견고성을 강화시키는 인코더 기능 유형은 반도체 전자 기기일까요?

인코더 응용 제품은 BattleBots, Mars Rover, 대형 건설용 차량, 반도체 제조 장비, 다양한 의료 및 군사 응용 분야를 비롯하여 우리 주변 어디에나 있습니다.

요컨대 동작이 있는 모든 곳에서 인코더를 발견할 수 있습니다. 인코더는 인코더가 적용된 일부 제품처럼 동일하게 매력적이지는 않더라도 오늘날의 복잡하고 정교한 동작 제어 시스템에서 매우 중요한 역할을 합니다.

회전식 인코더는 산업, 로봇 공학, 항공 우주, 에너지, 자동차 응용 제품의 동작 제어 피드백 루프에 필수적인 부품입니다. 회전식 인코더는 먼지, 불순물, 그리스 등에 노출되고 진동이 심한 심각한 조건에서 작동해야 합니다.

또한 제어와 정밀도, 효율 면에서 모두 우수한 BLDC(브러시리스 DC) 모터의 사용이 증가함에 따라 회전식 인코더가 필요한 분야도 갈수록 넓어지고 있습니다. 인코더의 작업은 단순합니다. 바로 시스템 컨트롤러에 모터 샤프트의 위치를 알리는 것입니다. 이 데이터를 사용하여 컨트롤러는 모터 권선을 정확하게 정류하고 동작 제어 루프에서 목표한 모터 성능을 얻기 위해 유지해야 하는 속도, 방향, 가속 등의 파라미터를 결정할 수 있습니다. 회전식 인코더 응용 분야에서는 장기적 신뢰성, 내구성, 최적화된 성능이 요구됩니다. 따라서 정밀한 동작 제어가 필요한 대부분의 응용 분야에서 지능형 회전식 인코더의 중요성이 점점 더 커지고 있습니다.

지능형 기능을 채택하는 새로운 접근 방식의 출현으로 인코더의 평범한 지형에 변화를 가져다주는 새로운 기능과 기회가 생겨나고 있습니다.

회전식 인코더는 필수적이지만 높은 수준의 컨트롤러에 펄스 신호를 제공하는 매우 단순한 장치로 간주되는 경우도 있습니다. 기본적으로 변화를 수용하는 것이 꺼려지지만 이제 인코더 사용자는 완벽하게 테스트된 원칙을 따르는 정전 용량 인코더와 같은 기술을 더욱 신뢰하고, 현장에서 다년간에 걸친 검증된 성공으로 자신감을 가질 수 있습니다.

마이크로 컨트롤러와 맞춤형 ASIC를 설계에 추가함으로써 다목적성이 크게 강화되어 인코더의 분해능, 제로 위치 및 극 개수를 빠르게 구성할 수 있습니다. 이와 같이 동작 감지에 디지털 방식으로 접근하면 다양한 이점이 있으며 회전식 커뮤테이션 인코더를 사용하는 설계자에게 새로운 수준의 인텔리전스를 제공할 수 있게 됩니다.

인코더 기술: 세 가지 종류 및 유용한 경우/유용하지 않은 경우

가장 잘 알려진 세 가지 인코더 방식에서는 광학, 자기 또는 정전 용량 방식 기술을 사용합니다.

광학 설정에서는 한쪽에 LED가 있고 반대쪽에 광 트랜지스터가 있는 슬롯형 디스크를 사용합니다. 디스크가 회전하여 빛의 경로를 차단하므로 결과로 나타나는 펄스를 통해 샤프트의 위치와 방향을 알 수 있습니다(그림 1). 비용이 저렴하지만 광학 인코더는 먼지, 불순물, 오일 등과 같은 오염 물질이 쌓이면 신뢰성이 악화되고 LED 수명이 제한적입니다.

그림 1: 기존의 광학 인코더 설정 (이미지 출처: CUI Devices)

자기 인코더는 광학 인코더와 구성이 흡사하지만 광선이 아닌 자기장을 사용합니다. 슬롯형 광학 휠 대신 자기 저항 센서 배열 위에서 회전하는 자기화된 디스크를 사용합니다. 휠이 회전하면 이 센서에서 응답이 생성되어 신호 조절 프런트 엔드 회로로 이동하고 이에 따라 샤프트의 위치가 결정됩니다. 자기 인코더는 내구성이 높지만 정확성이 그리 높지 않으며 전기 모터와 드라이브에서 발생하는 자기 전파 방해의 영향을 받습니다.

정전 용량 인코더는 광학 및 자기 인코더 설계의 이점을 모두 제공합니다. 두 방식의 단점은 나타나지 않습니다. 또한 훨씬 더 견고하고 환경 미립자 및 자기 전파 방해의 영향을 훨씬 덜 받습니다. 정전 용량 인코더에서는 각각 고정된 요소와 움직이는 요소에 적용되는 두 가지 패턴의 선을 사용합니다. 두 패턴이 결합하여 송신기/수신기 페어로 구성된 가변 커패시터를 형성합니다(그림 2). 인코더가 회전하여 선의 변화를 세고 보간하여 표준 직각 위상 출력으로 샤프트 방향을 트레이스하고, 다른 인코더에서 BLDC 모터를 제어하기 위해 제공하는 정류 출력도 생성하도록 적분 ASIC를 트리거합니다.

그림 2: 직각 위상 막대 및 출력 파형 열을 통한 정전 용량 감지 (이미지 출처: CUI Devices)

인코더 피드백의 디지털 향상

정전 용량 인코더는 견고한 성능을 제공합니다. 또한 광학 인코더 및 자기 인코더와 달리 디지털 출력 부분에서 21세기형으로 설계 수준을 높여 제품 개발, 설치, 유지 관리를 용이하게 해줍니다.

인코더에서 고분해능 또는 저분해능 인코더 디스크로 전환하지 않고 분해능(분해능당 펄스 수)을 조정할 수 있다는 한 가지 장점이 있습니다. 제어 루프를 최적화할 경우 개발 도중 유연성이 강화됩니다.

또한 디지털 기술을 통해 ‘원터치’로 간단하게 제로 조정이 가능하여 BLDC 모터 권선으로 정류 위상 신호를 빠르고 쉽게 설치 및 정렬할 수 있습니다. 여기서 사용자는 적절한 모터 위상에 동력을 공급하여 샤프트를 목표 위치에 잠그고 이 위치를 제로로 설정하도록 인코더에 명령하면 됩니다. 특별한 도구는 필요하지 않으며 이 기능을 완전히 수행하는 데 몇 분 정도 걸립니다. 반면에 광학 인코더나 자기 인코더에서 정류 위상 신호를 모터 권선과 기계적으로 조정하기 위한 제로 지정은 20분 정도 소요되며 복잡하고 상당히 번거로운 과정입니다.

CUI의 AMT 계열에 내장된 인텔리전스를 동반된 AMT Viewpoint GUI와 함께 활용하면 기판 실장형 진단을 통해 신속한 현장 실패 분석을 수행하여 ‘인코더 정상’ 테스트 시퀀스와 같은 예방 조치를 실행하고 출시 시간을 단축할 수 있습니다.

그런 진단 데이터를 활용하면 디버깅 중에 인코더를 대상 목록에서 제외하여 개발자가 설계하는 데 도움이 됩니다.

또한 현장에서 진단을 통해 오류가 발생하기 이전에 최종 사용자에게 인코더 상태를 알려주고 유지 관리를 위해 모터 작동을 분석할 때 인코더 동작을 제외하고 오정렬, 베어링 마모 등과 같은 문제를 추적할 수 있습니다. 내장된 진단 기능을 활용하면 중요 동작 제어 응용 분야에서 모터를 적용하기 이전에 인코더가 작동하는지 확인하여 가능한 손상을 방지할 수 있습니다.

모든 인코더 유형을 위한 스마트 기능 및 IoT 연결

정전 용량 기술을 기반으로 하는 AMT 인코더 계열의 이점은 성능 및 신뢰성 향상 외에도 매우 많습니다. 다양한 프로그래밍 가능 설정 및 설치 기능과 함께 지능형 기능을 제공합니다. 디지털 기술은 기존 인코더 기술에는 제공되지 않는 이점을 제공하기 위해 강력한 지능형 인터페이스를 활용하는 다음 단계입니다.