서보시스템을 위한 로터리 엔코더의 특성과 선정방안
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엔코더의 기술추세를 연도별로 분류하면 아래와 같다. 1) 1980년대 특징: 고 신뢰성, 안정성, 소형화, FA활성화 성능: Inc. 300~1024 P/R (인크리멘탈식) 2) 1990년대 특징: 성 배선화, 고 펄스화, 서보화 확대 성능: 9배선식, 시리얼 전송형, 인크리멘탈/엡솔루트식 적용 3) 2000년대 특징: 고 정밀제어, 통신기능 확대, 정보 저장 기능 성능: Inc. 131072 P/R, 통신 ASIC의 개발에 따른 소형화 또한 향후에는 아날로그 신호를 정밀화할 수 있는 포토IC 기술의 발전에 따라 엔코더도 점점 더 고정밀화와 고분해능화되어 가고 있으며, 현재 상용화되어 있는 엔코더의 분해능은 수백만 펄스에 이르고 있다. 광학 및 레이저 기술 등의 급속한 발전과 함께 지속적인 엔코더의 고정밀화와 소형화가 지속될 전망이다. 엔코더의 특징과 원리 서보 시스템에서는 서보모터의 회전속도와 회전위치를 제어하기 위해서 회전자의 회전속도와 회전위치에 대한 정보를 필요로하게 된다. 따라서 이들 정보를 검출하기 위한 센서로서는 크게 분류하면 전자식과 광학식으로 나뉜다. 전자식으로는 레졸버가 있으며, 광학식으로는 회전식의 로터리 엔코더(Rotary Encoder)를 일반적으로 사용한다.
광학식 로터리 엔코더에는 절대위치형(Absolute type)과 자연증가형(Incremental type)가 있다.
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로터리 엔코더의 원리는 어찌보면 아주 단순하다고 할 수 있다. 아래 그림2에서 보는 것처럼 발광부에서 발생한 광선이 회전원판과 고정판의 슬롯을 통과해서 수광부에 도달하게 되면, 수광부 출력단에서 그때마다 펄스를 발생하게 된다. 이와 같은 내부 구조를 갖고 있는 엔코더를 광학식 엔코더라 한다. 엔코더에서 출력되는 펄스신호에 기본적으로 3가지 펄스열(A상, B상, Z상 펄스)이 있다. 일예로 모터가 정방향(CW)으로 회전하는 경우에 각 상의 출력파형을 보면 그림과 같이 나타난다. 이 경우 B상 펄스가 A상 펄스보다 위상이 90도 앞서고 있음을 알 수 있다. 그리고 모터의 원점신호인 Z상 펄스는 B상 펄스의 상승에지(Rising edge)에 동기되어 발생함을 알 수 있다. (그림 3 참조) 엔코더는 크게 기구부, 수/발광부, 회로부로 구성되며, 엔코더 제품에 따라서 많은 구조의 제품이 있기는 하지만 일반적인 구조는 동일하다고 볼 수 있다. 기구부는 샤프트, 프레임, 베어링 등으로 구성되며, 수/발광부는 발광소자, 디스크/마스크, 수광소자로 구성된다. 그리고 회로부는 수광소자로부터 출력되는 신호를 정형하는 회로로 구성되어 있다. 엔코더의 출력회로 방식
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전압출력(Voltage Output) 전압 출력방식은 엔코더 출력단에 NPN 트랜지스터를 사용하여 트랜지스터의 이미터(Emitter) 단자를 0[V]와 연결하고 콜렉터 단자를 +Vcc와 부하저항과 연결시키고, 콜렉터 단자를 출력단자로 사용하는 출력형태이다. 사용하는 기기와 엔코더 전원 전압이 같고 사용하하는 기기의 입력단이 무부하인 경우에 주로 사용되며, 주요 용도는 FA범용, 섬유기계, 주유기, 자동화기기, 사출기, 재단기, 인쇄기, 포장기 등이다. 토템폴(Totem Pole) 토템폴 출력방식은 엔코더 출력회로의 +Vcc와 0[V] 사이에 2개의 NPN 트랜지스터로 구성하여 하나의 트랜지스터가 온(On) 되면 나머지 다른 하나는 반드시 오프(Off)하는 상보형 동작을 하는 출력방식이다. 따라서 엔코더에 출력단의 2개의 트랜지스터를 통하여 전류가 양방향으로 유입, 유출 전류가 상시 흐르도록 설계되어 있어 출력 임피던스(Impedance)가 낮고 파형의 왜곡 및 노이즈에 대한 영향을 적게 받으며 전압 출력 및 오픈 코렉터 방식으로도 사용이 가능하다. 주요 용도로는 FA범용, 섬유기계, 주유기, 자동화기기, 사출기, 재단기, 인쇄기, 포장기 등이다.
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라인 드라이버 전용 IC는 고속응답 특성과 내노이즈 특성이 강해 장거리 전송에 적합하며, 엔코더의 라인 드라이버 출력을 수신하는 컨트롤러의 수신측에는 반드시 RS-422A에 상응하는 IC를 사용해야 한다. 주로 AC 서보 시스템, DC 서보 시스템, 로봇, AGV, NC 공작기계 등에 적합하다. 엔코더 적용상의 유의사항 주위환경 로터리 엔코더 사용시 다음과 같은 환경에서의 사용은 절대 금한다. - 강력한 진동, 충격에 의해 제품의 내장부품이나 구조물이 손상을 받는 장소 - 강한 자기나 전기 노이즈를 발생하는 기기와 근접한 장소 - 인화성, 부식성 가스가 발생하는 장소 - 물과 기름이 뛰는 장소 - 먼지가 많은 장소 - 온도, 습도가 정격을 초과하는 장소 - 강 알카리성 또는 강 산성 물질이 근접한 장소 - 직사광성이 있는 장소 취부시 주의사항 본체에는 물방울이나 기름이 닿지 않도록 해야 하며, 정밀 부품으로 구성되어 있으므로 떨어뜨리면 정상적인 기능을 잃을 수 있으므로 취급에 주의한다. 정/역회전으로 사용되는 경우에는 제품의 설치방향과 가감산 방향을 정확히 확인해야 하며, 설치하는 장치와의 원점과 엔코더의 Z상을 맞추는 경우에는 반드시 Z상의 위치를 정확히 확인하면서 설치해야 한다. 로터리 엔코더의 나사조임으로 고정하는 경우에는 0.49N·m[5kg·f] 이하의 힘을 조여야 하며, 커플링을 사용하는 경우 허용치내에서 작업해야 한다.
편심이나 편각 등의 설치오차가 크거나 엔코더의 회전축에 과대한 하중이 가해지면 엔코더가 파손되거나 수명이 짧아질 수 있다. 또한 체인 타이밍 벨트 및 톱니바퀴로 결합하는 경우에는 별도의 베어링과 커플링을 이용하여 엔코더와 결합해야 한다. 배선시 주의사항 로터리 엔코더의 전원은 정격전압 범위내에서 독립적으로 고급하며, 제품을 고정하고 코드를 배선한 경우에는 코드를 29.4N[3kgf] 이상의 힘으로 잡아당기지 않게 설치한다. 오결선 및 부하가 단락되지 않도록 주의해야 하는데, 오결선 및 부하단락시 제품이 파열되거나 소손될 수 있기 때문이다. 특히 배선은 전원이 Off 상태에서 작업해야 한다. 전원이 On 경우 출력선이 전원에 닿으면 출력회로의 파손으로 연결된다. 고압선과 동력선을 병행하여 배선하면 유도 노이즈에 의해 오동작 또는 제품의 파손원인이 되므로 별도의 배선을 사용해야 한다. 사용전원에 서지가 발생할 경우, 전원간에 서지 옵서버를 접속하여 서지를 흡수해 줘야 하고, 사용하지 않는 출력선이나 FG선은 절연처리가 필요하다.
배선 연장시 주의사항 로터리 엔코더의 케이블을 연장하여 사용할 때에는 반드시 Twist Pair Shild 케이블을 사용해야 한다. - Line Drive -> Vcc-0V, A-A, B-B, Z-Z - Open Collector, Voltage, Output, Totem Pole, Complemental -> Vcc-0V, A-0V, B-0V, Z-0V 배선을 연장하는 경우에는 선저항, 선간용량의 영향으로 ㅇ니하여 엔코더 출력신호의 잔류전압 증가 및 파형 뒤틀림이 발생할 수 있다. 유도 노이즈를 피하기 위해 가능한 최단거리로 배선할 필요가 있으며, 배선을 연장하며 출력파형 개시시간이 길어져 A상, B상의 위상차 특성에 영향을 미칠 수 있다. 배선을 연장하는 경우 Line Drive 출력형을 권장하며, 라인 드라이버의 전원은 DC5[V]의 전원을 공급해야 하며, 100m 배선연장시 약 1[V]의 전압강하가 발생한다. 진동시 주의사항 로터리 엔코더에 진동이 가해지면 오펄스가 발생하여 오동작의 원인이 되므로 주의한다. 특히 로터리 엔코더의 분해능이 높을수록 진동에 의한 오펄스 발생의 가능성이 높으므로 회전시나 정지중에 전달되는 진동이 엔코더로 전달되지 않도록 사용상 주의한다. 노이즈 대책 엔코더 전원은 독립적으로 공급한다. 전송거리가 길 경우에는 케이스 그라운드 회로와 그라운드 사이에 노이즈 필터용의 수 μF 콘덴서를 삽입하여 사용한다. 또한 노이즈원으로부터 가능한 이격시켜 주고, 에코더 배선은 최단거리로 배선한다. <웹사이트> 메트로닉스 www.metronix.co.kr-----------------------------
표 1. 로터리 엔코더의 원리 인크리멘탈 엔코더 원리 발광소자에서 나온 빛이 디스크의 회전슬릿과 고정슬릿을 통과한다. 통과한 빛에너지는 수광소자를 통해 전류로 변환되어 파형정형 회로와 출력회로를 거쳐 위상이 1/4주기 다른 2개의 구형파 펄스로 출력된다. 특성 - 회전축의 회전 변위량에 따라 구형파로 출력하는 방식이다. - 외부 카운터에서 출력펄스 수를 계산하고, 카운터 수에 따라 회전 변위량을 검출한다. - 임의의 회전축의 회전변위량을 알기 위해서는 기준위치(원점)를 설정하여야 하며, 기준위치로부터 펄수 수를 카운터로 누적 가산한다. - 엔코더의 출력회로에 별도의 회로를 추가하여 출력펄수를 2체배, 4체배하여 전기적인 분해능을 높일 수 있다. - 전원 정전 후, 전원 복귀시에는 기준위치를 새로 찾아야 한다. 앱솔루트 엔코더 원리 앱솔루트 엔코더의 기본 원리는 인크리멘탈 엔코더와 동일하다. 인크리멘탈 엔코더는 위상이 다른 2개의 구형파 펄스로 출력되지만, 앱솔루트 엔코더는 출력되는 디지털 코드화(Binary, BCD, Gray, Code)하여 출력된다. 특성 - 회전변위량을 2n 코드로 절대값을 병렬로 출력하며, 출력코드 비트 수가 많으면 분해능이 높아진다. - 출력코드 비수 수가 많으면 분해능이 높아지며, 출력코드를 직접 읽음으로써 회전위치를 검출하는 방식이다. - 입력 회전축의 원점위치가 한번 결정되면 항상 원점위치를 좌표 원점으로한 회전각도가 디지털 코드로 출력된다. - 전원 정전 후 복귀시에도 항상 절대위치를 유지한다.---------------------------- -------------------------
표 2. 엔코더 출력 접속 방안 카운터와의 출력 접속 오픈 콜렉터 출력형의 엔코더와 카운터를 접속하는 경우, 수신측 회로에 풀업(Pull Up) 저항[R]을 반드시 연결해야 한다. 이 때 저항값은 카운터의 입력 임피던스의 1/5이하가 되도록 선정해야 한다. 컴플리멘탈 출력형의 출력 접속 컴플리멘탈 출력회로는 2개의 트랜지스터가 상보형으로 동작하기 때문에 상시전류가 흐르게 된다. 따라서 노이즈에 강하고 파형왜곡이 적어 중거리 전송용으로 적합하며, 주로 엘리베이터 등에 적용된다. 라인 드라이버 출력형과 출력 접속 라인 드라이버 출력형 엔코더의 출력을 수신하는 수신회로에 반드시 RS-422A에 상응하는 IC(26LS32)를 사용해야 한다. 또한 사용하는 케이블은 반드시 스위스트(Twist Pair Cable)된 케이블이 필요하다. 엔코더와 PLC와의 출력 접속 엔코더와 PLC를 접속하여 사용하는 경우, 엔코더와 PLC의 DC 입력 유닛을 직접 접속하여 사용할 수 있다. 이 경우 엔코더의 출력을 받아들이는 PLC의 DC 입력 유닛의 입력 스캐닝 주파수(Scanning Frequency)을 엔코더의 최대 응답주파수보다 약 10배 이상 충분히 높여 사용해야 한다. 또한 PLC의 DC 전원을 엔코더에 인가할 경우, PLC의 전원이 안정적이지 못하면 엔코더가 오작동을 할 수 있으므로 엔코더의 전원은 반드시 별도의 안정된 DC 전원을 사용해야 한다. 포토 커플러와의 출력 접속 로터리 엔코더와 포토 커플러를 접속하는 경우, 엔코더 신호를 수신하는 수신측 회로의 저항[R] 값은 포토 커플러의 동작 전류와 엔코더의 최대 부하저류를 초과하지 않는 범위내에서 선정해야 한다. 또한 포토 커플러의 응답 특성은 엔코더의 최대 응답주파수보다 더 빠른 것을 선정하여 응답성의 여유를 가져야 한다. -----------------------------
