자동화 기계, 로봇 및 모터 구동축에 적용된 새로운 엔코더 기술 ‘위건드(Wiegand) 센서’

로터리 엔코더에 최근 몇 년 동안 많은 기능들이 추가되었다. 위치 및 속도에 대한 피드백을 제공하기 위해 증분 또는 앱솔루트 신호를 출력한다. 여기서 증분 신호는 특정 위치가 아닌 움직임을 나타내는 높고 낮은 파동의 연속이다. 반대로 앱솔루트 엔코더는 모션과 함께 추적되는 로터리 축의 위치를 나타낸다.

기계식 엔코더는 로터리 스위치와 비슷하지만 디지털 출력을 할 수 있다. 노브 추적(knob tracking)을 위해 의료 및 섬유 장비, 항공 전자 부분에서 쓰인다. 예를 들어 해상도는 360° 회전을 위한 30개 위치의 투사 각도 측면에서 정의된다.

모션 제어 애플리케이션을 위한 로터리 엔코더에는 저 전류를 사용하는 커패시턴스 엔코더가 있다. 수신기에 도착하기 전에 에칭된 디스크에 의해 간헐적으로 변조된 신호를 보내며 고주파 송신기를 사용하는 효율적인 옵션이 있다. 이 수신기는 커패시턴스 변화를 읽고 ASIC는 이를 회전당 46단계의 분해능을 각도 값으로 변환한다.

가장 일반적인 로터리 엔코더는 광학 엔코더이다. 초기 버전에는 광원과 센서 헤드 사이에 깨지기 쉬운 유리 디스크가 있었지만 오늘날 일반적인 버전이 더욱 견고하다. 디스크는 에칭된 금속, 마킹된 강화 유리 또는 엔지니어링 플라스틱으로 구성된다.

통합된 전자장치는 이러한 엔코더를 견고하게 만들었다. 예를 들어 Encoder Products Co.의 Opto-ASIC 기술은 포토 센서를 포함한 모든 센서 보드의 구성요소를 회로 하나에 결합한 단일 칩이다. 이는 파티클 및 전기 노이즈 장해에 대한 높은 저항력을 구현하였다.

최근 몇 년 동안 이러한 센서를 기반으로 한 새로운 디자인 혁신으로 자기 및 자기 변형 엔코더의 사용이 증가했다. 이러한 센서에는 회전해 주위에 일련의 자기 스트립이 내장되어 있다. 센서의 두 채널은 스트립 쌍을 추적하고 차동 신호를 출력한다. 일부 설계는 신호 처리 소프트웨어를 실행하는 임베디드 마이크로 프로세서를 사용하여 정확하고 동적인 응답을 얻는다.

광전기 구성요소에서 고체 전자장치에 이르기까지 측정 작업을 수행하면 엔코더가 작고 안정적 일 수 있다. 또한 사용자는 물리적 변경이 아닌 소프트웨어 업데이트를 통해 엔코더의 성능을 보다 쉽게 변경할 수 있다. 이는 빅 데이터 및 사물 인터넷에 대한 광범위한 트렌드 뿐만 아니라 보다 예방적인 유지 보수차원으로 작용한다.

로터리 엔코더의 구성요소는 다양하다. 씰, 베어링 및 하우징 옵션과 모듈식으로 구성되어 있다. 위치 정보를 전달하기 위해 서보 모터, 드라이브 및 기타 회전 축에 샤프트 또는 케이블링 주위에 설치하는 개방형 링 모양의 중공 샤프트 엔코더를 고려해야 한다.

대부분은 단일 회전 장치이다. 반대로 POSITAL의 커패시턴스 중공 축 키트 엔코더는 외부 전원 공급 장치나 배터리 또는 복잡한 기어 없이 단일 회전을 기록하는 통합 회전 카운터를 사용하여 여러 회전을 추적할 수 있다. 대신 엔코더는 POSITAL FRABA 엔코더의 핵심인 위건드(Wiegand)에너지를 얻는데 사용한다. 이 기술은 회전 운동을 전기로 변환한다.

보다 구체적인 설명으로, 기계적 동작은 구성 요소의 Wiegand 와이어에서 자기 에너지로 캡처된 전기 펄스로 방출되어 회전 카운터에 전원을 공급한다.

한 가지 문제점은 Wiegand 획득이 축 구동축의 중심선에 장착된 영구 자석에 의존한다는 것이다. 따라서 중공 축 제작에는 완전히 새로운 회전 계수 설계가 필요했다.

그렇기 때문에 이 새로운 엔코더는 Wiegand 센서가 있으며, 안정적인 자기장을 위해 로터 둘레에 4개의 영구자석이 있다. 회전자 자석이 360° 회전할 때마다 구리 코일의 Wiegand 와이어가 전류 펄스를 생성하여 모든 회전을 정확하게 기록하는 계수 전자 장치를 활성화한다. 다중 회전 카운터에는 약 9조 회전의 측정 범위를 제공하는 43 비트 메모리가 있다.

POSITAL은 모션 산업에서 많이 적용되는 자기 엔코더 기술을 제공하였지만 자기 시스템은 중공 축 설계에서 구현하기가 어렵다. 이것이 부품 제조업체가 새로운 중공 축 엔코더에 커패시턴스 측정 기술을 사용하는 이유다. 커패시턴스 엔코더에는 커패시터 플레이트 역할을 하는 패턴화된 전도성 평평한 회전자와 평평한 고정자가 있다. 로터가 회전함에 따라 표면은 커패시턴스 변화가 발생한다. 변화는 시스템을 통해 고주파 전기 신호의 진폭과 위상각을 변조한다.

ASIC 프로세서는 결과 출력을 수집하고 디코딩하여 로터 각도 위치를 정확하게 결정한다. 데이터는 오픈 소스 SSI 또는 BiSS C 인터페이스를 통해 중앙 컨트롤러로 전달된다. 정전 용량은 먼지, 습기 및 사소한 정렬 오류에 상대적으로 영향을 받지 않는 피드백을 위해 부품의 전체 회전자 및 고정자 둘레를 중심으로 균형을 이루고 있다.

자동화 기계에서 로봇 및 모터 구동축을 최적화하는 엔코더 설계는 센서, 축의 위치와 모양에 맞게 조정된다. SIKO의 flexCoder 기술 작업을 활용하거나 또는 시스템에서 센서 어레이가 있는 표준 자석링 및 설계 하우징에 적용할 수 있는 스택형 전자 장치를 사용하면 된다. 링 직경은 44mm이고 반복성은 0.01°이다. 간주 센서 사이의 거리가 0.6mm 이하이고 축 방향 공차가 ± 0.2mm이면 높은 공차가 주어져 설치가 간단하다.