磁编码器的分辨率、精度与重复性:如何理解?有何区别?

分辨率
分辨率是指编码器能够检测到的最小运动量,其衡量标准因编码器类型而异:

对于直线编码器,分辨率指一个测量步长的长度。通常以微米(µm)为单位表示,计算公式为磁极长度(µm)除以插补系数。在印刷应用中通常以DPI(每英寸点数)表示。

旋转编码器的分辨率可用角秒、角分、度、百分度或弧度表示。绝对式旋转编码器的分辨率是指一整圈(360°)中的测量段数或单位数,例如13位分辨率的绝对式旋转编码器表示有2¹³=8192个步进。增量式旋转编码器以PPR(每转脉冲数)和CPR(每转计数数)定义分辨率。PPR指从一个上升沿到下一个上升沿的信号脉冲,而CPR则标记双通道的上升沿和下降沿。CPR是通过将PPR电子倍增四倍实现的。

分辨率可分为不同等级,大致划分如下:

直线编码器:
高分辨率:低于100纳米
中分辨率:200纳米-10微米
低分辨率:高于50微米

旋转编码器:
高分辨率:高于18位
中分辨率:13位-17位
低分辨率:低于12位

所选编码器的分辨率应等于或优于应用需求。

编码器精度
精度是指输出值与理论理想值的接近程度。它表示实际位置与编码器反馈位置之间的偏差,简而言之即测量的最大误差。

编码器的精度是标尺精度与读数头所引起误差的综合体现。旋转编码器的精度通常以角秒或度表示。直线编码器最常用的精度单位为微米/每单位标尺长度(µm/m)。需要注意的是,更高的分辨率并不会自动带来更高的精度。

重复性
重复性是指在相同实际位置进行多次测量所得结果的最大差异。

单向重复性是指在同一方向、相同条件下对同一物理点进行多次测量时,编码器反馈位置的最大差值。电子噪声、温度漂移和元件老化会导致编码器对同一位置在不同时间反馈出不同数值。重复性指标通常未单独列明,而是包含在精度规格中。根据经验法则,特定编码器的重复性一般比其精度优(小)5-10倍。

双向重复性则是指在相反方向、相同条件下对同一物理点进行多次测量时,编码器反馈位置的最大差值。

一个系统可能具有很高的重复性,但精度仍不足。图6展示了精度与重复性的区别。尽管良好的重复性未必意味着高精度,但对于许多应用场景(如控制机械手的重复运动)而言,重复性是编码器最重要的参数。

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