旋轉編碼器

旋轉編碼器是一種將機械旋轉運動轉換為數位或類比信號的感測器，廣泛應用於工業自動化、機器人、CNC 機床、醫療設備與運輸系統。透過偵測角位移、速度與方向，它們為控制系統提供精準回授。本文詳盡說明旋轉編碼器的定義、運作原理、分類、技術參數、比較分析、應用場景、標準規範與選型建議。

什麼是旋轉編碼器

旋轉編碼器是一種馬達回授裝置或位置感測器，用於精確測量軸的角位移、速度與旋轉方向。其核心功能是將旋轉運動轉換為電訊號，經控制器解碼後得知目前位置與運動狀態。旋轉編碼器主要分為 增量式編碼器（輸出脈波信號）與 絕對式編碼器（輸出唯一位置資訊）。

運作原理

光學偵測

以光源照射帶有透明/不透明區域的光柵盤。
盤片旋轉時，光電檢測器產生脈波信號。

磁性偵測

利用磁阻、霍爾或巨磁阻 (GMR) 感測器偵測磁極變化。

感應式／電容式偵測

透過電感或電容變化來偵測角位移，適合高污染與高振動環境。

訊號輸出邏輯

增量式：輸出 A、B 相（90° 像差）及 Z 相零位脈波。
絕對式：輸出多位元二進位或 Gray Code 唯一位置資料。

類型

✓ 依輸出信號

增量式：脈波信號，適合速度與方向偵測。
絕對式：唯一位置資訊，分單圈與多圈。

✓ 依機構形式

實心軸
中空軸
半中空軸（盲孔）

✓ 依偵測技術

光學編碼器
磁性編碼器
感應式編碼器
電容式編碼器

✓ 依工業協議與輸出

TTL／HTL／RS422
Sin/Cos
SSI、BiSS‑C、EnDat
Profibus、Profinet、EtherCAT、CANopen

技術規格

參數	範圍／說明
解析度	1～4,194,304 PPR 或 8～24 bits
最高轉速	3000～12,000 RPM，特殊型號可達 20,000 RPM
防護等級	IP50～IP68
工作溫度	−40 °C ～ +105 °C
電氣規格	5 V、10–30 V，輸出電流典型 < 100 mA
抗振動／衝擊	IEC 60068‑2：10–20 g（振動），50–200 g（衝擊）
信號類型	TTL、HTL、RS422、SSI、BiSS‑C、Profinet、EtherCAT

優勢與限制

優勢

解析度與重複精度高。
反應快速，適用於動態控制。
介面與協議豐富。
優異的抗電磁干擾能力。

限制

光學型對污染較敏感。
高解析度機型成本較高。
極端溫度／振動下部分技術壽命下降。

與其他角度感測器比較

類型	精度	成本	抗干擾能力	應用彈性
可變電阻 (Pot)	低	低	差	簡易系統
解析器 (Resolver)	中	中	高	高振動、高溫環境
旋轉編碼器	高（最高 24 bits）	中/高	高	各類工業系統

應用領域

工業自動化：馬達回授、機械手臂。
CNC 機床：主軸與進給軸位置回授。
機器人：關節控制與路徑回饋。
醫療設備：MRI、CT 旋轉偵測。
電梯與交通：轎廂定位與門控回授。
風能與太陽能：葉片角度與太陽追蹤。

產業標準

IEC 61800‑5‑2:2016：驅動系統功能安全。
ISO 13849‑1:2015：機械控制系統安全。
IEC 60529:2020：防護 (IP) 等級。
IEC 60068‑2：振動與衝擊環境測試。
ISO 9001:2015：製造品質管理。

常見問題與故障排除

問題	可能原因	解決方案
無信號輸出	斷電、配線錯誤、感測器損壞	檢查電源與配線，替換損壞零件
信號波動或丟失	乾擾、線纜老化、機械鬆動	檢查接地，更換線纜，加固安裝
輸出錯誤或漂移	光學污染、磁性干擾、電子元件老化	清潔光學元件，排除干擾源，替換元件
延遲或失步	協議設定錯誤或不相容	驗證協議，檢查配線，更新控制器設定

選型指南

應用需求：確認測量參數（位置、速度、方向）。
編碼器類型：增量式或絕對式（單圈/多圈）。
偵測技術：光學、磁性、感應式或電容式。
解析度與信號：符合系統精度與介面需求。
環境適應性：檢查 IP 等級與抗振動/衝擊能力。
機械介面：軸徑、安裝方式與負載。
通訊相容性：確保與 PLC／運動控制器相容。
標準符合性：優先選擇符合 IEC、ISO、UL 等標準之產品。

參考文獻

IEC 61800‑5‑2:2016
ISO 13849‑1:2015
IEC 60529:2020
IEC 60068‑2 系列
ISO 9001:2015

透過深入瞭解旋轉編碼器的結構、運作原理、性能參數與應用，工程師與系統整合商可精準選型並整合系統，優化控制效能與可靠性。

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