編碼器關鍵參數詳解
為了正確評估並選擇編碼器，必須深入理解影響其測量精度、速度範圍、環境適應性、壽命等多個層面的關鍵參數。本文將對各類編碼器常見的電氣、機械與環境參數進行更為專業且詳盡的解析。
1. 解析度（Resolution）
1.1 定義與表示方式
- 增量編碼器：多以 PPR（Pulses Per Revolution）或 CPR（Counts Per Revolution）表示，常見值如 1000、2500、5000 PPR 等；若採用四倍頻，實際計數可達 4×PPR。
- 絕對編碼器：通常以位數（bits）表示單圈解析度（如 13 bits = 8192 個離散位置），或以多圈位數 + 單圈位數形式描述（如 25 bits 多圈）。
- 線性編碼器：常使用 LPI（Lines Per Inch）、CPI（Counts Per Inch）或「µm/脈衝」等方式表徵。
1.2 解析度與系統效能
- 解析度越高，系統可捕捉更微小的運動，實現更精準的定位與速度控制。
- 過高解析度需配合高效能控制器與更高速處理器，否則可能漏脈衝或產生延遲。
- 在高速場合，高解析度會帶來更高脈衝頻率，必須確保電纜與驅動器具備相應頻寬。
1.3 補充細節
- 部分編碼器支援內插技術（Interpolation），透過內部分細顯著提高解析度。
- 須區分機械解析度（碼盤實際刻線數）與電子解析度（內插後的輸出解析度）。
2. 精度（Accuracy）
2.1 廣義與狹義精度
- 廣義精度：編碼器輸出值與真實位置之間的最大偏差，受多種因素影響（碼盤誤差、機械裝配、軸承晃動等）。
- 狹義精度：有些廠商僅提供刻線精度或感測器讀數精度，不含裝配及軸承誤差。
2.2 典型衡量單位
- 角度編碼器：arcsec（角秒）、arcmin（角分）、度（°）或解析度百分比。
- 線性編碼器：µm/m、ppm（百萬分之一）或其他精度指標。
2.3 精度與誤差來源
- 碼盤／光柵製造誤差：刻線週期不均或偏心。
- 感測器非線性：光電或磁感元件的邊緣失真。
- 機械安裝誤差：偏心、軸承間隙或法蘭不同心。
- 環境影響：溫度漂移、振動、污染附著。
2.4 精度提升與補償
- 採用高製程等級碼盤或精密光學／磁性元件。
- 透過雷射干涉儀進行誤差標定並建立補償表。
- 提高軸承剛性，降低徑向／軸向跳動。
3. 重複性（Repeatability）
3.1 概念
- 重複性關注同一位置多次測量結果的一致性，與絕對偏差無關。
- 即使絕對精度一般，只要重複性佳，仍可藉由軟體修正達到高定位精度。
3.2 影響因素
- 機械回差：齒輪、聯軸器、滾珠螺桿可能存在間隙或彈性變形。
- 訊號抖動：光電或磁感測器在臨界點偵測不穩。
- 環境干擾：溫度變化、電磁干擾、振動等。
3.3 提升措施
- 優化傳動鏈，選用高品質聯軸器，確保軸對中心度。
- 多次取樣平均或加濾波處理。
- 減少振動與干擾源。
4. 最大速度與頻率響應（Max Speed & Frequency Response）
4.1 最大速度
- 旋轉編碼器：以 RPM 表示，如 6000 RPM。
- 線性編碼器：以 m/s 或 mm/s 表示。
- 超過最大速度易導致訊號遺失或失真，影響測量精度。
4.2 頻率響應
- 表示編碼器在速度提升時仍能保證完整波形與正確計數的能力。
- 增量編碼器脈衝頻率可用 RPM × PPR / 60 計算。
- 絕對編碼器則取決於串列通訊速率或刷新頻率。
4.3 注意事項
- 控制器需具備足夠的高速計數或高速串列解析能力。
- 訊號傳輸線纜與接收電路應符合對應頻寬，避免衰減與過大雜訊。
5. 供電電壓與功耗（Supply Voltage & Power Consumption）
5.1 供電電壓範圍
- 典型值：5 V DC（TTL 編碼器）、10~30 V DC（HTL），部分高階產品可達 4.5~30 V 寬範圍。
- 工業乙太網編碼器多與 24 V 工業系統相容。
5.2 功耗評估
- 含光源的光學編碼器功耗通常較高。
- 磁性／電容式編碼器功耗低，低溫環境下可能需額外預熱。
- 高速與高解析度運行會提升內部處理器與驅動功耗。
5.3 相容性與穩定性
- 電源紋波及短時跌落會造成編碼器復位或丟脈衝。
- 大型多軸系統需考慮電源線壓降並選用足夠線徑。
6. 輸出形式與訊號電平（Output Types & Signal Levels）
6.1 增量輸出
- A/B/Z 方波：最普遍的增量編碼器輸出，電平可為 TTL、HTL 或 RS422。
- 正弦波輸出（1 Vpp）：光柵／磁柵高精度測量，可透過內插放大解析度。
6.2 絕對輸出
- 並列式：以多條並列位腳輸出絕對位置信息（Gray Code、Binary 等）。
- 串列式：SSI、BiSS、EnDat 等同步串列協定，減少配線並增強抗干擾。
- 總線／乙太網：CANopen、Profibus、EtherCAT、Profinet 等，可實現網路化多節點控制。
6.3 類比輸出
- 電壓（0~5 V、0~10 V）或電流（4~20 mA）訊號，適合傳統類比控制系統。
- 精度易受供電紋波與線纜阻抗影響。
7. 防護等級（IP Rating）
7.1 IP 標準
- IP65：防塵、防低壓水噴灑。
- IP67：可短時間浸水，密封性強。
- IP68：可長時間、深水環境中正常運作。
7.2 選擇策略
- 室外、食品加工、沖洗等高濕或多粉塵環境需選高 IP 等級編碼器。
- 高 IP 等級通常成本較高，需同時評估散熱與軸承阻力等因素。
8. 軸承載荷與機械壽命（Bearing Load & Mechanical Life）
8.1 軸承類型與載荷
- 常用精密滾珠軸承或角接觸軸承。
- 徑向載荷：垂直於軸心方向的力；軸向載荷：沿軸心方向的推拉力。
8.2 壽命與維護
- 高速、大負載或極端溫度環境會縮短軸承壽命。
- 部分高階編碼器採用陶瓷軸承或特殊潤滑脂以增強耐久度。
8.3 安裝注意事項
- 使用柔性聯軸器或外部支撐可分擔徑向力。
- 安裝時確保同心度，避免額外扭矩或晃動。
9. 環境參數（Environment Parameters）
9.1 溫度範圍
- 工作溫度：如 -20 °C 至 +85 °C，可確保正常精度。
- 儲存溫度：範圍更寬，但須避免過熱或過冷導致光學元件或潤滑劑劣化。
9.2 濕度、凝露與腐蝕
- 高濕或易結露環境需加強密封與防鏽。
- 腐蝕性環境（酸、鹼、鹽霧）需選用不鏽鋼或抗腐蝕塗層外殼。
9.3 抗振動與衝擊
- 以 g 或 m/s² 表示可承受極限；機床主軸、汽車測試台等振動較強的場合需更高規格。
- 外加防震墊或支架亦能提升抗衝擊能力。
9.4 EMC／ESD 抗擾
- 電磁環境嚴苛的場合需使用屏蔽電纜並採取合理接地。
- 加裝防靜電措施（如接地環、TVS 管）可保護內部電路。
10. 功能安全與冗餘（Functional Safety & Redundancy）
10.1 安全完整性等級（SIL / PL）
- SIL：依 IEC 61508、IEC 62061；PL：依 ISO 13849 評估功能安全等級。
- AGV、電梯、協作機器人等安全關鍵領域建議選擇具 SIL2 或 SIL3 認證的安全編碼器。
10.2 冗餘設計
- 雙讀頭或雙通道：兩套感測器資料交叉比對或故障備援切換。
- 可大幅降低因感測器故障造成停機的風險。
10.3 內建自檢
- 當光源衰減、磁異常、溫度過高時即時警報。
- 實現「安全關機」或「減速保護」邏輯，提升整體系統安全性。
11. 線性誤差與校準（Linearity & Calibration）
11.1 線性誤差來源
- 碼盤或磁軌週期分布不完全均勻。
- 讀頭與標尺之間隙或角度因機械運動微調改變。
11.2 校準與補償
- 高精度應用（如半導體、精密檢測）常用雷射干涉儀進行編碼器標定，生成誤差曲線。
- 部分編碼器支援內部補償表，於輸出前自動修正誤差。
11.3 區域誤差與系統整合
- 若機械運動僅在小範圍內，可重點標定該工作區段的補償值。
- 搭配優良重複性，可獲得極高定位準確度。
12. 綜合選型與整合建議
12.1 目標應用需求
- 運動類型：旋轉／線性、速度範圍、加減速特性。
- 系統精度：解析度、精度、重複性要求。
- 環境限制：防護等級、溫度範圍、粉塵／水汽、振動干擾等。
12.2 機械及電氣對接
- 檢查軸徑、法蘭形式、軸承載荷等與機械傳動系統的相容性。
- 供電電壓、訊號電平、通訊協定須與控制器匹配。
- 預估電纜長度、壓降及訊號衰減，必要時選用屏蔽或雙絞線。
12.3 安裝調試與維護
- 確保同心度，避免過大徑向或軸向力衝擊編碼器軸承。
- 建議使用柔性聯軸器，可補償微小偏心。
- 定期檢查外殼密封、防塵圈、電纜與接頭牢固度。
13. 參考與結語
深入理解編碼器關鍵參數對系統選型至關重要。這些指標包括：
- 解析度、精度、重複性：決定運動控制的細膩程度與定位準確度
- 最大速度與頻率響應：於高速應用中防止丟脈衝及訊號失真
- 防護等級、軸承載荷：確保在嚴苛環境與大負載下維持穩定壽命
- 電氣相容與通訊介面：確保與驅動器、PLC、工業網路的高效整合
- 功能安全與冗餘：滿足安全關鍵應用的可靠性需求
掌握這些參數的內涵與測試標準，即能在編碼器選型、整合與維護上做出更合理的決策，為工業自動化系統提供更高的效率與安全保障。