關(guān)于傳感器的分辨率與精度的理解,可以用我們所用的機(jī)械三指針式手表打這樣一個比喻:時針的分辨率是小時,分針的分辨率是分,秒針的分辨率是秒,眼睛反應(yīng)快的,通過秒針在秒間的空格,我們甚至能分辨至約0.3秒,這是三針式機(jī)械指針手表都可以做到的;而精度是什么,就是每個手表對標(biāo)準(zhǔn)時間的準(zhǔn)確性,這是每個手表都不同的,或者在使用的不同時間里都不同的(越走越快的或越走越慢的),大致在1秒至30秒之間。
同樣的,在旋轉(zhuǎn)編碼器的使用中,分辨率與精度是完全不同的兩個概念。編碼器的分辨率,是指編碼器可讀取并輸出的最小角度變化,對應(yīng)的參數(shù)有:每轉(zhuǎn)刻線數(shù)(line)、每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(PPR)、最小步距(Step)、位(Bit)等。編碼器的精度,是指編碼器輸出的信號數(shù)據(jù)對測量的真實(shí)角度的準(zhǔn)確度,對應(yīng)的參數(shù)是角分(′)、角秒(″)。分辨率:線(line),就是編碼器的碼盤的光學(xué)刻線,如果編碼器是直接方波輸出的,它就是每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(PPR)了(圖1), 但如果是正余弦(sin/cos)信號輸出的,是可以通過信號模擬量變化電子細(xì)分,獲得更多的方波脈沖PPR輸出(圖2),編碼器的方波輸出有A相與B相,A相與B相差1/4個脈沖周期,通過上升沿與下降沿的判斷,就可以獲得1/4脈沖周期的變化步距(4倍頻),這就是最小測量步距(Step)了,所以,嚴(yán)格地講,最小測量步距就是編碼器的分辨率。
例如,德國海德漢的ROD426的3600線編碼器,方波輸出,就是3600ppr,脈沖周期0.1度,通過A相B相4倍頻后,可獲得0.025度的測量步距;而其提供的精度參數(shù)為18角秒(0.005度)。 如果是德國海德漢的 ROD486的3600線的正余弦信號輸出,可進(jìn)行25倍的電子細(xì)分,獲得90000的脈沖(ppr),0.004度的脈沖周期,通過A/B相的四倍頻,可獲得0.001度最小測量步距的分辨率,而其原始編碼器的精度為18角秒(0.005度,不含細(xì)分誤差)。在以通訊數(shù)據(jù)輸出型的編碼器或絕對值編碼器,其輸出的分辨率是以多少“位”來表達(dá),即2的冪次方的圓周分割度。
旋轉(zhuǎn)編碼器的精度,以角分、角秒為單位,與分辨率有一點(diǎn)關(guān)系,又不是全部,例如仍以德國海德漢的ROD400系列為例,其5000線以下的,海德漢提供的刻線精度為刻線寬度的1/20(與分辨率相關(guān)),6000-10000線的,精度為12角秒(與分辨率無關(guān))。而海德漢的RON系列角度編碼器,同樣的是9000線—36000線,其RON200系列的精度是2.5~5角秒,RON700系列的是2角秒,RON800系列的是1角秒,RON900系列的是0.4角秒,都不由分辨率決定。實(shí)際上,影響編碼器精度的有以下4個部分:
A:光學(xué)部分
B:機(jī)械部分
C:電氣部分
D:使用中的安裝與傳輸接收部分,使用后的精度下降,機(jī)械部分自身的偏差。
A編碼器光學(xué)部分對精度的影響:
光學(xué)碼盤—主要的是母板精度、每轉(zhuǎn)刻線數(shù)、刻線精度、刻線寬度一致性、邊緣精整性等。
光發(fā)射源—光的平行與一致性、光衰減。
光接收單元—讀取夾角、讀取響應(yīng)。
光學(xué)系統(tǒng)使用后的影響—污染,衰減。
例如光學(xué)碼盤,首先是母板的刻線精度,海德漢的母板是全世界公認(rèn)第一的,據(jù)說其是在地下幾十米雙懸浮工作室內(nèi)加工的,對于外界各種因素的影響減小到最小,甚至要考慮到海浪的次聲波和遠(yuǎn)處汽車引擎的振動,為此,很多編碼器廠家甚至向海德漢購買母板。其次,加工的過程,光學(xué)成像的時間,溫度,物理化學(xué)的變化,污染等,都會影響到碼盤刻線的寬度和邊緣性。所以,即使是一樣的碼盤刻線數(shù),各家能做到的精度也是不同的。
B編碼器機(jī)械部分對精度的影響:
軸的加工精度與安裝精度。
軸承的精度與結(jié)構(gòu)精度。
碼盤安裝的同心度,光學(xué)組建安裝的精度。
安裝定位點(diǎn)與軸的同心度。
例如,就軸承的結(jié)構(gòu)而言,單軸承支撐結(jié)構(gòu)的軸承偏差無法消除,而且經(jīng)使用后偏差會更大,而雙軸承結(jié)構(gòu)或多支承結(jié)構(gòu),可有效降低單個軸承的偏差。
C編碼器電氣部分對精度的影響:
電源的穩(wěn)定精度—對光發(fā)射源與接收單元的影響。
讀取響應(yīng)與電氣處理電路帶來的誤差;
電氣噪音影響,取決于編碼器電氣系統(tǒng)的抗干擾能力;
例如,如果電子細(xì)分,也會帶來的誤差,按照德國海德漢提供的介紹,海德漢編碼器的細(xì)分電氣誤差與正余弦曲線的誤差約在原始刻線寬度的1%左右。
D編碼器使用中帶來的精度影響:
安裝時與測量轉(zhuǎn)軸連接的同心度;
輸出電纜的抗干擾與信號延遲(較長距離或較快頻率下);
接收設(shè)備的響應(yīng)與接收設(shè)備內(nèi)部處理可能的誤差。
編碼器高速旋轉(zhuǎn)時的動態(tài)響應(yīng)偏差。
最常見的是我們自己使用安裝的方法與安裝結(jié)果的偏差。
細(xì)分技術(shù)對分辨率與精度的影響
細(xì)分技術(shù)( Interpolation and Digitizing Electronics)
將電壓或電流式正余弦波信號分割轉(zhuǎn)換成為方波信號,可用于一般正余弦波信號輸出的傳感器
細(xì)分電路對于A/B相波形量的變化,判斷出相位角,并再次分割出更細(xì)的方波脈沖輸出,同樣提供1/4周期差的A’/B’兩相和Z’相,A’/B’相可以繼續(xù)的4倍頻。
事實(shí)上對于細(xì)分后的編碼器來說,其細(xì)分前的刻線數(shù)很重要,而其細(xì)分前的系統(tǒng)精度更加重要,細(xì)分可以提高分辨率,但不能提高精度,甚至可能降低了精度。
那么為什么我們有時候感到細(xì)分后,對于加工精度是提高的呢?
這里有幾個因素:
1. 細(xì)分前,精度遠(yuǎn)優(yōu)于分辨率,細(xì)分后可以將精度用的更充分,例如前面介紹的ROD486,細(xì)分前3600刻線,分辨度(Step)步距為0.025度,按照±1步距來看,其使用精度僅達(dá)到0.05度,而精度為18角秒,細(xì)分后,在18角秒前,是可以提高精度的使用的,但如果細(xì)分倍數(shù)再高,其使用精度就無法超越18角秒。
2. 目前大部分的運(yùn)動控制是用速度環(huán)控制的,細(xì)分提高了分辨率,可以提高速度環(huán)的精度,帶來的最終加工效果看,似乎也是精度提高了。
高分辨率的編碼器,精度不一定就高,以某日系17位編碼器為例,其原始最高刻線為8位256線(如圖3),經(jīng)過多倍細(xì)分和A/B相4倍頻后,得到17位(約13萬圓周分割度)的分辨率,折算角度分辨率為9.89角秒,可其并沒有提供精度參數(shù),如以業(yè)內(nèi)精度較高的海德漢提供的方法推算,編碼器系統(tǒng)原始精度(誤差)為刻線(512)的1/20,細(xì)分誤差為原始刻線(512)的1%計算,得到的精度為152角秒—相當(dāng)于2.5角分,如此的精度,證實(shí)這樣的高分辨率編碼器主要是應(yīng)用于速度環(huán)的,對于定位的位置環(huán),精度并不高。事實(shí)上對于細(xì)分后的編碼器來說,其細(xì)分前的刻線數(shù)很重要,而其細(xì)分前的系統(tǒng)精度更加重要,細(xì)分可以提高分辨率,但不能提高精度,甚至可能降低了精度。
綜上所述,影響編碼器精度的因素很多,編碼器的精度與分辨率相關(guān)的,僅僅是光學(xué)部分的刻線數(shù),刻線數(shù)越多(越密),精度可能越高,但還要看其余的很多部分,都與分辨率無關(guān)。而刻線數(shù)密度,也是受材料與加工工藝及光學(xué)衍射的限制的,一般58毫米外徑工業(yè)級編碼器的刻線數(shù)最高到10000線,更高的分辨率均由正余弦信號細(xì)分來完成的,其精度也就受到了一定的限制。