정류 인코더에 접목된 인텔리전스

새로운 방식으로 새로운 기회 포착

인코더 사용자는 전통적으로 변화를 반기지 않으며, 여기에는 충분한 이유가 있습니다. 작업 현장이나 산업 설치에서 모터 제어의 혁신을 통해 성능과 신뢰성을 높일 수 있다는 주장이 있지만 이를 뒷받침할 실적이나 근거 자료가 부족합니다. 광학 및 자기 인코더가 오랫동안 구축되었고 '실현 가능성이 높아' 보일 수 있는 물리적 개념을 사용하지만, 정전 용량 인코더도 완벽하게 테스트된 원리를 이용하며 여러 해 동안 현장에서 성공을 거두고 있습니다. 이와 같이 동작 감지에 대해 다른 방식으로 접근하면 다양한 이점이 나타나며 회전식 정류 인코더를 활용하는 설계자에게 새로운 수준의 인텔리전스를 제공할 수 있게 됩니다.

회전식 인코더는 거의 모든 동작 제어 응용 분야에서 매우 중요하며 제어, 정밀도, 효율에서 이점을 제공하는 BLDC(브러시리스 DC) 모터의 사용이 증가함에 따라 그 필요성도 더욱 확장되고 있습니다. 인코더의 작업은 원칙적으로 단순합니다. 바로 시스템 컨트롤러에 모터 샤프트의 위치를 알리는 것입니다(그림 1). 이 정보를 사용하여 컨트롤러는 모터 권선을 정확하고 효율적으로 정류하고 동작 제어 루프에서 원하는 모터 성능을 유지하는 데 필요한 속도, 방향, 가속 등의 파라미터를 결정할 수 있습니다.

그림 1: 회전식 인코더는 모터 샤프트 방향, 위치, 속도 및 가속 정보를 제공합니다.

인코더에는 다양한 기술이 뒷받침될 수 있으며, 이러한 기술은 모두 A 및 B 직각 위상 신호의 표준 디지털 출력을 제공하고, 일부 모델에서는 추가로 색인 출력을 제공합니다(그림 2a). 정류 인코더(아래에서 자세히 설명)는 또한 U, V, W 정류 위상 채널 출력도 제공합니다(그림 2b).

그림 2a: 표준 A 및 B 직각 위상 신호와 색인 신호(이 경우 광학 인코더에 대해 표시됨).

그림 2b: 정류 인코더에서 생성된 U, V, W 파형.

인코더 기술

가장 잘 알려진 세 가지 인코더 방식에서는 광학, 자기 또는 정전 용량 기술을 사용합니다. 간단히 설명하면,광학 방식에서는 한쪽에 LED가 있고 반대쪽에 광 트랜지스터가 있는 슬롯형 디스크를 사용합니다. 디스크가 회전하면 빛의 경로가 차단되고, 그 결과로 나타나는 펄스를 통해 샤프트의 위치와 방향을 알 수 있습니다. 광학 인코더는 비용이 저렴하고 효율적이지만 다음 두 가지 요소로 인해 신뢰성이 저하될 수 있습니다. 하나는 먼지, 이물질, 오일 등으로 인한 오염이 빛의 진행을 방해하는 것이고, 다른 하나는 LED의 수명에 한계가 있기 때문에 몇 년 후에는 밝기가 절반 수준이 되고 결국은 완전히 소진된다는 것입니다.

자기 인코더는 광학 인코더와 구성이 비슷하지만 광선이 아니라 자기장을 사용합니다. 여기에서는 슬롯형 광학 휠 대신 자기 저항 센서의 배열 위에서 회전하는 자기화된 디스크를 사용합니다. 휠이 회전하면 센서에서 응답이 발생하고, 발생한 응답이 신호 조절 프런트 엔드 회로로 가면 샤프트의 위치가 결정됩니다. 자기 인코더는 내구성이 높지만 정확성이 그리 높지 않으며 전기 모터에서 발생하는 자기 간섭의 영향을 받습니다.

세 번째 방식인 정전 용량 인코딩은 광학 및 자기 인코더 설계의 이점을 모두 제공하며 두 방식의 단점은 사라집니다. 이 기술은 이미 그 우수성이 입증된 저가형 고정밀 디지털 버니어 캘리퍼와 동일한 원리를 사용합니다. 이는 두 가지 패턴의 막대나 선을 사용하여(하나는 고정된 요소에 적용하고 다른 하나는 움직이는 요소에 적용), 송신기/수신기 쌍으로 구성된 가변 커패시터를 형성합니다(그림 3). 인코더가 회전하면 일체형 ASIC에서 이러한 선의 변화를 계산하고 보간하여 샤프트 위치와 회전 방향을 찾은 후 표준 직각 위상 출력을 생성하고, 다른 인코더에서 BLDC(브러시리스 DC) 모터를 제어하기 위해 제공하는 정류 출력도 생성합니다.

이러한 정전 용량 기술의 미학은 마모되는 부분이 없으며 먼지, 이물질, 오일과 같이 산업 현장에 흔한 오염 물질의 영향을 받지도 않기 때문에 광학 장치보다 신뢰성이 높다는 것입니다. 또한 정전 용량 인코더는 디지털 제어 기능을 통한 성능상의 이점을 제공합니다. 여기에는 분해능이 더 높거나 낮은 인코더로 변경하지 않고도 인코더의 분해능(회전수당 펄스 수)을 조정할 수 있는 기능이 포함됩니다.

그림 3: 정전 용량 인코더는 모터 샤프트에 부착된 회전자에서 전송되는 신호의 변조로 나타나는 펄스를 수신하여 그 수를 계산합니다.{

세계 최고 수준의 기술

Same Sky의 새로운 AMT31 계열은 A 및 B 직각 위상 신호와 색인 신호, U, V, W 정류 위상 신호를 제공하는 최첨단 정전 용량 인코더입니다. 48 ~ 4096의 회전당 펄스 수(PPR) 범위에서 20가지 점증 분해능을 선택할 수 있으며, 2 ~ 20 범위의 7가지 모터 극 쌍이 제공됩니다. AMT31 계열에는 잠금 허브가 있어 설치가 편리합니다. 이 잠금 허브는 5V 레일에서 작동하며 공급 전류도 16mA면 충분합니다.

그러나 정전 용량 인코더의 이점은 뛰어난 성능, 유연성, 단기 및 장기 신뢰성뿐만이 아닙니다. 광학 인코더 및 자기 인코더와 달리, 디지털 출력 부분에서 시스템 설계를 21세기에 걸맞은 수준으로 끌어올려 제품 개발 및 설치부터 유지 관리에 이르기까지 인코더 사용의 모든 단계에서 고유한 시스템 이점을 제공합니다.

그 이유는 광학 인코더나 자기 인코더의 출력은 기능이 지원되기는 하지만 '매우 단순'하기 때문에 사용자에게 유연성, 통찰력 또는 작동상의 장점을 제공하지 않습니다. 반면 정전 용량 인코더는 디지털 기반이며 내장된 ASIC 및 마이크로 컨트롤러를 사용하여 추가 기능과 향상된 성능을 제공합니다. 이처럼 지능적인 출력 덕분에 사용자 및 성능 시나리오를 다양하게 변경할 수 있으며, 표준 인코더 출력과의 호환성을 100%로 계속 유지할 수 있습니다.

실질적이고 유익한 변화의 실현

Same Sky AMT31 계열과 같은 정전 용량 인코더에 포함된 ASIC 및 마이크로 컨트롤러로 인해 개선된 부분을 자세히 살펴보겠습니다.

• Same Sky 정전 용량 인코더는 디지털 방식이므로 '원터치'로 간단하고 빠르게 제로 조정이 가능합니다. 과정은 간단합니다. 적절한 코너 위상에 동력을 공급하여 샤프트를 원하는 위치에서 잠그고 인코더에서 이 위치를 '제로'로 설정하는 명령을 사용하면 됩니다. 총 소요 시간은 1분 ~ 2분에 불과하며 특수한 기기가 필요하지도 않습니다.

반면, 광학 인코더나 자기 인코더를 사용하여 모터 권선과 정류 신호를 기계적으로 조절하는 제로 조정 과정은 여러 단계를 거쳐야 하는 복잡한 과정이며, 상당히 번거롭습니다. 이 경우 회전자를 잠그고 물리적인 위치를 정렬한 다음, 오실로스코프를 사용하면서 모터를 역구동시켜 백 EMF와 인코더 파형이 제로에서 적절하게 교차하는지 확인해야 합니다. 섬세한 조정과 확인을 위해서는 이러한 단계를 반복해야 하는 경우가 많기 때문에 전체 주기에 15분 ~ 20분 정도 걸릴 수 있습니다.

• 또한 AMT 계열의 디지털 기능은 유연성 및 진단 기능을 제공하고 모터와 모터 컨트롤러의 성능을 평가할 수 있어 시스템 설계 프로세스를 크게 개선합니다. 특히 정전 용량 인코더 하나로 다양한 분해능 및 극 쌍 값을 지원할 수 있으므로 완전히 새로운 인코더를 구입하고 설치하지 않아도 컨트롤러와 알고리즘을 개발하는 동안 설계자가 이 프로그래밍 가능 분해능을 사용하여 PID 제어 루프의 응답과 성능을 동적으로 조정할 수 있습니다.

또한 AMT 계열에 내장된 인텔리전스를 사용하면 온보드 진단을 통해 업계 최초로 현장 실패 분석을 빠르게 수행할 수도 있습니다. 인코더 쿼리를 통해 올바르게 작동하는지와 샤프트의 기계적 정렬 문제로 인한 장애 또는 기타 문제가 있는지를 확인할 수 있습니다. 따라서 설계자는 인코더에 장애가 있는지 빠르게 확인하고, 장애가 없을 경우에는 다른 곳에서 문제 여부를 확인하여 문제의 가능한 원인에서 인코더 자체를 배제할 수 있습니다. 또한 엔지니어는 이 기능을 예방 조치에 사용할 수 있는데, 예를 들면 애플리케이션 실행 전 '인코더 상태 양호' 테스트 시퀀스를 실행할 수 있습니다. 광학 인코더나 자기 인코더에서는 제공되지 않는 이러한 기능을 활용하여 설계자는 가동 중지 시간을 최소화하면서 현장에서 장치에 발생할 수 있는 문제를 쉽게 예측할 수 있습니다.

• 마지막으로, 디지털 인터페이스로 인해 자재 명세서(BOM)가 간소화됩니다. 소프트웨어부터 필요한 특정 변형까지(PPR, 자극 쌍, 정류 방향) 인코더를 맞춤화할 수 있으므로 다중 모터 제품이나 여러 제품 또는 설치된 위치에 필요한 여러 버전을 정리하고 보유할 필요가 없습니다.

지능형 인코더와 GUI: 강력한 결합

Same Sky 정전 용량 인코더를 지원하는 Windows PC 기반의 AMT Viewpoint™ 소프트웨어를 사용하면 개발 속도를 높일 수 있으며 모델 번호 및 버전 식별과 같이 일상적이면서 시간이 오래 걸리는 작업을 간단하게 해결할 수 있습니다. 인코더 인터페이스에 사용할 USB 케이블만 있으면 직렬 데이터 형식을 간단하게 구현할 수 있습니다.

사용자는 GUI를 통해 응용 분야의 요구에 따라 인코더를 맞춤 조정하고 사용자 지정할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: Same Sky AMT Viewpoint 소프트웨어는 손쉽게 사용할 수 있는 개발 인터페이스를 제공합니다.

GUI의 설정 화면을 사용하면 사용자가 키 인코더 파형과 타이밍을 볼 수 있으며 인코더 옵션의 변경에 따라 자동 조정을 수행할 수도 있습니다. 몇 번의 키 입력만으로 GUI를 통해 인코더를 프로그래밍할 수 있으며 약 30초면 한 주기를 완료할 수 있습니다. 무엇보다도 A, B, 색인 또는 정류 모드에서 인코더를 정렬하고 제로 조정하는 작업이 몇 초면 완료된다는 사실은 프로그래밍이 불가능한 인코더에서 해당 작업에 걸리는 시간과 극적으로 대비됩니다.

사용자는 데모 모드에서 GUI를 살펴볼 수 있으며 마치 실제 인코더가 연결된 것처럼 인코더 관련 작업을 수행하며 실제로 구입하거나 사용하기 전에 인코더와 도구를 익힐 수 있습니다. 마지막으로, GUI에서는 또한 부품 번호를 생성하여 출력 형식 옵션, 슬리브(보어) 어댑터, 실장 베이스 등의 옵션이 포함된 특정 인코더 버전을 주문할 수 있습니다.

요약

정전 용량 기술을 기반으로 한 인코더의 이점은 성능 및 신뢰성 향상 외에도 매우 많습니다. Same Sky AMT31과 같은 장치는 내장된 ASIC/마이크로 컨트롤러와 함께 프로그래밍 가능 설정 및 설치를 지원하는 지능형 기능을 제공하기 때문에 운영에 관한 통찰력을 얻고 재고 관리를 간소화할 수 있습니다. 이러한 기능을 PC 기반 GUI와 함께 활용하면 사용이 쉬우면서도 정교한 기능을 통해 시제품 디자인인, 평가, 디버그부터 설치/구성, 진단/재고 최소화에 이르는 인코더의 모든 면을 간소화할 수 있습니다. 게다가, 이 모든 이점을 다른 인코더와 비슷한 가격으로 누리면서 표준 출력 유형 및 형식과 호환성을 유지하고, 전력 소비도 낮은 수준으로 유지할 수 있습니다. 다양한 샤프트 크기에 간편하게 사용할 수 있는 어댑터를 갖춘 AMT31(그림 5)은 지능형 인터페이스를 활용하여 다른 인코더 기술에는 없는 다양한 이점을 제공하는 것은 자명합니다.

그림 5: Same Sky AMT31 인코더는 내구성과 유연성을 모두 만족시키는 특별한 이점을 제공합니다.