전자 산업 발전을 이끈 리니어 모터용 엔코더

Heidenhain

반도체 산업과 자동화 기술은 점점 더 소형화되며, 품질과 제조 비용 절감에 대한 요구가 증가함에 따라 더욱 정확하고 빠른 기계를 필요로 한다. 리니어 모터는 하나 이상의 주행 축을 가진 매우 역동적인 애플리케이션에서 중요해지고 있다. 이 직접 구동 기술의 장점은 적은 마모와 유지보수 그리고 높은 생산성이다. 그러나 생산성 향상은 제어 장치, 모터, 기계 프레임, 포지션(위치) 엔코더가 서로 최적으로 조정된 경우에만 가능하다. 다이렉트 드라이브는 측정 신호의 품질에 대한 엄격한 요구 조건이 있다. 최적의 측정 신호는 기계 프레임의 진동을 줄이고 속도에 따른 모터에서 발생한는 과도한 소음을 방지하며, 추가적인 열 발생을 방지해 모터가 최대 기계 출력을 구현하도록 한다.

따라서 리니어 모터의 효율은 포지션 엔코더의 선택에 크게 영향을 받는다. 광학 스캐닝 방식의 엔코더는 직접 구동 장치의 정확성, 속도 안정성, 열적 특성에 이점을 제공한다. Heidenhain은 전자 산업의 리니어 모터용으로 특화된 기술적 특성을 갖춘 광범위한 리니어 엔코더를 제공한다.

다이렉트 드라이브 설계

다이렉트 드라이브 기술의 가장 큰 장점은 다른 기계식 전달 요소 없이 드라이브를 주행 구성 요소에 직접 결합한 것이다. 이는 제어 루프에서 기존의 드라이브보다 훨씬 높은 게인(gain)을 갖게 한다.

다이렉트 드라이브에서 속도 측정하기

다이렉트 드라이브에는 속도 측정을 위해 추가되는 엔코더가 없다. 위치와 속도는 포지션 엔코더로 측정된다. 리니어 모터에서 리니어 엔코더, 회전하는 축에서 각도 엔코더 등이 해당한다. 속도 엔코더와 이송 장치 사이에는 기계적인 변속기가 없다. 속도가 느린 이송에서 정확한 속도 제어를 가능하게 하려면 포지션 엔코더의 해상도가 높아야 한다. 속도는 단위 시간당 이동한 거리로 계산한다. 이 방법은 대개 기존 축에도 적용되며, 신호의 주기적인 교란 또는 노이즈를 증폭시키는 수치에 대한 차별화를 나타낸다. 특히 다이렉트 드라이브에서 사용되는 현저히 높은 루프 게인과 불충분한 신호품질의 엔코더를 조합하는 경우, 드라이브 성능이 크게 저하될 수 있다.

포지션 엔코더의 신호 품질

현대 엔코더는 위치를 측정하는 방법으로, 계수를 뜻하는 증분(incremental) 혹은 절대적(absolute) 방법이 있다. 경로 정보는 엔코더에서 90° 위상 변화를 갖는 두 개의 사인파 신호로 변환된다. 두 방법 모두 충분히 높은 해상도를 얻기 위해 사인파 스캐닝 신호를 보간(interpolation)해야 한다. 부적절한 스캐닝과 측정 표준의 오염 또, 신호처리 부족은 이상적인 사인파 형상에서 벗어나게 할 수 있다. 결과적으로 보간 중에 엔코더의 출력 신호의 한 신호주기 안에서 주기적인 위치 오차가 발생한다. 한 신호주기 안의 이러한 위치 오차를 ‘보간 오차’라고 하며, 품질이 좋은 엔코더의 경우 보간 오차는 보통 신호주기의 1~2%이다.

보간 오차의 영향

열과 소음 발생

보간 오차의 빈도가 높아지면 이송 구동 장치는 더 이상 오차 곡선을 따라갈 수 없다. 보간 오차 때문에 발생한 전류 성분은 모터 소음과 모터의 추가 가열을 증가시킨다. 리니어 모터에서 낮은 보간 오차와 높은 보간 오차를 갖는 리니어 엔코더의 효과를 비교하면 고품질 위치 신호의 중요성을 알 수 있다. 여기서 보여주는 LIDA 리니어 엔코더는 모터 전류에서 거의 눈에 띄지 않는 외란을 발생시킨다. 모터는 정상적으로 작동하고 열 발생이 거의 없다.

동일한 컨트롤러 설정에서, 잘못된 엔코더를 통해 동일한 엔코더의 보간 에러가 증가하면 모터 전류에 큰 노이즈가 발생한다. 이로 인해 모터에서 발생하는 소음과 열이 증가한다.

동적 거동

디지털 필터는 위치 신호를 부드럽게 하기 위해 다이렉트 드라이브와 함께 사용된다. 그러나 속도 제어 루프에서 필터링으로 인한 추가 위상 지연은 최소로 유지돼야 하며, 그렇지 않으면 동적 정확도가 떨어진다. 최적의 신호 품질을 가진 위치 엔코더는 필터의 사용을 줄이는 데 도움이 된다. 즉, 제어 대역폭이 유지된다.

다이렉트 드라이브용 포지션 엔코더

낮은 보간 오차로 높은 품질의 위치 신호를 생성하는 리니어 엔코더는 전자 산업분야에 적용되는 다이렉트 드라이브의 최적 성능을 위한 필수 사항이다. 광전자 스캐닝을 사용하는 엔코더는 매우 정밀한 눈금을 스캔할 수 있기 때문에 이러한 곳에 아주 이상적이다. 따라서 광학 스캔 방식의 엔코더는 다이렉트 드라이브의 잠재력을 활용하는 데 중요한 역할을 한다.

정확한 눈금

광학 스캐닝을 할 수 있는 Heidenhain의 엔코더는 눈금(graduations)이라고 하는 주기적 구조의 측정 표준을 내포한다. 기판 재질은 유리와 강철 또는 큰 측정 길이의 강철 스트립이다. 40 μm에서 1 μm 이하의 미세한 눈금이 전형적이며 포토 리소그래피 공정(photolithographic process)으로 제조된다. 이것은 높은 엣지 정의(edge definition)와 우수한 동질성이 특징이며, 낮은 보간 오차 덕분에 부드러운 작동 성능과 높은 제어 루프 게인을 제공한다.

측정 표준의 내구성

설계의 특성상, 일반적인 노광 공정이 적용된 리니어 엔코더의 측정 표준으로는 보호가 잘 안 된다. 따라서 Heidenhain은 특별한 공정에서 제조된 거친 격자(눈금)를 사용한다. DIADUR 공정에서 단단한 크롬 구조가 유리 또는 강철 캐리어에 적용된다. AURODUR 공정은 철강 스트립에 단단한 금을 적용해서 스케일 테이프를 생산한다.

SUPRADUR 공정에서는 투명 레이어(transparent layer)가 반사 기초 레이어(reflective primary layer) 위에 먼저 적용된다. 그런 다음 극히 얇고 단단한 크롬 층을 적용해 격자를 만든다. SUPRADUR 눈금이 있는 저울은 오염에 특히 덜 민감한 것으로 증명됐다. 구조물의 높이가 낮아 먼지와 흙 또는 물 입자가 쌓이지 않기 때문이다. 이러한 방식으로, Heidenhain의 생산 기술은 특히 까다로운 애플리케이션을 위해 다이렉트 드라이브를 사용하도록 거듭된 높은 신호 품질을 보장한다.

최적화된 스캐닝 방법

스캐닝 방법과 격자의 높은 품질은 낮은 보간 오차에 영향을 준다. 특히 이점으로 작용하는 특징은 단일 필드 스캐닝(single-field scanning)으로, Heidenhain에서 노광된 리니어 엔코더와 같이 사용된다. 출력 신호는 단 하나의 스캔 필드에서만 생성된다. 이 대형 스캔 필드와 스캐닝 레티클(reticle)과 포토 센서의 구조를 통한 특수 광학 필터는, 전체 범위에서 일정한 신호 품질의 스캐닝 신호를 생성한다. 이는 아래의 특성들을 위한 전제 조건이다.

· 낮은 신호 잡음
· 낮은 보간 오차
· 높은 이송 속도
· 다이렉트 드라이브의 제어 루프 성능 향상
· 모터의 낮은 발열

이미징 기반의 신호 생성

스캐닝 원리 (LIDA 400)

이미징 스캐닝 원리는 투사된 광신호 생성을 통해서 기능한다. 동일한 격자 주기를 갖는 두 개의 스케일 등급이 서로 상대적으로 이동한다. 즉, 스케일과 스캐닝 레티클이다. 스캐닝 레티클의 캐리어 재질은 투명하지만 측정 표준의 눈금은 투명 또는 반사 표면에 적용할 수 있다. 평행한 빛이 회절격자를 통과할 때 밝고 어두운 표면이 일정한 거리를 두고 투사된다. 두 격자가 서로에 대해 움직일 때 입사광은 변조 된다. 틈이 정렬되면 빛이 통과한다. 격자선이 다른 격자선과 일치하면 아무 빛도 통과하지 않는다. 광전지는 이러한 빛의 변화를 전기 신호로 변환한다. 스캐닝 레티클의 특별히 구조화된 격자는 광전류를 필터링해 초기 사인 출력 신호를 생성한다.

오실로스코프(oscilloscope)의 XY 표현에서 신호는 리사쥬(Lissajous) 그림을 형성한다. 이상적인 출력 신호는 동심원 내부 원으로 나타난다. 원형과 위치의 편차는 한 신호주기 안에서 위치 오차로 인해 측정 결과로 직접 이동한다. 출력 신호의 진폭에 해당하는 원의 크기는 측정 정확도에 영향을 미치지 않으면서 특정 제한 범위에서 변할 수 있다.
다이렉트 드라이브에서 원 모양으로부터 편향되는 것은 소음을 유발하며, 제어 품질을 저하시키고 발열을 증가시킨다.

오염에 대한 낮은 민감도

반도체 산업을 위한 생산 설비와 취급 장치는 높은 가속도와 콤팩트한 설계를 요구한다. 이러한 요구 사항은 특히 마찰 없이 작동하는 노광형 측정 시스템을 요구하며, 자체 하우징이 없이 작동할 수 있기 때문에 매우 작고 질량이 적도록 설계할 수 있다. 특수 스캐닝 방법과 생산 기술은 엔코더를 밀봉하지 않아도 오염에 대한 강력한 보호 기능을 제공한다. Heidenhain의 노광형 리니어 엔코더는 단일 필드 스캔으로 작동한다. 오직 스캐닝 필드 하나만 스캐닝 신호를 생성하는 데 사용된다. 측정 표준상의 국부 오염(예 : 가이드웨이에서의 장착 또는 오일 누적으로 인한 지문)은 신호 구성 요소의 광 강도에 영향을 주며, 따라서 측정 신호의 광도는 동일하게 측정된다. 출력 신호는, 진폭이 변하지만 오프셋과 위상 위치는 변하지 않는다. 그것들은 고도로 보간할 수 있으며 보간 오차는 작다.

대형 스캔 필드는 오염에 대한 감도를 추가로 감소시킨다. 덕분에 많은 경우 엔코더 오류를 예방할 수 있다. 이는 격자 주기와 관련해 14.5 mm2의 넓은 스캔 표면을 갖는 LIDA 400과 LIF 400에서 더욱 명확하다. 직경 3 mm까지의 오염에도 불구하고 엔코더는 고품질 신호를 계속 제공한다. 위치 오차는 눈금의 정확도 등급에 지정된 값보다 훨씬 낮다. 따라서 오염에 대한 민감도가 낮은 광학 엔코더의 필수 전제조건은 최적화된 스캐닝 방법, 대형 스캐닝 필드, 오염 내성 눈금이다.

애플리케이션에 맞는 조립 공차

아주 작은 신호주기는 대개 스캐닝 헤드와 스케일 테이프 사이의 거리 공차가 매우 좁다. LIFA 400의 간섭 스캐닝 원리와 LIDA 400과 같은 혁신적인 인덱스 격자 덕분에 작은 신호 기간에도 불구하고 충분한 마운팅 공차를 제공할 수 있다. 그러므로 마운팅 공차 안에서 신호 진폭의 변화는 무시할만한 수준이다. 이 거동이 노광형 리니어 엔코더의 높은 신뢰성을 실질적으로 감당한다.

리니어 모터용 포지션 엔코더

Heidenhain의 노광형 리니어 엔코더는 반도체 산업과 제조 기술이 추구하는 빠르고 정밀한 기계에 사용하도록 최적화됐다. 노출된 기계적 설계에도 불구하고 오염에 대한 내성이 높다. 그뿐만 아니라 장기간의 높은 안정성을 보장하며 빠르고 쉽게 장착할 수 있다. LIF 1, LIP 2, LIDA 3 시리즈의 리니어 모터용 엔코더는 경량이며 콤팩트하게 설계됐다.

자료 제공 : Heidenhain(www.heidenhain.de)