角度编码器的精度（１）[讨论]

角度编码器的精度


摘要：精密回转机构依赖于高精度的角度编码器。本文详细阐述了角度编码器的误差源、编码器的选用规则，介绍了一种新型的直接位置反馈的环状角度编码器，提出了有效的误差补偿方法。

关键词：角度编码器；误差预算；新型环状角度编码器；精度；误差补偿

几乎每个设备都含有编码器……

许多自动化系统依赖精密旋转运动；旋转式计算机直接制板机 (CTP)、机器A、B及C轴、表面贴装机、形状测量、晶片处理和检测以及测角仪都使用某种形式的旋转式或角度编码器*。

*角度编码器一般具有10000及以上的刻线数，精度超过±5秒。严格地说，“旋转式编码器”这一术语所指的编码器低于这些标准，但它常作为指所有“圆形”编码器的一般术语。

不同的应用要求不同的性能与特性组合来优化功能。一些应用要求精度，另一些应用则要求重复性、高分辨率或较低的周期误差以控制速度回路。人们一般要选择规格与功能到达最佳匹配的编码器，市面上有令人眼花缭乱的产品可供选择。但能够满足所有要求的产品却少之又少。

精密运动控制不能只依靠精度，系统的动态响应同样重要。位置的精密测量当然重要，但是如果不能精确地定位，系统也毫无用处。直驱电机（或称扭矩电机）形成高扭矩，实现在很小的角度上的精密伺服控制。其动态响应极佳，因为负载直接连接到驱动轴上，从而无需使用传动组件，因为这些组件会引起反向间隙、滞后、齿轮啮合误差或皮带变形等。大内径扭矩电机的无机架结构不提供明显可用的连接件可以装配上具有轴输出方式的编码器，但环形编码器可提供简便的解决方法。此外，环形编码器与负载一样直接连接到驱动轴上，使系统消除了不需要的“间隙”。在任何测量或控制系统中，都希望编码器尽可能靠近驱动部件，这有利于减少潜在共振，影响伺服性能，尤其是在伺服带宽增加时。

最显而易见的精密位置反馈解决方案就是使用旋转编码器。与选择电机一样，选择正确的旋转编码器要根据实际的规格要求，要认识到影响编码器精度的因素并了解可以怎样克服性能上的不足。   本文简要介绍了影响旋转编码器性能的基本因素，协助设计者选择“合适”的编码器系统。

在选择旋转编码器或角度编码器时，如果片面地选择最高精度和分辨率，而不考虑数据率、系统大小、复杂性和成本，是不明智的。现在的直线光栅可提供几十纳米的测量精度和分辨率。同样地，角度编码器能够提供亚秒*性能（* 一秒表示直径为 206.25 mm 圆上的1 微米圆弧）

在确定精度要求时，应把精度、分辨率和重复性三者分开来分析：

 对于要求重复性的应用（例如机械手），系统反复地停在相同的编码器计数位置的能力要比工作台的角度精确性更重要。  
 对于连续平稳运动，所选择的分辨率和精度应不允许在控制伺服带宽内有“抖动”。  
 对于慢速移动的装置，例如天文望远镜，角度测量精度比系统最高数据率更重要。
 对于直升机摄像头座，准确的手动定位和分辨率比重复性或绝对精度更重要，尽管后者在使用相同传感器为武器系统提供目标数据时变得更为重要。  
 对于高速系统，可能需要在速度和位置准确度之间取舍；粗的栅距（更少的刻线数）系统适合高数据率，但细的栅距（更多的刻线数）系统通常具有较低的细分误差。

了解系统精度要求后，选择适宜的编码器就容易多了。尽管某些厂商声称，但旋转测量中的精度极少为“即插即用”，因此了解误差预算对于优化性能至关重要。