회전식 인코더 옵션: 절대값 또는 증분식 선택

작성자: Jeff Smoot, CUI Inc.의 애플리케이션 엔지니어링 및 동작 제어 부문 부사장

회전식 인코더는 회전 샤프트의 속도, 동작 방향 또는 위치를 측정하기 위해 널리 사용되는 입증된 솔루션입니다. 몇 가지 유형이 제공되는데 가장 기본적인 두 가지는 절대값 인코더와 증분식 인코더입니다. 두 가지 기본 유형의 작동 방식, 차이점, 그리고 각 응용 제품에 적합한 유형을 선택하는 방법을 알아보겠습니다.

인코더 작동 원리

절대값 인코더는 그 이름에서 알 수 있듯이 측정 중인 샤프트의 정확한 위치를 직접 출력합니다. 모든 회전 지점마다 고유한 위치 값 또는 데이터 워드가 있으며 샤프트와 함께 회전하는 디스크에 인코딩됩니다. 디스크의 고유 코드 수에 따라 위치를 표현할 수 있는 정밀도가 결정됩니다. 인코더는 켜지는 즉시 광학, 정전 용량 또는 자기 센서를 사용하여 코드를 읽고 유효한 출력을 생성합니다. 기준을 설정하거나 샤프트를 돌리지 않아도 센서가 위치를 결정할 수 있으며 전력이 일시적으로 끊겨도 위치를 추적할 수 있습니다.

각 위치에 관한 고유한 코드를 나타내는 절대값 인코더의 디스크 직경을 보여주는 구성도

그림 1: 절대값 인코더의 디스크는 각 위치의 고유 코드를 나타내므로 즉시 유효한 값을 출력하고 인코더 분해능을 결정할 수 있습니다. (이미지 출처: CUI Inc.)

인코더의 분해능은 1회전 동안 고유 데이터 워드의 수에 해당하는 비트로 표현됩니다. 절대값 인코더는 일회전 또는 다회전 유형으로 사용 가능하며 일회전 버전은 360° 전체 회전 동안 위치 데이터를 제공하고 샤프트의 각 회전 동안 반복됩니다. 다회전 유형에는 인코더가 샤프트 위치뿐만 아니라 회전수까지 출력하도록 지원하는 회전 카운터가 있습니다.

증분식 인코더의 경우 샤프트 회전 시 펄스를 생성하여 이 기능이 작동합니다. 출력은 일반적으로 위상차가 90°인 두 개의 방형파이며 이러한 펄스를 추적하거나 계수할 추가 회로망이 필요합니다.

증분식 인코더가 펄스 파형을 생성하는 이미지

그림 2: 증분식 인코더는 위상차가 90°인 펄스 파형을 생성합니다. (이미지 출처: CUI Inc.)

증분식 인코더의 분해능은 회전당 펄스 수(PPR)로 표현되며 이는 방형파 출력 중 하나의 높은 펄스 수에 해당합니다. 이 주제에 대한 자세한 내용은 PPR에 관한 CUI의 블로그 게시글에서 볼 수 있습니다.

그림 2에서 별개의 반복되는 4가지 출력 상태만 있음을 확인할 수 있습니다. 이러한 이유로 인해, 증분식 인코더를 알려진 고정 위치로 참조해야 의미 있는 포지셔닝 정보를 제공할 수 있습니다. 이 “홈” 위치는 인코더의 인덱스 펄스입니다. 인덱스 펄스에서 회전의 상대적 증분 변화를 추적하여 샤프트의 절대 위치가 계산됩니다. 이 참조 공정은 인코더가 회전할 때마다 또는 일시적 전력 손실 후에 필요하므로 위치를 알려면 샤프트가 회전해야 합니다. 이 공정은 초기 회전이 필요 없는 절대값 인코더에서 위치를 획득할 때보다 느립니다.

절대값 및 증분식: 선택 기준

절대값 인코더는 증분식보다 복잡하므로 일반적으로 가격이 더 높습니다. 가격 차이가 줄고 있기는 하지만 속도, 방향 또는 상대적 위치의 모니터링이 더 간단하므로 주로 증분식 인코더가 더 선호됩니다. 반면에 절대값 인코더 사용이 더 바람직한 경우도 있습니다.

절대값 인코더는 샤프트의 위치가 유지되므로 회귀 또는 보정 시퀀스가 완료될 때까지 기다릴 필요 없이 위치 데이터를 즉시 사용할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 따라서 인코더가 꺼져 있는 동안 샤프트 위치가 변경되더라도 시스템이 더 빠르게 시작되거나 정전에서 더 빠르게 복구됩니다.

또한 절대값 인코더는 어떤 메커니즘이 활성화되거나 이동되기 전에 시작 즉시 위치 정보가 필요할 때 선택하게 됩니다. 시작 위치에서 잘못된 방향으로 샤프트가 회전하여 장비가 손상되거나 사용자에게 위험한 상황을 예로 들 수 있습니다.

또한 절대값 인코더는 실시간으로 실제 위치를 제공하므로 디지털 시스템이 중앙 통신 버스를 통해 인코더를 폴링하여 대기 시간을 최소화하면서 위치를 캡처할 수 있습니다. 증분식 인코더는 직각 위상 디코딩을 사용하여 모든 펄스를 추적하려면 일반적으로 외부 회로망이 필요하며, 이에 따라 특히 여러 인코더를 모니터해야 하는 상황에서 호스트 시스템에 오버헤드가 추가되기 때문에 연속 위치 추적이 더 까다롭습니다.

코드와 휠 간의 각 위치에 대한 고유한 디지털 "워드"를 생성하는 절대값 인코더의 이미지

그림 3: 절대값 인코더는 코드와 휠 간의 각 위치에 대해 정해진 분해능에 상응하는 고유한 디지털 "워드"를 생성합니다. (이미지 출처: CUI Inc.)

절대값 인코더 사용의 더 큰 장점으로 전기 잡음에 대한 시스템의 민감도를 줄이는 데 도움이 된다는 점입니다. 펄스 계수 증분식 인코더와 달리 절대값 인코더는 시스템이 이진 출력에서 에러 점검 코드를 읽거나 직렬 버스를 통해 디지털 방식으로 위치를 계산할 수 있습니다.

또한 동일한 시스템에 둘 이상의 절대값 인코더를 결합하기가 증분식 인코더보다 쉽습니다. 일반적인 예로 공장 자동화 솔루션 또는 다축 로봇을 들 수 있습니다. 여러 증분식 인코더의 출력을 모니터하려면 복잡하고 상당한 전력 처리가 필요할 수 있지만, 개별 절대값 인코더의 판독 값은 특히 중앙 통신 버스에 연결된 경우 해석하기 훨씬 쉽습니다.

절대값 인코더의 기회

지금까지 절대값 인코더와 증분식 인코더의 주요 차이점을 파악했습니다. 다음으로 절대값 인코드가 주로 사용되는 몇 가지 응용 제품을 알아보겠습니다.

수술 로봇팔을 모니터하고 제어하기 위해 많은 수의 정밀한 위치 정보를 사용하는 원격 수술과 같은 의료 분야부터 자동 조립, 용접, 도색 등의 업계 이용 사례에 이르는 다양한 분야에 로봇 공학이 빠르게 확장되고 있습니다. 미래에는 가정 보조 로봇의 가능성이 특히 기대되며 이 경우 절대값 인코더의 사용 편의성과 속도가 큰 이점이 될 것입니다.

기업이 디지털 혁신을 지속적으로 추구하고 증분식 인코더와 절대값 인코더의 가격 차이가 줄어들고 있기 때문에 절대값 인코더의 응용 가능 분야는 거의 무한합니다. 소비자 가전 시장에도 다양한 응용 기회가 존재합니다. 자동문, 카메라 짐벌, 스마트 HVAC 제어, 공장 자동화 또는 자동차 자동 하위 시스템 등의 다양한 제어 메커니즘에서 절대값 인코더는 장비 설계자에게 고성능이면서 예산에 적합한 옵션으로 자리 잡고 있습니다.

포지션 피드백에 대한 엔지니어의 선택

절대값 인코더증분식 인코더 사이에는 성능, 가격 및 사용자 환경 측면에서 차이가 존재하므로 신제품 설계 시 적절한 인코더 유형을 선택해야 합니다. 가격 차이가 감소하고 기술이 계속 변화함에 따라 증분식 인코더 유형과 비교할 때 절대값 인코더가 제공하는 장점으로 점점 더 많은 포지션 피드백 분야에서 설계자가 절대값 인코더를 선택할 가능성이 커지고 있습니다.

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Jeff Smoot, CUI Inc.의 애플리케이션 엔지니어링 및 동작 제어 부문 부사장

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