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：線（line），一般是指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, 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，編碼器的方波輸出有A相與B相，相差1/4個脈沖周期變化，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。有時描述編碼器分辨率用多少位（Bit），就是以最小可分辨步距的2的冪次方，例如2048個AB方波脈沖，可經(jīng)過四倍頻，獲得相當(dāng)于8192個分割最小步距，也就是13位。

 

編碼器的精度，是指編碼器輸出的信號數(shù)據(jù)對測量的真實角度的準(zhǔn)確度，對應(yīng)的精度參數(shù)是角分（′）、角秒（″）。 

 

編碼器的分辨率與精度完全是兩個不同的概念。所謂高位數(shù)分辨率的編碼器，并不代表精度也高。

 

伺服編碼器的高分辨率一般都是由模擬信號再細(xì)分獲得。

伺服編碼器的精度偏差有多個部分組成：

第1組，機(jī)械軸系和安裝偏差；編碼器單圈圓周的偏差；如果伺服電機(jī)有傳動啟動負(fù)載，還有傳動誤差。當(dāng)有傳動偏差引入，重復(fù)精度失去意義，不再重復(fù)。

第2組，多信號周期編碼器的單信號偏差、噪音、細(xì)分引入的電子誤差。

細(xì)分無法提高第1組機(jī)械軸系和安裝的精度，也無法提高編碼器單圈圓周的精度。

細(xì)分可以提高第2組的精度應(yīng)用，當(dāng)細(xì)分后的最小步距接近于單信號周期精度范圍，細(xì)分是可以充分利用信號精度獲得更好的伺服動態(tài)特性；當(dāng)細(xì)分過度后的最小步距已經(jīng)小于單信號周期偏差范圍和噪音范圍，再細(xì)分已經(jīng)沒有意義了，這將引入更多的噪音，使信號紊亂。

通過低通濾波，可以用多次采樣取平均值的做法，在低速時顯得編碼器輸出數(shù)字步距小而沒有噪音抖動，在低速及停止時可以獲得較小的伺服脈動步距，看似很好看（瞞天過海此一招）。但那是犧牲了采樣期間的時間為代價的（幾個Hz），這個時間間隔內(nèi)編碼器已經(jīng)轉(zhuǎn)動了一定的角度，濾波獲得的平均值實際上已經(jīng)還有一個延時角度誤差的引入。這樣的低通濾波僅對于低速測量及較小的脈動步距穩(wěn)定性有效，或者停下來好看一點(diǎn)，對于運(yùn)動起來的伺服控制已沒有了意義。

 

 一般的理解，伺服編碼器的精度與伺服控制位置環(huán)有關(guān)，而分辨率作用于伺服控制的速度環(huán)。在測量系統(tǒng)中，所謂的“瞬時速度”是沒有的，只是時間間隔越短，就越接近于“瞬時”，而越接近于“瞬時速度”的控制，“動態(tài)特性”與“剛性”控制就越好，高速時的瞬時特征也越就明顯。

變化的位置/單位時間=速度；變化的速度 /單位時間=加速度；

變化的加速度/單位時間=加加速度，，，

低速中，單信號周期的偏差對于速度穩(wěn)定性起決定性作用。高速中，以及在變化的加速度中，編碼器的系統(tǒng)偏差和單信號周期的偏差對于變化的加速度穩(wěn)定性起決定性的作用。

以牛頓第二定律來言：F=kma ;           F=力；m=質(zhì)量；k=慣性常數(shù)；a=加速度

電機(jī)輸出變化的力矩與電機(jī)變化的加速度對應(yīng)。顯然，我們的速度計算就要求時間間隔盡量的短，那么，分辨率的提高，對于越短時間里取得位置變化采樣就要多，而且越是高階的求導(dǎo)，這個時間間隔越要短，而采樣的位置變化要多，這個就求助于“高分辨率”了，所以高分辨率對于速度環(huán)和加速度環(huán)的貢獻(xiàn)是很明顯的。

 

但是，精度誤差在高階的計算中，也是按級數(shù)增加的，當(dāng)精度誤差與采樣分辨率的比例達(dá)到一定時，在高價的計算中就急劇上升，如再加上控制的機(jī)械響應(yīng)（彈性振蕩）誤差的增加，其反應(yīng)的就是變化加速度計算的對應(yīng)電機(jī)電流的控制誤差－－電流控制紊亂，無功熱耗，電機(jī)發(fā)燙，電機(jī)的加速度不平穩(wěn)了。實際上此時的伺服“動態(tài)特性”已經(jīng)是虛的了。由此，高精度編碼器對于速度環(huán)，尤其是高階的動態(tài)特性，實際上比分辨率更加的重要。

分辨率可以不斷的細(xì)分上去，而“精度”是無法通過細(xì)分提高，甚至帶來更大的噪音誤差。

 

 經(jīng)驗證明，高分辨率反饋對低速下的速度和位置閉環(huán)剛度和穩(wěn)定性貢獻(xiàn)非常顯著，但編碼器信號質(zhì)量欠佳，導(dǎo)致一個正余弦信號周期內(nèi)的細(xì)分均勻性變差時，高速下的速度穩(wěn)定性反而為其所累。

 

抓典型，分析一個電梯伺服編碼器ERN1387，說明一下分辨率與精度的作用

 

高層建筑中的每一部電梯就有一顆編碼器，控制電梯運(yùn)行的速度、加速度和保證乘客坐電梯上上下下的舒適度，快速平穩(wěn)啟動、連續(xù)加速、柔和制動、快速準(zhǔn)確到達(dá)樓層，無任何不適感。

在這些高層電梯中，目前大部分都已經(jīng)用上了較先進(jìn)的永磁同步力矩電機(jī)直接驅(qū)動。永磁同步力矩電機(jī)以其體積小、輸出力矩大、效能高的直接驅(qū)動模式，而在電梯應(yīng)用中占得技術(shù)領(lǐng)先地位，被廣為使用。而這種永磁同步力矩電機(jī)也是伺服電機(jī)的一種，都需要配有一顆編碼器作信號反饋，十多年來這個規(guī)格編碼器超過半數(shù)為德國海德漢的ERN1387獨(dú)占市場，每年新增數(shù)十萬個，全國保有量數(shù)百萬個的ENR1387獨(dú)步電梯伺服編碼器武林十五年，幾無對手！另有少量為日本多摩川的類似產(chǎn)品也是在后來才進(jìn)入，其他品牌少有進(jìn)入這個市場，少有國產(chǎn)化編碼器能夠進(jìn)入到這個市場。作為電梯曳引機(jī)廠家曾經(jīng)多方尋求打破德國海德漢ERN1387的壟斷，希望有更多廠商可以供貨形成價格競爭而降低成本，甚至有國產(chǎn)化編碼器可以替代。但是，其他各個品牌（包括一些著名外資品牌）編碼器的替代試用，由于種種技術(shù)上原因無法達(dá)到用戶使用要求，各種替換的嘗試都沒有形成規(guī)模。ERN1387究竟有什么獨(dú)門武器？

那我們先來看一下同步伺服電梯曳引機(jī)：

早期的電梯曳引機(jī)為異步電機(jī)，通過減速機(jī)帶動電梯卷揚(yáng)提升鋼絲繩，整體體積大運(yùn)行速度慢，功率效能在減速機(jī)上損失較大。較為先進(jìn)的曳引機(jī)使用了永磁同步力矩電機(jī)，沒有減速機(jī)的效能損耗，直接驅(qū)動電梯卷揚(yáng)提升鋼絲繩，這也是伺服電機(jī)的一種，伺服電機(jī)就需要加裝編碼器反饋，以作為位置、速度和加速度力矩環(huán)的信號反饋。伺服編碼器ERN1387安裝于電機(jī)中心軸。

然后我們再來看看這顆ERN1387: 

1，機(jī)械安裝特點(diǎn)：

ERN1387轉(zhuǎn)軸為一個錐形通孔軸插入電機(jī)軸安裝，編碼器錐軸面緊貼電機(jī)軸錐形面剛性連接，將編碼器后蓋打開，用一個螺絲穿過編碼器轉(zhuǎn)軸通孔與電機(jī)軸擰緊固定。當(dāng)螺絲擰緊時，編碼器底座上一個頂針受電機(jī)側(cè)安裝面頂壓，漲開編碼器的漲固圈，與電機(jī)側(cè)圓形固定面卡緊固定。漲固圈是一個平面彈簧，允許安裝有一定的公差范圍和彈性，并且消除電機(jī)振動對編碼器的機(jī)械損傷。

這樣特殊的安裝方式，用戶僅需一個螺絲固定編碼器，而編碼器的轉(zhuǎn)軸與電機(jī)的轉(zhuǎn)軸是直接剛性連接的，沒有用聯(lián)軸器而避免了角度偏差損失，可以方便保證最佳機(jī)械安裝精度。

2，參數(shù)信號輸出特點(diǎn)：

ERN1387為光學(xué)碼盤式工作原理，輸出1Vpp的ABCDZ五個正余弦信號組，見下圖。

其中，AB為2048個脈沖的正余弦信號；CD為每圈一個周期的正余弦信號；Z（或稱為R）為每圈一個零位信號，便于運(yùn)動中快速給AB增量信號計數(shù)提供零位參考。

3，信號后部的細(xì)分及用途

伺服電機(jī)換向信號由CD（C-D-）提供，在光學(xué)碼盤有四個單周變化的刻軌，1KΩ電阻時的典型信號幅值為1Vpp。后續(xù)電子電路的輸入電路與1Vpp接口相同，要求終端電阻Z0為1KΩ而不是120Ω。

 

ERN1387的AB信號為2048個脈沖周期的正余弦信號，信號可經(jīng)電纜傳輸150米，在后續(xù)電子設(shè)備中再經(jīng)過細(xì)分5~10位，獲得更高的分辨率。由于正余弦信號是單一頻率的電磁波，在傳輸中僅對其接近頻段的干擾波敏感，而對于大部分干擾波并不敏感，在后續(xù)電路接收經(jīng)過一次差分后再細(xì)分，可以濾去干擾雜波。

4，編碼器精度的極致體現(xiàn)

ERN1387的系統(tǒng)精度是20角秒；

ABCD正余弦信號的波形偏差小于1%。這些信號適用于100倍的鎖相環(huán)（PLL）細(xì)分電路。

 

極致的聯(lián)軸機(jī)械安裝方式。永磁同步力矩直接驅(qū)動，沒有傳動損失。

（很多的替換者編碼器，精度都還沒有優(yōu)于35角秒，甚至都是角分級別，有些只是重復(fù)精度數(shù)據(jù)）。

 

ERN1387的這些參數(shù)特性其實早就公開，其他品牌試圖替換ERN1387的編碼器，使用相似的錐形軸機(jī)械安裝形式，輸出同樣的2048正余弦信號，后面用同樣的細(xì)分電路，為什么會替換不成？

也許他們僅僅只強(qiáng)調(diào)了編碼器2048正余弦信號細(xì)分的高分辨率，可能忽略了編碼器精度對于伺服控制加速度穩(wěn)定性的重要性，由于同步電機(jī)電梯沒有傳動裝置，加速度的平穩(wěn)性直接暴露在電梯轎廂上，而電梯乘客每個人的中耳平衡系統(tǒng)對于轎廂變化加速度平穩(wěn)性卻極為敏感，那就與編碼器的精度有關(guān)！

 

電梯轎廂中，乘客人耳的中耳平衡系統(tǒng)對變加速度的平穩(wěn)性曲線很敏感，不穩(wěn)定的波動將對人產(chǎn)生暈眩心慌感覺。

 

原來人的耳朵就是電梯伺服控制好不好的檢驗裝置啊。

來自ERN1387編碼器廠家的意見：可控的伺服驅(qū)動技術(shù)為了增大控制環(huán)的增益，需要充分考慮系統(tǒng)的動態(tài)性能、速度的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的剛性，位置編碼器的選用是影響驅(qū)動控制性能好壞的一個非常重要的因素。特別是位置的分辨率及一個信號周期內(nèi)的位置誤差對系統(tǒng)性能影響非常明顯。 

幾種伺服電機(jī)位置檢測器件的主要性能比較 

周期性誤差對控制性能的影響：

為了實現(xiàn)所需的高分辨率，必須對掃描出來的正弦信號進(jìn)行細(xì)分。偏離理想的正弦信號在細(xì)分時就會產(chǎn)生一個信號周期內(nèi)的周期性誤差，因此一個信號周期內(nèi)的位置誤差也稱為細(xì)分誤差。在高質(zhì)量的編碼器上細(xì)分誤差通常是信號周期的1%至2%。 

細(xì)分誤差會影響位置精度，同時也會非常明顯地降低驅(qū)動系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性以及帶來噪音。速度控制器會根據(jù)誤差曲線計算電流來增加或減低驅(qū)動系統(tǒng)的速度。在低速時驅(qū)動的進(jìn)給滯后于細(xì)分誤差。在加速時細(xì)分誤差的頻率也會增加。因為只有在控制系統(tǒng)的帶寬范圍以內(nèi)電機(jī)才能跟隨誤差的波動，細(xì)分誤差對速度穩(wěn)定性的影響會隨著速度的增加而減少。然而，它對電機(jī)電流的擾動繼續(xù)增加，在高增益的控制環(huán)系統(tǒng)中將給驅(qū)動帶來很大的擾動噪音，其結(jié)果可能就是產(chǎn)生熱量而電機(jī)發(fā)燙，并最終毀損電機(jī)。 

伺服驅(qū)動能達(dá)到的精度取決于測量誤差的幅值以及周期。因為單信號周期（例如單磁極磁編）一轉(zhuǎn)只產(chǎn)生一個信號周期，細(xì)分誤差就會有很大的影響:使用表1中的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)的帶寬設(shè)為100Hz，驅(qū)動系統(tǒng)跟隨周期為編碼器一個信號周期的細(xì)分誤差，速度可達(dá)6000r/min。也就是說在任何速度范圍內(nèi)都會有速度的波動。 

當(dāng)使用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器時，只是在低速時驅(qū)動系統(tǒng)才滯后于細(xì)分誤差。使用和上面同樣的例子，使用2048線的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，當(dāng)速度在0至2.8 r/min時一個信號周期內(nèi)的細(xì)分誤差才會變得很明顯。由此而引起的位置誤差通常在6”以內(nèi)。 

位置分辨率對速度控制的影響： 

應(yīng)用在伺服驅(qū)動上的編碼器的分辨率和精度通常是變化的，所以可能實現(xiàn)的最小測量步距對控制環(huán)的影響需要密切關(guān)注。只對速度控制環(huán)增益是線性的情況來分析有限的位置分辨率的主要影響。筆者忽略位置控制器和積分速度環(huán)，來分析下列參數(shù)的驅(qū)動系統(tǒng): 

采樣間隔T: 100μs; 

P-增益KPG : 600s-1; 

電機(jī)慣量JM : 0.001kgm2; 

恒定扭矩KKM: 0.68Nm/A; 

根據(jù)這些參數(shù)，具有14位細(xì)分的旋轉(zhuǎn)變壓器的最小測量步距，會引起3.4A的電流波動，也就意味著電機(jī)峰值電流的50%需要考慮進(jìn)來。而另一方面值得注意的是具有更小測量步距17位的感應(yīng)式編碼器只有400mA的電流波動，25位的光電式旋轉(zhuǎn)編碼器電流的波動更小，只有不到2mA。 

驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)械方面的影響和編碼器的位置誤差都將引起速度穩(wěn)定性的不規(guī)則變化。如果測量信號的分辨率太低或者細(xì)分誤差太大，波浪狀的誤差就會出現(xiàn)在工件加工表面。在生產(chǎn)系統(tǒng)里面特定運(yùn)動的速度穩(wěn)定性也可以看作與質(zhì)量有關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)。 

編碼器的分辨率和精度在很大程度上能提高電機(jī)的速度穩(wěn)定性，同時，也極大地減少了電機(jī)電流的波動。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時噪音小，產(chǎn)生的熱量也會很少。 

理想的具有高細(xì)分倍數(shù)的輸出信號支持高的帶寬，也就是說載荷的變化對旋轉(zhuǎn)速度的影響很小。 

 

由此總結(jié)：電梯伺服編碼器ERN1387的“秘籍”——編碼器的精度對伺服控制的影響更加的重要。

——機(jī)械安裝精度的極致化，沒有聯(lián)軸器的剛性錐形面聯(lián)接。

——編碼器系統(tǒng)精度高，達(dá)到20角秒。注意，編碼器的精度表述單位是角秒，不是多少位。

——輸出正余弦信號完美度，偏差?。ㄐ∮?%），150米的差分信號傳輸距離抗干擾性強(qiáng)。

——沒有傳動系統(tǒng)打掩護(hù)的直接面對電梯乘客體驗，擋住了因編碼器精度不夠而引起加速度不穩(wěn)定的競爭者。

當(dāng)伺服編碼器ERN1387在電梯運(yùn)行中經(jīng)歷從停止到高速，再從高速到停止的加速度變化時，它輸出角度信號的高精度幫助了伺服控制有穩(wěn)定的電流環(huán)，而獲得穩(wěn)定變化的轎廂加速度曲線，電梯轎廂中的乘客就很有舒適感了。

編碼器ERN1387編碼器為2048個正余弦信號（11位AB，四倍頻后為13位）。這樣的正余弦信號也可以通過ADC細(xì)分，有些細(xì)分芯片可報12位細(xì)分，也就是說類似的2048正余弦編碼器經(jīng)過了細(xì)分最高可達(dá)23位。但是，細(xì)分前的精度，機(jī)械安裝的精度，細(xì)分無法改變提高。23位的分辨率對于伺服精度完全是兩個不同的概念。

故事《濫竽充數(shù)》不需多講。當(dāng)電梯這樣千百萬市民需要每天一次次，對一個個電梯編碼器親身體驗的時候，那就是要編碼器一個個的單獨(dú)吹竽表演的時刻。如果忽視編碼器精度重要性，而只是靠細(xì)分獲得的高分辨率的編碼器，將顯露出伺服控制電流環(huán)不穩(wěn)定，變化的加速度曲線不平滑的弊端，電梯轎廂中的乘客就會感覺暈眩心慌，而要去投訴電梯廠家了。

 

可以這么說，伺服電機(jī)上有較大誤差的機(jī)械減速傳動系統(tǒng)誤差掩蓋了很多編碼器的精度，那些報有“很高分辨率”，但是精度卻很一般的編碼器還可以混跡其中，用戶因機(jī)械誤差更大而無法辨別。而電梯同步曳引機(jī)的伺服編碼器沒有傳動減速，是直接角度反饋的，編碼器精度影響在伺服控制運(yùn)動曲線上的穩(wěn)定性如何將暴露無遺。那些忽視精度光講分辨率有多高的編碼器就要像那逃跑的南郭先生一樣，無法再混跡其中了。