編碼器原理如何運作？3分鐘看懂位移偵測、訊號轉換與控制應用！

編碼器（Encoder）的主要功能，是將設備的旋轉角度或直線位移轉換成控制器可讀取的電氣訊號。當馬達、轉軸或滑軌移動時，編碼器會同步偵測位置變化，將機械運動轉換成電氣資訊，作為設備控制與位置回授的依據。

編碼器原理是透過內部感測結構偵測機械元件的位移變化，再經訊號處理電路轉換成控制器可讀取的電氣訊號，傳送至 PLC、馬達驅動器或其他控制裝置。

控制器取得訊號後，可判斷設備的位置、速度、方向與移動量，了解機械元件目前的運動狀態。不同類型的編碼器在訊號表示與位置判讀方式上有所差異，實際使用時也會搭配不同的控制方式。

編碼器是閉迴路控制（Closed-loop Control）常見的位置回授元件。控制器發出移動指令後，編碼器會持續回傳設備的實際位置，讓系統比較「目標位置」與「實際位置」。

若馬達受到負載、摩擦或傳動機構等因素影響，使實際位置與設定值出現偏差，控制器便可根據回授訊號調整馬達輸出，修正轉軸、滑軌或工作台的動作誤差。

伺服馬達、CNC 工具機、自動化設備與機械手臂等需要位置控制的系統，便常利用編碼器提供即時位置資訊，協助設備維持穩定運轉。

編碼器是閉迴路控制（Closed-loop Control）常見的位置回授元件。控制器發出移動指令後，編碼器會持續回傳設備的實際位置，讓系統比較「目標位置」與「實際位置」。

若馬達受到負載、摩擦或傳動機構等因素影響，使實際位置與設定值出現偏差，控制器便可根據回授訊號調整馬達輸出，修正轉軸、滑軌或工作台的動作誤差。

伺服馬達、CNC 工具機、自動化設備與機械手臂等需要位置控制的系統，便常利用編碼器提供即時位置資訊，協助設備維持穩定運轉。

當編碼器軸心轉動時，內部感測結構會依旋轉位置變化，持續輸出高、低電位交替的脈衝訊號。軸心每移動一定角度，就會產生對應的訊號變化。

增量型編碼器記錄的是「位置變化量」，而不是直接提供當下的絕對位置。控制器需要接收並記錄這些脈衝，才能建立後續的位置與運動資訊。

若只有單一路脈衝，控制器可以知道軸心發生位移，但無法單靠這組訊號判斷旋轉方向。增量型編碼器常配置 A、B 兩相訊號，兩組方波之間具有約 90° 的相位差。

當旋轉方向改變時，A、B 相領先與落後的順序也會交換，控制器便能利用這項差異辨識運動方向。

• • A 相領先 B 相：代表其中一個旋轉方向。

  • B 相領先 A 相：代表相反的旋轉方向。

實際哪一組訊號順序代表順時針（CW）或逆時針（CCW），仍需依產品規格、安裝方向與控制器設定確認。

Z 相又稱索引訊號（Index Signal），通常在編碼器軸每旋轉一圈時輸出一次脈衝，主要作為固定的週期基準。設備啟動或執行原點復歸時，可搭配機械原點感測器確認基準位置，也能作為每圈位置確認或週期同步的參考。

需要注意的是，Z 相只能提供一圈中的固定基準點，並不代表完整的絕對位置資訊，不能直接等同於絕對型編碼器的定位方式。

PPR（Pulses Per Revolution）表示編碼器軸每旋轉一圈所產生的脈衝數。數值越高，代表一圈可以被切分成越多位置區段。

CPR（Counts Per Revolution）則表示控制器每圈實際取得的計數數量。若控制器同時偵測 A、B 相的上升沿與下降沿，採用 4 倍頻計數時，實際計數量可能達到 PPR 的 4 倍。

例如使用 1,000 PPR 的編碼器，若以單一通道完整脈衝週期計算，一圈可分成 1,000 個位置區段，每個脈衝代表的角度為：

每個脈衝代表角度＝360° ÷ PPR

1,000 PPR 換算後，每個脈衝約代表：

360° ÷ 1,000＝0.36°

若軸心轉動半圈，理論上便會產生約 500 個完整脈衝週期。

控制器會同步監看 A、B 相訊號出現的順序。旋轉方向不同時，兩相的領先與落後關係會交換，控制器便可依此決定計數增加或減少。

例如：

• • 往設定的正方向旋轉：計數值增加。

  • 往反方向旋轉：計數值減少。

這讓控制器不只知道「移動了多少」，也能持續追蹤設備往哪個方向移動。

速度可根據單位時間內接收到的脈衝數換算。相同 PPR 條件下，軸心轉得越快，單位時間產生的脈衝越多，訊號頻率也會越高。

若以單一通道完整週期計算，轉速可用以下方式換算：

轉速（RPM）＝脈衝頻率（Hz）÷ PPR × 60

例如使用 1,000 PPR 編碼器，控制器每秒接收到 10,000 個完整脈衝週期：

10,000 ÷ 1,000 × 60＝600 RPM

實際系統還需確認控制器採用 1 倍頻、2 倍頻或 4 倍頻計數，避免將 PPR 與實際 CPR 混用。

PPR 或 CPR 提高後，相同轉速下需要處理的訊號頻率也會增加。選型時不能只追求較高解析度，還要確認控制器的高速計數能力、設備最高轉速與實際定位需求。

增量型編碼器透過脈衝反映位置變化，控制器需持續計數，才能知道設備相較於基準位置移動了多少。

若系統斷電後原有的計數資料沒有被保留，重新啟動時便無法只靠原本的脈衝紀錄確認目前位置，通常需要重新執行原點復歸（Homing），建立新的位置基準。

絕對型編碼器會為量測範圍內的不同位置提供對應的數位編碼。控制器不需要從起點持續累加脈衝，只要讀取當下編碼值，就能判斷目前所在位置。

即使設備斷電，軸心停留的位置仍對應特定編碼，重新上電後即可再次讀取目前位置，不必重新從零累積。這類編碼器適合需要開機後立即確認位置，或不希望每次啟動都重新回原點的設備。

絕對型編碼器又可依位置記錄範圍分為單圈與多圈兩種：

例如旋轉平台只需要確認 0°～360° 內的位置時，可使用單圈絕對型；若應用於升降設備、滾珠螺桿或長行程機構，除了角度還需要判斷已旋轉幾圈，就會使用多圈絕對型。

簡單比較兩者：

福哥集團具備高度垂直整合的生產能力，產品約 97% 由內部自行生產，包含模具、零件與自動化生產設備等環節皆具備自主製造能力。

透過內部製程管理，可減少對外部供應商的依賴，也有助於掌握產品品質、交期與批次穩定性。對需要長期量產或穩定供貨的企業而言，也能降低零件斷料與供應變動帶來的影響。

不同設備對編碼器的尺寸、操作角度、手感、安裝結構與使用壽命要求不盡相同。福哥可依客戶產品設計調整規格，並提供 EVT、DVT 到後續量產階段所需的技術支援。

目前集團生產流程並導入 ISO 9001、ISO 14001 與 IATF 16949 等管理系統，可對應工控、車用及其他對品質管理要求較高的產品開發需求。

提供旋轉式與中空型編碼器選擇

如果您有編碼器選型、規格或客製需求，歡迎聯絡福哥興業，將由專業團隊依產品應用與機構條件，協助確認合適的編碼器規格與客製方式。

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