지속 가능한 응용 프로그램을 위한 모터 엔코더 설계 방법 ①

<이 기사는 총 2회에 나눠서 연재된다. 이번 6월호에서는 모터 엔코더에 대한 개요와 주요 성능 지표에 대해 살펴본다. 다음 7월호에서는 완전한 신호 체인 설계가 모터 엔코터 설계에 중요한 이유와 주요 미래 트렌드 등에 대해 알아본다.>

고정 속도 모터에서 위치와 전류 피드백을 갖춘 가변 속도 모터로 전환하면 성능이 최적화될 뿐 아니라, 가치 있는 공정 및 에너지 절감의 길을 열 수 있다. 이 기사는 모터 엔코더(위치 및 속도)에 대한 개요를 제공하며, 유형 및기술을 포함하여 응용 사례를 다룬다. 또한 시스템에 가장 중요한 엔코더 성능 지표가 무엇 인지와 같은 주요 질문에 대한 답변도 제공한 다.

뿐만 아니라 엔코더 응용 프로그램에 사용 되는 전자 제품의 주요 미래 트렌드, 기계 건강 모니터링, 지능, 그리고 견고한 장기 수명 감지를 논의할 것이다. 마지막으로, 완전한 신호 체인 설계가 다음 세대 모터 엔코더의 설계에 필수적인 이유를 설명한다.

폐쇄 루프 모터 제어 피드백 시스템
 

지난 수십 년 동안 기존의 그리드 연결 모터에서 인버터 구동 모터로의 전환이 꾸준하고 지속적으로 이루어졌다. 이는 산업 회전 장비의 중요한 전환으로, 모터와 최종 장비를 보다 효율적으로 사용함으로써 공정 및 에너지를 크게 절감하는 결과를 가져왔다. 가변 속도 드라 이브와 서보 구동 시스템을 통한 고품질 모터 제어 성능은 이제 가장 까다로운 애플리케이션을 위한 향상된 품질과 동기화를 제공한다.

<그림1>과 같이 전력 인버터, 고성능 위치 감지, 전류/전압 폐쇄 루프 피드백을 사용하여 모터 성능과 효율성을 향상시킬 수 있다.

<그림1> 폐쇄 루프 모터 제어 피드백 시스템

인버터에서 펄스 폭 변조를 사용하여 모터에 가변 주파수 전압을 적용하면 모터의 개방형 루프 속도 제어가 가능하다. 정상 상태 또는 천천히 변화하는 동적 조건에서 이 방법은 상당히 잘 작동하며, 성능이 낮은 애플리케이션의 많은 모터 드라이브는 엔코더 없이도 개방형 루프 속도 제어를 활용한다.

그러나 이 접근 방식에는 몇 가지 단점이 있다.

• 피드백이 없기 때문에 속도 정확도가 제한적이다.

• 전류 제어가 최적화되지 않아 모터 효율이 떨어진다.

• 모터가 동기화를 잃지 않도록 과도 응답을 엄격하게 제한해야 한다.

<그림2> (a) 광학 엔코더 (b) 마그네틱 엔코더
 

위치 엔코더란 무엇인가?
 

엔코더는 회전축 속도와 위치를 추적하여 폐쇄 루프 피드백 신호를 제공한 다. <그림2>에서 볼 수 있듯이 광학 및 마그네틱 엔코더는 가장 널리 사용되는 기술이다. 범용 서보 드라이브에서 엔코더는 샤프트 위치를 측정하는 데사용되며, 이 위치에서 드라이브 회전 속도가 도출된다. 로봇 공학 및 개별 제어 시스템에서는 정밀하고 반복 가능한 샤프트 위치가 필요하다. 광학 엔코더는 미세한 리소그래피 슬롯이 있는 유리 디스크로 구성된다.

광 다이오드 센서는 빛이 디스크를 통과하거나 반사될 때 빛의 변화를 감지한다. 포토 다이오드의 아날로그 출력은 증폭되고 디지털화되어 이후 유선 케이블을 통해 인버터 컨트롤러로 전송된다. 마그네틱 엔코더는 모터 축에 부착된 자석 으로 구성되며, 자기장 센서가 사인 및 코사인 아날로그 출력을 제공하고, 이를 증폭하고 디지털화한다. <그림2>에 나타난 것처럼 광학 및 자성 센서 신호 체인은 유사하다.

모터 엔코더의 유형, 기술, 성능 지표
 

앱솔루트 싱글턴 엔코더는 전원이 인가되면 기계식 또는 전기식 360° 범위 내에서 절대 위치를 반환한다. 모터 샤프트의 위치를 즉시 판독할 수 있다. 앱솔루트 멀티턴 엔코더는 앱솔루트 기능을 모두 포함하며 360° 회전수를 계산한다. 반면 인크리멘탈 엔코더는 회전 시작점을 기준으로 한 위치이다. 인크리멘탈 엔코더는 0°를 나타내는 인덱스 펄스와 회전 수를 계산하는 단일 펄스 또는 방향 정보를 제공하는 이중 펄스를 제공한다.

<그림3> 엔코더 유형

엔코더의 해상도는 모터 샤프트의 360° 회전당 구분할 수 있는 위치의 수이다. 일반적으로 최고 해상도 엔코더는 광학 기술을 사용하 며, 중간 해상도/고해상도 엔코더는 자기 또는 광학 센서를 사용한다. 저해상도 및 중간 해상도 엔코더에는 리졸버(회전식 변압기) 또는 홀 (Hall) 센서가 사용된다.

광학 또는 자기 엔코 더는 고해상도 신호 컨디셔닝을 사용한다. 대부분의 광학 엔코더는 증가형이다. 엔코더 반복성은 핵심 성능 지표이며 엔코더가 동일한 명령 위치로 일관되게 반환되는 정도를 측정 한다. 이는 반복적인 작업(예: 로봇학 또는 반도체 배치 중의 PCB 제조 중 선택 및 배치 기계)에 대해 중요하다.

<표1> 엔코더 주요 성능 지표

모터 엔코더 정확도 및 반복성
 

픽 앤 플레이스 기계/로봇은 식품 포장 및 반도체 제조 산업 에서 일반적으로 활용되는 자동화 기계이다. 공정 효율성을 위해서는 높은 정확도와 반복성을 갖춘 기계 또는 로봇이 필요하다. 고성능 모터 엔코더를 사용하면 정확도, 반복성 및 효율성을 달성할 수 있다.

<그림4> 로봇 도달 범위(L)에서 모터 엔코더(θm)와 조인트 엔코더(θj)의 각도 반복성

<그림4>는 로봇 공학에서의 엔코더 사용 사례를 보여준다. 각 로봇 팔의 모터는 정밀 감속 기어박스를 통해 구동된다. 로봇 조인트 각도는 정밀한 모터 장착 축 각도 엔코더(θm)와 종종 추가로 팔에 장착된 엔코더(θj)를 통해 측정된다. 로봇의 경우, 데이터 시트에 나열된 주요 성능 사양은 반복성이며 일반적으로 하위 밀리미터 수준이다. 반복성 사양과 로봇 도달 범위를 알고 있다면, 회전 엔코더 사양을 추정할 수 있다.

조인트 엔코더에서 필요한 각도 반복성(θ)은 삼각법에서 로봇 반복성의 탄젠트 역수를 도달거리로 나눈 값으로 구할 수 있다.

여러 조인트가 결합하여 전체 로봇 도달 범위를 달성한다. 센서는 목표 각도 정확도보다 더 높은 성능을 가져야 한다. 조인트당 반복성 사양을 개선해야 하며 여기서는 10배의 개선을 가정한다. 모터 엔코더의 경우 반복성은 기어박스 비율(G) 로 정의된다. 예를 들어 <표2>에 표시된 로봇 시스템의 경우 조인트 엔 코더에는 20비트~22비트 반복성 사양이 필요하고 모터 엔코 더에는 14비트~16비트 분해능이 필요하다.

<표2> 엔코더 반복성 및 로봇 반복성

모터 엔코더 기술의 미래 트렌드
 

미래의 엔코더 트렌드와 이러한 트렌드를 가능하게 할 기술은 <그림5>에 설명되어 있다.

<그림5> 엔코더 트렌드와 이러한 트렌드를 실현할 기술
 

서보 드라이브, 엔코더 및 엔코더 통신 포트에 대한 로크웰의 조사에 따르면 피드백 통신용 트랜시버가 매년 20%씩 성장하고 있는 것으로 나타났다.

두 개의 와이어를 통해 100Mbps 통신을 지원하는 싱글 페어 이더넷(SPE) 트랜시버(IEEE 802.3dg 표준 100BASE-T1L)1가 현재 연구 중이며, 향후 엔코더 드라이브 인터페이스는 1.5µs 이하의 짧은 지연 시간을 목표로 하고 있다. 이 짧은 지연 시간은 더 빠른 피드백 데이터 수집과 더 빠른 제어 루프 응답 시간을 지원한다.

터빈, 팬, 펌프, 모터와 같은 로봇 및 회전식 기계의 상태 기반 모니터링(CbM)은 기계의 상태 및 성능과 관련된 실시간 데이 터를 기록하여 최적화된 제어는 물론 목표 예측 유지보수를 가능하게 한다. 기계 수명 주기 초기에 표적화된 예측 유지보수를 수행하면 생산 중단 시간의 위험을 줄여 안정성을 높이고 비용을 크게 절감하며 공장 현장의 생산성을 높일 수 있다.

엔코더에 MEMS 가속도계를 사용하면 품질 관리가 중요한 기계에 진동 피드백을 제공할 수 있다. 엔코더에는 이미 컨트 롤러에 진동 피드백을 제공하기 위한 케이블, 통신, 전원이 갖춰져 있기 때문에 엔코더에 MEMS 가 속도계를 추가하는 것이 편리하다. CNC 기계와 같은 일부 애플리케이션에서는 엔코더에서 서보로 전송되는 MEMS 진동 데이터를 사용하여 실시간으로 시스템 성능을 최적화할 수 있다.

CbM을 사용하여 산업 자산의 수명을 연장하려면 견고하고 수명이 긴 위치 센서로 보완할 수 있다. 주변 자기장의 각도 위치를 나타내는 아날로그 출력을 생성하는 마그네틱 센서를 광학 엔코더 대신 사용할 수 있다. 마그네틱 엔코더는 습 도, 오염, 먼지가 많은 환경에서 사용할 수 있다. 이러한 열악한 환경은 광학 솔루션의 성능과 수명을 저하시킨다.

로봇 공학 및 기타 애플리케이션의 경우 정전이 발생하더 라도 기계 시스템의 위치를 항상 파악하고 있어야 한다. 표준 로봇, 코봇 및 기타 자동 조립 장비와 관련된 주요 비용 및 비효율성 중 하나는 작동 중 갑작스러운 전원 손실로 인해 전원을 다시 켜고 초기화하는 데 필요한 가동 중단 시간이다.

Analog Devices에서 개발한 마그네틱 멀티턴 메모리는 외부 자기장의 회전 수를 기록하는 데 외부 전원이 필요하지 않다. 따라서 시스템 크기와 비용을 줄일 수 있다. 로봇과 코봇의 경우 모터 엔코더와 조인트 엔코더에는 일반적으로 16비트~18비트 ADC 성능이 필요하며 경우에 따라 22비트 ADC가 필요하다. 일부 광학 절대 위치 엔코더에는 최대 24비트 분해능의 고성능 ADC도 필요하다.

(☞ 다음 7월호에 계속)

자료제공: Analog Devices (www.analog.com)