编码器计数原理与电机测速原理——多图解析

只看该作者 · 2023-8-26 16:59

编码器参数
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 Revolution 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。

只看该作者 · 2023-8-26 17:00

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。

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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）。

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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。

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码盘测速原理
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。

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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°。

1、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）

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2、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

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3、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

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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°。

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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。

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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为 M0（测量值）

则：转速n（圈/秒）的计算公式为：

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M0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内测得的脉冲数 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 跟 M0成正比。这就使得：

1、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

2、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。

只看该作者 · 2023-8-26 17:02

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）。

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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。

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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）

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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

只看该作者 · 2023-8-26 17:03

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，则转速 n = 1000 / ( 50 ∗ 20 ) = 1 n=1000/(50*20)=1 n=1000/(50∗20)=1圈每秒。

只看该作者 · 2023-8-26 17:03

由于C 和 F0是常数，所以转速n 跟 M1成反比。这就使得：

1、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

2、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。

3、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。

4、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。

只看该作者 · 2023-8-26 17:04

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。