인코더 기술의 장점 및 트레이드 오프 고려

회전식 인코더는 산업 자동화 장비, 공정 제어, 로봇 공학, 의료 장치, 에너지, 항공 우주 등 다양한 응용 분야에서 동작 제어 피드백 루프의 핵심 부품입니다. 기계 동작을 전기 신호로 변환하는 장치인 인코더는 전체 시스템의 성능을 최적화하는 데 사용될 수 있는 위치, 속도, 거리, 방향과 같은 중요한 데이터를 엔지니어에게 제공합니다.

광학, 자기 및 정전 용량은 세 가지 기본 인코더 기술입니다. 선택은 엔지니어의 마음이지만, 최종 응용 분야에 가장 적합한 기술을 결정하려면 몇 가지 고려할 사항이 있습니다. 이 선택 과정을 돕기 위해 이 기사에서는 광학, 자기, 정전 용량 인코더 기술을 간략하게 설명하고, 각 기술의 장점과 트레이드 오프를 요약합니다.

인코더 기술 개요

광학 인코더

광학 인코더는 수년 동안 동작 제어 시장에서 널리 사용되고 있습니다. 광학 인코더는 LED 광원(일반적으로 적외선) 및 광검출기와 반대쪽에 있는 인코더 디스크로 구성됩니다. 이 디스크는 플라스틱 또는 유리로 구성되며 교차하는 투명 및 불투명 회선 또는 플롯을 포함합니다. 디스크가 회전하는 동안 디스크의 교차 회선 또는 슬롯에 의해 LED 빛의 경로가 차단되어, 샤프트의 회전과 속도를 결정하는 데 사용되는 일반 방형파 A 및 B 직각 펄스가 생성됩니다.

그림 1: 인덱스 펄스를 포함하는 광학 인코더의 일반 A 및 B 직각 펄스(이미지 출처: Same Sky)

널리 사용되지만 광학 인코더는 몇 가지 단점이 있습니다. 산업 응용 분야와 같이 먼지와 이물질이 많은 환경에서는 오염 물질이 디스크에 쌓여서 LED 빛이 광학 센서에 도달하지 못하도록 차단합니다. 오염된 디스크는 방형파 펄스를 산발적으로 생성하거나 완전히 누락시킬 수 있으므로 광학 인코더의 신뢰성과 정확성에 큰 영향을 줍니다. 또한 LED의 수명이 제한되거나 다하여 인코더 고장으로 이어질 수 있습니다. 또한 유리 또는 플라스틱 디스크는 진동이나 극한 온도에서 손상되어 열악한 응용 분야에서 유효 범위가 제한되고 모터에 조립하는 데 시간이 오래 걸리고 많은 오염 위험에 노출될 수 있습니다. 마지막으로 높은 분해능에서 광학 인코더는 100mA 이상의 전류를 소비하여 모바일 또는 배터리 구동 장치의 유용성에 영향을 줄 수 있습니다.

자기 인코더

광학 인코더와 구조적으로 유사한 자기 인코더는 광선 대신 자기장을 활용합니다. 자기 인코더는 슬롯형 광학 휠 대신 홀 효과 또는 자기 저항 센서의 배열 위에서 회전하는 교차 극성을 가진 자기화된 디스크를 사용합니다. 휠이 회전하면 센서에서 응답이 발생하고, 발생한 응답이 신호 조절 프런트 엔드 회로로 가면 샤프트의 위치가 결정됩니다. 자기 인코더는 광학 인코더에 비해 내구성과 충격 및 진동 내성이 훨씬 뛰어나다는 이점이 있습니다. 광학 인코더는 먼지, 이물질, 오일과 같은 오염 물질의 영향을 받지만, 자기 인코더는 영향을 받지 않으므로 열악한 환경에 적합합니다.

하지만 자기 인코더는 전기 모터, 특히 스테퍼 모터에서 발생하는 자기 전파 방해의 영향을 크게 받고 온도 변화에 따른 위치 드리프트가 발생합니다. 또한 상대적으로 낮은 분해능과 정확성으로 인해 광학 및 정전 용량 인코더에 미치지 못합니다.

정전 용량 인코더

정전 용량 인코더의 세 가지 기본 부품은 회전자, 고정 송신기, 고정 수신기입니다. 정전 용량 감지는 두 가지 패턴의 막대나 선을 사용하여(하나는 고정된 요소에 적용하고 다른 하나는 움직이는 요소에 적용), 송신기/수신기 페어로 구성된 가변 커패시터를 형성합니다. 회전자의 이동과 회전자 샤프트에 연결된 사인파 모양 패턴은 특유의 독특하지만 예측 가능한 신호를 생성합니다. 인코더의 기판 실장 ASIC에서 이 신호를 해석하여 샤프트의 위치와 회전 방향을 계산합니다.

그림 2: 인코더 디스크 비교(이미지 출처: Same Sky)

정전 용량 인코더의 이점

정전 용량 인코더는 디지털 버니어 캘리퍼스를 개발하는 데 사용되는 것과 동일한 원리로 조정되며, 광학 인코더와 자기 인코더의 많은 단점을 해결하는 솔루션을 제공합니다. Same Sky의 AMT 인코더 계열은 높은 신뢰성과 정확성을 제공하는 것으로 검증된 이 정전 용량 기반 기술을 구현합니다. LED 또는 가시거리가 필요하지 않은 정전 용량 인코더는 광학 인코더에 부정적인 영향을 주는 먼지, 이물질, 오일과 같은 환경 오염 물질이 존재하는 경우에도 예상한 대로 작동합니다. 또한 광학 인코더의 유리 디스크보다 진동의 영향을 덜 받고 극한 고온 또는 극한 저온에 대한 내성이 높습니다. 앞서 언급한 대로 수명이 다하는 LED를 사용하지 않는 정전 용량 인코더는 광학 인코더보다 수명이 더 깁니다. 또한 패키지가 더 작고 전체 분해능 범위에서 6mA ~ 18mA의 더 적은 전류를 소비하여 배터리 구동 응용 분야에 적합합니다. 자기 인코더에서 문제가 되는 자기 전파 방해와 전기 잡음으로 인한 문제가 정전 용량 기술에서는 더 작습니다. 따라서 자기 인코더에 비해 더 견고하고 향상된 정확성과 높은 분해능을 제공합니다.

유연성과 프로그래밍 가능성은 정전 용량 인코더의 디지털 특성이 제공하는 또 다른 주요 이점입니다. 광학 인코더 또는 자기 인코더의 분해능은 인코더 디스크에 의해 결정되므로 다른 분해능이 필요할 경우 새 인코더를 사용해야 합니다. 따라서 설계 및 제조 공정 중에 시간과 비용이 모두 증가할 수 있습니다. 폭넓은 프로그래밍 가능 분해능을 지원하는 정전 용량 인코더는 설계자가 새 분해능이 필요할 때마다 인코더를 교체할 필요가 없으므로 보유 재고를 줄이고 PID 제어 루프 및 시스템 최적화를 간편하게 미세 조정할 수 있습니다. BLDC 정류의 경우 정전 용량 인코더를 사용하면 디지털 정렬과 인덱스 펄스 설정이 가능합니다. 하지만 광학 인코더에서는 이 작업을 반복적으로 수행하고 시간이 많이 걸릴 수 있습니다. 내장된 진단 기능을 사용하면 설계자가 현장에서 최적화 또는 문제 해결에 사용되는 시스템 데이터에 액세스할 수 있습니다.

그림 3: 정전 용량, 광학 및 전자기 기술의 주요 성능 지표 비교(이미지 출처: Same Sky)

생각해볼 옵션

온도, 진동, 환경 오염은 많은 동작 제어 응용 분야에서 인코더가 처리해야 하는 중요한 요소입니다. 정전 용량 인코더는 이러한 문제를 해결하는 것으로 검증되었으며, 광학 또는 전자기 기술에 비해 안정적이고 정확하고 유연한 솔루션을 제공합니다. 정전 용량 인코더는 디지털 특성으로 인해 향상된 프로그래밍 가능성과 진단 기능을 제공하여 최신 사물 인터넷(IoT) 및 산업용 IoT(IIoT) 응용 분야에 적합합니다.