於直線編碼器來說，由於溫度引起的刻線和安裝表麵的擴張同樣會影響編碼器的精度，一致的寬度和測量間隙是影響增量編碼器精度的關鍵因素。
對於伺服電機編碼器來說，分辨率與精度的關係非常容易讓人混淆。精度主要取決於編碼器的製造工藝，而分辨率可以通過細分來提高，但不是說高的分辨率就代表編碼器可以達到高的精度。例如:通過使用sin/cos增量信號，西門子伺服電機編碼器可以將分辨率提高到高達24位(分辨率16777216)，轉換後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到±40角秒，分辨率能提供的精度遠大於編碼器的實際物理精度。

但是對於使用HTL或者TTL類型的西門子伺服電機編碼器來說，分辨率隻能提高4倍。如 1024 SR或者2048 SR類型編碼器，可提供的最高分辨率為 4096 或者 8192，轉換後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到±1角分, 分辨率提供的精度小於編碼器的實際物理精度。