응용 프로그램에 최적화된 엔코더 선택을 위한 가이드
많은 산업용 제어 시스템에는 위치 및 속도 피드백이 필요하다. 초기에는 엔코더가 전위차계, 브러시 엔코더, 마그네틱 엔코더 및드물게는 광학 엔코더와 리졸버로 구성됐다. 각 장치에는 특정한 한계점이 있었다. 전위차계와 마그네틱 엔코더는 해상도가 제한적이었다.
브러시 엔코더는 잦은 유지보수가 필요했다. 광학 엔코더는 백열 램프를 사용했는데, 이는 크기가 크고 수명이 제한되었다. 리졸버는 더 나은 해상도와 정확도를 제공할 수 있었지만 디코딩 전자 장치가 필요하기 때문에 매우 비쌌다. 그러나 최근의 기술 발전으로 초기 모델은 크게 개선됐다. 오늘날 광학 엔코더와 리졸버는 업계에서 더 일반적으로 사용된다.
Autotech의 비용 효율적인 SmartEncoders의 도입으로 엔코더의 선택과 사용에 큰 변화가 생겼다. Autotech은 업계에서 가장 다양한 엔코더 제품군을 제공하는 기업이다. 직경이 1.5인치인 작은 사이즈 15부터 (기준직경 2.5 인치인) 산업 표준 사이즈 25까지, 폭발 방지 엔코더와 같은 중간 제품들을 포함하여 다양한 내장 기어 기능, 포지션 센싱 기술, 전기적 특성 및 통신 옵션까지 모두 제공한다.
앱솔루트 및 인크리멘탈
인크리멘탈(Iincremental, 증분) 엔코더는 회전할 때 펄스를 생성하여 알려진 지점과의 상대적인 위치 정보를 제공하는 반면, 앱솔루트(Absolute, 절대) 엔코더는 각 위치마다 고유한 값을 제공 하고 전원이 차단되거나 축이 움직여도 실제 축 위치를 유지한다. 인크리멘탈 엔코더는 복잡성이 적고 출력이 적다. 일반적으로 2 개 또는 3개가 있다. 반면 앱솔루트 엔코더는 일반적으로 12개의 출력을 갖고 있으며, 더 비싸다.
인크리멘탈 엔코더 응용 프로그램은 일반적으로 계수를 0으로 재설정하고 새로운 주기를 시작하기 위한 리셋 입력이 필요하지 만, 앱솔루트 엔코더는 출력이 항상 고유하고 절대적이기 때문에 리셋 입력이 필요하지 않다.
앱솔루트 엔코더는 또한 여러 회전 단위로 제공되며 리니어 응용에 적합한 내장 기어 트레인이 있는 경우가 있다. 이 경우에는 엔코더 축을 여러번 회전해야 기계 또는 프로세스 주기를 완료할 수 있다.
광학 또는 리졸버 선택
• 광학 엔코더: 광학 엔코더는 일반적으로 회전 부재와 고정 부재로 구성된다. 로터는 일반적으로 샤프트에 장착된 금속 또는 유리 디스크이다. 디스크에는 광학 패턴이 있다. 스테이터에는 LED 블록과 포토 트랜지스터가 배열되어 있어 LED 빛이 로터 디스크의 투명한 부분을 통과하여 다른 쪽의 포토 트랜지스터에 의해 수신되도록 한다. 인크리멘탈 광학 엔코더는 단순한 디스크 패턴을 사용한다.
이 슬롯형 로터 디스크는 LED와 포토트랜지스터 사이에서 광선을 교대로 차단하여 펄스 출력을 생성한다. 펄스 수는 디스크의 슬롯 수에 따라 달라진다. 그런 다음 펄스는 카운터로 공급되어 위치 정보를 제공한다. 펄스 속도는 샤프트 속도를 나타낸다. 추가 포토 트랜지스터는 회전 방향도 결정할 수 있다. 일부 모델은 마커 펄스 출력도 제공하는데, 이는 고정된 샤프트 위치에서 회전할 때마다 한 번씩 생성 되며 영점 기준점을 표시하는 데 사용할 수 있다. 다양한 펄스 구성을 사용할 수 있지만 가장 일반적 으로 알려진 것은 서로 90° 간격으로 두 개의 구형파 펄스가 생성되는 ‘구적법’이다.
<그림1>에서, 360 카운트 해상도를 가정하면 표시된 엔코더가 시계 방향으로 150 카운트 이동했 다. 인크리멘탈 엔코더는 외부 장치에서 카운트할 150펄스를 제공했을 것이다. 이 시점에서 엔코더의 전원이 끊기고 엔코더가 멈추기 전에 60° 더 움직였다고 가정하면 외부 장치는 현재 샤프트 위치가 210°라는 것을 알지 못한다. 반면, 샤프트 위치를 판독하고 이 위치에 대한 고유 값을 제공하는 앱솔루트 엔코더라면 전원이 복구되면 210°를 판독한다.
다른 공급업체의 광학 엔코더는 인크리멘탈 또는 앱솔루트 방식일 수 있지만 리졸버 엔코더는 일반적으로 앱솔루트 방식이다. 인크리멘탈 스마트 엔코더는 광학 또는 리졸버 기반인 반면, 앱솔루트 스마트 엔코더는 리졸버만 사용한다.
▲ 앱솔루트 엔코더용 광학 디스크(사진왼쪽), 인크리멘탈 엔코더용 광학 디스크(오른쪽)
• 앱솔루트 광학 엔코더: 앱솔루트 광학 엔코더에 사용되는 디스크 그림에서 볼 수 있듯이 인크리멘탈 엔코더에 사용되는 단순한 디스크보다 훨씬더 복잡하다. 앱솔루트 엔코더는 샤프트 위치에 대한 고유 값을 인코딩해야 하므로 디스크의 트랙 수와 해당 포토트랜지스터는 원하는 해상도와 사용되는 비트 수에 따라 달라진다.
예를 들어 해상도가 4096인 12비트 앱솔루트 엔코더의 경우 디스크에 12개의 트랙이 필요하다. 샤프트 위치에 따라 포토트랜지스터 출력은 그레이 코드 패턴으로 변조되며, 내부적으로 2진수 또는 BCD로 변환할 수 있다. 앱솔루트 광학 엔코더의 크기, 복잡성 및 비용은 비트 수가 증가함에 따라 패턴이 점점 더 복잡해지기 때문에 해상도에 따라 기하급수적으로 증가한다.
• 리졸버 엔코더: 2차 세계대전 중 군사용으로 개발된 리졸버는 가장 견고한 위치 변환기이다. 리졸버는 기본적으로 로터 권선 1개와 스테이터 권선 2개로 구성된 회전식 변압기이다. 고정자 권선은 90° 떨어져 있다. 로터 또는 고정자 권선 중 하나를 기본으로 사용할 수 있다.
일반적으로 로터 권선은 400Hz에서 수 KHz 범위의 주파수에서 기준 전압으로 구동된다. 샤프트가 회전함에 따라 고정자 권선의 출력 전압은 샤프트 각도의 사인 및 코사인에 따라 달라진다.(그림 2 참조) 두 개의 유도된 고정자 전압은 샤프트 각도의 척도이며 리졸버-디지털 디코더에서 디지털 신호로 변환된다.
• 비율 측정 트래킹 컨버터: 비율 측정 추적 컨버터의 일반적인 블록 다이어그램은 <그림3>에 나와 있다. 이 회로는 위상에 민감한 복조기, 오류 프로세서, 전압 제어 발진기(VCO), 업/다운 카운터와 함께 사인/코사인 배율기와 오류 증폭기로 구성된 타입 II 서보 루프를 특징으로 한다. VCO는 에러 적분기에 의해 제어 되므로 실제 샤프트 각도와 카운터의 디지털 각도 사이의 지연이 클수록 카운터가 더 빨리 ‘따라잡기’ 또는 ‘추적’을 요청하여 에러를 제거한다.
이러한 유형의 변환기에서 생성되는 정보는 항상 ‘최신’이며, 지속적으로 업데이트되어 출력에서 항상 사용할 수 있다. 추가 보너스로, 외부 타코미터를 제거하기 위한 샤프트 RPM에 비례하는 아날로그 출력과 인크리멘탈 펄스 애플리케이션을 위한 바쁨 신호 펄스 등의 추가 출력도 사용할 수 있다. 비율 변환기에서 샤프트 각도를 결정하는 기준은 두 고정자 신호 사이의 비율이다.
이 관계에서 각도는 더 이상 유도 로터 전압 Vr의 함수가 아니라 VS1과 VS2의 비율에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다. 따라서 로터 전압 Vr, 주파수 및 온도의 변화는 더 이상 비율 변환기의 요인이 아니다. 그 결과 매우 정확하고 반복 가능한 리졸버-디지털 컨버터가 탄생했다.
Autotech의 리졸버 엔코더는 인크리멘탈 및 앱솔루트 출력을 모두 지원한다.
엔코더 선택 시 고려해야 할 요소
1. 인크리멘탈 vs 앱솔루트: 정전 시 위치를 잃을 수 있나? 대답이 ‘아니오’라면 앱솔루트 엔코더를 사용해야 한다. 인크리멘탈 엔코더는 단순히 위치에 비례하는 펄스를 생성하는 반면, 앱솔루트 엔코더는 각 위치에 대해 고유한 코드를 생성한다.
앱솔루트 엔코더를 사용하면 정전 시 엔코더 샤프트가 멈추기 때문에 정전 중에 엔코더 샤프트가 움직였더라도 기계 작동이 중단된 지점부터 다시 시작된다. 인크리멘탈 엔코더에 서는 생성된 펄스가 카운터에서 카운트되며 전원이 끊기면 카운트가 손실되므로 작업을 시작하기 전에 기계를 홈으로 돌려야 한다.
인크리멘탈 엔코더의 일반적인 적용 예로는 ‘길 이에 맞게 절단’, 컨베이어 제어, 오거 제어, 계량 장비 및 밀링 머신과 같이 모션 제어에 리드 스크류를 사용하는 기계가 있다. 전원이 꺼지면 제어 장치를 다시 동기화해야 한다. 앱솔루트 엔코더는 프레스 또는 조립 기계, 댐 제어 또는 오일 밸브 제어와 같이 기계/공정이 항상 실제 위치를 알고 있어야 하고 재동기화가 허용되지 않는 경우에 사용된다.
또한 인크리멘탈 엔코더는 일반적으로 전기 노이즈에 더 취약하다. 앱솔루트 엔코더는 노이즈가 있는 조건에서 잘못된 출력을 제공할 수 있지만, 노이즈가 사라지면 실제 위치가 복원된다. 반면, 인크리멘탈 엔코더를 사용
할 때 노이즈로 인해 잘못된 카운트가 발생하면 리셋하거나 다시 동기화할 때까지 잘못된 카운트가 그대로 유지된다. 앱솔 루트 엔코더는 인크리멘탈 엔코더보다 더 비싸므로 가격 대비 기능의 균형을 고려할 수 있다.
2. 광학 엔코더 vs 리졸버: 이 결정은 주로 운영 환경에 따라 달라진다. 브러 시리스 리졸버의 환경 무결성은 의심의 여지가 없다. 단순한 회전식 변압기인 리졸버는 광학 엔코더 보다 훨씬 더 많은 부하를 견딜 수 있으며 마모나 노화가 심하지 않다. 특히 작동 온도가 영하 또는 150°F 이상인 경우 리졸버를 선택할 수밖에 없다. 리졸버의 작동 온도 범위는 일반적으로 -67°F ~ +248°F이다. 지속적인 기계적 충격과 진동, 습도, 오일 미스트, 냉각수 및 용제와 같은 극도로 열악한 환경에서는 리졸버가 최선의 선택이다.
3. 기계적 요소: 엔코더 크기와 NEMA 등급 선택은 작동 환경에 따라 달라진다. 크기 25가 이상적인 크기와 기계적 강도로 인해 업계에서 가장 많이 사용되는 반면, 공간이 제약적인 경우 50파운드 하중 강도를 가진 Autotech의 NEMA 4 크기 15가 이상적이다. 사이즈 40, 수중용 및 방폭형 엔코더는 설명이 필요 없다. 또한 내장형 기어 트레인은 사이즈 40 엔코더에서만 사용할 수 있다.
4. 전기 등급: 최고의 안정성과 전기 노이즈에 대한 내성을 위해 24VDC 전원 및 7272 출력을 권장한다.
5. 싱글턴 vs 멀티턴: 싱글턴 엔코더에서는 엔코더 샤프트가 기계 작동의 한 사이클을 완료하기 위해 한 번 회전하는 반면, 멀티턴 애플리케이션에서는 엔코더 샤프트가 한 사이클을 완료하기 위해 두 번 이상 회전한다. 앱솔루트 멀티턴 엔코더와 리졸버는 다양한 내장 기어비로 제공된다.
6. 내장형 vs 원격 디코더: 리졸버 기반 엔코더에서 Autotech은 엔코더 하우징 내부에 내장형 디코더 또는 원격 디코더를 선택할 수 있다. 온도가 극심한 실외 환경이나 엔코더가 제어판에서 멀리 떨어져 있는 경우(최대 2500피트)에는 원격 디코더를 선택하는 것이 가장 좋다.
자료제공: Autotech Controls(www.autotechcontrols.net)
