위치 센서 기술의 효과적 설계적용을 위한 고려사항

위치 센서는 자동화 및 측정 애플리케이션에서 폭넓게 사용된다. 적절한 위치 센서를 선택하는 핵심 요소는 센서 크기, 분해능, 반복성, 정확도, 장착 제약 조건 및 환경적 견고성에 대한 요구 사항을 이해하는 것이다. 이 기사에서는 사용 가능한 기술에 대해 논의하고 주요 기능에 대한 비교를 한다.

인크리멘털(Incremental): 센서는 위치 변경 정보만 제공하므로 시작 시 실제 위치를 알 수 없다. 회전당 한 번 인덱스/마커 신호는 장치의 0 위치 또는 null을 정의한다. 복귀 루틴 중에 감지된다. 브러시리스 모터의 정류를 위해 모터에는 일반적으로 자기장의 예비 정렬을 위한 대략적인 절대 위치 정보를 제공하는 3개의 자기 홀 센서가 있다. 인크리멘털 센서는 일반적으로 작고 정확하며 비용 효율적이다.

앱솔루트(Absolute): 센서는 1회전 또는 직선 이동 범위 내에서 실제 물리적 위치를 제공한다. 모터에는 홀이 필요하지 않으며, 이동 범위가 1회전을 초과하는 경우 로터리 애플리케이션에만 원점 복귀가 필요하다. 이 센서는 일반적으로 인크리멘털 센서보다 더 크고 더 비싸다.

다중 회전(Multi-Turn): 로터리 장치인 센서는 여러 회전에 걸쳐 실제 위치를 제공한다. 원점 복귀가 완전히 제거될 수 있다. 다중 회전 장치는 내부 기어링을 통합하며 가장 부피가 크고 고비용 솔루션이다.

분해능(Resolution): 이동하거나 측정할 수 있는 가장 작은 위치 증분을 정의하며 일반적으로 "카운트(counts)"로 표시된다. 고성능 서보 시스템에는 고해상도가 필요하다. 포지셔닝 시스템은 두 카운트 사이에서 "디더링(dithers)"하므로 해상도가 높을수록 디더링이 작아진다. 분해능은 또한 저속에서 속도 리플에 상당한 영향을 미친다. 속도는 위치 피드백에서 파생되기 때문에 분해능이 낮으면 샘플에 데이터가 충분하지 않아 속도를 정확하게 도출할 수 없다. 고속에서 고해상도 장치는 컨트롤러 또는 서보 드라이브의 추적 기능을 초과하는 데이터 속도를 생성할 수 있다.

보간(Interpolation): 다음에서 볼 수 있듯이 많은 센서가 사인 및 코사인 신호를 생성한다. 이러한 신호의 주기는 장치의 고유한 "피치"에 의해 정의된다. sin/cos 정보를 사용하면 신호 비율을 계산하여 이론적으로 무한한 분해능을 가질 수 있다. 이 기술을 보간이라고 한다. 실제로 sin/cos 신호의 충실도와 신호 대 잡음비는 실현 가능한 분해능을 제한한다.

정확도(Accuracy): 측정된 각 위치가 실제 물리적 위치에 얼마나 가까운지를 정의한다. 정확도는 시스템 문제이며 편심, 직진도 및 평탄도와 같은 기계적 오류에 의해 좌우될 수 있다. 센서 오류에는 피치의 일시적 랜덤 변동(선형성), 누적 피치 오류(기울기) 및 내부 sin/cos 신호의 충실도 변동이 포함된다. 정밀 기계 제조업체는 일반적으로 오프셋 조회 테이블을 통해 오류를 보정한다.

반복성(Repeatability): 시스템이 동일한 물리적 위치로 여러 번 복귀할 때 측정된 위치의 범위를 정의한다. 반복성은 절대 정확도보다 더 중요할 수 있다. 시스템 부정확성을 효과적으로 보정하려면 각 위치 판독 값이 일관성을 유지하는 것이 중요하다. 센서 히스테리시스(위치 측정을 위한 접근 방향에 따라 다른 판독값)는 반복성의 중요한 요소이다.

모듈식(modular): 회전 피드백 장치의 가장 일반적인 형태는 내부 베어링과 유연한 커플링을 통해 모터에 연결하기 위한 샤프트가 있는 하우징에 포장되어 있다. 하우징은 다양한 밀봉 등급으로 제공되며 부피가 크다. 모듈식 장치에는 하우징이나 베어링이 없으며 기계 시스템에 내장되어야 한다. 훨씬 더 콤팩트 하지만 기술에 따라 더 좋은 환경이 필요할 수 있다.

온/오프(On/Off): 축 회전식 애플리케이션의 경우 센서는 일반적으로 회전 축 주위를 감싸는 스케일 원주에서 축에서 벗어난 위치에 배치된다. 일부 구성에서는 방사형 공간이 제한될 때 크기를 최소화하는 축에 센서를 배치한다.

전위차계(POTENTIOMETERS): 비록 비접촉식 센서와 같은 경향이 있지만 전위차계('포트/pot')는 여전히 low-end 애플리케이션에서 널리 사용된다. 포트는 접점이 저항성 트랙을 따라 미끄러질 때 전압 강하를 측정한다. 회전, 선형 또는 곡선 형태로 제공되며 일반적으로 작고 가볍다. 간단한 장치는 비용이 아주 작게 들지만 더 높은 정밀도 버전은 매우 높은 비용이 들 수 있다. 0.01% 미만의 선형성은 저항성 트랙을 레이저 트리밍으로 가능하다.

전위차계는 좋은 환경에서 듀티 사이클이 낮은 저성능 애플리케이션에 가장 잘 적용된다. 먼지나 모래와 같은 이물질과 마모에 취약하다. 포트는 이론적으로 무한한 분해능을 갖지만 실제로 분해능은 아날로그-디지털 변환기(ADC) 인터페이스 및 전체 노이즈 환경으로 제한된다.

• 장점: 저렴한 비용, 단순한, 콤팩트, 가벼움, 정확성.

• 약점: 마모, 진동, 오염, 극한 온도.

광학 인코더 - 투과형

투과형 인코더는 LED 광원에 의해 조명되는 미세 격자 또는 "스케일"의 광학 스캐닝을 사용한다. 회전식 또는 선형의 스케일은 50-50 듀티 사이클로 배열되는 투명하거나 불투명한 "선"으로 만들어진다. 디스크의 투명 영역 수는 인코더의 해상도를 정의하는 스케일 피치에 해당한다.

센서는 입사광 강도에 비례하여 전압을 생성한다. 센서가 스케일에 대해 이동함에 따라 전압은 사인파형으로 변한다. 두 번째 광 검출기가 위상이 90° 추가한다. 이것은 반 눈금선의 변화와 관련이 있다. 센서 A의 신호가 센서 B를 앞서는지 또는 그 반대인지 여부는 상대 운동의 방향을 정의한다. 인코더 출력은 sin/cos 신호일 수 있지만 신호는 보다 일반적으로 구형파로 변환된다. A 쿼드 B(쿼드는 90° 위상 편이와 관련됨) 컨트롤러는 각 구형파의 가장자리에서 전환을 감지하여 엔코더 분해능을 4배 효과적으로 증가시킨다.

검출기(Detectors)는 각 라인의 너비에 비해 넓은 경향이 있다. 더 높은 해상도에서 이것은 채널 사이에 스필오버(spillover)로 이어질 수 있다. 채널 패턴과 일치하는 마스크를 추가하면 신호를 정리하는 데 도움이 된다. 이러한 유형의 설계에서 절충점은 저울과 센서 사이의 공극이 매우 작아야 하므로 평탄도, 편심도 및 정렬과 같은 디스크 매개변수에 대한 엄격한 사양을 적용하여 장치를 충격 및 진동에 더 취약하게 만들 수 있다.

위상 배열 증분 인코더(Phased-array incremental encoders)는 솔리드 스테이트 기술을 사용하여 보다 강력한 솔루션을 제공한다. 위상 배열 인코더는 각 채널에 대한 개별 검출기 대신 검출기 어레이를 갖추고 있어 각 채널이 여러 검출기로 덮인다. 이 접근 방식은 광학 신호를 평균화하여 디스크 편심 및 오정렬과 같은 제조 오류로 인해 발생하는 변동을 최소화하고 성능을 개선하는 동시에 제조 허용 오차를 완화한다.

본질적으로 인크리멘털 인코더에는 일반적으로 단일 투명 라인과 별도의 센서가 있는 추가 스케일 트랙이 있다. 센서는 장치의 넣을 위치를 정의하는 인덱스 신호를 생성한다. 절대 버전의 투과형 인코더는 회전 내에서 위치를 완전히 정의하는 여러 트랙, 광원 및 센서를 통합한다. 첫번째 디스크에서 두 번째 디스크로의 기계적 기어링으로 여러 회전에 걸쳐 위치를 정의할 수 있다.

• 장점: 적당한 해상도, 좋은 정확도, 높은 반복성, 효율적 비용.

• 단점: 큰 부피, 모듈식 장치를 위한 환경적 견고성

광학 인코더 – 반사형

반사형 광학 인코더의 원리는 투과형 인코더와 매우 유사하다. 반사형 인코더는 센서와 같은 쪽(코드 디스크 기준)에서 빛을 방출하고 빛의 일부를 선택적으로 센서로 반사하여 작동한다. 감소된 물리적 치수는 이 솔루션의 분명한 이점이다. 투과형 인코더에 일반적으로 필요한 시준 광학 장치가 없고 센서와 동일한 쪽에 LED 광원이 있으면 인코더의 전체 부피를 상당히 줄일 수 있다. 분해능과 정확도는 일반적으로 투과형 인코더만큼 좋지 않다.

• 장점: 보통의 분해능과 정확도, 높은 반복성, 비용 효율적

• 약점: 환경적 견고성

광학 인코더 – 간섭형

간섭형 레이저 광원은 눈금에 인쇄된 회절 격자 패턴을 비추는 발산 빔을 생성한다. 격자 패턴은 유리 스케일의 크롬 증착 또는 금속 테이프 스케일의 레이저 필기 라인을 사용하여 생성된다. 20µm 피치 격자는 빛을 회절시켜 밝고 어두운 색의 고대비 간섭 패턴을 검출기 어레이에 직접 생성한다. 본질적으로 증분 방식의 두 번째 인덱스/마커 트랙이 일반적으로 제공된다.

회절된 빛은 간섭 패턴의 분리된 Talbot 평면을 만든다. 위의 예에서는 세 번째 Talbot 평면이 활용된다. 스케일과 검출기의 상대 위치가 변경됨에 따라 회절 패턴이 검출기 어레이를 가로질러 변환되어 각 검출기 셀에 사인파 변화가 발생한다.

간섭 기술은 최소한의 광학 부품만 필요로 하므로 센서 크기가 작아진다. 보간이 없는 분해능은 일반적으로 투과형 또는 반사형 광학 인코더보다 10배 이상 높다. 사인 및 코사인 신호의 충실도 때문에 높은 정확도로 나노미터 분해능을 생성하는 높은 보간이 가능하다. 장치의 정밀도를 고려할 때 정렬 허용 오차는 지나치게 까다롭지 않다.
이러한 유형의 인코더에는 깨끗한 환경이 필요하다. 시준 및 필터링 광학 장치와 결합된 간섭성이 덜한 LED 광원을 사용하면 오염 내성이 크게 향상된다. 인코더는 불가피하게 더 크고 일반적으로 더 엄격한 정렬 허용 오차를 갖는다.

• 장점: 고해상도, 정확도, 반복성, 콤팩트, 적당한 정렬 허용 오차

• 약점: Talbot 평면 구현을 위한 환경적 견고성

광학 인코더를 위한 앱솔루트 기술

위에 표시된 절대 눈금에는 바코드와 유사한 여러 코드가 있다. 코드 비트 수는 고유 코드 수를 결정하므로 스케일의 최대 길이 또는 둘레가 결정된다. 카메라는 코드를 캡처하고 후속 처리는 절대 위치를 결정한다. 이 기술에서는 지연 시간(판독값을 얻는 데 걸리는 시간)이 증가한다. 일부 인코더는 대기 시간을 줄이기 위해 초기 절대 판독 후 증분 트랙으로 되돌아간다. 이러한 유형의 인코더에 대한 인터페이스는 일반적으로 BiSS-C 또는 SSI와 같은 직렬 인터페이스이다.

바코드 기술은 비용이 많이 들 수 있다. 훨씬 더 비용 효율적인 솔루션은 본질적으로 다중 인덱스를 사용한다. 각 인덱스 쌍은 증분 트랙에서 볼 수 있는 고유한 줄 수로 구분된다. 시작 시 두 개의 인덱스가 감지되도록 모션을 유발해야 한다. 이 과정에서 증분 트랙의 라인 수가 계산된다. 룩업 테이블을 사용하여 절대 위치를 결정할 수 있다. 단점은 절대 위치가 결정되기 전에 이동이 필요하다는 것이다.

• 장점: 좋은 해상도, 정확도, 반복성, 적당한 정렬 공차.

• 약점: 환경적 견고성, 정밀한 앱솔루트 값일수록 고비용

마그네틱 인코더

자기 인코더는 다극 자석 트랙을 사용한다. 센서, 홀 효과 또는 자기 저항은 자극이 센서에 대해 이동할 때 자속의 변화를 측정한다. 사인 및 코사인 신호는 광학 인코더에서와 같이 생성할 수 있다.
자기 저항은 니켈 철과 같은 자기적으로 민감한 합금으로 형성된다. 외부 자기장은 재료의 자구에 스트레스를 가하여 저항을 변경한다. 자기 저항 센서는 리소그래피 방식으로 패턴화된 박막 저항기 어레이로 구성된다. 로터 극이 센서 어레이를 지나갈 때 저항은 사인파형으로 변한다.

홀 센서는 전원 공급 장치에 연결된 일반적으로 p형 반도체 재료 층으로 구성된다. 적용된 자기장은 전하 캐리어에 힘(로렌츠 힘)을 가하여 전하 캐리어를 분리하여 전위차를 생성한다. 홀 센서는 자기장의 수직 성분의 강도에 따라 전압을 생성한다.

장치는 본질적으로 인크리멘털이며 위의 그림은 null 위치를 정의하는 인덱스 트랙을 보여준다. 폴 수가 다른 두 번째 센서와 자기 트랙을 추가할 수 있다. 각 트랙의 판독값 조합은 절대 위치를 결정하는 데 사용된다.

마그네틱 엔코더는 견고하고 콤팩트하며 매우 비용 효율적이다. 그러나 자기장에 취약하고 근접한 센서 사이에 혼선이 발생할 수 있다. 해상도를 제한하는 미세 피치 자기 트랙을 생성하는 것은 어렵다. 반복성은 작동 온도 범위에서 히스테리시스와 정확도 변화로 인해 손상된다. 자기 트랙은 상대적으로 부서지기 쉽고 충격을 받기 쉽다.

• 강점: 견고함, 콤팩트, 액체 및 비금속 오염 물질에 강함, on-axis 버전

• 약점: 온도; 히스테리시스, 자기장에 민감함, 충격/충격 저항

커패시턴스 인코더

커패시턴스 인코더는 커패시턴스가 두 개의 대전된 플레이트 사이의 변성 물질에 비례한다는 원리를 기반으로 한다. 그림과 같이 송신기와 수신기 사이에 전기장이 생성된다. 회 전자는 유전체 ԑ를 정현파 변조하여 커패시턴스의 변화를 일으킨다. 커패시턴스의 변화는 차례로 송신기와 수신기 사이의 전위차를 변조한다. 다중 변조 트랙은 절대 위치를 정의하는 데 사용된다.

커패시턴스 인코더는 소형이며 전력이 거의 소모되지 않는다. 그러나 결로 및 정전기 축적에 취약한다. 커패시턴스는 또한 온도, 습도, 주변 물질 및 이물질에 따라 달라지므로 안정적이고 정확한 위치 센서 엔지니어링을 어렵게 만든다. 장치의 구성 요소에는 세심한 설치가 필요한 매우 작은 공극이 있다.

• 장점: 콤팩트, 저전력

• 약점: 환경적 견고성, 정렬 공차

리졸버 (RESOLVER)

리졸버는 전자기 유도 원리를 기반으로 한다. 한 도체의 교류는 도체 주위에 변화하는 자기장을 생성한다. 이 자기장은 인접한 도체에 교류를 유도할 수 있다. 한 도체에서 다른 도체로의 결합 크기는 자기장의 변화율과 도체의 상대적 위치 및 기하학에 따라 달라진다.

아래 그림과 같이 고정자의 5kHz(일반) 정현파 기준 전압은 회전자 권선에 정현파 전압을 유도한다. 두 번째 축 방향 회전자 권선은 고정자에서 뒤로 90º 변위된 두 개의 축 방향 신호 권선에 전압을 유도한다. 고정자 권선에 결합되는 양은 그림과 같이 고정자 신호를 효과적으로 진폭 변조하는 회전자의 상대적 위치의 함수이다.

위그림에서 고정자의 방사형 권선은 회전자의 방사형 권선과만 상호 작용한다. 차례로, 회전자의 축방향 권선은 고정자의 축방향 권선과만 상호 작용한다. 이는 고정자 신호 권선에 고정자 기준 권선이 결합되는 것을 피하기 위한 것이다. 리졸버를 감는 것은 사소한 일이 아니며 최종 결과는 무겁고 부피가 큰 장치이다. 그러나 리졸버는 장치에 전자 장치나 깨지기 쉬운 부품이 없기 때문에 타의 추종을 불허하는 견고성을 가지고 있다.

리졸버는 다양한 "속도"로 제공된다. 단일 속도 리졸버는 회전당 하나의 전기 사인파 주기를 가지며 제한된 분해능으로 절대 위치 정보를 제공한다. "다단 속도 리졸버"는 분해능을 개선하는 회전당 더 많은 수의 전기 사이클을 위해 감겨 있다. 전기적 대 기계적 사이클의 비율이 높으면 기계적 오류 소스의 영향을 최소화하는 데 도움이 된다. 다중 속도 리졸버는 더 이상 절대적이지 않으며 더 비싸고 일반적으로 훨씬 더 부피가 커진다.

• 장점: 적당한 해상도와 정확도, 신뢰성, 높은 견고성.

• 약점: 고비용, 큰 부피, 무거움.

유도형 인코더(INDUCTIVE ENCODER) 

앱솔루트 유도형 엔코더는 리졸버와 동일한 전자기 유도 원리를 기반으로 하지만 코일 권선이 아닌 PCB 트레이스를 사용한다. 고정자의 TX 트랙은 1-10MHz 범위의 특정 주파수에 의해 여기된다. 이 신호는 공진 LC 회로를 사용하여 대상에 유도 결합된다. 목표 자기장은 고정자 RX 트랙에 사인파 전류를 유도한다. RX 트랙은 유도 신호를 효과적으로 진폭 변조하는 정현파 모양이다.

90º 변위된 두 번째 RX 트랙은 코사인 신호를 전달한다. sin/cos 신호는 보간되어 BiSS-C, SSI 또는 일부 버전에서는 AqB 신호로 출력된다. 고정자의 RX 트랙은 트위스트 페어 와이어와 유사하다. 균형 잡힌 쌍극자 효과는 TX 트랙의 변화하는 자기장에서 RX 트랙에 유도된 전기장을 없앤다. RX 트랙은 대상의 변화하는 자기장에만 반응한다. RX 트랙은 또한 외부 전자기 간섭을 거부한다.

바람직하지 않은 유도 고정자 전류도 주파수와 위상에 따라 거부된다. 회전당 하나의 sin/cos 주기가 있는 기본 RX 트랙은 절대 위치를 정의한다. 여러 사이클이 있는 보조 트랙은 해상도를 향상시킨다. 보다 일반적으로 기본 TX 트랙에는 3의 배수가 아닌 여러 사이클이 있는 보조 트랙과 결합된 여러 사이클(예: 9)이 있다. 한 회전 내의 모든 위치는 두 개의 고유한 판독 값으로 정의된다.

리졸버 권선에 비해 PCB 트레이스를 사용하면 다음과 같은 상당한 이점이 있다. 비용, 크기 및 무게 감소, 곡선을 포함한 폼 팩터 유연성, 와인딩 프로세스에서 부정확성 제거, 안전 관련 애플리케이션의 경우 다층 회로 기판을 사용하여 동일한 공간에 여러 센서를 배치할 수 있다. PCB 재료는 환경적으로 매우 안정적이다. 원격 전자 장치에 대한 옵션은 견고성을 더욱 높인다. 360º 센서는 편심 오류 허용 오차를 개선한다.

• 장점: 중간 정도의 정확도와 해상도, 신뢰성, 견고함, 다중 기하학, 콤팩트, 경량.

• 약점: 최소 직경 37mm.

기술 비교

위치 피드백 장치의 비교는 다음과 같다. 반사형 인코더는 투과형 인코더와 유사하다. 전위차계는 접촉 장치이므로 제외된다.

궁극적인 목표는 정밀도, 크기 및 견고성 요구 사항을 충족하는 가장 비용 효율적인 솔루션을 찾는 것이다. 위의 차트에서 두 가지가 확실하다. 간섭 인코더는 정밀도와 크기 면에서 확실한 선두주자이다. 리졸버와 유도성 인코더는 환경적 견고성과 적당한 정밀도의 조합으로 선도한다. 설명된 바와 같이, 유도 인코더는 리졸버, 특히 크기와 무게에 비해 많은 이점이 있다.

자료 제공: Celera(www.celeramotion.com)