编码器计数原理与电机测速原理之多图解析

　　2 编码器参数
　　2.1 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。
　　2.2 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。
　　2.3 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）。
　　2.4 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。
　　3码盘测速原理
　　3.1 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，通过倍频威廉希尔官方网站 ，可以实现转一圈，却能输出N*n个信号，这里的n为倍频数。
　　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°。
　　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）
　　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
　　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

　　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°。
　　3.2 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。
　　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M0（测量值）
　　则：转速n （圈/秒）的计算公式为：

　　如何理解这个公式：
　　M0/C 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 与M0成正比。这就使得：
　　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
　　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。
　　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）。

　　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。
　　3.3 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）
　　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/M1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
　　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n=1000/（50*20）=1圈每秒。
　　由于C 和F0是常数，所以转速n 跟M1成反比。这就使得：
　　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
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。

　　3.4 M/T法测速
　　这种方法综合了M 法和T 法各自的优势，既测量编码器脉冲数又测量一定时间内的高频脉冲数。
　　在一个相对固定的时间内，假设：
　　编码器脉冲数产生M0个 （测量值）
　　计数一个已知频率为F0（固定值，单位Hz）的高频脉冲，计数值为M1（测量值），计算速度值
　　码器单圈总脉冲数为C（常数）
　　则转速n 的计算公式为：

　　例如：在一个相对固定的时间内，编码器脉冲数 M0为3个；高频脉冲的周期是1ms，即频率F0为1000Hz，产生的高频脉冲数M1为150个；编码器一圈的脉冲数C为20，则转n=1000*3/（150*20）=1圈每秒。
　　由于M/T 法公式中的F0和C 是常数，所以转速n 就只受M0和M1的影响。
　　高速时，M0增大，M1减小，相当于M 法
　　低速时，M1增大，M0减小，相当于T 法。

原作者： xxPCB 码农爱学习