閉環運動控制系統中，位置反饋質量會直接影響控制器對運動誤差的判斷和修正。因此，工程師往往希望編碼器反饋信號具有盡可能低的位置噪聲。但從控制系統角度來看，單獨降低噪聲并不是唯一目標。

如果通過降低測量帶寬或加強低通濾波獲得更加平滑的位置數據，系統對快速運動的響應也可能隨之下降，甚至出現一定的信號延遲。

因此，在精密運動控制中，需要同時考慮兩個問題：位置反饋夠不夠穩定？位置反饋夠不夠快？

一、測量噪聲，不能只看一個數字

即使被測對象保持靜止，實際測量得到的位置值也可能存在微小的統計波動。

描述這種噪聲時，RMS（均方根）是一個常用指標，可以描述統計波動的有效強度，并用于比較不同測量或濾波配置。

另一個常見指標是峰峰值（Peak-to-Peak），即一段測量過程中最大值與最小值之間的差異。但峰峰值并不是一個脫離測量條件存在的固定噪聲極限，測量時間、帶寬和采樣率等因素都會影響最終結果。

因此，僅僅知道一個“X nm”的噪聲數字還不夠。要理解它的實際意義，還需要知道它是在怎樣的測量條件下得到的。

其中，一個重要參數就是——帶寬（Bandwidth）。

二、為什么帶寬會影響噪聲？

測量中的噪聲包含不同的頻率成分。通過幅度譜密度（Amplitude Spectral Density，ASD），可以觀察不同頻率范圍內的噪聲特性，以及它們對整體噪聲的貢獻。

這也解釋了為什么測量帶寬會影響RMS噪聲。

當測量帶寬增大時，更寬頻率范圍內的噪聲成分會被納入測量，并可能對最終的RMS噪聲產生貢獻。反過來，限制帶寬則可以減少部分高頻噪聲的影響，從而降低測得的位置噪聲。

所以，在比較不同的噪聲參數之前，還應該考慮到：這些數據是在怎樣的帶寬和測量條件下得到的？

如果條件不同，僅僅比較兩個噪聲數字，并不能完整反映實際的測量表現。

三、濾波越強，數據就越好嗎？

既然降低帶寬能夠減少部分噪聲，是否意味著濾波越強越好？

低通濾波器（Low-pass Filter）可以讓較慢的信號變化通過，同時衰減較高頻率的成分。對于靜態測量或緩慢運動而言，這可以降低位置噪聲，讓測量值更加穩定。

但濾波作用于整個測量信號。

當被測對象發生快速運動、加速度變化或振動時，這些真實的位置變化同樣可能包含較高頻率的成分。如果濾波帶寬設置得過低，它們可能受到衰減，或者在測量結果中出現延遲。

因此，更平滑的位置曲線，并不意味著在所有應用中都代表更合適的測量結果。

四、不同測量任務，需要不同選擇

對于靜態位置測量或緩慢定位，更強的濾波可以幫助降低位置噪聲。

而對于連續或快速運動、高動態控制以及振動分析，則需要保留足夠的帶寬，以捕捉實際的位置變化。

這也是SmarAct在精密計量中看待噪聲的重要方式：

最終的位置噪聲并不只取決于傳感器。從傳感器產生信號，到模擬輸入、數字處理、位置計算、濾波，再到最終的位置輸出，整個信號鏈都會影響測量表現。

高精度測量真正需要關注的，并不是孤立地追求一個盡可能小的噪聲數字，而是根據具體應用，在噪聲、帶寬、濾波和動態特性之間找到合適的平衡。

在閉環控制系統中，位置反饋既承擔測量任務，也直接參與控制決策。帶寬過寬可能引入更多高頻噪聲，而帶寬過窄則可能限制動態響應。因此，反饋系統的設計本質上是在測量穩定性和動態性能之間進行工程權衡。

這也是為什么評價編碼器或位置傳感器時，不應只比較RMS噪聲。對于精密定位、連續掃描、高動態運動和振動測量，不同控制任務需要不同的信號帶寬和濾波配置。

SmarAct METIRIO?光學編碼器可針對應用需求提供不同截止頻率的低通濾波選擇，以匹配不同運動控制場景。

本文轉載自公眾號：SmarAct德國高精技術方案