인코더와 리졸버의 기술적 비교
시중에 나와 있는 회전 위치 및 속도 피드백 장치의 스펙트럼은 매일 더 넓어지고 있다. 이제 단순히 인코더를 사용할지 또는 리졸버를 사용할 지의 문제가 아니다. 고려해야 할 질문의 수는 엄청나게 많을 수 있다. 예를 들어, ‘앱 솔루트를 선택할까, 인크리멘탈을 선택할까?’ ‘마그네틱으로 할까, 광학식으로 할까?’와 같은 질문이다.
여기에 정전용량식이나 유도식과 같은 다른 감지 기술도 사용할 수 있다. 상업용, 산업용, 중부하용, 극한용, 혹은 최대 부하 시스템 중 어떤 것이 필요할 지도 고려해야 한다. 이 모든 질문에 답하면 이제 쉽게 해결될까? 아니다! 인코더의 경우 해상도, 정확도, 장착 방식, 출력 유형, 연결 방식 등을 고려해야 한다. 리졸버의 경우 크기, 정확도, 장착 방식, 속도, 전기적 인터페이스 등을 고려해야 한다. 이에 이 기사에서는 인코더와 리졸버에 대한 개요를 제공하고, 그것들이 애플리케이션에 어떻게 적용될수 있는지 설명하기로 한다.
▲(사진 왼쪽부터) 앱솔루트 인코더, 인크리멘탈 인코더, 리졸버
인크리멘탈 인코더
인크리멘탈 인코더는 장치에서 발생한 이벤트의 개수를 기반으로 위치를 해석하기 위해 외부 전자 장치에 의존한다. 인크리멘탈 인코더의 출력은 단일 사각파(A), 회전 방향을 결정하기 위한 위상 사각파(A와 B), 또는 위상 사각 파와 회전당 한 번의 펄스 또는 인덱스(A, B, Z) 형태로 제공될 수 있다.
회전 방향을 결정하기 위해 사각파의 위상을 맞추는 개념은 종종 ‘쿼드러처 (quadrature, 구적법)’라고 불린다. 증분 신호를 생성하는 방법은 일반적으로 인코더 엔진이라고 한다. 주요 인코더 엔진 카테고 리는 광학식과 마그네틱 두 가지이다. 두 엔진 모두 유사한 센서 정렬을 통해 출력 호환성을 제공한다.
광학 설계에서는 LED가 빛을 생성하고 칩 수준의 센서가 이를 감지한다. 그 사이에는 유리, 금속 또는 플라스틱으로 만들어진 코드 디스크가 있다. 인크리멘탈 인코더에서는 코드 디스크의 둘레에 미세한 격자가 에칭되거나 코팅되거나 (금속의 경우) 펀칭된다.
마그네틱 설계에서는 자기 휠 또는 디스크, 자저항 센서, 그리고 조절 회로가 사용된다. 디스크나 휠은 여러 개의 자극으로 자기화되어 있으며, 센서는 디스크 또는 휠이 회전할 때 발생하는 자기장의 사인파 변화를 전기 신호로 변환한다. 이 전기 신호는 조절 회로에서 곱셈, 나눗셈 또는 보간 과정을 거쳐 원하는 사각파 출력으로 변환된다.
인크리멘탈 인코더는 속도 피드백 분야에서 여전히 선두를 지키고 있으며, 그 성장세는 계속되고 있다. 인크리멘탈 인코더는 모든 회전 피드백 장치 중에서 가장 널리 사용된다. 솔리드 스테이트 회로와 소프트웨어 설계의 용이성 덕분에 인크리멘탈 인코더 입력을 수용하는 장치들이 폭넓게 사용되고 있다. 드라이브, 패널 미터, 카운터, 그리고 PC 카드 등에서 인크리멘탈 인코더와 인터페이스할 수 있는 장비를 찾을 수 있다.
광학 인코더는 사무실 환경에서 사용하는 복사기와 같은 응용 분야나 자동 유도 차량(AGV) 같은 산업용 응용 분야에서 사용되며, 마그네틱 인코더는 일반적으로 광학 인코더가 성능 저하를 보일 수있는 열악한 조건에서 주로 필요하다. 이러한 응용 분야는 오버헤드 크레인, 비포장 도로용 차량, 그리고 제지 공장 등이 포함된다.
앱솔루트 인코더
앱솔루트 장치는 고정된 장치에 대한 정확한 회전 각도를 알 수 있는 방법을 제공한다. 앱솔루트 인코더는 회전 내에서 반복되지 않는 고유한 이진 패턴을 사용하여 절대적인 특성을 부여한다. 이 장치는 전원이 제거되더라도 회전 위치가 변경되면 피드백도 변경된다.
기어 트레인이나 자석을 사용하여 인코더의 회전 횟수를 추적할 때, 이 피드백 장치는 멀티턴(multiturn) 인코더라고 불린다. 광학식 앱솔루트 인코더에서는 디스크가 LED와 센서 사이에서 회전하며, 디스크의 패턴에 따라 빛이 여러 센서로 통과하거나 차단된다. 이 과정이 각 비트의 디지털 신호에서 ‘켜짐 또는 꺼짐’ 상태를 제공하며, 이를 통해 절대적인 회전 정보를 얻게 된다.
광학 인코더는 모든 피드백 옵션 중에서 가장 높은 해상도와 정확도를 제공한다. Dynapar의 광학 앱솔루트 인코더는 하나의 축회전에서 400만 개 이상의 카운트를 제공할 수 있으며, 정확도는 36초각(arc-second) 수준에 달한다.
절대 위치를 전송하는 여러 가지 방법이 있다. 초기 절대 피드백 장치들은 병렬 데이터를 사용하여 위치를 전송했다. 병렬 데이 터에서는 각 이진 숫자가 고유한 와이어를 가지며, 이를 제어기가 해석한다. 그 다음으로, 시계 펄스와 동기화하여 절대 위치를 전송하는 시리얼 인코더가 있다. 시리얼 인코더에서 가장 일반적인 프로토콜은 SSI(Synchronous Serial Interface)이다. BiSS 인코 더는 시계 펄스를 조작하여 양방향 통신을 가능하게 한다.
필드버스 인코더는 여러 개의 인코더를 하나의 전송 케이블에 직렬로 연결하거나 분기하여 배선할 수 있게 해준다. DeviceNet, Profibus, Interbus는 가장 인기 있는 필드버스 프로토콜 중 일부 이다. 필드버스 프로토콜을 점차 대체하고 있는 이더넷 기반 프로 토콜은 더 높은 속도와 실시간 처리의 명확한 장점을 제공하며, EtherCAT, Ethernet/IP, Profinet이 그 중에서 더 많이 사용되는 프로토콜이다.
마그네틱 앱솔루트 인코더에서는 센서 네트워크 위에서 자석을 축 방향으로 회전시켜 절대 정보를 얻을 수 있다. 이 때 사용하는 센서는 일반적으로 홀 효과 칩 유형이거나 자기 저항 센서 회로이다. (그림1 참조)
환경 측면에서 앱솔루트 또는 인크리멘탈 인코더는 동일한 규칙을 따른다. 그러나 여러 축을 동기화하고 효율적이고 안전하게 작동해야 하는 기계 설계의 복잡성이 증가함에 따라 전세계적으로 앱솔루트 엔코더의 사용이 증가하고 있다. 인크리멘탈 엔코더는 정확한 위치 피드백을 위해 기능적으로 작동하기 위해 한계 스위치와 같은 보조 장치에 의존한다.
리졸버
인코더와 유사하게, 리졸버도 기계적 움직임을 전기 신호로 변환 하는 전기 기계 장치이다. 그러나 인코더와 달리 리졸버는 디지털 대신 아날로그 신호를 전송한다. 기본적으로 리졸버는 하나의 1차 권선과 90도 위상으로 배치된 두 개의 2차 권선을 가진 회전 변압기이다(그림2 참조). 리졸버 출력은 아날로그 신호를 해석할수 있는 제어 입력과 로직이 필요하다.
리졸버의 사양 중 하나는 속도 수이다. <그림3>에서 출력된 것은 단일 속도 출력을 가진 리졸버의 출력이다. 속도 수는 리졸버의 한 바퀴 회전에서 발생하는 진폭 변조된 사인파 주기의 수와 동일하다.
다중 속도 리졸버는 로터와 스테이터의 자극 수를 동일하게 늘려서 달성된다. 최대 속도 수는 리졸버의 크기에 따라 제한되며, 일반적으로 정확도를 높이기 위해 조정된다. 그러나 단일 속도 리졸버는 본질적으로 단일 회전 절대 장치이다. 리졸버의 속도를 증가시키면 절대 정보는 손실된다. 공간이 허락한다면, 단일 속도 리졸버를 다중 속도 리졸버 위에 장착하면 더 높은 정확도와 절대적인 이점을 제공할 수 있다.
리졸버는 전기 모터(권선, 라미네이션, 베어링 및 캐리어)와 구성 요소가 유사하기 때문에 최대 부하 응용 분야에 적합하다. 광학 장치와 정밀 정렬이 없기 때문에 충격과 진동 저항성이 증가한 다. 또한, 광학 장치와 솔리드 스테이트 전자 장치가 없기 때문에 고방사선 환경에서도 사용될 수 있다.
리졸버는 오랜 시간 동안 검증된 기술이지만 아날로그 출력은 사용할 수 있는 옵션을 제한한다. 리졸버는 영구 자석 브러시리스 AC 서보 모터, 군사 및 항공우주 애플리케이션에서 가장 많이 사용된다.
자료제공: DYNAPAR(www.dynapar.com)
