旋轉編碼器：選擇絕對型還是增量型？

旋轉編碼器是經過證實且廣為使用的解決方案，可測量旋轉軸的速度、運動方向或位置。此種編碼器有幾種類型可用，主要兩種為絕對編碼器與增量編碼器。這兩種的運作方式為何？兩者有哪些差異？如何選擇最適合應用的類型？

編碼器運作原理

顧名思義，絕對編碼器會直接輸出所測量之軸的準確位置。每一個旋轉點都有獨特的位置值 (或稱資料字)，這些數值已編碼至一個與軸一同旋轉的碟片。碟片上的獨特編碼決定了表示該位置的準確度。編碼器打開了後不久，便會使用光學、電容式或磁性感測器讀取代碼，並產生有效輸出。不必建立參照值或旋轉軸，感測器即可決定位置，即使在暫時停電的狀況下，也可追蹤該位置。

圖 1：絕對編碼器的碟片代表每個位置都有獨特的代碼，使輸出立即有效，並決定編碼器解析度。(圖片來源：Same Sky)

編碼器的解析度是以位元表示，這些位元對應到一次旋轉的獨特資料字的數量。絕對編碼器分為單轉及多轉類型，單轉版本提供單次 360° 完整旋轉的位置資料，每當軸旋轉一週就會重複此完整旋轉。多轉類型則有一個旋轉計數器，能讓編碼器不只能夠輸出軸的位置，也能輸出旋轉週數。

現在看看增量編碼器的運作方式。這些編碼器會在軸旋轉的同時，以產生脈衝的方式運作。輸出通常為兩個相位差為 90° 的平方波，並且需要用到額外的電路以追蹤這些脈衝或予以計數。

圖 2：增量編碼器產生相位差為 90° 的脈衝波型。(圖片來源：Same Sky)

增量編碼器解析度以每轉脈衝數 (PPR) 表示，相當於任一個方形波輸出之高脈衝的數量。您可以閱讀 Same Sky 有關 PPR 的貼文，更多瞭解此一主題。

觀察圖 2 即可發現只有四個清晰且重複的輸出狀態。因此，必須將增量編碼器參照至已知的固定位置，以提供有意義的定位資訊。此一「初始」位置即為編碼器索引脈衝。接著追蹤從該索引脈衝後的相對旋轉增量變化，計算軸的絕對位置。每次打開編碼器時，或在發生短暫斷電之後，都必須進行此參照程序，所以，軸必須先經過旋轉才能決定位置。若與不必做初始旋轉即可從絕對編碼器取得位置的程序相比，此程序比較慢。

絕對型與增量型的比較：選擇標準

絕對編碼器比增量型還要複雜，因此一般來說也就比較昂貴。雖然價格差距逐漸縮減，針對速度、方向或相對位置等簡單的監控，還是建議使用增量編碼器。另外，在某些情況下，選擇絕對編碼器會比較好。

絕對編碼器有一項顯著優勢，就是軸的位置保持固定，所以不必等到歸回初始位置或完成校正程序，就可以立即得到位置資料。如此，即便軸的位置在編碼器關閉時更動了，仍可讓系統更快完成開機，或在斷電後迅速恢復。

選擇絕對編碼器的另一個理由，就是在啟用或移動任何機制前，必須在開機時立即得知位置資訊。如果從開始位置以錯誤方向旋轉軸，可能發生損及設備或對使用者造成危險的狀況。

另外，因為絕對編碼器會即時提供真實位置，數位系統可透過中央通訊匯流排對編碼器進行輪詢，以最小延遲時間擷取位置。透過增量編碼器連續追蹤位置更為困難，因為通常需要外部電路，使用正交解碼追蹤所有脈衝，導致主機系統負荷增加，特別是在需要監控多個編碼器時。

圖 3：絕對編碼器為碼輪每個位置產生獨特數位「字」 (等同於聲明的解析度)。(圖片來源：Same Sky)

進一步的好處就是，使用絕對編碼器有助於減少系統受到電子雜訊影響的可能性。不同於脈衝計數增量編碼器，絕對編碼器可讓系統從二進位輸出值 (或以數位方式透過序列匯流排) 讀取已檢查錯誤的代碼，以計算位置。

此外，在同一個系統中結合多個絕對編碼器，比結合多個增量編碼器更容易。常見的相關例子包括工廠自動化或多軸機器人。監控多個增量編碼器的輸出可能會變得非常複雜，而且需有龐大的處理能力。然而，解讀個別絕對編碼器的讀數更為容易，如果能接上中央通訊匯流排更是如此。

絕對編碼器發展的機會

現在您應該相當瞭解絕對編碼器與增量編碼器之間的主要差異。讓我們看看幾種通常使用絕對編碼器的應用領域。

在這些領域中，機器人發展極為迅速，並逐漸進入從醫療照護到工業領域的諸多市場。在醫療照護領域中的 遠端手術，需借助大量精準位置資訊以監控手術機械手臂的運作；而工業領域則包括自動組裝、焊接、烤漆等。展望未來，居家助手機器人發展的機會令人相當期待，一定能充分發揮絕對編碼器快速又容易操作的優點。

隨著企業持續追求數位轉型，加上增量編碼器與絕對編碼器之間的價差逐漸縮小，絕對編碼器的應用充滿無限可能。同時，消費者市場也充滿無限商機。無論是用來控制自動化門欄、攝影機穩定器、智慧型 HVAC 控制、工廠自動化或電動車子系統，絕對編碼器是設備設計師高效又廉價的選擇。

工程師對位置回饋的首選

絕對編碼器與增量編碼器在效能、價格與使用者體驗上的差異，意味著針對新產品設計選用正確的編碼器至關重要。隨著價差縮減及技術持續演變，與增量編碼器相比，絕對編碼器的優點，絕對能在日益增加的領域中成為開發人員設計位置回饋作業的首選。