최적의 장치 선택을 지원하는 인코더 출력 신호 이해

전자 모터 컨트롤러에는 일반적으로 회전자 위치 및/또는 속도를 감지하는 인코더가 있습니다. 적합한 장치를 선택하기 위해 엔지니어는 가장 먼저 응용 분야에 증분형, 절대형 또는 정류형 인코더가 필요한지 여부를 결정한 후 다양한 측면을 평가해야 합니다. 이 결정을 내린 후 분해능, 실장 패턴, 모터 샤프트 크기 등을 비롯한 추가 파라미터를 고려해야 합니다.

가장 적합한 출력 신호 유형을 선택하는 것이 언제나 간단한 것은 아니며 간과하기도 합니다. 가장 일반적으로 찾아 볼 수 있는 세 가지 유형은 개방형 콜렉터, 푸시풀, 차동 회선 구동기입니다. 이 기사에서는 엔지니어가 응용 분야의 요구 사항에 따라 적합한 장치를 선택할 수 있도록 각 유형에 대해 설명합니다.

제1원칙

각 유형의 인코더 출력 신호는 증분형 인코더의 직각 위상 출력인지, 정류형 인코더의 모터 자극 출력인지, 특정 프로토콜을 준수하는 직렬 출력인지 여부에 상관없이 모두 디지털입니다. 따라서 신호는 5V 인코더의 경우 항상 논리 0 또는 1에 해당하는 약 0V 및 약 5V 사이에서 전환됩니다. 그림 1과 같이 증분형 인코더의 출력은 기본 방형파입니다.

그림 1: 디지털 인코더의 일반 방형파 출력 (이미지 출처: Same Sky)

개방형 콜렉터 출력

개방형 콜렉터 출력(그림 2)은 회전식 인코더 중에서 가장 일반적입니다. 즉, 입력 신호가 높을 경우 트랜지스터의 콜렉터 핀이 열린 상태(연결 끊김)로 유지됩니다. 출력을 낮춰야 하는 경우 핀이 접지됩니다.

그림 2: 개방형 콜렉터 출력 회로도 (이미지 출처: Same Sky)

신호가 높으면 출력이 끊어지므로 콜렉터의 출력이 원하는 수준에 도달하여 논리 1을 나타내기 위해서는 외부 "풀업" 저항기가 필요합니다. 그러면 엔지니어가 서로 다른 전압으로 작동하는 시스템을 유연하게 상호 연결할 수 있습니다. 콜렉터를 인코더의 작동 전압보다 더 높거나 더 낮은 전압으로 풀업할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 외부 시스템에 연결하기 위해 콜렉터 출력을 적합한 전압으로 풀업할 수 있습니다. (이미지 출처: Same Sky)

반면에 이 인터페이스는 몇 가지 단점이 있습니다. 많은 규격 컨트롤러에 이미 내장되어 있는 풀업 저항기는 소비되는 전류와 전력이 유한합니다. 또한 기생 회로 정전 용량과 함께 작용하는 저항으로 인해 고전압과 저전압 간 출력 전환이 느려질 수 있습니다. 이 전이 기울기(그림 4)를 슬루율이라고 합니다.

그림 4: 출력 상태가 전환될 때 출력 전압의 전환을 효과적으로 늦추는 풀업 저항기 (이미지 출처: Same Sky)

풀업 저항기는 슬루율을 낮춰 인코더의 작동 속도를 제한함으로써 증분형 인코더의 분해능을 줄일 수 있습니다. 저항값을 줄이면 스위칭 속도가 빨라지는 동시에 신호가 작을 때 더 많은 전류를 소비하여 전력 소비가 증가할 수 있습니다.

푸시풀 출력

트랜지스터를 2개(1개 아님) 포함하는 푸시풀 출력(그림 5)은 위에서 설명한 개방형 콜렉터 인터페이스의 단점을 극복할 수 있습니다. 위쪽 저항기는 풀업 저항기를 대체하며, 이 저항기를 켜면 최소한의 저항으로 전압을 레일로 효과적으로 당겨와서 더 빠른 슬루율을 보장합니다. 또한 출력 신호가 낮으면 트랜지스터가 꺼지므로 이 활성 풀업은 개방형 콜렉터 회로보다 더 낮은 전력을 소비합니다. 따라서 배터리 구동 장치의 실행 시간이 훨씬 효율적으로 제어됩니다.

그림 5: 푸시풀 출력(이미지 출처: Same Sky)

Same Sky의 AMT 단일 종단 인코더 제품군은 모두 푸시풀 출력을 포함하므로 외부 회로와 연결하기 위해 풀업 저항기가 필요하지 않습니다. 푸시풀 출력은 속도를 높이고 전력 소비를 줄이는 것 외에도 테스트 및 시제품 제작을 간소화합니다. 또한 AMT 인코더에는 CMOS 출력이 있습니다. 고전압 값과 저전압 값은 장치마다 다르므로 규격서를 참조하여 출력 전압을 어떻게 해석할지 확인해야 합니다.

차동 회선 구동기 출력

푸시풀 출력을 포함하는 인코더는 개방형 콜렉터 유형의 몇 가지 단점을 해결하지만, 두 장치 모두 단일 종단 케이블이므로 케이블 길이를 길게 연결하여 사용하거나 전기적 잡음 및 전파 방해가 큰 환경에서는 제한이 따릅니다.

케이블 길이가 길 경우 신호 진폭이 감소하고 정전 용량 효과로 인해 스위칭 전환이 느려집니다. 송신된 신호가 접지에 레퍼런스되는 단일 종단 신호의 경우 이러한 감소로 인해 오류가 발생하여 시스템 성능이 저하될 수 있습니다.

또한 전기적 잡음이 심한 환경에서는 다양한 크기의 원치 않는 전압이 케이블에 결합하여 단일 종단 시스템의 수신기가 신호 전압을 잘못 디코딩할 수 있습니다.

케이블 길이가 1m를 초과할 경우 Same Sky는 차동 신호를 권장합니다. 차동 회선 구동기를 포함하는 인코더는 원래 신호와 일치하는 출력 신호와 정확히 반대되는 보완 신호의 두 가지 출력 신호를 생성합니다. 두 신호 간의 차이가 원래 단일 종단 신호 차이의 2배이므로 전압 강하 및 정전 용량에 의한 열화를 극복할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 신호 열화를 극복하는 차동 회선 구동기 (이미지 출처: Same Sky)

또한 두 신호 모두에 존재하는 공통 모드 잡음은 삭감을 통해 제거할 수 있으므로 수신 시스템에서 무시할 수 있습니다(그림 7). 차동 회선 구동기 인터페이스는 우수한 잡음 제거 기능으로 인해 산업 및 자동차 응용 분야에 널리 사용됩니다. 대부분의 Same Sky 인코더 모델은 까다로운 응용 분야에서 사용할 수 있도록 차동 회선 구동기 출력 옵션을 제공합니다.

그림 7: 두 신호에서 나타나는 잡음을 무시하는 차동 수신기 (이미지 출처: Same Sky)

인코더 출력 유형과 상대적인 강점에 대한 이 간략한 설명은 엔지니어가 해당 연결 거리와 적절한 잡음 내성을 통해 최적의 전력 소비와 신뢰할 수 있는 통신을 결합하여 응용 제품에 가장 적합한 장치를 선택하는 데 도움이 됩니다.