编码器的分辨率，准确性和精度|2019-09-11 |集会

在为运动控制系统选择编码器时，你会遇到许多技术术语。数据量可能是压倒性的。哪些条款应该优先考虑，哪些可以推迟?这三个概念值得你注意:分辨率、准确度和精度。

乍一看，似乎所有三个意味着大致相同的事情。你可能想知道他们是否可以互换;实际上，很多人都谈到他们，好像是。毕竟，如果编码器具有高分辨率，那么这意味着它准确了？如果它准确，那么它必须精确，对吧？这些问题的答案是一个公司没有。

事实上，这些术语彼此独立。每个指的是特定的编码器特性，并且它们不可互换。要清除任何混淆，我们将解释一下决议
方法的增量编码器，然后注意任何差异的线性和绝对编码器。我们将继续精确度，以精确度完成。在此过程中，我们将给出关于如何使用关于每个术语的知识来选择最佳编码器的技巧，以及如何在编码器就位后校准系统。

决议

在数学、科学和工程中，分辨率是指可以测量或观测到的最小距离。

要制作一个增量编码器，制造商将创建一个带有模式的磁盘。该模式将磁盘划分为不同的区域。例如，一个常见模式由印刷的线条和窗口组成
透明磁盘。

当LED灯投射在磁盘上时，光线要么照射到窗户上，要么照射到线条上。窗户允许光线穿过磁盘到达另一侧的感光器。线路挡住了光线。当磁盘旋转时，编码器模块通道a输出的是一系列高、低信号;它们的值取决于感光器是否接收光(高)或
不是（低）。

当应用于光编码器时，分辨率指定输出信号每转高的次数。这个数字可以与磁盘上的行数匹配;或者，特别是具有更高的分辨率，它可以是线数的倍数。

磁盘上的行数总是与分辨率相关。典型值范围从32或64这样的小数字到大得多的数字
5千或1万以上的决心。

编码器分辨率以每转的循环为单位（CPR）测量。这个词周期具有物理和电气含义。物理上，在磁盘上，一个循环由一个线和窗口对组成。因此，在其最基本的形式中，CPR与行数，Windows数量或线路和窗口对的数量相同。电动，循环是指编码器输出波形的一个完整循环：一个高脉冲和一个低脉冲。一个循环等于360电视。

然后，CPR可以参考磁盘上的线条和窗口数，或一次旋转中的电循环的数量。本机CPR在任何一种情况下都会是相同的数字，因为每个行和窗口对正好是生成每个电气循环的原因。

CPR还给了我们可以测量的最小距离。将360机械学位的总距离除以每旋转的周期数，答案将是每个循环的机械程度。例如，具有3,600cpr：每转的360度的编码器分辨率≥每旋转的3,600次循环=每周期0.1度。

虽然每次旋转的周期是指定增量编码器的分辨率的共同术语，但一些制造商使用术语“每次旋转CPR的计数”（也是缩写CPR），“每次旋转脉冲”或“每革命的位置”（缩写PPR）和其他短语。为了避免混淆，我们将坚持每次革命和CPR的周期。

决议乘法

磁盘的分辨率与物理磁盘上的物理现实 - 物理线条相关联。最基本的形式的行数是分辨率。然而，运动控制器可以解释由这些线产生的输出波形并产生更高的分辨率 - 来自
相同的磁盘。

增量编码器通常使用求积法。制造商增加了另一个LED和感光传感器，与第一个LED相差90个电子度。请注意，90电度是四分之一相位或象限，这是直角名称的起源。

这产生第二个输出波形，通道B，从通道a相位偏移90电度。增加通道b会产生两个重要的结果:第一，现在可以确定方向。例如，“A引线B”可以表示顺时针旋转。更重要的是，分辨率可以乘以2或4倍。这叫做分辨率乘法。系统设计人员可以使用编码器-计数器接口芯片，如LS7183N来实现它。

作为一个例子，让我们看看一个磁盘上有100行和窗口的编码器。编码器的分辨率是100 CPR。如果我们计算每个通道A脉冲的上升沿，当磁盘旋转时，我们将得到每转100个脉冲。这和100 CPR的分辨率是一样的，正如预期的乘以1。如果我们计算通道A的每个上升边和下降边，我们将得到每个周期2个脉冲，加起来是每转200个脉冲。如果我们计算通道A和通道B的上升边和下降边，我们将得到每周期4个脉冲，每转总共400个脉冲。

注意我们没有改变磁盘的分辨率;它仍然被设置，由每次革命的周期数确定。但是，通过以不同的方式解码输出波形，我们能够在磁盘上有线达到每次旋转的四倍。

到目前为止，我们所说的一切也适用于增量线性编码器。这是有道理的;线性编码器使用相当于已沿半径切割并矫直外的圆盘的线性条带。术语循环（CPI）用于用线性编码器分辨，尽管有时也使用每英寸线（LPI）。

绝对编码器和分辨率

到目前为止，我们已经讨论了增量光学编码器，其线和窗口表示磁盘上的相对位置;每条线路和窗口对都看起来像其他所有线条和窗口对。它们彼此无法区分。当每个线路和窗口超过传感器时，最重要的是高输出过渡。

绝对编码器的操作方式不同。它们为磁盘上的每个位置输出唯一的代码——每个代码都是绝对的，这意味着由于它不同于磁盘上的任何其他代码，它指定了磁盘上唯一的绝对位置。

绝对编码器的分辨率定义为磁盘旋转360度的每转的位置数量。有时，每次革命的等同项代码
使用。

你经常会看到绝对编码器的分辨率以位为单位指定。例如，第62页图中的磁盘具有四位解析度，每个位置的四个磁道各产生一位。更高的分辨率会有更多的音轨。例如，10位分辨率需要10个音轨。

通过一些设计，每个绝对编码器都以一个特定的分辨率设置。但是，一些制造商采用了不同的方法，并使用单个频段制作磁盘，其中包含每个位置的唯一条形码。

具有条形码的绝对编码器可以提供可编程分辨率。例如，12比特编码器（每次旋转4,096个位置）可以编程为每次旋转的两到4,096个代码输出。

位的分辨率与每一旋转的位置和每一位置的旋转度有关。对于一个12位绝对编码器，每个独特的位置占用磁盘周长小于0.1度，也就是小于6弧分钟。

绝对编码器不使用求积法，因此不存在与增量编码器相同的分辨率乘法。

可扩展性：磁盘大小和分辨率

小型化是产品开发的强劲趋势。设计师经常尝试将更多功能包装成越来越小的包装。这会产生微型编码器，以满足对减小尺寸的需求。还原编码器大小也降低了可用分辨率吗？

对于传统编码器来说，答案是肯定的。对于传统编码器，高分辨率要求在编码器磁盘上有更多的行。如果没有足够的空间来容纳这些行，那么唯一的解决办法是做一个更大的磁盘。要加倍分辨率，您必须倍增磁盘的直径。

然而，有了更新的技术，制造商可以提高磁盘的分辨率，而不增加磁盘的大小。这被称为可伸缩性，它是小型化的理想选择。

例如，考虑一个1英寸磁盘，1,250行（1,250cpr）。通过电子插值技术（在编码器本身内发生的信号处理），CPR可以使用X2插值增加到2,500cpr;并使用x4插值5,000 CPR。在此示例中，通过使用插值和可伸缩性，我们已经实现了两个越来越高的分辨率 - 来自同一小型编码器磁盘。此外，使用分辨率乘法，可以解码5,000cpr编码器以每次旋转产生10,000或20,000个脉冲。

并非所有的编码器技术都具有同等的可扩展性。透射式光学编码器和反射式光学编码器具有很强的可扩展性。磁编码器是可伸缩的。电容式编码器不易扩展。光学编码器是最灵活的和最好的小型化。然而，电容式编码器很难实现可扩展性;在大多数情况下，为了获得更高的分辨率，你必须购买一个更大的编码器——如果有的话。

插值是实现可扩展性的绝佳方式，但有限制。在更高且更高的分辨率下，抖动可能成为一个问题，波形对称可能会受到影响。如果您希望在小型包装中的更高分辨率，请使用您的编码器制造商。它可能能够提供一种自定义设备，使您可以在没有抖动或电噪声的信号劣化的情况下提供所需的分辨率。

你需要多大的决心?

任何特定型号的编码器都可以在一定的分辨率范围内提供。例如，对制造商的快速调查可能会显示，一个编码器有20种不同的分辨率，从64到10,000 CPR。

最佳实践总是选择最高的分辨率吗?令人惊讶的是,没有。通常，最好评估您的应用程序，选择满足您需求的最低分辨率——即使有更高的分辨率可用。高分辨率可能不是最佳选择的原因有很多:

成本。分辨率越高，成本越高。
速度。阅读每个周期都需要时间。如果你不需要，为什么要让系统慢下来?类似地，高速应用程序不能提供足够的时间来读取每个周期。
抖动。敏感系统可能会过度响应高分辨率信息。
大小。在某些情况下，更高的分辨率可能会影响尺寸。

精度

选择分辨率时，新手设计师可能会在分辨率范围内看出特定选项
说:“没有;我需要比这更准确的答案。”设计师的真正意思可能是，“我需要更多的分辨率。”

编码器提供位置反馈，用于计算角度、距离和速度。当您命令系统移动并在特定位置停止时，您可能想知道:编码器是否从确切的目标位置报告?或者，它是否超过了目标，或停止了目标?

准确性是用于描述目标位置和实际位置之间的差异的术语。在一个理想的世界中，他们将是相同的 - 但在现实世界中，有变化。实际位置 - 编码器确实可能从目标位置关闭目标位置，如编码器准确规范中的范围所示。

测量编码器的精度涉及到一个细致的过程，需要精密的、校准良好的设备。例如，您可以使用第二个高度精确的“校准”编码器来测量一个中等精度的编码器。如果您记录目标与实际的编码器位置通过一个旋转，然后评估您的结果，您可以确定编码器的准确性被测试。

对于旋转编码器，精度是以度、弧分或弧秒来测量的。使用哪个单位取决于所测量的编码器。对于低精度的编码器，度数可能是足够的;一个度或弧分的小数部分适合于具有中等精度的编码器;而弧秒可用于超高精度编码器。

例如，某个制造商可能会将绝对光轴编码器的“典型精度”列示为0.18度，即10.8弧分钟。然而,不同的
另一种编码器的制造商，一种光学增量无轴型，可能会指定单位的“位置误差”为10弧分钟。这个制造商用位置误差来表示精度，以弧分钟为单位。它是实际轴的位置和编码器周期计数所指示的位置之间的角差。

两个编码器，约0.18度或10分钟的典型精度类似。

编码器规格与系统精度

您可以考虑正在评估的编码器的精度规范，但精度还不止于此。编码器通常是大型运动控制系统的一部分。该系统的非编码器部分可以极大地影响整个系统的精度。编码器制造商控制一些影响精度的因素，而最终用户控制特定应用程序的因素。

制造商通过将图案放置在磁盘上（以中心或偏心）上的方式影响其编码器的准确性;轮毂如何安装到磁盘上;磁盘如何安装在轴上;以及光学器件如何对齐。

终端用户通过编码器盘安装到电机轴上的方式来影响编码器的准确性(对于编码器套件);如何编码器
模块已安装(用于编码器套件);编码器如何耦合到系统(对于轴式编码器);安装结构的稳定性和刚度;齿轮公差和齿隙;打在电机轴承上;机械零件的轴向、径向、左右等运动;以及振动、温度、金属疲劳、腐蚀等因素。

对于影响编码器性能的许多变量，很容易看出编码器精度的变化可能只是总系统精度的一小部分。

你需要多少准确性？

重要的是要记住，整个系统可能比编码器更加准确。

在系统精度较低的应用中，编码器精度所需要的全部可能是单调性——随着编码器转动，计数不断增加或不断减少。低精度编码器成本更低，只要它提供可靠的单调计数，它可能就是你所需要的。

随着系统总精度的提高，可能需要一个中等精度的编码器。对于大多数应用，编码器的精度范围在0.1度，或8到10弧分钟，是足够的。

对于公差非常接近的应用，可以提供以弧秒为规格的高精度编码器，但随着精度的提高，成本将相应增加。

分辨率和准确性

我们现在处于解决分辨率和准确性之间的常见混乱。让我们考虑一家制造商，提供两个版本的磁绝对编码器，一个具有12位分辨率的版本，另一个具有10位分辨率的磁性绝对编码器。12位编码器每次旋转可以报告4,096个位置，这是10位编码器的1,024个位置的四倍。

从零开始，这里的是12位编码器可以报告的前九个位置，因为它的磁盘旋转（用于清晰度的一些数字）：0,0.09,0.18,0.27,0.351562,0.45,0.54,0.63和0.703125。对于相同的旋转量，10位编码器可以报告以下位置：0,0.351562和0.703125。简而言之，12位编码器通过10位编码器报告其首次读取的时间报告其第四次读数。

那么哪个编码器更精确呢?制造商在编码器的数据表中是这样描述的:“虽然两种编码器的精度相同，但12位版本提供了更高的分辨率。”

精确度是一样的。这个例子说明了精确度和分辨率之间是没有关系的。一个术语——准确性——描述了目标位置和实际位置。另一个术语——分辨率——描述了磁盘划分的精细程度。它们是独立的性质。

如果我们的新手设计师需要一个能每十分之一度报告位置的编码器，那么设计师需要的是更高的分辨率，而不是更高的精度——12位编码器将是一个不错的选择。

精确

为了确定编码器的精度，我们可以将编码器旋转360度，并在每个编码器计数位置记录精度——目标位置和实际位置之间的角差。

如果我们绕过第二次并再次测量准确性，会发生什么？我们在每个位置获得相同的位置错误吗？三分之一，第四或第五轮后怎么样？位置错误是可重复的，还是有所不同？

精度是描述测量重复性的术语。这是连续测量彼此不同的量。在比赛中考虑两个弓箭手拍摄的箭头（图12）。哪个弓箭手更准确？

令人惊讶的是，这两个目标的平均准确率是相似的。左边所有箭头的平均位置都是在靶心的中心，与右边密集排列的箭头相同。两者的区别在于射击的精确度。左边的组是精确的，但不是精确的。右侧的小组既准确明确。

现在让我们看看两个弓箭手拍摄的箭头（见图13）。哪个弓箭手更精确？

两名弓箭手的精准度是一样的。左边的箭头是精确的，但它们并不精确。右边的组，同样是精确的。

把精确度工作

然后，精度是连续测量彼此不同的量。具有可重复的位置误差的编码器可能具有良好的精度，即使它可能不完全准确。在这种情况下，精度可用于补偿编码器的不准确性。例如，让我们来看看为两个编码器做出的连续测量。（见图14.）目标轴角度为45度。

每个编码器的位置误差约为0.75度，但编码器2的误差没有可重复的模式，编码器1更精确——平均而言，它的误差总是0.75度。编码器1的精度可以得到很好的利用。误差可以在每个位置制成表格，这些测量可以用来补偿编码器的报告位置。

例如，如果我们向编码器1中的每一个测量值增加0.75度，则现在将报告在目标位置的0.05度的补偿位置，这比其未补偿的平均读数更准确到-0.75度。（参见图15.）实际上，当制造商生产高精度编码器时，使用该补偿技术。这些编码器被制造为标准，以确保无论他们拥有的任何错误，它都是可重复的。它们的精度用于创建用于误差补偿的查找表，其应用于编码器报告的每个位置。