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키트 인코더, 역동적인 시장 변화를 위한 새로운 기술

POSITAL

폐쇄 루프 모션 제어 시스템은 피드백을 사용하여 기계 부품의 정확한 위치를 보장한다. 로터리 인코더와 같은 위치 센서는 이러한 피드백을 제공하는 데 효과적이다. 어떤 경우는 제어하는 기계에 센서를 구축하는 것이 추가 비용과 복잡성을 피할 수 있는 방법이다.
이것이 키트(또는 모듈 식) 인코더의 장점이다. 키트 인코더는 모터 하우징 또는 기타 장비 내부에 설치하여 구동축 회전을 직접 측정하도록 설계된 위치 센서이다. 본문에서는 키트 인코더에 사용되는 기술을 설명하고 상대적인 장점과 제한사항을 설명한다.

키트 인코더란
키트 인코더는 회전 위치 또는 회전속도의 실시간 측정을 제공하기 위해 모터 또는 기타 유형의 장비에 내장되도록 설계된 구성 요소 장치이다. 서보 모터의 필수 구성 요소이며 로봇을 포함한 다른 기계에서 효과적으로 사용할 수 있다.
기존의 독립형 인코더와 비교하여 키트 인코더에는 밀폐된 하우징, 베어링 또는 별도의 샤프트가 없다. 대신 회전 부품이 기계의 샤프트에 직접 연결된 상태로 호스트 기계의 케이스 내부에 맞도록 설계되었다. 이 방식은 공간을 줄이고 비용을 낮추며 기계적 복잡성을 줄일 수 있다.
독립형 인코더는 모터 또는 기계 하우징 내부의 고온환경, 강한 자기장 및 기화 윤활유로 인해 설치가 어려울 수 있다. 올바른 측정 기술을 선택하는 것은 설계의 전반적인 성공을 위해 중요하다.

리졸버(resolvers)
리졸버는 로터와 고정자 구성 요소의 권선 간 유도 결합 변화를 모니터링하여 회전 각도를 측정하는 비교적 간단한 장치이다. 물리적으로 견고하고 저렴하며 광범위한 온도에서 안정적으로 작동한다. 그러나 한계가 있다. 리졸버는 컨트롤러 인터페이스에 A/D 컨버터가 필요한 아날로그 장치이다. 또한 대부분의 리졸버는 멀티회전 기능이 없는, 상대적으로 정확도가 낮다. 다극 리졸버는 높은 수준의 정확도를 제공할 수 있지만 비싸다.

광학 키트 인코더
광학 키트 인코더의 핵심 구성 요소는 회전축에 설치된 "코드 디스크", LED 광원 및 광 수용체 어레이다. 디스크는 투명한 재료로 만들어지며 투명하고 불투명한 영역의 동심원 패턴을 가지고 있다. 디스크는 광원과 광수용체 사이에 위치하므로 광수용체에 들어오는 빛의 패턴은 디스크의 회전 각도에 따라 달라진다. 광수 용기의 신호를 통합하여 회전 속도 또는 샤프트의 회전 각도를 정확하게 측정할 수 있다.
  광학 측정 기술을 기반으로 하는 키트 인코더는 다양한 구성에서 사용할 수 있다. High-end에서 앱솔루트 광학 측정 시스템은 +/- 0.02도 이상의 정확도와 매우 우수한 동적 응답을 가진다. 이 제품은 고급 서보 모터 및 정밀 위치제어 애플리케이션에 적합하다.
  일부 제조업체는 광학 측정 기술을 기반으로 하는 저가의 증분형 인코더를 제공한다. 정밀도는 낮지만 저렴한 스테퍼 모터를 위한 폐쇄 루프 피드백 제어를 제공하는 데 유용하다. 모터가 지령한대로 스텝 모션을 완료할 수 있는지에 대한 명확함을 제공함으로써 이 배열은 위치 제어 애플리케이션을 위한 저비용 스테퍼 모터의 신뢰성을 크게 향상시킨다.
  광학 인코더는 뛰어난 성능을 제공할 수 있지만 코드 디스크와 광수용체는 먼지, 습도 및 응축에 의한 오염에 민감할 수 있다. 또한 최대 정확도를 달성하려면 코드 디스크와 광수용체 어레이를 매우 정확하게 정렬해야 한다. 광학 코드 디스크는 또한 고해상도를 달성하기 위해 상대적으로 큰 직경(최대 50mm)을 가져야 한다. 이러한 기기의 고정밀 버전은 상대적으로 비용이 크다.

마그네틱 키트 인코더
마그네틱 키트 인코더는 홀 효과 센서를 사용하여 호스트 기계 샤프트에 고정된 작은 영구 자석에 의해 생성된 자기장의 회전 위치를 측정한다. 홀 효과 센서의 신호를 해석하고 영구 자석(및 샤프트)의 회전 각도를 계산하려면 마이크로 프로세서가 필요하다. 이 측정 시스템의 기계적 단순성으로 인해 마그네틱 키트 인코더는 광학 제품보다 훨씬 작고 견고하다. 이 마그네틱 키트 인코더는 최소 +/- 0.1 도의 17 비트 분해능과 정확도를 제공하며 지연 시간은 몇 마이크로 초 정도이다.
마그네틱 키트 인코더는 작고 간단하여 모터 또는 기계 하우징에 통합할 수 있다. 홀 효과 센서 어레이, 신호 처리 전자 장치 및 통신 인터페이스를 지원하는 칩을 포함해 POSITAL 마그네틱 키트 인코더의 전자 모듈은 지름 37mm, 깊이 24mm이다.
또한 가격이 합리적이므로 서보 모터 또는 저렴한 스테퍼 모터 응용 제품에 적합하다. 조립 요구 사항은 광학 인코더보다 훨씬 덜 엄격하다. 자기 브레이크가 있는 서보 모터의 경우, 측정 시스템의 강한 자기장으로부터 격리하기 위해 자기 차폐가 필요할 수 있다.

소형 키트 인코더
POSITAL은 멀티 회전 측정 기능을 포함하여 이전 제품의 정확도와 기능을 유지하면서 직경 22mm, 깊이 23mm의 차세대 소형 마그네틱 키트 인코더를 시연했다. 이 장치는 특히 작은 서보 또는 스테퍼 모터와 함께 사용하기에 적합하다.

중공 축 키트 인코더
지금까지 설명한 대부분의 인코더에는 장치 중앙에 위치감지 요소가 있다. 하지만 설계자가 중앙 샤프트, 축 또는 구조 요소 주위에 맞는 측정 장치를 선호하는 경우가 있다. 예를 들면,

- 서보 모터, 스테퍼 모터 또는 드라이브의 경우 샤프트 주위에 맞는 위치 센서로 샤프트 회전을 측정하는 것이 편리 할 수 있다.
- 로봇 조인트는 중앙 힌지 핀 또는 조인트 중앙을 통과하는 전기 케이블 및 공기 호스로 설계할 수 있다. 이러한 구조적 요소 주위에 고정하면서 조인트 각도를 측정하는 장치를 사용하여 보다 콤팩트한 조인트를 만든다.

링형 또는 중공 축 키트 인코더는 이러한 요구 사항을 충족하고 설계자에게 많은 유연성을 제공하도록 설계되었다. 인코더를 사용하여 서보 모터 또는 피드백 제어 스테퍼 모터 설계자는 모터 샤프트의 양쪽 끝에 위치 센서를 설치할 수 있다.
  중공축 인코더는 캐패시턴스 측정 시스템을 기반으로 한다. 각 인코더에는 고정자와 회전자라는 두 가지 주요 구성 요소가 있으며 둘 다 표면에 특수한 모양의 전도성 재료 영역이 있다. 이것들은 축전 기판으로 기능한다. 회전자가 회전함에 따라 회전자와 고정자에 있는 전도성 영역의 상대적 위치가 변경되어 시스템 전체의 캐패시턴스가 변경된다. 이것은 고정자의 회로에 의해 생성되고 커패시터 시스템을 통해 전송되는 고주파 전기 신호의 진폭 및 위상 각도를 변경하는 데 사용된다.
  특수 프로세서는 이러한 신호 변동을 캡처 및 디코딩하고 높은 수준의 정밀도로 로터의 각도 위치를 결정한다. 캐패시턴스 측정 시스템을 기반으로 하는 중공 축 키트 인코더는 뛰어난 정확도(+/- 0.02 °)와 동적 응답(최대 6000RPM)을 제공한다. 따라서 중요한 모션 제어 시스템에 사용하기에 적합하다.

고정자 및 회전자 요소는 모두 열린 중심이 큰 얇은 디스크 형태이다. 따라서 서보 모터, 스테퍼 모터 또는 로봇 암의 조인트와 같이 공간이 제한된 상황에 적합하며, 중앙 샤프트, 구조 요소 또는 케이블 클러스터 주변에 맞는 내장형 위치 센서를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
  요약하면, 중공 센터 구성은 설계자에게 기계를 배치할 때 추가 유연성을 제공한다. 19비트 분해능으로 정확도가 매우 높다. 앱솔루트 측정은 회전자/고정자 디스크의 전체 원주에서 이루어지기 때문에 이러한 시스템은 고정자와 회전자 사이의 사소한 정렬 오류를 상대적으로 허용할 수 있다.
  결과적으로 이러한 인코더는 합리적으로 깨끗한 공장 조건에서 서보 모터 하우징 또는 기계에 설치할 수 있다.(반대로 광학 인코더는 매우 정밀한 내부 정렬이 필요하며 실험실과 같은 조건에서 조립된다.)
  캐패시턴스 측정 시스템은 조립 및 작동 중 먼지와 습기에 대한 내성이 있다. 모터 브레이크의 강한 자기장 등을 포함한 자기장에 거의 영향을 받지 않는다. 그러나 강한 전기장에 민감할 수 있으므로 일반적으로 차폐가 권장된다.

멀티 턴 측정
서보 모터 또는 드라이브의 경우 멀티 회전 측정 기능은 모터가 나사 축, 케이블 드럼 또는 감속기 시스템을 구동할 때 기계 구성 요소의 위치를 모니터링하는 데 유용할 수 있다. 리졸버는 단일 회전 장치이며 멀티 회전 측정에는 사용할 수 없다.
  대부분의 광학 인코더의 경우 멀티 회전 측정은 보조 코드 디스크를 추가하여 활성화된다. 따라서 각 연속 디스크가 구동하는 속도의 일부로 회전한다. 이 시스템은 비용이 많이 들고 기계적으로 복잡하다.
  멀티턴 마그네틱 인코더는 전자식 회전 카운터를 사용한다. 이것은 자기 측정 기술의 핵심 특징인 기계적 단순성을 유지한다. 그러나 전자 카운터의 경우 기기 전원을 사용할 수 없을 때 이러한 회전이 발생하더라도 장치는 회전수의 정확한 카운트를 유지할 수 있는지 확인해야 한다.(회전 카운터가 기계 회전수를 기록하지 못하면 위치 정확도가 손실된다. 이 경우 전체 기계를 기준 상태로 되돌리고 회전 카운트를 다시 시작하여 시스템을 "re-home" 해야 할 수 있다.)

모든 작동 조건에서 정확한 위치 카운트를 보장하기 위해 일부 인코더 제조업체는 기기 전원을 사용할 수 없을 때 회전 카운터에 전원을 공급하는 백업 배터리를 제공한다.
  POSITAL은 자기 및 캐패시턴스 키트 인코더의 전자 회전 카운터에 전원을 공급하는 혁신적인 접근 방식을 개발했다. 이 회전 계수 시스템은 자체 전원이 공급된다. 샤프트가 회전할 때마다 인코더에 장착된 "Wiegand wire" 시스템에 의해 생성된 전기펄스는 회전 카운터를 활성화하는 데 충분한 에너지인 전류 펄스를 생성한다. 이 시스템은 외부 전원과 독립적으로 작동하며 백업 배터리가 필요하지 않다. 배터리가 필요하지 않으므로 가동 중지 시간이 줄어들고 유지보수 비용이 절감되며 사용한 배터리를 폐기할 필요가 없다.

위치 피드백의 스테퍼 모터, 저비용 솔루션
서보 모터가 기계의 정밀 모션 제어에 널리 사용되는 반면, 스테퍼 모터의 향상된 성능은 저가형 장치 분야에서 점점 매력적인 대안이 되고 있다. 이러한 성능 향상의 핵심은 로터리 위치 측정 인코더를 추가하는 것이다.
  스테퍼 모터는 제어 신호에 응답하여 작은 스텝으로 회전축을 돌리는 브러시리스 DC 모터이다. 기본 형태로 개방 루프 제어 시스템이다. 모터가 단계를 완료하지 못하면 위치 정확도가 저하된다. 이 때 스텝 모션이 발생했는지 확인할 수 있는 간단한 증분 인코더를 추가하여 극복할 수 있다. 앱솔루트 인코더는 앱솔루트 위치 피드백을 제공하여 이를 한 단계 발전시킨다.

POSITAL의 앱솔루트 키트 인코더는 멀티 회전 측정 범위에서 사용할 수 있으며, 이는 모터가 나사 축, 케이블 드럼 또는 기어 감속 시스템에 연결될 때 매우 유용하다. 멀티 회전 카운터는 POSITAL의 Wiegand 에너지 수확 기술을 사용하여 자체 구동된다. 회전 횟수는 제어 시스템 전원이 꺼진 동안 기계가 이동한 경우에도 항상 최신 상태로 가동된다. 따라서 백업 배터리가 필요하지 않다.
  스테퍼 모터용 키트 인코더는 모터 하우징에 쉽게 통합되도록 설계되어 구동축에서 직접 회전 위치를 측정한다. 키트 패키지는 NEMA 표준 스테퍼 모터용으로 널리 사용되는 증분형 인코더와 동일한 설치공간이 제공되므로 이 인코더는 고급 증분형 인코더를 간편하게 교체할 수 있다.
  자기 측정 모듈은 소형이며 먼지, 습기, 충격, 진동 부하에 대한 내성이 뛰어나다. 외부 자기장으로부터 측정 모듈을 보호하기 위해 차폐를 사용할 수 있다. SSI 및 고급 "BiSS C" 통신 인터페이스가 구현되었다. 둘 다 PLC 및 컴퓨터와 호환되는 오픈 소스 인터페이스이다.
  위치센서가 내장된 스테퍼 모터는 안정적이고 비용 효율적인 구동 메커니즘이 필요한 제조 장비, 포장 기계, 로봇 및 기타 응용 분야의 포지셔닝 작업을 위한 매력적인 솔루션이다.

자료 제공: POSITAL(www.posital.com)

기자 : 편집부