什麼是編碼器？
編碼器（Encoder）是一種感測裝置，可將物理運動（如旋轉角度、線性位移或速度）轉換為電訊號輸出，供數位控制系統（如 PLC、驅動器、工業電腦）即時監控、回饋與控制。在工業自動化、機器人技術、CNC 設備、醫療系統與航太等高精度運動控制領域中，編碼器是實現閉環控制與高精定位的關鍵元件。
編碼器的分類總覽（Comprehensive Classification of Encoders）
編碼器可從多個技術維度進行分類，主要包括：測量形式、輸出訊號類型、感測原理與通訊介面方式。
1. 按測量形式分類（By Measurement Format）
| 類型 | 描述 |
|---|---|
| 旋轉編碼器（Rotary Encoder） | 偵測旋轉運動（角位移），如馬達軸、轉盤等 |
| 線性編碼器（Linear Encoder） | 偵測直線運動，應用於機床、定位平台等 |
| 拉繩編碼器（Draw Wire Encoder） | 透過鋼索拉動實現長行程位移測量 |
| 套件式編碼器（Encoder Kit） | 模組化設計，無外殼，適合微型馬達整合 |
2. 按輸出訊號類型分類（By Signal Output Type）
| 類型 | 描述 |
|---|---|
| 增量式編碼器（Incremental Encoder） | 輸出相對運動的 A/B/Z 相脈衝訊號，需控制器持續計數 |
| 絕對式編碼器（Absolute Encoder） | 輸出絕對位置值，分為單圈與多圈，斷電記憶位置 |
| 類比編碼器（Analog Encoder） | 輸出連續電壓或電流訊號（0–10V、4–20mA） |
3. 按感測原理分類（By Sensing Technology）
| 感測原理 | 特點與適用場景 |
|---|---|
| 光學型（Optical） | 高精度高解析度，適用於潔淨環境 |
| 磁性型（Magnetic） | 抗灰塵油污，適用於惡劣工業環境 |
| 電容型（Capacitive） | 體積小、耐震、低功耗，適用於精密儀器 |
| 電感型（Inductive） | 抗干擾能力強，適用於重載機械與高安全要求場合 |
4. 按通訊介面分類（By Communication Interface）
| 協議類型 | 簡介 |
|---|---|
| A/B/Z 脈衝 | 增量訊號標準輸出，相容性佳 |
| 類比介面 | 適用於傳統 PLC 或早期系統 |
| 序列介面（SSI/BiSS） | 高精度、高即時性，適用於高端絕對編碼器 |
| 工業匯流排（CANopen/Profibus） | 結構彈性，支援多節點通訊 |
| 工業乙太網（EtherCAT/Profinet） | 即時性高，適用於複雜自動化網路 |
編碼器的工作原理（How Encoders Work）
編碼器主要由以下結構組成：
- 運動元件：旋轉軸、直線滑軌或拉繩裝置
- 碼盤／磁帶：具週期性結構，用於讀取位置
- 感測元件：如光電感測器、磁感測器、電容板、感應線圈
- 訊號處理單元：將感測訊號轉換為標準輸出
- 輸出介面：連接控制器，實現即時資料交換
當被測物體移動時，編碼器內部的偵測系統會取得位置資訊，並將其轉換成電訊號輸出。不同類型的編碼器採用不同方式完成此過程，如光學型利用光源與透光碼盤、磁性型偵測磁場變化、電容型偵測電場分佈等。
編碼器關鍵參數（Key Performance Metrics）
| 參數 | 說明 |
|---|---|
| 解析度（Resolution） | 單位移動所對應的訊號數（如每轉脈衝數 PPR、位元數 bits） |
| 精度（Accuracy） | 實際值與量測值的最大偏差 |
| 重複性（Repeatability） | 多次量測同一點時結果的一致性 |
| 最大響應頻率 | 可支援的最大輸入速度所對應的訊號頻率 |
| 輸出邏輯電平 | TTL、HTL、RS422 等電氣標準 |
| 防護等級（IP 等級） | 如 IP65、IP67，代表防塵防水能力 |
編碼器典型應用（Common Applications）
- 工業自動化：輸送帶定位、伺服控制、電缸回饋
- 數控機床（CNC）：X/Y/Z 軸位置偵測、刀具更換
- 機器人系統：關節角度辨識、底盤移動回饋
- 醫療影像設備：MRI、CT 等掃描運動控制
- 風電／太陽能系統：風機偏航控制、太陽能追蹤
- 航太與軍工：飛彈舵面控制、飛行姿態監測
編碼器結構與訊號示意圖
圖1：通用旋轉編碼器外觀
圖2：編碼器結構示意，包含碼盤、感測器、訊號處理器
參考技術標準（Relevant Standards）
- IEC 60050-351：工業測量術語標準
- ISO 13849：機械安全功能標準（含安全編碼器）
- IEC 60529：設備外殼 IP 防護等級標準
- IEC 61800-5-2：驅動系統功能安全標準
- CiA 406：CANopen 編碼器設備規範
- IEC 61158：現場匯流排協議定義
術語表（Glossary）
| 術語 | 含義 |
|---|---|
| PPR | 每轉脈衝數（Pulses Per Revolution） |
| CPR | 每轉計數數（Counts Per Revolution） |
| Z 相 | 增量式編碼器每圈輸出一次的參考訊號 |
| TTL | 5V 電位數位訊號標準 |
| HTL | 10–30V 電位輸出，高抗干擾能力 |
| RS422 | 差分訊號標準，支援高速遠距傳輸 |
| SSI | 同步序列介面，常用於絕對值輸出 |
| BiSS | 開放高效能串列通訊協議 |
總結： 編碼器是物理系統與數位控制系統間的關鍵橋樑。掌握其分類、結構、輸出方式與技術標準，將有助於在工業自動化與精密控制領域中實現最佳選型與整合設計。