회전식 인코더를 사용하여 기계 회전을 디지털 신호로 빠르게 변환하는 방법

작성자: Art Pini

Digi-Key 북미 편집자 제공

디지털 시대에 회전식 계측 손잡이 또는 모터의 기계 샤프트 회전을 빠르고 효과적으로 측정해야 합니다. 회전 운동을 직접 디지털화하는 회전식 인코드가 아날로그 방법(예: 전위차계, 회전식 스위치)을 대체하고 있지만, 설계자는 다양한 인코더 유형 간의 차이점을 이해하고 디지털 출력을 정확하게 해석할 수 있어야 합니다.

이 기사에서는 회전식 인코더의 역할과 작동 방식을 설명합니다. 그런 다음 신호를 해석하는 방법을 알아보고 인코더 솔루션과 실제 응용 분야를 소개합니다.

회전식 인코더의 역할

회전식 인코더는 기계 샤프트의 회전을 측정하는 센서입니다. 샤프트를 모터에 배치하여 각위치 또는 각속도를 판독할 수 있습니다. 또한 회전식 인코더는 전위차계와 회전 스위치를 대체하여 계측 또는 가전 전면 패널에서 다이얼, 손잡이 또는 기타 전자 제어 장치의 각위치를 판독할 수 있습니다.

가전의 타이머 제어를 고려해 보세요. 이전 아날로그 시대에는 가변 저항기 또는 전위차계를 사용하여 제어 장치의 위치를 감지했습니다. 오늘날의 마이크로프로세서 기반 설계에서는 회전식 인코더에서 생성되는 디지털 입력이 더 효과적입니다.

또한 제어 시스템에서 인코더를 사용하여 기계 부품이 제어 명령에 응답하여 올바르게 작동하는지 피드백을 제공할 수 있습니다. 제어 시스템을 자동차, 로봇 장치 등에서 사용할 때 인코더는 제어 마이크로프로세서에 필요한 감지 기능을 제공합니다. 일회전 전위차계와 같은 이전 솔루션은 샤프트의 전체 회전을 완전히 감지하지 못하지만, 회전식 인코더는 전체 회전을 중단 없이 감지할 수 있습니다.

회전식 인코더는 이러한 기계적 변위를 전기 신호로 변환한 다음 해석을 위해 프로세서로 전송할 수 있습니다. 인코더의 전기 출력에 기반하여 회전 방향, 각위치 및 회전 속도를 도출할 수 있습니다. 회전식 인코더의 디지털 출력을 활용하면 전위차계보다 훨씬 더 간편하게 도출할 수 있습니다.

회전식 인코더의 작동 방식

인코더에는 증분식과 절대값의 두 가지 기본 유형이 있습니다. 증분식 인코더는 각변위 변경을 판독하는 반면 절대값 인코더는 인코딩된 샤프트의 절대 각도를 판독합니다. 이러한 인코더는 일반적으로 세 가지 기술(광학, 기계, 자기)을 사용하여 구현됩니다.

광학 인코더는 빛이 특정 영역을 통과할 수 있도록 반투명 세그먼트와 불투명 세그먼트를 배치한 디스크로 제작됩니다. 디스크의 반대쪽에 LED와 광 다이오드를 사용하면(그림 1) 광 다이오드는 디스크를 통과하는 빛을 감지한 후 디스크 세그먼트의 반투명 및 불투명 패턴에 해당하는 펄스 파형을 출력합니다.

증분식 및 절대값 광학 디스크 이미지

그림 1: 증분식 및 절대값 광학 디스크의 예 증분식 디스크는 상호 간에 90˚ 위상차를 가진 두 방형파 신호를 생성합니다. 절대값 디스크는 2진 인코딩 데이터를 출력합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

그림 1의 절대값 디스크에는 디스크의 각 세그먼트(이 경우 16개)에 대해 고유한 2진 코드를 제공하는 네 가지 출력이 있습니다(표 1). 2진 코드의 대안은 그레이 코드입니다. 그레이 코드란 인접한 2진 워드 간에 1비트 전이만 다른 2진 코드입니다.

세그먼트 번호 섹터 범위(도) 2진 코드
0 360/0 ~ 22.5 0000
1 22.5 ~ 45 0001
2 45 ~ 67.5 0010
3 67.5 ~ 90 0011
4 90 ~ 112.5 0100
5 112.5 ~ 135 0101
6 135 ~ 157.5 0110
7 157.5 ~ 180 0111
8 180 ~ 202.5 1000
9 202.5 ~ 225 1001
10 225 ~ 247.5 1010
11 247.5 ~ 270 1011
12 270 ~ 292.5 1100
13 292.5 ~ 315 1101
14 315 ~ 337.5 1110
15 337.5 ~ 360/0 1111

표 1: 네 개의 비트를 가진 절대값 인코더의 16가지 2진 상태 (표 출처: Digi-Key Electronics)

증분식 디스크에서 생성되는 패턴은 90˚ 위상차를 가진 두 방형파로 구성되며 이러한 패턴을 직각 위상 출력이라고 합니다. 이때 90˚ 위상 변이에 상응하는 거리로 변위되는 두 광전 센서와 1열 패턴을 사용할 수도 있습니다.

직각 위상 증분식 인코더의 출력을 일반적으로 “A” 및 “B”라고 합니다. 또한 인코더에는 알려진 물리적 레퍼런스를 제공하는 인덱스 펄스라는 세 번째 펄스(회전 펄스당 1개)가 포함될 수 있습니다. 인덱스 펄스를 직각 위상 출력과 결합하여 절대값 샤프트 방향을 계산할 수 있습니다.

90˚ 위상 변이를 가진 두 출력을 사용하여 각회전뿐 아니라 회전 방향도 감지할 수 있습니다(그림 2).

인코더 디스크의 이동 방향을 결정하는 직각 위상 신호 이미지

그림 2: 직각 위상 신호 간의 위상 관계에 따라 인코더 디스크의 이동 방향이 결정됩니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

인코더 샤프트가 시계 방향으로 회전하면 A 파형에 이어 B 파형이 나타납니다. 회전 방향이 시계 반대 방향으로 변경되면 신호 B에 이어 신호 A가 나타납니다.

두 직각 위상 신호를 사용하여 주기당 네 가지 상태를 확인할 수 있습니다. 단일 주기 내에서 A = 1 및 B = 0, A = 1 및 B = 1, A = 0 및 B = 1, A = 0 및 B = 0의 네 가지 상태가 나타납니다. 즉, 직각 위상 출력 인코더의 각 분해능이 정격 회전당 펄스 수(PPR) 각 분해능의 4배입니다.

오실로스코프에서 광학 인코더의 직각 위상 출력을 확인 및 측정하여 출력 간의 위상 관계를 알 수 있습니다(그림 3). A 신호는 상단 트레이스에 표시되고 B 신호는 하단 트레이스에 표시됩니다. 오실로스코프 위상 파라미터 P1을 설정하여 A 신호와 B 신호의 위상차를 측정합니다. 두 신호 간의 평균 위상차는 90.4˚입니다.

512PPR 직각 위상 출력 이미지

그림 3: A 신호 출력과 B 신호 출력 간의 위상 관계를 보여주는 512 PPR 광학 인코더의 직각 위상 출력(이미지 출처: Digi-Key Electronics)

이 예에서는 인코더를 회전 속도계로 적용하여 모터의 회전 속도를 측정하므로 신호 A 출력만 사용했습니다. 오실로스코프 파라미터 P2를 사용하여 A 신호의 주파수가 28.87kHz로 측정됩니다. 512PPR로 나눈 다음 60으로 곱하여 샤프트 속도로 변환하면 샤프트 각속도(RPM)가 판독합니다. 파라미터 P3에서 3383RPM으로 판독됩니다.

이러한 수치에 따라 이 인코더의 512PPR이 0.7도의 기본 분해능을 제공합니다. A/B 상태를 해석하여 0.175˚를 확인할 수 있습니다.

광학 인코더는 모든 인코더 유형 중 가장 높은 분해능을 제공한다는 이점이 있습니다. 이러한 비용은 저렴한 응용 분야로도 확대됩니다. 단점으로는 부피가 커질 수 있습니다.

기계식 인코더에서는 광학 인코더에 사용되는 패턴과 동일한 동심원 링을 포함하는 회전식 디스크를 사용합니다. 이 링은 전도 영역과 절연 영역의 패턴을 가집니다. 고정 와이퍼 접점이 회전식 디스크 위를 이동하면서 각 링에 접촉하여 스위치 역할을 합니다. 접점이 디스크 표면을 가로지르면서 전도성 영역을 지날 때 접촉하고, 절연된 영역을 지날 때 분리됩니다. 이러한 방식으로 각 링에 대해 디지털 패턴이 개발됩니다.

기계식 인코더의 한 가지 문제점으로 접점 바운스로 인해 잡음이 발생할 수 있습니다. 저역 통과 필터링을 사용하거나, 바운스 잡음이 조용해진 이후에 출력 상태를 조사하는 소프트웨어를 사용하여 이 잡음을 제거할 수 있습니다.

기계식 인코더는 일반적으로 가장 저렴한 인코더 유형입니다. 기계식 인코더는 전위차계를 대체하는 전자 전면 패널에서 사용자 인터페이스 장치로 응용됩니다.

자기 기반 회전식 인코더에서는 다극 원형 자석을 사용합니다. 홀 효과 또는 자기 저항 센서에서 자석이 회전하면서 직각 위상 전기 출력을 생성하여 대체 자북극과 자남극을 감지합니다. 광학 인코더와 마찬가지로 자기 인코더는 비접촉식이므로 기계식 접촉 인코더보다 높은 속도로 더 오랫동안 작동할 수 있습니다.

회전식 인코더 사용

회전식 인코더는 전기 기계적 특성으로 인해 기계 장치와 인터페이스로 연결하거나 사용자의 개입이 필요합니다. 인코더를 전기 장치에서 제어 인터페이스로 사용할 경우 인코더는 일반적으로 하드웨어가 연결된 패널 실장 부싱을 사용하여 제어 패널에 실장되며 반도체 샤프트를 사용합니다.

설계자는 멈춤쇠와 같은 옵션을 선택하여 인코더가 회전할 때 '딸깍'거리는 기계적 음을 발생시켜 인코더 샤프트가 작동하고 있다는 촉각 피드백을 사용자에게 제공할 수 있습니다. 인코더 샤프트를 눌러서 작동하는 순간 접촉 스위치를 선택할 수도 있습니다.

모터, 서보 등과 같은 회전식 기계에 실장할 인코더에는 중공축 또는 블라인드 샤프트가 있습니다(그림 4).

중공축 또는 블라인드 샤프트로 구성된 인코더의 구성도

그림 4: 중공축 또는 블라인드 샤프트로 구성된 인코더는 모터 또는 다른 전기 기계에 실장하기 위한 것입니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

중공축 인코더는 모터 또는 유사한 기계 장치의 샤프트 위에 실장됩니다. 그러면 모니터링 대상 장치와 동심원상에 실장되므로 비대칭 또는 각도 오정렬 문제가 발생하지 않습니다. 블라인드 샤프트는 모터 샤프트의 끝에 인코더를 실장하는 데 사용되는 제한된 깊이의 중공축입니다.

인코더 선택 및 응용 분야

응용 분야의 요구 사항, 환경 및 비용 제약에 따라 다른 회전식 인코더를 선택합니다.

CTS Electronic Components291V1022F832AB는 5V 전원 공급 장치로 작동하는 8PPR 각 분해능을 가진 광학 증분식 인코더입니다(그림 5). 291 계열은 4PPR ~ 64PPR의 PPR 범위를 지원하며 샤프트 유형과 길이, 멈춤쇠, 일체형 스위치 등과 같은 선택 옵션을 제공합니다. 이 인코더의 정격 회전 수명은 최대 300만 주기입니다.

일반 나사식 부싱, 잠금 와셔 및 잠금 너트를 포함하는 CTS 291V1022F832AB 이미지

그림 5: 패널 실장 제어 장치로 사용할 일반 나사식 부싱, 잠금 와셔 및 잠금 너트를 포함하는 CTS 291V1022F832AB (이미지 출처: CTS)

CTS 291 계열 광학 인코더는 기계 및 실험 장비, 통신, 산업, HVAC, 교통, 보안, 오디오, 홈 엔터테인먼트 장비 등을 포함하는 계측 제어 응용 분야에 적합합니다.

Bourns Inc.EMS22Q51-D28-LT4는 5V 또는 3.3V 전원 공급 장치로 작동되는 32PPR ~ 256PPR 증분식 자기 인코더입니다. 이 장치는 32PPR ~ 256PPR 각 분해능을 지원하는 EMS22Q 계열 비접촉식 인코더의 구성품입니다. 이전 인코더와 마찬가지로 다양한 샤프트 및 부싱 구성을 사용할 수 있으며 정격 회전 수명은 5,000만 주기입니다. 이 인코더는 극한 온도, 습기 및 입자 오염이 심한 열악한 산업 환경에서 사용하는 데 적합합니다.

또한 대부분 인코더와 마찬가지로 장치를 간단하게 연결하여 사용할 수 있습니다(그림 6).

Bourns의 EMS22Q51-D28-LT4 핀 상세 구성도

그림 6: EMS22Q51-D28-LT4의 핀 세부사항(삽입물, 왼쪽)과 제품 구성도를 보면 256PPR 증분식 자기 비접촉 인코더를 마이크로 컨트롤러에 연결하는 것이 얼마나 간단한지 알 수 있습니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

EMS22Q 계열에는 6개의 핀이 있습니다. 공급용 1개, 접지용 1개, 마이크로 컨트롤러 또는 마이크로 프로세서에 연결하는 Low 활성 칩 선택용 1개, 인덱스 핀 1개, 데이터 핀 2개(A 및 B)입니다. 결과로 제공되는 직각 위상 출력은 그림 7에서 확인하실 수 있습니다.

직각 위상 출력을 생성하는 EMS22Q 이미지

그림 7: EMS22Q는 PPR 범위가 32 ~ 256인 직각 위상 출력을 생성합니다. (이미지 출처: Bourns Inc.)

경제적인 애호가 응용 분야용 장치 설계자는 TT ElectronicsEN11-HSM1AF15 20PPR 인코더와 같은 기계식 인코더를 적절히 활용할 수 있습니다. 이 인코더는 15PPR 또는 20PPR 각 분해능, 다양한 샤프트 및 부싱 길이, 옵션 스위치, 멈춤쇠 구성 옵션을 제공하는 EN11 계열에 포함됩니다. 이 인코더는 5V 전원 공급 장치로 작동되고 가격은 광학 인코더의 약 1/10에 불과하며, 회전 수명은 30,000주기입니다.

결론

회전식 인코더는 전면 패널 제어, 로봇 암 또는 회전식 모터 샤프트의 각회전을 빠르고 효과적으로 감지하여 디지털화해야 하는 요구 사항을 충족합니다. 증분식 인코더 또는 절대값 인코더는 마이크로 프로세서 또는 마이크로 컨트롤러에서 전기 기계 시스템 부품을 감지하고 제어하는 데 필요한 인터페이스를 제공합니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Art Pini

Arthur(Art) Pini는 Digi-Key Electronics의 기고 작가입니다. Art는 뉴욕시립대에서 전기공학 학사 학위를 취득하고 뉴욕시립대학교에서 석사 학위를 취득했습니다. 그는 전자 분야에서 50년 이상의 경력을 쌓았으며 Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek, Nicolet Scientific에서 주요 엔지니어링 및 마케팅 역할을 담당했습니다. Art는 오실로스코프, 스펙트럼 분석기, 임의 파형 생성기, 디지타이저, 전력계와 관련된 측정 기술과 폭넓은 경험에 관심을 갖고 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자