2 编码器参数
2.1 分辨率
指编码器能够分辨的最小单位。
对于增量式编码器,其分辨率表示为编码器转轴旋转一圈所产生的脉冲数,即脉冲数/转(Pulse Per Revolu
tion 或PPR)。
码盘上透光线槽的数目其实就等于分辨率,也叫多少线,较为常见的有5-6000 线。
对于绝对式编码器,内部码盘所用的位数就是它的分辨率,单位是位(bit),具体还分单圈分辨率和多圈分辨率。
2.2 精度
首先明确一点,精度与分辨率是两个不同的概念。
精度是指编码器每个读数与转轴实际位置间的最大误差,通常用角度、角分或角秒来表示。
例如有些绝对式编码器参数表里会写±20′′,这个就表示编码器输出的读数与转轴实际位置之间存在正负20 角秒的误差。
精度由码盘刻线加工精度、转轴同心度、材料的温度特性、电路的响应时间等各方面因素共同决定。
2.3 最大响应频率
指编码器每秒输出的脉冲数,单位是Hz。计算公式为:
最大响应频率= 分辨率* 轴转速/60
例如某电机的编码器的分辨率为100(即光电码盘一圈有100条栅格),轴转速为120转每分钟(即每秒转2圈),则响应频率为100*120/60=200Hz,即该转速下,编码器每秒输出200个脉冲(电机带动编码器转了2圈嘛)。
2.4 信号输出形式
对于增量式编码器,每个通道的信号独立输出,输出电路形式通常有集电极开路输出、推挽输出、差分输出等。
对于绝对式编码器,由于是直接输出几十位的二进制数,为了确保传输速率和信号质量,一般采用串行输出或总线型输出,例如同步串行接口(SSI)、RS485、CANopen 或EtherCAT 等,也有一部分是并行输出,输出电路形式与增量式编码器相同。
3码盘测速原理
3.1 编码器倍频
编码器倍频是什么意思呢,比如某光栅编码器一圈有N个栅格,理论上电机带动编码器转一圈,只能输出N个信号,通过倍频技术,可以实现转一圈,却能输出N*n个信号,这里的n为倍频数。
增量式编码器输出的脉冲波形一般为占空比50% 的方波,通道A 和B 相位差为90°。
如果只使用通道A计数,并且只捕获通道A的上升沿,则一圈的计数值=码盘的栅格数,即为1倍频(没有倍频)
如果只使用通道A计数,并且捕获了通道A的上升沿和下降沿,则编码器转一圈的计数值翻倍,实现2倍频
如果既使用通道A计数,又使用通道B计数,且都捕获了上升沿和下降沿,则实现了4倍频
假设某个增量式编码器它的分辨率是600PPR,能分辨的最小角度是0.6°,对它进行4 倍频之后就相当于把分辨率提高到了600*4=2400PPR,此时编码器能够分辨的最小角度为0.15°。
3.2 M法测速
又叫做频率测量法。该方法是在一个固定的时间内(以秒为单位),统计这段时间的编码器脉冲数,计算速度值。M法适合测量高速。
假设:
编码器单圈总脉冲数为C(常数)
统计时间为T0(固定值,单位秒)
该时间内统计到的编码器脉冲数M0(测量值)
则:转速n (圈/秒)的计算公式为:
如何理解这个公式:
M0/C 即统计时间内有多少个编码器脉冲,再除以统计时间T0,即1s(单位时间)内转了多少圈
例如:统计时间T0为3s,在3s内测得的脉冲M0为60,而编码器的单圈脉冲数C为20,则转速n=60/(20*3)=1圈每秒
由于C 是常数,所以转速n 与M0成正比。这就使得:
在高速时,测量时M0变大,可以获得较好的测量精度和平稳性
但在低速时(低到每个T0内只有少数几个脉冲),此时算出的速度误差就会比较大,并且很不稳定。
如下图,方波为编码器某一通道输出的脉冲。
当转速较高时,每个统计时间T0内的计数值较大,可以得到较准确的转速测量值。
当转速较低时,每个统计时间T0内的计数值较小,由于统计时间的起始位置与编码器脉冲的上升沿不一定对应,当统计时间的起始位置不同时,会有一个脉冲的误差(只统计上升沿时,最多会有1个脉冲误差,统计上升沿和下降沿时,最多会有2个脉冲的误差)。
通过倍频提高单位时间测得的脉冲数可以改善M 法在低速测量的准确性(比如原本捕获到的脉冲M0只有4 个,经过4 倍频后,相同电机状态M0变成了16 个),但也不能从根本上改变低速时的测量问题。
3.3 T法测速
又叫做周期测量法。这种方法是建立一个已知频率的高频脉冲并对其计数。T法适合测量低速。
假设:
编码器单圈总脉冲数为C(常数)
高频脉冲的频率为F0(固定值,单位Hz)
捕获到编码器相邻两个脉冲的间隔时间为Te,其间的计数值为M1(测量值)
则:转速n 的计算公式为:
如何理解这个公式:
1/Te即1s内有多少个编码器脉冲,再除以一圈的脉冲数C,即1s内转了多少圈
F0/M1即1s内的高频脉冲数除以两编码器脉冲间的高频脉冲数,也即1s内有多少个编码器脉冲,再除以一圈的脉冲数C,即1s内转了多少圈
例如:高频脉冲的周期是1ms,即频率F0为1000Hz,在编码器的两个脉冲之间,产生的高频脉冲数M1为50个(即两个编码器脉冲的间隔Te为0.05s),编码器一圈的脉冲数C为20,则转n=1000/(50*20)=1圈每秒。
由于C 和F0是常数,所以转速n 跟M1成反比。这就使得:
在高速时,编码器脉冲间隔时间Te很小,使得测量周期内的高频脉冲计数值M1也变得很少,导致测量误差变大
在低转速时,Te足够大,测量周期内的M1也足够多,所以T 法和M 法刚好相反,更适合测量低速。
如下图,黑色方波为编码器某一通道输出的脉冲,黄色方波为高频测量脉冲。
当转速较低时,高频测量脉冲数M1较大,可以得到较准确的转速测量值。
当转速较高时,编码器两脉冲间的时间间隔变短,导致高频测量脉冲数M1较小,由于高频脉冲的上升沿位置与编码器脉冲的上升沿不一定对应,当两波的上升沿位置不同时,会有一个脉冲的误差。
3.4 M/T法测速
这种方法综合了M 法和T 法各自的优势,既测量编码器脉冲数又测量一定时间内的高频脉冲数。
在一个相对固定的时间内,假设:
编码器脉冲数产生M0个 (测量值)
计数一个已知频率为F0(固定值,单位Hz)的高频脉冲,计数值为M1(测量值),计算速度值
码器单圈总脉冲数为C(常数)
则转速n 的计算公式为:
例如:在一个相对固定的时间内,编码器脉冲数 M0为3个;高频脉冲的周期是1ms,即频率F0为1000Hz,产生的高频脉冲数M1为150个;编码器一圈的脉冲数C为20,则转n=1000*3/(150*20)=1圈每秒。
由于M/T 法公式中的F0和C 是常数,所以转速n 就只受M0和M1的影响。
高速时,M0增大,M1减小,相当于M 法
低速时,M1增大,M0减小,相当于T 法。