US digital编码器,编码器的分辨率,精度,精确度,在为运动控制系统选择编码器时，您会面临许多技术术语。可用的数据量可能令人不知所措。哪些关键术语应该首先关注，哪些可以稍后再考虑？
本文探讨了三个值得您关注的重要概念：分辨率、精度和精确度。
乍一看，这三个术语似乎意思相近。您可能会怀疑它们是否可以互换；事实上，许多人确实将它们视为可以互换的术语。毕竟，如果编码器具有高分辨率，这是否意味着它是精确的？如果它是精确的，那么它一定也是准确的，对吗？（请注意：这两个问题的答案都是否定的。）
实际上，这些术语是相互独立的。每个术语都指代编码器的特定特性，它们不能互换。为了澄清任何混淆，我们将首先解释分辨率在增量编码器中的含义，然后指出线性和绝对编码器的不同之处。接着我们将讨论精度，最后是精确度。在此过程中，我们将提供一些建议，帮助您利用每个术语的知识做出最佳的编码器选择，并在编码器安装后如何校准系统。
分辨率
在数学、科学和工程中，分辨率指的是可以测量或观察到的最小距离。
增量编码器与分辨率
制造增量编码器时，制造商会在磁盘上创建一个图案。该图案将磁盘划分为不同的区域。例如，一种常见的图案是在透明磁盘上印刷的线条和窗口。
当LED将光线投射到磁盘上时，光线会照射到窗口或线条。窗口允许光线通过磁盘到达另一侧的光电传感器，而线条则会阻挡光线。随着磁盘旋转，编码器模块的输出——通道A——是一系列高低信号；信号的值取决于光电传感器是否接收到光线（高）或没有接收到光线（低）。
通道A的输出波形如下所示：
增量编码器输出波形
分辨率，当应用于光学编码器时，指定了每转输出信号变为高电平的次数。这个数字可以与磁盘上的线条数量相匹配；或者，特别是在高分辨率的情况下，它可以是线条数量的倍数。（我们将在下面的可扩展性部分进一步讨论这一点。）
磁盘上的线条数量始终与分辨率相关。典型值范围从低数值如32或64到更高的分辨率，如5,000或10,000甚至更高。
下图显示了几个编码器磁盘：左侧是较低分辨率，右侧是较高分辨率。
编码器磁盘
编码器的分辨率以**每转周期数（CPR）**为单位进行测量。周期这个词既有物理意义，也有电气意义。
-物理上，在磁盘上，一个周期由一条线和一个窗口组成；因此，在最基本的形式中，CPR与线条数量、窗口数量或线/窗口对的数量相同。
-电气上，一个周期指的是编码器输出波形的一个完整周期：一个高脉冲和一个低脉冲。一个周期等于360°电气角度。
因此，CPR可以指磁盘上的线条和窗口数量，或者每转的电气周期数。原生CPR在这两种情况下是相同的数字，因为每个线/窗口对正是生成每个电气周期的原因。
CPR还告诉我们可测量的最小距离。将360°机械角度除以每转的周期数，结果将是每个周期的机械角度。例如，对于分辨率为3,600 CPR的编码器：
360°/转 = 0.1°/周期
3,600 周期/转
虽然每转周期数（CPR）是用于指定增量编码器分辨率的常见术语，但一些制造商使用诸如“每转计数（CPR）”、“每转脉冲数（PPR）”或“每转位置数（PPR）”等术语。为了避免混淆，在本文中我们将使用每转周期数（CPR）。
在下一节中，我们将使用PPR来表示每转脉冲数——但在不同的上下文中：分辨率倍增。
分辨率倍增
磁盘的分辨率与物理现实相关——磁盘上的物理线条。在最基本的形式中，线条的数量就是分辨率。然而，运动控制器可以解释由这些线条产生的输出波形，并产生更高的分辨率——从同一个磁盘上。
增量编码器通常使用正交编码。制造商添加了另一个LED和光电传感器，与第一个LED相隔90°电气角度。请注意，90°电气角度是1/4相位或象限——这就是正交名称的由来。
带有2个光电传感器和LED的编码器磁盘
这产生了第二个输出波形，通道B，与通道A相差90°电气角度。
添加通道B带来了两个重要结果：
-方向现在可以确定：例如，“A领先B”可以表示顺时针旋转。
-更重要的是，与我们的讨论相关——分辨率可以乘以2或4倍。
使用通道A和B的偏移波形实现4倍倍增
这被称为分辨率倍增。系统设计人员可以通过使用编码器计数器接口芯片（如LS7183N）来实现这一点。
举个例子，假设我们有一个磁盘上有100条线和窗口的编码器。编码器的分辨率为100 CPR。
x1——如果我们计算磁盘旋转时每个通道A脉冲的上升沿，我们将得到100个脉冲/转（100 PPR）。这与100 CPR的分辨率相同，正如预期的1倍倍增。
x2——如果我们计算通道A的每个上升沿和下降沿，我们将得到每个周期2个脉冲，总计200个脉冲/转（200 PPR）。
x4——如果我们计算通道A和通道B的每个上升沿和下降沿，我们将得到每个周期4个脉冲，总计400个脉冲/转（400 PPR）。
请注意，我们并没有改变磁盘的分辨率；它仍然由每转周期数决定。但通过以不同的方式解码输出波形，我们能够获得比磁盘上线条数量多4倍的脉冲/转。
线性编码器与分辨率
到目前为止，我们讨论的所有关于分辨率的内容也适用于增量线性编码器。这是有道理的；线性编码器使用线性条带，相当于沿半径切割并拉直的圆形磁盘。线性编码器的分辨率使用每英寸周期数（CPI）来表示，尽管有时也使用每英寸线数（LPI）。
绝对编码器与分辨率
到目前为止，我们讨论的是增量光学编码器，其线条和窗口表示磁盘上的相对位置；每个线/窗口对看起来都与其他线/窗口对相同。它们彼此无法区分。重要的是当每条线和窗口经过传感器时产生的高/低输出转换。
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一个唯一的代码——每个代码都是绝对的，这意味着它与磁盘上的任何其他代码不同，指定了磁盘上的唯一绝对位置。下图显示了一个传统绝对编码器的磁盘。它有四个轨道，以及一个LED阵列，传感器从每个轨道读取图案。
绝对编码器的分辨率定义为磁盘旋转360°时的每转位置数。有时也使用等效术语每转代码数。
您经常会看到绝对编码器的分辨率以位数表示。例如，上图中的磁盘具有4位分辨率，每个位置从四个轨道中的每一个产生一个位。更高的分辨率将需要更多的轨道；例如，10位分辨率将需要10个轨道。
在某些设计中，每个绝对编码器都设置为一个特定的分辨率。然而，一些制造商采用不同的方法，制作具有单一带的磁盘，每个位置包含一个独特的条形码，如下图所示。
带有条形码的绝对编码器可以提供可编程分辨率：例如，一个12位编码器（每转4,096个位置）可以编程为输出从2到4,096个代码/转。下表显示了分辨率位数与每转位置数以及每个位置的旋转角度之间的关系。
分辨率（位） 每转位置数 每个位置的旋转角度
8位 256 1.41°
10位 1,024 0.35°
12位 4,096 0.09°
对于12位绝对编码器，请注意每个唯一位置占据磁盘圆周的不到1/10度，即不到6弧分。
绝对编码器不使用正交编码，因此没有增量编码器中可用的分辨率倍增等效功能。
可扩展性：磁盘尺寸与编码器分辨率
小型化是产品开发中的一个强劲趋势。设计人员通常试图将更多功能集成到越来越小的封装中。这导致了对微型编码器的需求，以满足尺寸减小的要求。减小编码器尺寸是否会降低可用分辨率？对于传统编码器，答案是肯定的。
上图显示，对于传统编码器，高分辨率需要编码器磁盘上有更多的线条。如果没有足够的空间容纳这些线条，那么唯一的解决方案是制作更大的磁盘。要将分辨率提高一倍，您必须将磁盘的直径增加一倍。
然而，随着新技术的出现，制造商可以在不增加磁盘尺寸的情况下提高磁盘的分辨率。这被称为可扩展性，它非常适合小型化。
上图显示了一个1英寸的磁盘，具有1,250条线（1,250 CPR）。通过电子插值技术（在编码器内部进行的信号处理），CPR可以通过x2插值增加到2,500 CPR；通过x4插值增加到5,000 CPR。
在这个例子中，通过使用插值和可扩展性，我们从同一个小型编码器磁盘中实现了两个越来越高的分辨率。
此外，使用分辨率倍增（前面讨论过），5,000 CPR的编码器可以被解码为产生10,000个脉冲/转（PPR）或20,000 PPR。
然而，并非所有编码器技术都具有相同的可扩展性：
–透射式光学编码器——非常可扩展
-反射式光学编码器——非常可扩展
-磁性编码器——可扩展
-电容式编码器——不易扩展
光学编码器是最灵活的，最适合小型化。然而，对于电容式编码器，可扩展性要难得多；在大多数情况下，要获得更高的分辨率，您必须购买更大的编码器——如果有的话。
插值是实现可扩展性的一种绝佳方式，但也有其局限性。在越来越高的分辨率下，抖动可能会成为问题，波形对称性可能会受到影响。
如果您希望在小型封装中获得更高的分辨率，请与您的编码器制造商合作。他们可能会为您提供定制解决方案，既能满足您所需的分辨率，又能避免抖动或电气噪声引起的信号退化。
您需要多少分辨率？
任何特定型号的编码器都可能提供一系列分辨率。例如，快速调查制造商可能会显示，单个编码器提供20种不同的分辨率，范围从64 CPR到10,000 CPR。
最佳实践是否总是选择最高分辨率？令人惊讶的是，答案是否定的。通常，最好评估您的应用，并选择能够满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选择的原因：
-成本：更高的分辨率可能更昂贵。
-处理时间：读取每个周期需要时间。更高的CPR = 更多时间。
-高速应用：读取每个周期的可用时间更短。
-抖动：敏感系统可能会对高分辨率信息过度响应。
-尺寸：在某些情况下，更高的分辨率可能会影响尺寸。
分辨率与精度：预览
在选择分辨率时，新手设计人员可能会查看可用分辨率范围中的特定选项，并说：“不，我需要比这更高的精度。”设计人员真正想表达的可能是：“我需要更高的分辨率。”
分辨率和精度：这两个术语经常被误解并互换使用——但它们并不相同。有什么区别？我们将在下一节介绍精度，然后重新审视分辨率与精度之间的关系。
精度
编码器旨在提供关于位置的反馈，这些反馈用于计算角度、距离和速度。当您命令系统移动并停在特定位置时，您可能会想：编码器是否从确切的目标位置报告？或者它是否超出了目标位置，或者未达到目标位置？
精度是用来描述目标位置与实际位置之间差异的术语。在理想情况下，它们应该是相同的——但在现实世界中，存在差异。实际位置——编码器实际所在的位置——可能与目标位置相差一小部分，如编码器精度规格中所示的范围。
测量编码器精度涉及一个细致的程序，需要精密校准的设备。例如，您可以使用第二个高度精确的“校准”编码器来测量中等精度的编码器。如果您记录每个编码器位置的目标与实际位置，然后评估结果，您可以确定被测编码器的精度。（如果您通过第二次或第三次旋转评估编码器，结果会相同吗？请参见下面的精确度部分。）
对于旋转编码器，精度以度、弧分或弧秒为单位进行测量。使用哪种单位取决于被测编码器。对于低精度编码器，度可能足够；对于中等精度编码器，使用分数度或弧分；而对于超高精度编码器，则可能使用弧秒。
例如，以下是一个绝对光学轴编码器的规格：
典型值 最大值 单位
绝对精度 0.18 0.25 度
在这种情况下，编码器的典型精度为0.18度，等于10.8弧分。
以下是另一个制造商对另一个编码器（光学增量无轴模型）的精度规格：
典型值 最大值 单位
位置误差 10 40 弧分
该制造商使用位置误差来表示精度，以弧分为单位。它是实际轴位置与编码器周期计数指示的位置之间的角度差异。
这两个编码器的典型精度相似，大约为0.18度或10弧分。
谁控制精度？——编码器规格与系统精度
您可能会考虑评估编码器的精度规格，但精度并不止于此。编码器通常是更大运动控制系统的一部分。系统的非编码器部分可能对整体系统精度产生重大影响。
编码器制造商控制一些影响精度的因素，而最终用户控制应用特定的因素。
制造商控制的因素：
-图案在磁盘上的位置：居中或偏心
-轮毂与磁盘的安装
-磁盘与轴的安装（对于轴式编码器）
-光学元件的对齐
最终用户控制的因素：
-编码器磁盘与电机轴的安装（对于编码器套件）
-编码器模块的安装（对于编码器套件）
-编码器与系统的耦合（对于轴式编码器）
-安装结构的稳定性/刚性
-齿轮公差和间隙
-电机轴承的游隙
-机械部件的轴向、径向、侧向等运动
-振动、温度、金属疲劳、腐蚀等
从上面的部分列表中可以看出，编码器精度的变化可能只是整个系统精度的一小部分。
您需要多少精度？
正如上面的列表所示，整个系统的精度可能远低于编码器。在系统精度较低的应用中，编码器精度可能只需要单调性——随着编码器旋转，计数不断增加或不断减少。
单调计数：…127…128…129…130…131…132…
非单调计数：…127…128…129…128…132…131…
低精度编码器可能成本较低，只要它提供可靠、单调的计数，它可能就是您所需要的。
随着整体系统精度的提高，可能需要中等精度的编码器。对于大多数应用来说，编码器精度在0.1°或8-10弧分范围内是足够的。上面讨论的两个示例编码器都在这个范围内，并且价格合理。
对于具有极其严格公差的应用，可以使用精度规格为弧秒的高精度编码器——但随着精度的提高，成本也会相应增加。
分辨率与精度：重新审视
回想一下在分辨率部分末尾提到的新手设计人员，他在选择编码器分辨率时说：“不，我需要比这更高的精度。”我们现在可以澄清分辨率和精度之间的常见混淆。
让我们考虑一个制造商提供的两种磁性绝对编码器，一种具有12位分辨率，另一种具有10位分辨率。
从零开始，以下是每个编码器在磁盘旋转时可以报告的前9个位置（以度为单位，部分数字省略以便清晰）：
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位编码器可以报告4,096个位置/转，是10位编码器1,024个位置的4倍。在0.0位置之后，12位编码器报告其第四次读数时，10位编码器才报告其第一次读数。
那么哪个编码器更精确？以下是制造商在编码器数据表中的说明：
“虽然两个编码器的精度相同，但12位版本提供了更高的分辨率。”
精度是相同的。这个例子表明，精度和分辨率是彼此独立的。一个术语——精度——描述了目标位置与实际位置之间的差异。另一个术语——分辨率——描述了磁盘的细分程度。这些是独立的属性。
如果我们的新手设计人员需要一个能够每十分之一度报告位置的编码器，那么设计人员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。
精确度
正如我们在精度部分中看到的，为了确定编码器的精度，我们可以将编码器旋转360°并记录每个编码器计数位置的精度——目标位置与实际位置之间的角度差异。
如果我们第二次旋转并再次测量精度会发生什么？我们是否在每个位置获得相同的位置误差？第三次、第四次或第五次旋转后呢？位置误差是否可重复，或者是否变化？
精确度是描述测量重复性的术语。它是连续测量之间的差异量。
考虑两个射箭运动员在比赛中射出的箭。哪个运动员更准确？
令人惊讶的是，两个目标的平均精度相似。左侧所有箭的平均位置在靶心的中心，与右侧紧密分组的箭相同。两者之间的区别在于射击的精确度。左侧的组是准确的，但不精确。右侧的组既准确又精确。
现在让我们看看另外两个射箭运动员射出的箭。哪个运动员更精确？
两个运动员的精确度相同。左侧的箭是精确的——但它们不准确。右侧的组再次既准确又精确。
精确度的应用
精确度是连续测量之间的差异量。具有可重复位置误差的编码器可能具有良好的精确度，即使它可能不是完全准确的。在这种情况下，可以使用精确度来补偿编码器的不准确性。
例如，让我们看看两个编码器的连续测量结果。目标轴角度为45.00°。
测量编号 目标轴角度 编码器1实际轴角度 编码器2实际轴角度
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°
每个编码器的位置误差约为0.75°，但虽然编码器2的误差没有可重复的模式，编码器1更精确——它的误差始终为-0.75°，平均而言。
编码器1的精确度可以很好地利用。可以在每个位置记录误差，并使用这些测量值来补偿编码器报告的位置。例如，将0.75°添加到上表中的每个测量值，将报告以下位置：
测量编号 目标轴角度 编码器1实际轴角度 编码器1补偿轴角度
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°
编码器1现在将报告一个补偿位置，与实际位置的偏差在0.05°以内，这比其未补偿的平均读数-0.75°要精确得多。
事实上，这种补偿技术用于制造高精度编码器。这些编码器按照标准制造，确保无论它们有什么误差，都是可重复的。它们的精确度用于创建误差补偿的查找表，该表应用于编码器报告的每个位置。
整个系统的精确度
精确度的概念适用于运动控制系统的每个组件，而不仅仅是编码器。例如，考虑一个定长切割应用。编码器连接到驱动滚珠丝杠和执行器的电机，执行器定位电线进行切割。
假设系统设置为在12.00英寸处切割电线。切割前4根电线后，测量结果如下：
11.81英寸
11.82英寸
11.80英寸
11.81英寸
电线始终短约0.20英寸。误差来自哪里？它可能来自系统的任何地方——或者所有地方：编码器本身、电机、滚珠丝杠螺纹中的游隙或线性滑轨轴承中的游隙。
由于读数之间的差异很小，系统具有良好的精确度。这可以用于校准应用；可以将0.20英寸添加到最终目标位置12.00英寸，以达到12.20英寸的补偿位置。当电线被切割时，它们将非常接近所需的12.00英寸长度。
结论
我们讨论了与编码器相关的三个最重要的概念。
分辨率——编码器每转的周期数或每英寸的周期数
精度——目标位置与实际报告位置之间的差异
精确度——重复测量之间的差异
虽然这些术语看起来可以互换，但它们实际上是相互独立的。理解分辨率、精度和精确度将帮助您在选择编码器时做出决策。
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