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旋转编码器的分辨率与精度
此文原为MM现代制造３月份编码器专辑的投稿，因我交稿晚了，没赶上，现发在这里与网友交流讨论。上海精浦机电有限公司 裘奋 2009年3月
转载请注明出处,作者文责自负.
关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，A相与B相差1/4个脉冲周期，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。
如果是德国海德汉的 ROD486的3600线的正余弦信号输出，可进行25倍的电子细分，获得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，而海德汉提供的原始编码器的精度还是18角秒（0.005度），(不含细分误差）。 分辨率数值小于精度数值。
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。
所以，旋转编码器的分辨率可以用“线ｌｉｎｅ＂，每转脉冲数ＰＰＲ，或“步距Ｓｔｅｐ”分别来表述。用线来表述，可能还可以再细分的，而有一些“１７位”的编码器，实际是针对步距的，已经细分好了的。 一个３６００线的编码器，分辨率也完全有可能优于一个“１７位”的已经细分好的编码器。
精浦机电－－-绝对值编码器中国制造，替代德国进口编码器
关于“分辨率与精度对于速度环控制的影响”，我以部分引用及修改德国海德汉技术人员的文章来做讨论：
。。。。。。部分关于电机电流扰动与发热的数据不全，我也不是做电机的，也不了解这方面，只是知道正余弦编码器用于电梯，如精度不高，电机发烫温度高的事实故事。。。。。。
可控的伺服驱动技术为了增大控制环的增益，需要充分考虑系统的动态性能、速度的稳定性及系统的刚性，位置编码器的选用是影响驱动控制性能好坏的一个非常重要的因素。特别是位置的分辨率及一个信号周期内的位置误差对系统性能影响非常明显。
选用哪种编码器技术完全取决于相关应用的精度要求。在电机上灵活的安装方式以及和控制系统统一的数据接口方式使得集成各种不同的编码器技术成为可能，便于实现驱动系统的模块化。
伺服驱动用位置编码器 ,编码器通常用来做伺服驱动的速度反馈。
通常电机转动一圈，旋转变压器输出一个信号周期。因此，位置分辨率非常有限，位置值完全取决于一圈内的信号。感应式旋转编码器每转有32或16个位置值，因此，可以实现更高的位置分辨率。角度位置是绝对位置值。光学式旋转编码器刻度盘上刻有512～2048个信号周期的精细刻线，因此它的分辨率更高。多圈感应式和光学式旋转编码器能够记录4096圈以内的任一个绝对位置值。
感应式和光电式绝对值编码器通过内部计算获得绝对式位置值，并通过可靠的双向数据接口和控制器交换数据。控制器不需要额外的计算就可以直接获得纯数字的绝对位置值。然而，对于旋转变压器输出的模拟信号必须进行处理和计算，精细的计算也必须作为一个额外的成本考虑在内。当然，旋转变压器具有很好的鲁棒性。表1示出了几种位置检测器件的比较。
表1 几种位置检测器件的主要性能比较
旋转变压器 | 感应式旋转变压器 | 光电式旋转编码器 | |
线数/转 | 1 | 32 | 2048 |
倍频 | 外部 | 内部 | 内部 |
分辨率 | 14位/16384 | 17位/131072 | 25位/33百万 |
精度 | ±480" | ±280" | ±20" |
推荐步距 | 80" | 10" | 0.04" |
为了实现所需的高的分辨率，必须对扫描出来的正弦信号进行细分。不充分的扫描、测量基体的污染以及信号处理的不完善都将会导致信号偏离理想的正弦信号，这样在细分时就会产生一个信号周期内的周期性误差，因此一个信号周期内的位置误差也称为细分误差。在高质量的编码器上细分误差通常是信号周期的1%至2%。
细分误差会影响位置精度，同时也会非常明显地降低驱动系统的速度稳定性以及带来噪音。速度控制器会根据误差曲线计算电流来增加或减低驱动系统的速度。在低速时驱动的进给滞后于细分误差。在加速时细分误差的频率也会增加。因为只有在控制系统的带宽范围以内电机才能跟随误差的波动，细分误差对速度稳定性的影响会随着速度的增加而减少。然而，它对电机电流的扰动继续增加，在高增益的控制环系统中将给驱动带来很大的扰动噪音，其结果可能就是产生热量而电机发烫，并最终毁损电机。
伺服驱动能达到的精度取决于测量误差的幅值以及周期。因为旋转变压器一转只产生一个信号周期，细分误差就会有很大的影响:使用表1中的数据，控制系统的带宽设为100Hz，驱动系统跟随周期为编码器一个信号周期的细分误差，速度可达6000r/min。也就是说在任何速度范围内都会有速度的波动。
当使用光电式旋转编码器时，只是在低速时驱动系统才滞后于细分误差。使用和上面同样的例子，使用2048线的光电式旋转编码器，当速度在0至2.8 r/min时一个信号周期内的细分误差才会变得很明显。由此而引起的位置误差通常在
位置分辨率对速度控制的影响
应用在伺服驱动上的编码器的分辨率和精度通常是变化的，所以可能实现的最小测量步距对控制环的影响需要密切关注。只对速度控制环增益是线性的情况来分析有限的位置分辨率的主要影响。笔者忽略位置控制器和积分速度环，来分析下列参数的驱动系统:
采样间隔T: 100μs;
P-增益KPG : 600s-1;
电机惯量JM : 0.001kgm2;
恒定扭矩KKM: 0.68Nm/A;
根据这些参数，具有14位细分的旋转变压器的最小测量步距，会引起
与控制系统设计和结构一样，测量技术也是决定电气驱动性能的因素之一。机床各个轴的位置精度和速度稳定性决定了工件和产品质量的好坏。这就需要位置编码器能够提供足够数量的测量步数和好的信号质量。
驱动系统的机械方面的影响和编码器的位置误差都将引起速度稳定性的不规则变化。如果测量信号的分辨率太低或者细分误差太大，波浪状的误差就会出现在工件加工表面。在生产系统里面特定运动的速度稳定性也可以看作与质量有关的生产参数。
编码器的分辨率和精度在很大程度上能提高电机的速度稳定性，同时，也极大地减少了电机电流的波动。电机运转时噪音小，产生的热量也会很少。
理想的具有高细分倍数的输出信号支持高的带宽，也就是说载荷的变化对旋转速度的影响很小。
霍尔传感器（磁传感器，磁编码器）如果用在电机上，还是有优点的，耐高温（可达125度），抗震动，低成本。
@Q 上述所寫的 有半數以我認知有些不同 交流一下
市面上磁編碼器有三種做法 如奧地利微電子所出的磁編 這跟你所寫的是比較接近 但他最多也就13位 除非你能做出弦波介面 那就不只16位
第二種 磁環式編碼器(主磁式) 如希科 磐林 屬於中頻的中高速(0－－-20000RPM)編碼器 其成本要看你選用的IC
第三種就是齒輪 磁感應式編碼器(被磁式) 如德國L+B 磐林 這是目前最高速的編碼器(出廠檢驗標準 30000RPM) 他對環境的要求是最低 低溫可達零下40度 你想成本會低嗎
編碼器在低解析度 是不談精度 這是碼盤蝕刻工藝 很難控制之黑邊效應 而高解析度 高精度之編碼器 常因安裝 機械問題也達不到所需之精度 所以編碼器使用技術上的要求 非精度 而是穩定性要求 多數人在此都陷入誤區
引用 笨鳥慢飛 的回复内容：霍尔传感器利用磁感应原理，磁传感器（磁编码器）的精度受制于磁场的精度，磁材料与NS的分界与光刻线比，要差很多了，尽管有的磁传感器标到16位的分辨率，但那是电子分出来的，磁材料及磁场的精度到不了那么高的精度。 霍尔传感器（磁传感器，磁编码器）如果用在电机上，还是有优点的，耐高温（可达125度），抗震动，低成本。@Q 上述所寫的 有半數以我認知有些不同 交流一下市面上磁編碼器有三種做法 如奧地利微電子所出的磁編 這跟你所寫的是比較接近 但他最多也就13位 除非你能做出弦波介面 那就不只16位第二種 磁環式編碼器(主磁式) 如希科 磐林 屬於中頻的中高速(0－－-20000RPM)編碼器 其成本要看你選用的IC第三種就是齒輪 磁感應式編碼器(被磁式) 如德國L+B 磐林 這是目前最高速的編碼器(出廠檢驗標準 30000RPM) 他對環境的要求是最低 低溫可達零下40度 你想成本會低嗎編碼器在低解析度 是不談精度 這是碼盤蝕刻工藝 很難控制之黑邊效應 而高解析度 高精度之編碼器 常因安裝 機械問題也達不到所需之精度 所以編碼器使用技術上的要求 非精度 而是穩定性要求 多數人在此都陷入誤區
有这样的讨论很好，愿与大家共同探讨。
1.霍尔磁编奥地利微电子、安华高、雷尼绍都跟我说过已有16位解析度的，因精度确实不高，意义不明显，没有在市场上大力推。
2.关于磁脉冲式，我确实了解不够多，蔡先生更有话语权。我仅从物理学角度探讨，一次脉冲就是一个NS周期的，原则上与一个光刻线一样。但也有再弦波细分的，就也有磁滞回线（速度带来）的问题，就有齿牙精度与齿牙尖角磁场畸变效应问题的出现，此时的细分就要IC做特别的处理，处理不好，就如波恩所说的情况，可能就是此尖角畸变效应带来的（齿牙尖角材料表面磁化特性会发生改变），那就有可能带来周期性的速度信号“不稳定”了。
没有足够好的绝对精度，就没有均匀性，缺乏均匀性就谈不上速度解析的稳定性。
這應該跟解析度高低有關 為何伺服用的編碼器往高位元 高解析度 高解析度不等高精度 編碼器在回饋速度僅是回饋速度的變化
最近测试高速主轴时发现从所用的磁齿轮式高速编码器检测出来的速度信号很不均匀，一圈有一个很深的大波动，还有128个稍浅的波动，与其128齿和一圈1个Z信号的结构直接相关。 這個波動個人看法 跟干擾有關 訊號的本質還是電流 原點訊號 在阻抗批配上做的比較高 於A B兩項 這波動不也證明編碼器使用技術上的要求 非精度 而是穩定性要求 其實把穩定性改成重現性更貼切
但也有再弦波细分的，就也有磁滞回线（速度带来）的问题，就有齿牙精度与齿牙尖角磁场畸变效应问题的出现，此时的细分就要IC做特别的处理，处理不好，就如波恩所说的情况，可能就是此尖角畸变效应带来的（齿牙尖角材料表面磁化特性会发生改变），那就有可能带来周期性的速度信号“不稳定”了。
@Q 呵呵 你也有話語權 不是外行阿 齒輪的加工精度要求是很高 有些客戶齒輪自行加工 某些齒有問題 造成脈衝丟失(固定脈衝 4的倍數) 你所提的不穩定 是因廠家用的是強磁 3000多高絲 (我司用的是弱磁 600多高絲) 所以對齒輪的加工 材料更加要求 更怕被磁化
“這個波動個人看法 跟干擾有關”———波动与128个齿有关也是干扰造成的？若归咎于机械安装精度，尚说得过去。
个人看法，与128个齿有关的一圈128周期的速度波动，恰恰印证了@Q所说的：在一个1/128圈的子信号周期内存在显著的周期性误差，或者说细分误差偏大，均匀性不好！
剛從廣州出差回來
早期的磁編碼器無位置安裝偏差補償功能 那會因 安裝不同心 或偏移 造成AB訊號 電伏準位高低不同 細分之後產生疏疏密密 大小不同的伏寬 在示波器可看出 AB 合成的圓 會忽大忽小 這是會造成電機轉動的波動
另外高速主軸其軸心 動態轉動的偏擺度 也會造成上述的現象
現在以容許安裝偏差1mm 可以說將上述問題處理 齒輪同心度 0.02mm 齒輪的齒精度< = 72 角秒 這精度並不低 AB相位差實測在 1.8度 5V的變化率在1.5*10的負8 秒
細分的技術非用模擬量來做 所以均勻性相當高 與海德漢EXE相同
改天我在講跟信號的特性及問題 今天比較忙 無法專心寫
最近测试高速主轴时发现从所用的磁齿轮式高速编码器检测出来的速度信号很不均匀，一圈有一个很深的大波动，还有128个稍浅的波动，与其128齿和一圈1个Z信号的结构直接相关。
若是跟信號的均勻度有關 就不會有一個大波動 而且此編碼器為512PPR 原始信號為128弦波 在4倍頻細分 所以才會認為跟干擾有關 原因如70樓所說
此編碼器工作原理跟反射式光學編碼氣完全相通 只差介質不同 磁取代光 齒輪取代碼盤 感應頭放出磁力線 感應齒輪並反射回來 內部形成信號 若齒輪加工有問題 就無法將反射磁力線接收 所以造成信號少算 而且是穩定規率的少算 若齒輪被磁化 那肯定會多算
信號會有問題(排除干擾因素) 在慢速因IC內部產生震盪 在高速因線材品質不佳(線材容抗高) 都會造成信號失真 送出蘋果 你收到是梨子 造成信號多算
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