论如何实现旋转角度的精确测量

现在有这样一个应用情景:需要控制一根轴进行1-360°的旋转，能够做到的旋转控制分辨率为0.1°(即能够以0.1°为单位进行移动，已实现)。但控制系统上电后不能进行回零操作，即上电就要知道当前所处的角度位置，所以需要在轴上加装一个和轴联动的角度传感器。要求该角度传感器的检测分辨率至少要小于等于0.1°。可以实现角度检测的传感器据，我这查阅到三类:
1、绝对值光电编码器，10位的测量分辨率大约为360/1024=0.35°，12位的测量分辨率大约为360/4096=0.88°。所以如果要保证传感器检测的分辨率达到0.1°以上，那么需要12位分辨率的编码器。看了下欧姆龙的12位绝对值编码器，贵的离谱啊。国内的不知道有哪一家的比较好?(有性价比更好)
2、精密电位器，又叫导电塑料角位移传感器。买了一个型号为:WDD35D4-5K的精密电位器来试用，电位器先接4-20mA变送电路，将输出电压值变送成4-20mA的变化电流，再在接收端通过MCU的ADC来读取精密电阻电压。有时候在静止情况下，ADC(10位)读取到的电压数值有点波动。不知道这种传感器靠谱不哦?
电位器参数如下图所示: (注意到其中一个独立线性公差，应该会影响测量精度)

3、霍尔角度传感器，看某宝上说能到到12位测量精度，输出的同样是0-VCC电压来对应旋转角度值。不知道具体情况如何(线性度，分辨率，稳定性)?
因为角度传感器所在位置距离控制主板位置有一定的距离(3-5m),如果直接传送角度传感器输出电压，在现场应该会耦合进很多干扰。所以需要一个变送方案:
1、角度传感器输出的信号通过4-20mA变送电路进行变送，转换成4-20mA电流，然后在接收端，通过一个12位ADC来采集精密电阻上的电压值来将传感器输出信号进行转换，并最终得到所处角度位置信息。考虑到其中的变送电路部分的误差(变送芯片误差，精密电阻温漂等)可能会加入额外的干扰；
2、角度传感器输出的信号通过一个12位ADC进行电压转换后，再通过数字通讯(RS422,RS485等)方式发送给主控制电路。想问下大家对这种测量情景有什么好的方法吗? ;)
经过和网友的讨论和自己研究，采用了如下方法进行旋转角度测量，该方法装配编程都比较简单，也很精确，14位分辨率，SPI或IIC通讯方式。供大家参考下。

线性霍尔传感器，用3个摆成一定角度，好像根据算法就可以算得很准。

我感觉用多圈的精密电位器；
不知道楼主要求得到的精度是多少？楼主选择的WDD35D4-5K电气不是1-360度；霍尔角度传感器精度高的成本也很高；
变送方案，个人建议485，当然要看你们实际的情况，

sjnh 发表于 2016-2-18 20:31
我感觉用多圈的精密电位器；
不知道楼主要求得到的精度是多少？楼主选择的WDD35D4-5K电气不是1-360度；霍尔 ...

轴只转360度,多圈需要增加增速齿轮,与其这样,允许加增速齿轮的话,1024分辩率的编码器也够用了.弄对1:4的齿轮(皮带轮也行),主轴转1圈,编码器转4圈,数脉冲个数就能控制位置了.
用齿轮付要注意啮合间隙引入的误差.其实用同步齿形带很合适的,没有空程误差,安装也方便.

摸摸 发表于 2016-2-18 19:16
线性霍尔传感器，用3个摆成一定角度，好像根据算法就可以算得很准。

没听说过，可以查下。还要捣鼓算法和安装位置，可能会比较折腾点，有直接输出角度数据的传感器最好了。;P

https://item.taobao.com/item.htm ... p;abbucket=1#detail

某宝    485接口的  288  14还是16位

sjnh 发表于 2016-2-18 20:31
我感觉用多圈的精密电位器；
不知道楼主要求得到的精度是多少？楼主选择的WDD35D4-5K电气不是1-360度；霍尔 ...

多圈的精密电位器，意思还是推荐使用电位器进行角度测量啊?电位器角度传感器的精度，线性度感觉比霍尔的要差些。工控上还是看到一些使用精密电位器作为旋转角度测量的，不知道是否比较普遍?我的应用中要求测量精度大于等于0.1°。WDD35D4电位器确实不是1-360°的，但是机械旋转是可以1-360°的。我在网上淘了一个霍尔角度传感器，12位的，90个大洋，比电位器贵了两倍。。。。变送方案，我也觉得485的好些。4-20mA变送方式，我认为在变送和传输过程中容易引入误差。

tyw 发表于 2016-2-18 20:48
轴只转360度,多圈需要增加增速齿轮,与其这样,允许加增速齿轮的话,1024分辩率的编码器也够用了.弄对1:4的 ...

数脉冲个数的方式需要一个零点吧，可我这里上电不能回零哦，就这儿纠结，不然上电直接回零，再计算步距就简单了。

qzlbwang 发表于 2016-2-19 10:54
https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.268.L8Dyen&id=524455048036&ns=1&abbucket=1#detail

嗯，这个传感器不错，连通讯时序和详细接口电路都有。不过怎么都没人买过，价钱在12位绝对值编码器中绝对算低的了。:o

幸福至上 发表于 2016-2-19 12:25
数脉冲个数的方式需要一个零点吧，可我这里上电不能回零哦，就这儿纠结，不然上电直接回零，再计算步距就 ...

有1024bit带零位的编码器

加减齿速轮，增加角度分辩力

cnb12345 发表于 2016-2-19 13:18
加减齿速轮，增加角度分辩力

增速才对哦,哈哈

tyw 发表于 2016-2-19 12:40
有1024bit带零位的编码器

还是没明白T叔说的是哪种传感器，带零位的一般是增量传感器吧，绝对值传感器就只看到一个分辨率参数。增量传感器的零位不知道能作何作用，可用于上电立刻就能获取当前所处旋转位置吗?

幸福至上 发表于 2016-2-19 15:43
还是没明白T叔说的是哪种传感器，带零位的一般是增量传感器吧，绝对值传感器就只看到一个分辨率参数。增 ...

〓◆ 光电编码器 38页 3.3M ◆〓 , tyw收集整理

cnb12345 发表于 2016-2-19 13:18
加减齿速轮，增加角度分辩力

这个我同意T叔的观点，应该是要增速吧;P。就是说旋转的轴上套一个大齿轮，编码器上套一个小齿轮，两个咬合好后。轴旋转一定角度，对应的编码器上转动的角度更多，也就变相细分了角度检测。此方法好在可以用低分辨率的传感器进行较细的角度检测。但上电时，似乎还是不能获取到当前所处的绝对位置信息?

幸福至上 发表于 2016-2-19 15:49
这个我同意T叔的观点，应该是要增速吧。就是说旋转的轴上套一个大齿轮，编码器上套一个小齿轮，两个咬 ...

还用绝对地址型编码器，再增加个低分辨率的（只要知道是第几圈就可以了，可以自己做）两者结合就行

比如说用8位的绝对地址编码器+16:1的无间隙增速齿轮，编码器装在高速端，再在低速端加装不小于4位的绝对地址编码器，就可以准确无误地知道任何时刻的角度。

普通编码器，增加一个霍尔元件归零检测。

qzlbwang 发表于 2016-2-19 16:04
比如说用8位的绝对地址编码器+16:1的无间隙增速齿轮，编码器装在高速端，再在低速端加装不小于4位的绝对地 ...

哦哦，大致明白你说这种方法的意思了。我这个只有1圈的旋转路程，来回1-360°之间。按你这种方法，我可以在低速端加一个低分辨率的绝对值编码器，高速端再加一个10位的，再加上齿轮配比的话，就可以做到和游标卡尺一样的测量效果。旋转角度绝对值=低速端绝对值编码器数值+高速端绝对值编码器数值/放大倍数。这种方法确实能兼顾上电不能回零的要求和使用低分辨率编码器实现较为有性价比的方案。:lol