증분형 엔코더 시스템의 케이블 결함 탐지방법 및 해결방안

증분식 엔코더는 폐루프 모터 제어 회로의 일부로 사용되어 모터의 위치/속도를 측정한다. 이 모터들은 보통 크며, 예상치 못한 정지로 인해 상당한 다운타임이나 소재 손실 비용이 발생할 수 있다. 이는 글로벌 철강 산업에서 약 3억 5000만 달러의 연간 낭비로 이어진다. 석유 및 가스 또는 광업 산업에 서도 유사한 수준의 낭비가 발생할 수 있다. 인코더 시스템이 고장나는 주요 원인은 다음과 같다.

엔코더 공급 전압
 

엔코더와 제어 장치 사이에 긴 케이블을 사용할 경우 엔코더 공급 전압 강하가 우려될 수 있다. 엔코더 공급 전압은 5V 에서 안정적으로 작동하기 위한 최소 전압으로 5V~26V 범위에서 지정되는 경우가 많다. 5V 이하에서는 엔코더가 오작동하기 시작하여 잘못된 신호를 출력하거나 신호가 출력 되지 않을 가능성이 있다. 엔코더 소비 전류는 일반적으로 100~250mA 범위 + 출력 라인 드라이버에 공급하는 전류 (2~80mA 범위일 수 있음)이다. 이는 DC 공급 와이어를 통해 흐르는 최대 300mA 전류의 합계이다.

24Ω/1000피트 직류 저항(DCR), 5V 공급 전압, 300mA 엔코더 전류 소모의 표준 24AWG 구리 케이블 100피트를 사용 하면 총 케이블 전압 강하는 1.38V로 엔코더에 3.62V가 공급 된다. 이러한 전압은 적절한 엔코더 작동 한계보다 훨씬 낮으며 간헐적 또는 영구 신호 오류를 야기할 수 있다.

그러나 24V 전원 공급 장치와 500피트 케이블 유형을 사용하면 7.2V의 케이블 전압 강하가 발생한다. 이 경우 엔코더에 공급되는 전압은 16.8V로, 올바른 작동을 위한 최소 한도를 훨씬 초과한다. 일부 최신 엔코더는 엔코더의 공급 전압을 측정하여 너무 낮아 올바르게 작동하지 않을 경우 사용자에게 경고할 수 있다.

신호 와이어의 전류
 

엔코더는 모터 샤프트 위치를 감지하기 위해 직교 A B 신호를 방출한다. 일반적으로 고강도 인크리멘탈 엔코더는 회전당 1024 펄스(PPR)를 방출한다. PPR이 높을수록 모터 작동이 더부드러워지고 모터 제어의 역동성이 높아진다.

일부 엔코더는 최대 2만 PPR까지 사용자가 프로그래밍할 수 있다. 시계 방향과 반시계 방향 회전을 구분하기 위해 90° 위상 이동이 있는두 개의 펄스 트레인 A와 B가 사용된다. Z 신호는 완전히 회전할 때마다 한 번씩 생성되는 펄스로, 위치 지정 목적으로 사용되기도 한다.

A, B, Z 신호 전압 레벨은 TTL(트랜지스터-트랜지스터 로직) 애플리케이션의 경우 5V, HTL(하이 트랜지스터 로직) 애플리케이션의 경우 12-24V이다. HTL 전압 레벨은 높을 경우 엔코더 공급 전압과 같다.

전압 레벨(TTL 또는 HTL), 케이블 임피던스 및 드라이브/ 엔코더 카드 입력 임피던스는 ABZ 신호 와이어 전류를 정의 한다. 직류(DC)로 작동하는 엔코더 전원 공급 장치에는 전류 흐름을 방해하는 두 가지 요소, 즉 전원 공급 장치 자체의 한계와 연결된 케이블의 저항이 있다. 라인 드라이버의 한계와 케이블 임피던스는 해당 라인의 교류(AC) 특성으로 인해 ABZ 신호의 전류 흐름을 결정한다.

임피던스는 저항과 리액턴스의 조합이다. 리액턴스 (Reactance)는 커패시턴스(capacitance)와 인덕턴스 (inductance)의 함수이다. 케이블 임피던스는 케이블의 물리적 구조와 길이에 의해 결정되며, 신호 주파수에 따라 임피던 스가 변화한다.

그러나 다른 주파수에서 임피던스 변화의 영향은 무시할 수 있을 정도로 미미하다. 12V로 전원이 공급되고 드라이브에서 100피트 떨어진 곳에 있는 엔코더의 경우 신호 A에서 측정된 유효 RMS 전압은 150kHz에서 7.7V, 1kHz 에서 7.5V와 같다. 케이블 리액턴스는 주로 용량성이며 주파 수가 높을수록 감소한다.

<그림1> 신호A - 드라이브에서 측정된 전압 150kHz 대 1kHz, 신호 RMS는 각각 7. 7V 대 7.5V이다.

최적의 신호 품질을 위해 신호 전류를 최대한 높게 유지하면 신호 대 잡음비가 개선되므로 신호 전류를 최대한 높게 유지하는 것이 좋다. 그러나 신호 라인에 흐르는 최대 전류에는 제한이 있다. 엔코더 라인 드라이버의 최대 전류 제한은 일반 적으로 신호당 40mA~100mA이다.

이론적으로 신호 라인이 6개인 경우 라인 드라이버 전류 소모량은 6 x 100mA = 0.6A 가 될 수 있다. 그러나 엔코더 전원 공급 장치는 최대 200mA 로 제한되는 경우가 많다. 외부 전원을 사용하는 경우 이 제한은 더 높아질 수 있다. 엔코더 전자장치는 150mA를 소비하고 공급 라인 드라이버에는 50mA만 남을 수 있다. 엔코더의 저전압과 전원 공급 장치의 과부하를 방지하기 위해 각 신호 라인의 전류는 약 5mA로 제한해야 한다.

공칭 특성 임피던스가 100Ω이고 드라이브 입력 임피던스가 22kΩ인 100피트의 표준 24AWG 케이블을 사용하여 신호 주파수 1kHz에서 대략적인 전류 흐름을 계산하려면 다음 공식을 사용할 수 있다.

드라이브 임피던스는 전류가 최적의 20mA보다 훨씬 낮기 때문에 전류 흐름에 큰 영향을 미친다. 드라이브 입력 임피던 스의 범위가 넓기 때문에(1kΩ - 30kΩ) 1kΩ 종단 저항을 사용 하면 신호 전류를 최적의 범위에 가깝게 얻을 수 있다.

차동(differential) A, B, Z 채널
 

엔코더 케이블은 종종 외부 노이즈 소스에 노출되어 신호 품질에 부정적인 영향을 미친다. 일반적인 노이즈 원인은 엔코더 케이블 근처에 설치된 모터 전원 케이블이다. 케이블이 길수록 더 많은 노이즈가 유발된다. 이 문제를 해결하기 위해 차동 신호 채널(differential signal channel)이 사용된다.

원칙적으로 외부 소스에서 생성된 노이즈는 극성이 같은 A 와 A_NOT 신호 모두에 유도된다. 드라이브 입력 회로는 A에서 A_NOT을 빼서 외부 노이즈를 상쇄하면서 원래 신호의 두배 진폭을 가진 출력 신호를 생성한다(그림2).

<그림2> 차동 신호가 외부 노이즈를 상쇄하는 방법

실제로 한 차동 와이어는 다른 와이어보다 노이즈 소스에서 물리적으로 더 멀리 떨어져 있기 때문에 차동 쌍에서 유도 노이즈의 진폭이 약간 다르다.(그림2 참조. A_NOT 와이어는 A 와이어보다 노이즈 소스에서 물리적으로 더 멀리 떨어져 있다) 따라서 차동 신호를 뺀 후에도 소량의 노이즈가 여전히 존재하게 된다. 이를 방지하기 위해 꼬인 차동 쌍 와이어가 사용되어 외부 잡음원과의 거리를 물리적으로 균등화한다.

따라서 유도된 노이즈는 양쪽 와이어에서 동일한 진폭을 가지므로 노이즈 제거 성능이 향상된다.

차동 출력 엔코더는 싱글 엔드로 배선하여 반전된 신호를 연결 해제할 수 있다. 드라이브 또는 카드의 차동 입력 회로는 기존 신호와 0V를 빼서 단일 입력에 존재하는 펄스를 산출하는 방식으로 여전히 펄스를 구별할 수 있다. 그러나 시끄러운 산업 환경에서는 펄스가 잘못되거나 누락되는 것을 방지하기 위해 차동 쌍을 사용하는 것이 좋다.

드라이브 또는 엔코더 카드의 차동 입력의 아날로그 특성을 고려할 때, 차동 신호 중 하나가 실수로 누락되더라도 카드는 계속 작동하며 아무런 경고도 표시하지 않는다(그림3). 그러나 차동 쌍의 노이즈 제거 기능이 손상되고 신호에는 외부 에서 유입된 모든 노이즈가 포함된다. 엔코더에 내장된 케이블 개방 회로 감지 기능은 차동 신호 중 하나가 개방된 것을 감지하여 사용자에게 경고함으로써 케이블을 고정하고 노이즈 캔슬링 기능을 복원할 수 있도록 한다.

<그림3> 신호 차감 후 차동 비교기의 출력. 회색- 두 차동 신호가 모두 존재 한다. 노란색- 하나의 차동 신호가 없다. 개방 회로 듀티 사이클: 43.66%(높 음)/56.34%(낮음). 고장 듀티 사이클 없음: 48.06%(높음)/51.94%(낮음). 93kHz 및  12V 공급 전압에서 측정.

케이블 결함 감지 기능이 내장된 엔코더 예시
 

PulseIQ 기술이 적용된 HS35iQ 엔코더는 위의 원리를 활용 하여 케이블 개방 상태 및 기타 일반적인 엔코더 오류 조건을 감지한다.

신호 저하

일반적으로 전자 장치는 전기 신호를 사용하여 정보 소스에서 이 정보의 소비자에게 정보를 전송한다. 인크리멘탈 엔코 더의 경우 A, B 및 Z 채널의 전기 신호는 소스(엔코더)에서 소비자(모터 드라이브)로 위치 정보를 전달한다.

정보는 소스에서 소비자까지 일정 거리를 이동해야 하며, 이를 위해 적절한 매체를 사용해야 한다. 전기 신호의 경우 절연 재료로 분리된 전도성 전선으로 구성된 케이블이 사용된다. 케이블은 그 특성상 전송되는 신호의 일부 불가피한 성능 저하를 유발한다.

• 케이블 특성으로 인한 일시적인 효과

• 부적절한 케이블 종단으로 인한 신호 반사

<그림4> 400피트 케이블에서 엔코더 신호의 성능 저하

<그림4>는 400피트 길이의 케이블을 사용할 때 측정된 엔코더 신호의 90kHz에 대한 개별 효과를 로컬라이즈한다.

모터 구동 측에서 좋은 신호 품질을 얻으려면 적절한 특성을 가진 케이블을 선택하는 것이 필수적이다. 24AWG의 트위 스트 페어(twisted-pair) 와이어와 100Ω의 특성 임피던스를 가진 케이블을 사용하는 것이 좋다. 앞서 설명했듯이 트위스트 페어는 공통 모드 노이즈의 영향을 제거하는 데 도움이 된다.

둘째, 직경이 큰 와이어(24AWG)는 케이블 길이에 따른 DC 전압 강하를 줄인다. 마지막으로, 특성 임피던스는 전류에 대한 유효 저항, 즉 케이블을 따라 분포된 옴 저항, 커패시턴스 및인덕턴스의 영향을 나타낸다.

케이블 내 도체의 분산 커패시턴스 및 인덕턴스는 정전압 레벨로 인해 DC 신호에 영향을 미치지 않는다. 반면 AC 신호는 케이블 내의 분산 커패시턴스 및 인덕턴스의 영향을 받는 다. 이러한 리액턴스는 전압 또는 전류의 변화가 발생할 때마다 상당한 과도 현상을 초래할 수 있다.

과도 효과는 케이블의 커패시턴스와 인덕턴스에 저장된 에너지로 인해 발생한다. 일반적으로 커패시터는 전하의 형태 로, 인덕터는 자기장의 형태로 에너지를 저장한다. 인덕터에 저장된 에너지의 양은 회로의 전류 흐름에 따라 달라지고 커패시터의 에너지 양은 커패시터에 흐르는 전압 레벨에 따라 달라진다.

케이블의 전압 레벨 또는 전류 흐름이 변하면 케이블의 분산 커패시턴스 및 인덕턴스에 저장된 에너지도 변하여 과도 효과가 발생한다. 엔코더에서는 신호의 전류 흐름이 전압 레벨보다 훨씬 적게 변화하므로 케이블 커패시턴스의 결과가더 뚜렷하게 나타나고 엔코더 신호의 저하를 유발한다. 이는 <그림5>에서 명확히 알 수 있다.

<그림5> 더 긴 케이블과 더 짧은 케이블 및 신호 저하에 미치는 영향

케이블의 과도 효과 지속 시간은 케이블 길이에 정비례한 다. 짧은 케이블에서는 긴 케이블보다 분산된 커패시턴스가 적기 때문에 과도 효과의 지속 시간이 짧다.

• 100피트 케이블 ~300ns의 경우

• 400피트 케이블 ~1200ns의 경우

긴 케이블에서 신호가 저하되는 또 다른 원인은 부적절한 케이블 종단의 결과이다. 적절한 케이블 종단은 케이블의 특성 임피던스와 일치하는 값을 가진 종단 저항으로 표시된다. <그림6>은 종단된 케이블과 종단되지 않은 케이블의 신호를 비교한 것이다.

<그림6> 종단 케이블과 비종단 케이블의 신호 저하 비교

케이블의 과도 효과는 엔코더 신호의 최대 주파수를 제한 하기 때문에 케이블의 전체 지속 시간을 파악하는 것이 필수 적이다. 최대 주파수에 접근하면 펄스 지속 시간의 안정적인 부분이 최소로 줄어든다. 신호는 과도 효과로만 구성되므로 모터 드라이브가 엔코더 위치 정보를 인식하는 데 사용할 수 없게 된다.

과도 효과의 지속 시간은 신호 주파수와 관련이 없다는 점을 이해하는 것이 중요하다. 대신, 과도 효과의 지속 시간은이 장의 앞부분에서 설명한 대로 케이블 특성(커패시턴스 및인덕턴스), 케이블 길이 및 종단과 관련이 있다.

<그림7>은 신호 주파수가 35kHz에서 135kHz로 증가하지만 과도 효과의 지속 시간은 변하지 않는 상황을 나타낸다.

<그림7> 과도 효과의 지속 시간은 신호 주파수에 따라 변하지 않는다.

애플리케이션에 매우 긴 케이블이 필요하다고 가정해 보겠 다. 이 경우 엔코더 신호의 주파수를 케이블 커패시턴스 및 케이블 종단에 의해 설정된 최대 제한 이하로 유지하려면 엔코더 PPR(회전당 펄스 수)을 줄이는 것이 좋다. 어쨌든 다음은 좋은 신호 품질을 얻기 위한 몇 가지 일반적인 권장 사항이다.

• 공칭 정전 용량이 낮은 케이블을 선택한다.

• 케이블을 올바르게 종료한다.

종단 저항을 추가하면 엔코더의 전류 소비가 증가하고 애플 리케이션 전원 공급 장치가 더 높은 전류 수요에 충분하지 않을 수 있으므로 케이블을 올바르게 종단할 수 없는 경우가 있다. 전원 공급 장치가 전류 제한에 도달하면 엔코더 전원 공급 장치의 전압 강하가 발생하여 엔코더 작동이 중단될 수 있다.

적절한 종단이 불가능한 또 다른 경우는 종단 저항을 추가하면 전류 흐름이 너무 많이 증가하여 엔코더 내부의 라인 드라이버 채널당 권장 최대 전류를 초과하는 경우이다. 이로 인해 엔코 더가 과열되어 손상될 수 있다.

이러한 경우 1kΩ ~ 5kΩ 범위의 더 큰 값의 종단 저항을 사용하는 것이 좋다. 이렇게 하면 개별 신호의 전류 흐름을 충분히 최대화하여 전체 전류 흐름을 안전한 작동 범위로 유지하면서 더 나은 신호 품질을 얻을 수 있다.

케이블의 끊어짐 감지
 

시장 조사에서 밝혀진 바와 같이 엔코더 케이블 결함은 폐쇄 루프 모터 제어 시스템 고장의 일반적인 원인이다. 위에서 설명한 대로 적절한 케이블 설계를 고려하는 것이 성공의 열쇠 이지만, 작동 중에 케이블이 실수로 끊어지거나 느슨해지거나 단락되는 경우가 있다.

끊어진 케이블을 항상 육안으로 감지할 수 있는 것은 아니므로 기술자는 문제를 해결하고 고장 원인(모터, 커플링, 엔코더, 케이블, 드라이브)을 파악해야 한다. 기술자가 근본

원인을 직접 파악하려면 엔코더로 케이블 개방 및 단락을 감지하는 것이 도움이 될 수 있다.

감지는 각 신호 라인의 전류를 측정하여 이 정보를 마이크로 컨트롤러에 제공한다. 어느 정도 단순화하면 신호 전류가 0mA이면 개방 회로가 보고된다. 신호 전류가 라인 드라이버 최대값(40mA 또는 100mA)인 경우 단락이 보고된다.

일반적으로 신호 라인의 표준 작동 전류가 매우 낮은 경우 (예: 0.05mA) 개방 회로와 정상 작동을 구별하기가 더 어렵 다. 이는 드라이브 입력의 임피던스가 높고 종단 저항이 사용 되지 않는 경우에 발생할 수 있다. 또한 엔코더 끝에서 멀리 떨어진 개방 회로를 감지하는 것이 엔코더에 가까운 회로를 감지하는 것보다 더 어렵다. 이는 신호선을 통해 전류가 흐르는 것처럼 작동하는 긴 케이블에서 더 많은 양의 유도 노이즈가 발생하기 때문이다.

단락을 감지하는 제한 요소는 다시 신호 라인에 흐르는 표준 작동 전류와 관련이 있다. 종단 저항이 낮은 값(예: 100Ω) 인 경우 라인 드라이버의 최대 제한을 초과하는 전류가 발생할 수 있다. 이러한 경우 단락과 정상 작동을 구별하는 것은 불가능하다.

자료제공:  Dynapar(www.dynapar.com) 미셸 바트멘드 박사(성장&혁신 관리자) & 에두아르드 리바르 박사(임베디드 SW설계 엔지니어)