제어시스템의 통합기능을 제공하는 멀티턴 위치 센서의 다양한 장점

Novotechnik

멀티턴 회전 위치 센서

많은 애플리케이션 분야에서는 360º보다 큰 각도를 측정할 수 있는 회전 카운터를 요구한다. 엔지니어에게 익숙한 저가형 10회전 전위차계는 이러한 요구사항을 충족하지 못했다. 그 대안인 광학 앱솔루트 엔코더는 큰 비용이 든다. 더구나 지속적인 전원 공급이 필요하며, 전원이 중단되면 복구될 때 카운트를 잃게 된다. 또한 기어드 회전 카운터에서는 상당한 마모가 발생된다.

Novotechnik의 새로운 2800 시리즈 멀티턴(multi-turn) 회전 센서는 이러한 요구를 해결해준다. 이것은 Novotechnik의 특허 받은 novoturn™ 기술을 기반으로 한 최초의 회전 카운터로서 자기 저항 효과를 기반으로 개발됐다. 광학 인코더에 비해 상당한 비용이 절감되고 신뢰성과 정확성을 유지하며 유용한 추가 기능을 제공한다.

신기술 개발

자기 저항은 두 개의 강자성 층이 얇은 비자성 필름으로 분리될 때 박막 구조에서 발생하는 양자 역학 현상으로 하드 디스크 드라이브에 사용되는 기술이다. 두 자성층이 평행하면 저항이 최소값으로 떨어진다. 자성층이 회전하여 더 이상 평행하게 정렬되지 않으면 전기 저항이 증가한다. 이 저항은 전체 회전을 측정하는 데 사용할 수 있다.

작동 원리

Novotechnik은 이 특허 기술을 인코더 및 포지셔닝 애플리케이션에 최적화함으로서 멀티턴 카운터와 위치 센서를 결합했다. 감지된 카운트는 전원없이 수년간 유지될 수 있다.

멀티턴 각도 센서의 블록 다이어그램

이 센서 기술의 물리학은 세 가지 요소로 설명된다. 첫 번째는 도메인 벽 생성기(DWG, Domain Wall Generator)라고 불리는 자기 DWG로, 자석의 -극과 +극에 평행하게 정렬된 원자 그룹이다. 두 번째 요소는 얇은 비자성 스페이서 층으로 강자성 센서 트랙이다.

이 센서 트랙은 DWG에서 시작된다. 세 번째 요소는 센서 트랙층 위 또는 아래에 평행하게 배치된 또 다른 강자성 층의 기준 트랙이다. 물고기가(DWG에서) 모두 같은 방향으로 헤엄치고 있는 연못이라고 생각했을 때, 좁은 터널(센서 트랙 세그먼트)로 향하여 들어가면 터널에서 정렬이 변경될 때까지 근처의 자기장이 DWG와 상호 작용한다. 터널에서 정렬 변경은 0° 또는 180° 으로만 가능하다. 기준 층에는 변하지 않는 고정된 자화(magnetization) 방향이 있다.

좁은 트랙 세그먼트는 나선형 구조로 배열되며 감지/기억 층이 자화 방향을 0° 또는 180°로만 제한된다. 그 이유는 형상 이방성(shape anisotropy)이라는 효과 때문이다. 위의 DWG pool 이라고 표시된 DWG는 형상 이방성이 발생할 수 없을 정도로 충분한 면적을 가지고 있으므로 DWG의 자화 방향은 회전 자석의 자기장과 같은 방향이다.

자석이 세그먼트를 통과할 때 DWG는 자석의 위치에 따라 첫 번째 세그먼트의 0° 또는 180°로 정렬된 자화를 일으키는 자구의 그룹을 펌핑 한다. 하나의 정렬, 즉 0°는 참조 층과 같은 방향이다. 이것은 180° 정렬이 기준 층의 반대 방향임을 의미한다.

그림 4a ~ 4f는 DWG 및 트랙 세그먼트의 도메인 방향과 기준층에 대한 자기장 방향을 보여준다. 그림 4c는 그림 4a-4f의 각 요소가 나타내는 내용을 설명하기 위해 표시된다.

기준층의 자기 방향은 큰 녹색 화살표로 표시된다. 각 다이어그램 중앙의 회색 화살표는 애플리케이션 감지 자석을 나타낸다. DWG pool의 화살표는 감지 자석의 방향을 반영한다. 저항이 더 높은 트랙은 노란색 직사각형으로 표시되고 도메인 벽은 두 트랙 세그먼트가 회전할 때 노란색 또는 흰색으로 그려진다.

자석이 시작점 0°에서 180°까지 시계 방향으로 지나갈 때 모든 세그먼트의 정렬은 같은 방향이다(그림 4a). 90° 회전할 때마다 DWG는 자화된 세그먼트를 통해 더욱 많은 도메인 벽을 펌핑하여 각 세그먼트를 다음 세그먼트로 전진시킨다(그림 4b).

그러나 자석이 처음부터 180°의 위치를 통해 회전함에 따라 자석의 자기 정렬은 DWG가 생성하는 도메인의 방향으로 180° 변화하여 첫 번째 세그먼트가 이전 세그먼트와 반대 방향으로 정렬되도록 한다(그림 4c).

이것은 세그먼트 1과 2사이에 도메인 벽을 만든다. 이 상황은 270°(그림 4d)에서 반복되어 두 번째 반대 방향 도메인 벽을 만든다. 그런 다음 두 번째(내부) 나선형 세그먼트가 영향을 받는 것을 제외하고는 360°에서 사이클이 다시 시작된다.

이런 식으로 저항은 세그먼트 전체에서 갑자기 그리고 측정 가능하게 증가하거나 감소한다. 세그먼트의 저항이 측정되고 처리된다. 특정 세그먼트에 의해 생성되는 3단계(또는 3 중-낮음, 중간 또는 높음) 저항은 회전 수 뿐만 아니라 평행 및 역 평행 도메인 벽 조합에 따라 달라지므로 카운트를 정확하게 결정할 수 있다.

이는 순전히 자기 현상이기 때문에 이러한 과정이 일어나고 전원이 공급되는지 여부에 관계없이 정보가 세그먼트에 저장된다. 구조의 저항을 측정함으로써 맞춤형 집적 회로는 저항의 변화를 저장하고 오프셋을 적용하여 턴 수를 계산한다. 나선형 트랙의 수는 감지할 수 있는 회전 수를 결정한다. 두 번째 360° 센서는 단일 회전 범위에서 특정 각도를 결정하는 데 사용되며 방금 설명한 카운트 센서와 결합하여 전원이 없을 때 추적 각도와 회전 수를 결정할 수 있다.

기술의 구현

Novotechnik은 위 현상을 기반으로 특허 기술을 개발하여 비 접촉 멀티턴 카운터를 만들었다. RSM 2800 시리즈에서 두 개의 멀티턴 요소는 다이아몬드 패턴으로 90º 오프셋 된다(그림 5). 이 구조를 사용하면 평가 알고리즘을 사용하여 모든 각도 위치에서 명확한 회전 값을 도출할 수 있다.

RSM 2800 센서는 이러한 측정 값을 제공하는 전원 공급시스템이다. Novotechnik의 특허 기술은 기존 회전 인코더에 필요한 기어 또는 외부 전원 공급 장치의 필요성을 없앤다. 그 결과 다양한 애플리케이션에 쉽게 통합되어 최대 16회전 각도를 측정하고 기계식 기어링이나 버퍼 없이 360° 이상의 절대 위치값을 제공할 수 있는 매우 콤팩트한 멀티턴 센서 시리즈를 탄생시켰다.

이 기술은 앞으로 출시될 제품을 지원하여 16개 이상의 턴을 캡처할 것이다.
또한 비접촉 센서이기 때문에 수명이 길고 기계적 연결을 만들 필요없이 다양한 애플리케이션에 쉽게 통합될 수 있다.

RSM 2800은 Novotechnik 고유의 특허 기술을 기반으로 한 최초의 멀티턴 회전 카운터이다. 이 센서는 24V 또는 5V 전원 공급 장치를 수용한다. 2개의 개별 0 ~ 10V 출력(24V 공급) 또는 5V 공급을 위한 출력을 제공한다. 해상도는 16비트이다.

RSM 2800은 최대 5400º의 전기적 범위에서 ± 0.25 %의 독립적인 선형성을 제공한다. 이는 센서의 진정한 전원이다. 즉, 센서는 전원이 꺼진 상태에서도 회전하며 배터리가 필요하지 않다. 또한 전원이 중단되고 복구된 경우에도 RSM 2800 시리즈는 다시 전원을 켤 때 마지막 위치로 응답한다.

RSM 2800 시리즈의 개발을 통해 Novotechnik은 기존 다중 회전 센서에서 발견된 많은 문제를 해결하고 있다.

새로운 애플리케이션 진입

RSM 2800 시리즈 멀티 턴 센서는 설계 엔지니어에게 제어 시스템에 통합할 수 있는 기능을 제공하여 시장 요구를 충족시킨다.

RSM 2800 시리즈 다중 회전 센서는 광범위한 선형 또는 회전식 액추에이터에서 드라이브 스핀들의 위치를 감지하는 데 사용할 수 있다. 많은 응용 분야에서 제어 시스템이 기계식 기어 없이 밸브 및 전자 기계 장치용 소형, 저비용 드라이브를 모니터링하고 작동할 수 있다. 또한 센서를 와인딩 드럼과 통합할 수 있는 컨베이어 기술의 새로운 가능성을 열어준다.

자동차 애플리케이션에서 RSM 2800 센서는 스티어링 휠의 멀티턴에 대한 차량 스티어링 각도를 결정하는 데 사용할 수 있다.

다양한 솔루션

이 센서는 Novotechnik의 접촉 및 비접촉, 회전 리니어 센서 제품군을 보완한다. 의료 기기에 사용하기 위한 최소 13mm의 소형 전위차계에서 유압, 공압 및 기타 극한의 환경에서 사용하는 위치 변환기까지 확장된다.

이 센서는 Novotechnik RMR, Vert-X 홀 센서 및 자기 플럭스 기술을 활용해 아날로그, 증분, SPI, SSI 및 PWM 출력, 맞춤형 샤프트 디자인 및 케이블링을 포함한 다양한 옵션과 사용할 수 있다.

자료 제공: Novotechnik(www.novotechnik.com)