絕對型編碼器
絕對型編碼器（絕對編碼器）是現代工業自動化、機器人及高精度量測系統中關鍵的位移與角度感測器。與增量編碼器不同，絕對型編碼器在任何時刻皆能提供唯一且斷電不遺失的位置資訊。本文將詳細解析絕對型編碼器的定義、工作原理、結構類型、訊號輸出、性能指標、技術優勢、應用領域、相關標準、技術比較、常見問題及選型指南。
什麼是絕對型編碼器
絕對型編碼器是一種能在任意時間提供唯一數位編碼位置信號的感測器。其輸出的訊號對應旋轉軸或線性位移的絕對位置，而非相對移動產生的脈衝。因此，即使在斷電或系統重啟後，絕對型編碼器仍可準確提供當前位置，無需重新歸零或尋找參考點。
絕對型編碼器常用於需要高可靠性與位置保持功能的應用，例如機器人、CNC 加工機、工業自動化生產線及電梯系統。
絕對型編碼器的工作原理
1. 單圈絕對型編碼器
- 每轉一圈的位置由唯一的編碼組合表示。
- 適用於旋轉範圍在 360° 內的應用。
2. 多圈絕對型編碼器
- 除了單圈編碼外，透過機械齒輪或電子計數技術追蹤旋轉的圈數。
- 適用於無限制旋轉或需追蹤多圈位移的複雜應用。
編碼方式：
- 二進位編碼（Binary）
- 格雷碼（Gray Code）
- BCD（二進位編碼十進位，Binary-Coded Decimal）
偵測技術：
- 光學偵測（光柵盤與光電感測器）
- 磁性感測（磁柵與磁阻/霍爾感測器）
- 電感偵測（Inductive Sensing）
訊號輸出類型
| 訊號類型 | 說明 |
|---|---|
| 串列介面 | SSI、BiSS-C、EnDat 2.2、Profibus DP、Profinet、EtherCAT |
| 並列介面 | 多位數位輸出 |
| 類比輸出 | 電壓（0-10V）/電流（4-20mA），特殊應用場合 |
性能指標
- 單圈解析度：最高 24 位（16,777,216 個位置）。
- 多圈計數：最多 32 位（4,294,967,296 圈）。
- 最高轉速：通常 6000 RPM，可選更高。
- 防護等級：IP50 至 IP68（工業重載型）。
- 工作溫度：-40°C 至 +105°C。
- 抗振動/抗衝擊：符合 IEC 60068-2 標準。
- 輸出延遲：< 1ms（高速控制需求）。
技術優勢
- 斷電保持位置：即使斷電，絕對位置信息不遺失。
- 簡化系統設計：無需歸零或初始校正。
- 抗干擾能力強：差分訊號與抗噪聲介面設計。
- 靈活的通訊協定：支援多種現場總線及工業乙太網標準。
- 高精度與重複性：適用於精密定位任務。
應用領域
- 工業機器人：關節位置控制。
- CNC 加工中心：主軸與滑台位置回饋。
- 智慧物流：AGV 與輸送系統路徑偵測。
- 自動倉儲：堆垛機與升降機位置控制。
- 醫療設備：MRI、CT 掃描儀旋轉平台。
- 風電與太陽能：風向、葉片與追光角度偵測。
行業標準與規範
- IEC 61800-5-2：電氣驅動系統功能安全（包含 SIL 等級）。
- ISO 13849-1：機械安全控制系統標準。
- IEC 61131-2：工業控制設備輸入/輸出要求。
- IEC 60529：外殼防護等級（IP代碼）。
- ISO 9001：製造品質管理系統。
絕對型編碼器與增量編碼器技術比較
| 性能指標 | 絕對型編碼器 | 增量編碼器 |
|---|---|---|
| 位置信息 | 提供唯一的絕對位置 | 提供相對位置 |
| 斷電保持位置 | 是 | 否 |
| 系統複雜性 | 較低（無需額外歸零） | 需要外部計數與歸零裝置 |
| 成本 | 較高 | 較低 |
| 精度 | 高（可達 24 位或更高） | 依賴 PPR 與累加器 |
| 應用場景 | 高精度、多圈追蹤系統 | 普通速度或位置檢測系統 |
日常維護與常見問題排查
日常維護
- 定期檢查安裝緊固件，防止鬆動或磨損。
- 光學編碼器保持光學視窗清潔。
- 檢查電纜與接頭完整性，防止折斷或腐蝕。
常見問題及解決方法
| 問題 | 可能原因 | 解決方法 |
|---|---|---|
| 無訊號輸出 | 電源故障或線路斷開 | 檢查電源與線路連接 |
| 位置信息跳變或遺失 | 干擾、元件老化或鬆動 | 檢查接地、替換元件、緊固部件 |
| 通訊錯誤或延遲 | 協定配置錯誤或線路問題 | 驗證協定配置，檢查並更換電纜 |
選型指南
- 選擇類型：單圈或多圈，依據運動範圍決定。
- 解析度需求：根據控制精度需求選擇位數。
- 輸出介面：選擇與控制器或 PLC 相容的串列或並列介面。
- 安裝規格：確認軸徑、法蘭標準及負載能力。
- 環境要求：依實際工作環境確定防護等級與溫度範圍。
- 系統相容性：確保通訊協定與現有系統相容。
- 安全認證：關鍵應用優先選擇符合 SIL、ISO 13849 等認證的產品。
透過深入瞭解絕對型編碼器的構造、功能、標準與技術優勢，工程技術人員能根據具體的應用需求高效選型，提升系統的性能、可靠性與智慧化水平。
參考文獻/引用標準
- IEC 61800-5-2:2016
- ISO 13849-1:2015
- IEC 61131-2:2017
- IEC 60529:2020
- ISO 9001:2015