US digital編碼器,編碼器的分辨率,精度,精確度,在為運動控制系統選擇編碼器時，您會面臨許多技術術語。可用的數據量可能令人不知所措。哪些關鍵術語應該首先關注，哪些可以稍后再考慮？

本文探討了三個值得您關注的重要概念：分辨率、精度和精確度。

乍一看，這三個術語似乎意思相近。您可能會懷疑它們是否可以互換；事實上，許多人確實將它們視為可以互換的術語。畢竟，如果編碼器具有高分辨率，這是否意味著它是精確的？如果它是精確的，那么它一定也是準確的，對嗎？（請注意：這兩個問題的答案都是否定的。）

實際上，這些術語是相互獨立的。每個術語都指代編碼器的特定特性，它們不能互換。為了澄清任何混淆，我們將首先解釋分辨率在增量編碼器中的含義，然后指出線性和絕對編碼器的不同之處。接著我們將討論精度，最后是精確度。在此過程中，我們將提供一些建議，幫助您利用每個術語的知識做出最佳的編碼器選擇，并在編碼器安裝后如何校準系統。

分辨率

在數學、科學和工程中，分辨率指的是可以測量或觀察到的最小距離。

增量編碼器與分辨率
制造增量編碼器時，制造商會在磁盤上創建一個圖案。該圖案將磁盤劃分為不同的區域。例如，一種常見的圖案是在透明磁盤上印刷的線條和窗口。

當LED將光線投射到磁盤上時，光線會照射到窗口或線條。窗口允許光線通過磁盤到達另一側的光電傳感器，而線條則會阻擋光線。隨著磁盤旋轉，編碼器模塊的輸出——通道A——是一系列高低信號；信號的值取決于光電傳感器是否接收到光線（高）或沒有接收到光線（低）。

通道A的輸出波形如下所示：

增量編碼器輸出波形

分辨率，當應用于光學編碼器時，指定了每轉輸出信號變為高電平的次數。這個數字可以與磁盤上的線條數量相匹配；或者，特別是在高分辨率的情況下，它可以是線條數量的倍數。（我們將在下面的可擴展性部分進一步討論這一點。）

磁盤上的線條數量始終與分辨率相關。典型值范圍從低數值如32或64到更高的分辨率，如5,000或10,000甚至更高。

下圖顯示了幾個編碼器磁盤：左側是較低分辨率，右側是較高分辨率。

編碼器磁盤

編碼器的分辨率以**每轉周期數（CPR）**為單位進行測量。周期這個詞既有物理意義，也有電氣意義。

-物理上，在磁盤上，一個周期由一條線和一個窗口組成；因此，在最基本的形式中，CPR與線條數量、窗口數量或線/窗口對的數量相同。

-電氣上，一個周期指的是編碼器輸出波形的一個完整周期：一個高脈沖和一個低脈沖。一個周期等于360°電氣角度。

因此，CPR可以指磁盤上的線條和窗口數量，或者每轉的電氣周期數。原生CPR在這兩種情況下是相同的數字，因為每個線/窗口對正是生成每個電氣周期的原因。

CPR還告訴我們可測量的最小距離。將360°機械角度除以每轉的周期數，結果將是每個周期的機械角度。例如，對于分辨率為3,600 CPR的編碼器：

360°/轉 = 0.1°/周期
3,600 周期/轉

雖然每轉周期數（CPR）是用于指定增量編碼器分辨率的常見術語，但一些制造商使用諸如“每轉計數（CPR）”、“每轉脈沖數（PPR）”或“每轉位置數（PPR）”等術語。為了避免混淆，在本文中我們將使用每轉周期數（CPR）。

在下一節中，我們將使用PPR來表示每轉脈沖數——但在不同的上下文中：分辨率倍增。

分辨率倍增

磁盤的分辨率與物理現實相關——磁盤上的物理線條。在最基本的形式中，線條的數量就是分辨率。然而，運動控制器可以解釋由這些線條產生的輸出波形，并產生更高的分辨率——從同一個磁盤上。

增量編碼器通常使用正交編碼。制造商添加了另一個LED和光電傳感器，與第一個LED相隔90°電氣角度。請注意，90°電氣角度是1/4相位或象限——這就是正交名稱的由來。

帶有2個光電傳感器和LED的編碼器磁盤

這產生了第二個輸出波形，通道B，與通道A相差90°電氣角度。

添加通道B帶來了兩個重要結果：

-方向現在可以確定：例如，“A領先B”可以表示順時針旋轉。

-更重要的是，與我們的討論相關——分辨率可以乘以2或4倍。

使用通道A和B的偏移波形實現4倍倍增

這被稱為分辨率倍增。系統設計人員可以通過使用編碼器計數器接口芯片（如LS7183N）來實現這一點。

舉個例子，假設我們有一個磁盤上有100條線和窗口的編碼器。編碼器的分辨率為100 CPR。

x1——如果我們計算磁盤旋轉時每個通道A脈沖的上升沿，我們將得到100個脈沖/轉（100 PPR）。這與100 CPR的分辨率相同，正如預期的1倍倍增。

x2——如果我們計算通道A的每個上升沿和下降沿，我們將得到每個周期2個脈沖，總計200個脈沖/轉（200 PPR）。

x4——如果我們計算通道A和通道B的每個上升沿和下降沿，我們將得到每個周期4個脈沖，總計400個脈沖/轉（400 PPR）。

請注意，我們并沒有改變磁盤的分辨率；它仍然由每轉周期數決定。但通過以不同的方式解碼輸出波形，我們能夠獲得比磁盤上線條數量多4倍的脈沖/轉。

線性編碼器與分辨率

到目前為止，我們討論的所有關于分辨率的內容也適用于增量線性編碼器。這是有道理的；線性編碼器使用線性條帶，相當于沿半徑切割并拉直的圓形磁盤。線性編碼器的分辨率使用每英寸周期數（CPI）來表示，盡管有時也使用每英寸線數（LPI）。

絕對編碼器與分辨率

到目前為止，我們討論的是增量光學編碼器，其線條和窗口表示磁盤上的相對位置；每個線/窗口對看起來都與其他線/窗口對相同。它們彼此無法區分。重要的是當每條線和窗口經過傳感器時產生的高/低輸出轉換。

絕對編碼器的操作方式不同。它們為磁盤上的每個位置輸出一個唯一的代碼——每個代碼都是絕對的，這意味著它與磁盤上的任何其他代碼不同，指定了磁盤上的唯一絕對位置。下圖顯示了一個傳統絕對編碼器的磁盤。它有四個軌道，以及一個LED陣列，傳感器從每個軌道讀取圖案。

絕對編碼器的分辨率定義為磁盤旋轉360°時的每轉位置數。有時也使用等效術語每轉代碼數。

您經常會看到絕對編碼器的分辨率以位數表示。例如，上圖中的磁盤具有4位分辨率，每個位置從四個軌道中的每一個產生一個位。更高的分辨率將需要更多的軌道；例如，10位分辨率將需要10個軌道。

在某些設計中，每個絕對編碼器都設置為一個特定的分辨率。然而，一些制造商采用不同的方法，制作具有單一帶的磁盤，每個位置包含一個獨特的條形碼，如下圖所示。

帶有條形碼的絕對編碼器可以提供可編程分辨率：例如，一個12位編碼器（每轉4,096個位置）可以編程為輸出從2到4,096個代碼/轉。下表顯示了分辨率位數與每轉位置數以及每個位置的旋轉角度之間的關系。

分辨率（位）? ? ? ? ? ? ?每轉位置數? ? ? ? ? ? ? ?每個位置的旋轉角度
8位? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?256? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1.41°
10位? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1,024? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.35°
12位? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?4,096? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.09°
對于12位絕對編碼器，請注意每個唯一位置占據磁盤圓周的不到1/10度，即不到6弧分。

絕對編碼器不使用正交編碼，因此沒有增量編碼器中可用的分辨率倍增等效功能。

可擴展性：磁盤尺寸與編碼器分辨率

小型化是產品開發中的一個強勁趨勢。設計人員通常試圖將更多功能集成到越來越小的封裝中。這導致了對微型編碼器的需求，以滿足尺寸減小的要求。減小編碼器尺寸是否會降低可用分辨率？對于傳統編碼器，答案是肯定的。

上圖顯示，對于傳統編碼器，高分辨率需要編碼器磁盤上有更多的線條。如果沒有足夠的空間容納這些線條，那么唯一的解決方案是制作更大的磁盤。要將分辨率提高一倍，您必須將磁盤的直徑增加一倍。

然而，隨著新技術的出現，制造商可以在不增加磁盤尺寸的情況下提高磁盤的分辨率。這被稱為可擴展性，它非常適合小型化。

上圖顯示了一個1英寸的磁盤，具有1,250條線（1,250 CPR）。通過電子插值技術（在編碼器內部進行的信號處理），CPR可以通過x2插值增加到2,500 CPR；通過x4插值增加到5,000 CPR。

在這個例子中，通過使用插值和可擴展性，我們從同一個小型編碼器磁盤中實現了兩個越來越高的分辨率。

此外，使用分辨率倍增（前面討論過），5,000 CPR的編碼器可以被解碼為產生10,000個脈沖/轉（PPR）或20,000 PPR。

然而，并非所有編碼器技術都具有相同的可擴展性：

–透射式光學編碼器——非常可擴展

-反射式光學編碼器——非常可擴展

-磁性編碼器——可擴展

-電容式編碼器——不易擴展

光學編碼器是最靈活的，最適合小型化。然而，對于電容式編碼器，可擴展性要難得多；在大多數情況下，要獲得更高的分辨率，您必須購買更大的編碼器——如果有的話。

插值是實現可擴展性的一種絕佳方式，但也有其局限性。在越來越高的分辨率下，抖動可能會成為問題，波形對稱性可能會受到影響。

如果您希望在小型封裝中獲得更高的分辨率，請與您的編碼器制造商合作。他們可能會為您提供定制解決方案，既能滿足您所需的分辨率，又能避免抖動或電氣噪聲引起的信號退化。

您需要多少分辨率？

任何特定型號的編碼器都可能提供一系列分辨率。例如，快速調查制造商可能會顯示，單個編碼器提供20種不同的分辨率，范圍從64 CPR到10,000 CPR。

最佳實踐是否總是選擇最高分辨率？令人驚訝的是，答案是否定的。通常，最好評估您的應用，并選擇能夠滿足您需求的最低分辨率——即使有更高的分辨率可用。

以下是一些高分辨率可能不是最佳選擇的原因：

-成本：更高的分辨率可能更昂貴。

-處理時間：讀取每個周期需要時間。更高的CPR = 更多時間。

-高速應用：讀取每個周期的可用時間更短。

-抖動：敏感系統可能會對高分辨率信息過度響應。

-尺寸：在某些情況下，更高的分辨率可能會影響尺寸。

分辨率與精度：預覽

在選擇分辨率時，新手設計人員可能會查看可用分辨率范圍中的特定選項，并說：“不，我需要比這更高的精度。”設計人員真正想表達的可能是：“我需要更高的分辨率。”

分辨率和精度：這兩個術語經常被誤解并互換使用——但它們并不相同。有什么區別？我們將在下一節介紹精度，然后重新審視分辨率與精度之間的關系。

精度

編碼器旨在提供關于位置的反饋，這些反饋用于計算角度、距離和速度。當您命令系統移動并停在特定位置時，您可能會想：編碼器是否從確切的目標位置報告？或者它是否超出了目標位置，或者未達到目標位置？

精度是用來描述目標位置與實際位置之間差異的術語。在理想情況下，它們應該是相同的——但在現實世界中，存在差異。實際位置——編碼器實際所在的位置——可能與目標位置相差一小部分，如編碼器精度規格中所示的范圍。

測量編碼器精度涉及一個細致的程序，需要精密校準的設備。例如，您可以使用第二個高度精確的“校準”編碼器來測量中等精度的編碼器。如果您記錄每個編碼器位置的目標與實際位置，然后評估結果，您可以確定被測編碼器的精度。（如果您通過第二次或第三次旋轉評估編碼器，結果會相同嗎？請參見下面的精確度部分。）

對于旋轉編碼器，精度以度、弧分或弧秒為單位進行測量。使用哪種單位取決于被測編碼器。對于低精度編碼器，度可能足夠；對于中等精度編碼器，使用分數度或弧分；而對于超高精度編碼器，則可能使用弧秒。

例如，以下是一個絕對光學軸編碼器的規格：

典型值? ? ? ? ? ? ?最大值? ? ? ? ? ? ?單位
絕對精度? ? ? ? 0.18? ? ? ? ? ? ? ? ? 0.25? ? ? ? ? ? ? ? ?度
在這種情況下，編碼器的典型精度為0.18度，等于10.8弧分。

以下是另一個制造商對另一個編碼器（光學增量無軸模型）的精度規格：

典型值? ? ? ? ? ? ?最大值? ? ? ? ? ? ? 單位
位置誤差? ? ? ? ?10? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 40? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 弧分
該制造商使用位置誤差來表示精度，以弧分為單位。它是實際軸位置與編碼器周期計數指示的位置之間的角度差異。

這兩個編碼器的典型精度相似，大約為0.18度或10弧分。

誰控制精度？——編碼器規格與系統精度
您可能會考慮評估編碼器的精度規格，但精度并不止于此。編碼器通常是更大運動控制系統的一部分。系統的非編碼器部分可能對整體系統精度產生重大影響。

編碼器制造商控制一些影響精度的因素，而最終用戶控制應用特定的因素。

制造商控制的因素：

-圖案在磁盤上的位置：居中或偏心

-輪轂與磁盤的安裝

-磁盤與軸的安裝（對于軸式編碼器）

-光學元件的對齊

 

最終用戶控制的因素：

-編碼器磁盤與電機軸的安裝（對于編碼器套件）

-編碼器模塊的安裝（對于編碼器套件）

-編碼器與系統的耦合（對于軸式編碼器）

-安裝結構的穩定性/剛性

-齒輪公差和間隙

-電機軸承的游隙

-機械部件的軸向、徑向、側向等運動

-振動、溫度、金屬疲勞、腐蝕等

 

從上面的部分列表中可以看出，編碼器精度的變化可能只是整個系統精度的一小部分。

 

您需要多少精度？

正如上面的列表所示，整個系統的精度可能遠低于編碼器。在系統精度較低的應用中，編碼器精度可能只需要單調性——隨著編碼器旋轉，計數不斷增加或不斷減少。

單調計數：…127…128…129…130…131…132…

非單調計數：…127…128…129…128…132…131…

低精度編碼器可能成本較低，只要它提供可靠、單調的計數，它可能就是您所需要的。

隨著整體系統精度的提高，可能需要中等精度的編碼器。對于大多數應用來說，編碼器精度在0.1°或8-10弧分范圍內是足夠的。上面討論的兩個示例編碼器都在這個范圍內，并且價格合理。

對于具有極其嚴格公差的應用，可以使用精度規格為弧秒的高精度編碼器——但隨著精度的提高，成本也會相應增加。

 

分辨率與精度：重新審視

回想一下在分辨率部分末尾提到的新手設計人員，他在選擇編碼器分辨率時說：“不，我需要比這更高的精度。”我們現在可以澄清分辨率和精度之間的常見混淆。

讓我們考慮一個制造商提供的兩種磁性絕對編碼器，一種具有12位分辨率，另一種具有10位分辨率。

從零開始，以下是每個編碼器在磁盤旋轉時可以報告的前9個位置（以度為單位，部分數字省略以便清晰）：

12位? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?10位
0.000000? ? ? ? ? ? ? ? ?0.000000
0.09? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?…
0.18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? …
0.351562? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.351562
0.45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? …
0.54? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? …
0.63? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? …
0.703125? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.703125
12位編碼器可以報告4,096個位置/轉，是10位編碼器1,024個位置的4倍。在0.0位置之后，12位編碼器報告其第四次讀數時，10位編碼器才報告其第一次讀數。

那么哪個編碼器更精確？以下是制造商在編碼器數據表中的說明：

“雖然兩個編碼器的精度相同，但12位版本提供了更高的分辨率。”

精度是相同的。這個例子表明，精度和分辨率是彼此獨立的。一個術語——精度——描述了目標位置與實際位置之間的差異。另一個術語——分辨率——描述了磁盤的細分程度。這些是獨立的屬性。

如果我們的新手設計人員需要一個能夠每十分之一度報告位置的編碼器，那么設計人員需要的是更高的分辨率，而不是更高的精度——12位編碼器將是一個不錯的選擇。

 

精確度

正如我們在精度部分中看到的，為了確定編碼器的精度，我們可以將編碼器旋轉360°并記錄每個編碼器計數位置的精度——目標位置與實際位置之間的角度差異。

如果我們第二次旋轉并再次測量精度會發生什么？我們是否在每個位置獲得相同的位置誤差？第三次、第四次或第五次旋轉后呢？位置誤差是否可重復，或者是否變化？

精確度是描述測量重復性的術語。它是連續測量之間的差異量。

考慮兩個射箭運動員在比賽中射出的箭。哪個運動員更準確？

令人驚訝的是，兩個目標的平均精度相似。左側所有箭的平均位置在靶心的中心，與右側緊密分組的箭相同。兩者之間的區別在于射擊的精確度。左側的組是準確的，但不精確。右側的組既準確又精確。

現在讓我們看看另外兩個射箭運動員射出的箭。哪個運動員更精確？

兩個運動員的精確度相同。左側的箭是精確的——但它們不準確。右側的組再次既準確又精確。

 

精確度的應用

精確度是連續測量之間的差異量。具有可重復位置誤差的編碼器可能具有良好的精確度，即使它可能不是完全準確的。在這種情況下，可以使用精確度來補償編碼器的不準確性。

例如，讓我們看看兩個編碼器的連續測量結果。目標軸角度為45.00°。

測量編號? ? ? ? ? ? ?目標軸角度? ? ? ? ? 編碼器1實際軸角度? ? ? ? ?編碼器2實際軸角度
1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? 44.20°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 45.80°
2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.30°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.20°
3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.25°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.30°
4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.20°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 44.25°
5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.30°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.75°
每個編碼器的位置誤差約為0.75°，但雖然編碼器2的誤差沒有可重復的模式，編碼器1更精確——它的誤差始終為-0.75°，平均而言。

編碼器1的精確度可以很好地利用。可以在每個位置記錄誤差，并使用這些測量值來補償編碼器報告的位置。例如，將0.75°添加到上表中的每個測量值，將報告以下位置：

測量編號? ? ? ? ? ? ?目標軸角度? ? ? ? ? ? ?編碼器1實際軸角度? ? ? ? ? ?編碼器1補償軸角度
1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.20°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 44.95°
2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.30°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.05°
3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.25°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.00°
4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 44.20°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?44.95°
5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.00°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 44.30°? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?45.05°
編碼器1現在將報告一個補償位置，與實際位置的偏差在0.05°以內，這比其未補償的平均讀數-0.75°要精確得多。

事實上，這種補償技術用于制造高精度編碼器。這些編碼器按照標準制造，確保無論它們有什么誤差，都是可重復的。它們的精確度用于創建誤差補償的查找表，該表應用于編碼器報告的每個位置。

 

整個系統的精確度

精確度的概念適用于運動控制系統的每個組件，而不僅僅是編碼器。例如，考慮一個定長切割應用。編碼器連接到驅動滾珠絲杠和執行器的電機，執行器定位電線進行切割。

假設系統設置為在12.00英寸處切割電線。切割前4根電線后，測量結果如下：

11.81英寸

11.82英寸

11.80英寸

11.81英寸

電線始終短約0.20英寸。誤差來自哪里？它可能來自系統的任何地方——或者所有地方：編碼器本身、電機、滾珠絲杠螺紋中的游隙或線性滑軌軸承中的游隙。

由于讀數之間的差異很小，系統具有良好的精確度。這可以用于校準應用；可以將0.20英寸添加到最終目標位置12.00英寸，以達到12.20英寸的補償位置。當電線被切割時，它們將非常接近所需的12.00英寸長度。

結論

我們討論了與編碼器相關的三個最重要的概念。

分辨率——編碼器每轉的周期數或每英寸的周期數

精度——目標位置與實際報告位置之間的差異

精確度——重復測量之間的差異

雖然這些術語看起來可以互換，但它們實際上是相互獨立的。理解分辨率、精度和精確度將幫助您在選擇編碼器時做出決策。

http://ydzhly.com/us-digital/US digital編碼器,編碼器的分辨率,精度,精確度/

https://www.bilibili.com/opus/1024388376283840516