一文讀懂編碼器分辨率的三種形式

在選擇編碼器時(shí)，我們不僅要考慮編碼器的類(lèi)型，還要考慮編碼器的接口、分辨率、精度、保護(hù)級(jí)別等方面，以滿(mǎn)足用戶(hù)的控制要求。尤其是編碼器的分辨率和精度與運(yùn)動(dòng)控制密切相關(guān)。今天我們將討論伺服編碼器的分辨率。

什么是編碼器分辨率

分辨率是指編碼器的每個(gè)計(jì)數(shù)單元之間產(chǎn)生的距離，即編碼器可以測(cè)量的最小距離。

 上圖顯示了四個(gè)具有不同行數(shù)的光電編碼器盤(pán)，可以觀察到行的密度不同。

編碼器的分辨率決定了編碼器可以測(cè)量的最小距離。編碼器的分辨率通常用“CPR”來(lái)描述，線(xiàn)性編碼器的分辨率用“x um”來(lái)描述。在本文中，我們將解釋編碼器的分辨率和分辨率的三種形式：原始分辨率、插值分辨率和倍頻程分辨率。

編碼器的原始分辨率

增量光電編碼器的工作原理更便于視覺(jué)解讀，因此本文使用增量光電編碼器來(lái)解釋分辨率。磁編碼器和感應(yīng)編碼器的分辨率也與光電編碼器相同。

分辨率的最基本形式：原始分辨率。光電編碼器內(nèi)部的LED照亮帶有線(xiàn)條的透明碼盤(pán)上的光線(xiàn)。碼盤(pán)上的行數(shù)決定了編碼器的原始分辨率，也稱(chēng)為每轉(zhuǎn)循環(huán)數(shù)（CPR）。原始分辨率最容易觀察到。文章開(kāi)頭的圖像有四個(gè)代碼盤(pán)，左側(cè)代碼盤(pán)上有64行，對(duì)應(yīng)于64CPR的原始分辨率；其他三個(gè)碼盤(pán)的行數(shù)更多，原始分辨率分別為100CPR、200CPR和400CPR，與每個(gè)碼盤(pán)上的行數(shù)相同。

如果編碼器的分辨率和行數(shù)始終相同，則分辨率將非常簡(jiǎn)單明了，不會(huì)那么容易被誤解。

編碼器插值分辨率

編碼器插值信號(hào)處理可以有效地提高分辨率，超過(guò)原來(lái)的CPR。

光電編碼器使用LED陣列而不是單個(gè)LED來(lái)內(nèi)部掃描編碼器盤(pán)。LED陣列將代碼板上的多行視圖信號(hào)發(fā)送到信號(hào)處理器（子分配器）。如果實(shí)際位置在兩條線(xiàn)之間，則信號(hào)處理器可以進(jìn)行插值以找到該位置。

這就像拿一把以毫米為單位的尺子，在每毫米之間添加標(biāo)記，讀取較小的值，而不實(shí)際添加一行。

插值測(cè)量可在不需要更多導(dǎo)線(xiàn)的情況下產(chǎn)生更高的分辨率。

如果制造商告訴編碼器的分辨率，那么給定的分辨率就是插值后的分辨率。例如，如果編碼器的額定分辨率為10000CPR，但編碼器磁盤(pán)上只有2500行，則需要知道內(nèi)部模塊進(jìn)行插值以找到“中間”位置，從而生成更高的分辨率。


 左圖顯示插值前的分辨率，右圖顯示插值后的分辨率

為什么制造商使用插值來(lái)提高分辨率？對(duì)于原始分辨率，更高的分辨率意味著需要更多更細(xì)的線(xiàn)條，這意味著更高的成本，也限制了物理限制。通過(guò)插值，制造商可以在不增加編碼器盤(pán)尺寸的情況下生產(chǎn)更高分辨率的編碼器。或者，制造具有相同分辨率的編碼器，同時(shí)減小編碼器盤(pán)的尺寸，對(duì)于需要小型化產(chǎn)品的用戶(hù)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

原始分辨率基于編碼器碼盤(pán)的標(biāo)線(xiàn)片的分辨率，而插值分辨率基于編碼器信號(hào)處理的分辨率，兩者都由編碼器內(nèi)部處理。事實(shí)上，分辨率也可以在編碼器之外進(jìn)行更改。

編碼器倍頻分辨率

增量編碼器的輸出信號(hào)都是正交信號(hào)：信號(hào)A和信號(hào)B，信號(hào)A和B之間有90°e（電角度）。通過(guò)正交信號(hào)，與CPR相比，分辨率加倍的技術(shù)可以用于每轉(zhuǎn)產(chǎn)生四倍的位置信息。



請(qǐng)注意，此處理發(fā)生在輸出信號(hào)離開(kāi)編碼器之后。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們需要一個(gè)編碼器到計(jì)數(shù)器的接口芯片，如LS7183N。許多可以接收編碼器信號(hào)的控制器都內(nèi)置了具有正交計(jì)數(shù)功能的模塊，無(wú)需自行處理正交信號(hào)。

需要特別注意的是：不同的制造商以不同的方式使用不同的術(shù)語(yǔ)，尤其是上圖中的CPR（每轉(zhuǎn)周期或每轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)）和PPR（每每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)或每轉(zhuǎn)周期數(shù)），它們特別容易混淆。不同制造商給出的相同縮寫(xiě)可能有不同的含義，最好將其區(qū)分開(kāi)來(lái)，并與制造商核實(shí)。

下圖顯示了不同分辨率在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的位置，包括原生分辨率、插值分辨率和倍頻分辨率。



在市場(chǎng)上，線(xiàn)性編碼器的制造商給出的分辨率通常對(duì)應(yīng)于四次之后的分辨率，而編碼器的制造商給定的分辨率一般對(duì)應(yīng)于每轉(zhuǎn)的行數(shù)或每轉(zhuǎn)的輸出脈沖數(shù)。

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