멀티턴 인코더의 활용 사례 및 방법

멀티턴 회전식 인코더는 한 번의 회전(0° ~ 360°) 내에서 샤프트의 각위치뿐만 아니라 누적 회전 횟수도 측정하도록 설계된 정밀 전기 기계 센서입니다. 회전할 때마다 출력이 초기화되는 싱글턴 인코더와는 달리 멀티턴 인코더는 절대 각위치와 총 회전 수를 모두 제공하므로, 넓은 동작 범위에 걸쳐 정확한 위치 피드백을 달성합니다.

고급 동작 제어 응용 제품에서는 단 한 번의 360° 사이클 동안에만 샤프트 각도를 캡처하는 것으로는 안정적인 시스템 모니터링이 불가능합니다. 회전 동작이 선형 변위, 기어 트레인 또는 대규모 장비에 기계적으로 결합된 경우에는 반드시 총 회전 수를 추적해야만 합니다. 멀티턴 인코더는 연속적인 절대 위치 데이터를 제공하므로, 복잡한 전기 기계 시스템에서 정밀한 동기화 및 제어를 보장함으로써 이러한 요구를 해결합니다. 이 기사에서는 멀티턴 인코더에 대해 자세히 설명하여 그 작동 방식, 사용 가능한 경우, 추가적인 통합 고려 사항 등을 살펴봅니다.

멀티턴 인코더 기능 및 장점

싱글턴 인코더가 359°에서 0°로 롤오버되는 시점을 모니터링하여 소프트웨어에서 전체 샤프트 회전을 추적하는 것은 가능해 보일 수 있지만, 이 접근 방식은 심각한 신뢰성 문제를 야기합니다. 샘플 누락, 전원 중단, 통신 결함 또는 심지어 진동으로 인한 잡음으로 인해 회전 수가 올바로 동기화되지 않을 수 있습니다. 0°/360° 경계 근처에서의 급격한 반전은 롤오버 감지 논리를 더욱 혼란스럽게 하여 누적 오류로 이어지는 경우가 많습니다. 광범위한 필터링과 알고리즘 튜닝을 수행하더라도, 소프트웨어 기반 솔루션은 여전히 정확도 손실에 취약합니다.

멀티턴 절대값 인코더는 단일 회전 내 미세 각도 분해능과 전체 샤프트 회전 추적을 위한 내장형 회전 카운터라는 두 가지 핵심 기능을 통합하여, 하드웨어 수준에서 이러한 문제를 해결합니다. 각도 측정은 일반적으로 정전 용량 방식, 자기 또는 광학 감지 기술로 처리되며, 회전 카운터는 각도 데이터와 동기화하여 업데이트됩니다. 이 조합은 진정한 절대 멀티턴 위치를 제공하여 외부 롤오버 논리에 의존하지 않고도 견고하고 오류 없는 피드백을 달성합니다.

회전 카운터 자체를 구현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 기계식 인코더는 기어 기반 시스템을 사용하고, 자기식 설계는 보통 Wiegand 전선 펄스 에너지를 사용하여 회전을 등록하며, 디지털 구현은 지속적인 전력에 의존합니다. 후자의 경우, 전원 중단 중에도 회전 수를 보존할 수 있도록 전원 연속성을 유지할 수 있는 신중한 시스템 설계가 요구됩니다(일반적으로 백업 배터리 또는 소프트웨어 보호 장치 활용).

시작 시 멀티턴 인코더를 다루는 방법

멀티턴 인코더의 주요 설계 과제는 전원 초기화 관리인데, 저장된 회전 수를 잃으면 절대 위치 데이터가 손상될 수 있기 때문입니다. 이를 완화하기 위해 일반적으로 다음과 같은 몇몇 엔지니어링 전략들이 사용됩니다.

• 홈 또는 리미트 스위치 레퍼런스 - 시작 시 시스템이 미리 정의된 기준점으로 메커니즘을 구동하고 인코더의 위치를 다시 초기화합니다.
• 마지막으로 알려진 값 유지 - 호스트 컨트롤러 또는 비휘발성 메모리를 사용할 수 있는 경우, 시스템이 종료되기 전에 마지막으로 기록된 각도와 회전 수를 저장할 수 있습니다. 재시작 후, 다운타임 중 샤프트가 움직이지 않았다면 이 값이 다시 적용됩니다.
• 기계적 샤프트 잠금 - 계획된 셧다운 또는 초저전력 상태에서 샤프트를 물리적으로 잠가 움직임을 방지할 수 있습니다. 그런 다음 저장된 인코더 값은 전원이 켜졌을 때 유효해지므로, 원활한 복원이 가능합니다. 이 방법은 휴대용 시스템 또는 배터리로 작동하는 시스템에서 특히 유용합니다.
• 시스템 수준 재초기화 - 몇 번의 회전 손실이 허용되는 응용 제품의 경우, 시작 시 외부 센서 또는 안전한 기본 상태를 사용하여 시스템을 간단히 재설정하고 재보정할 수 있습니다. 복잡성이 줄어들긴 하지만, 이 방법은 중요도가 낮은 위치 피드백 응용 제품에서만 사용할 수 있습니다.

정전으로 인한 회전 수 손실이 있어서는 안 되는 응용 제품의 경우, 가장 안전한 솔루션은 배터리 백업을 통합하는 것입니다. 이 접근 방식은 외부 재보정 방법이나 보조 센서에 의존하지 않고 단기간 또는 장기간의 정전 시에도 인코더에 전원이 지속적으로 공급되도록 보장합니다.

전력 소비 관점에서 볼 때, 이 부분에서 어떤 기술을 선택하는지가 중요합니다. Same Sky의 AMT 계열 같은 정전 용량 방식 인코더는 일반적으로 최대 80mW로만 작동하므로 임베디드 및 배터리 구동식 설계에 매우 효율적입니다. 이 제품은 효율성이 뛰어나므로 백업 에너지 스토리지의 소모를 최소화하여 과도한 배터리 용량 없이도 장시간의 지원이 가능합니다.

반면, 마그네틱 인코더는 일반적으로 150mW ~ 500mW를 소비하고 광학 인코더는 고해상도 또는 LED 기반 시스템에서 200mW ~ 1W 이상의 전력을 필요로 하는 경우가 많습니다. 이러한 효율성의 장점으로 인해, 정전 용량 방식 인코더는 밀리와트 단위가 중요한 전력 제약적 환경에서 매우 적합한 옵션입니다.

그림 1: 인코더 기술별 일반적인 전력 소비량(이미지 출처: Same Sky).

멀티턴 인코더를 활용한 응용 제품의 예

다음은 싱글턴 피드백만으로는 충분하지 않고 멀티턴 인코더가 필요한 몇 가지 일반적인 실제 시나리오입니다.

• 기어 또는 벨트 감속 구동 - 모터가 모든 출력 샤프트 회전에 대해 여러 회전을 완료하는 경우(예: 10:1 비율), 최종 각도만 추적하는 것은 부적절합니다. 시스템은 위치 정확도를 유지하기 위해 모든 중간 회전을 반영해야 합니다.
• 볼 스크루 및 리드 스크루 - 각 샤프트 회전당 고정된 선형 거리를 이동합니다. 회전 누락은 선형 위치 오류로 직결되므로 정밀한 위치 파악을 위해서는 멀티턴 트래킹이 매우 중요합니다.
• 랙 앤 피니언 메커니즘 - 회전 입력으로부터 연속적인 선형 이동이 생성됩니다. 정확한 피드백을 얻으려면, 모든 회전 수를 세어서 실제 이동 거리를 계산해야 합니다.
• 로봇 공학 및 자동화 분야의 회전 축 - 조인트, 터렛 및 회전 플랫폼은 보통 한 번 이상 회전합니다. 멀티턴 피드백이 없으면, 시스템은 작동 중에 동작 오류와 심지어 충돌의 위험에까지 노출됩니다.

일반적인 관점에서 볼 때, 응용 제품에 다음과 같은 요구 사항이 있는 경우에는 동작 제어 시스템에 멀티턴 인코더를 사용하는 것이 좋을 수 있습니다.

• 확장된 위치 추적 - 360° 이상의 샤프트 움직임을 모니터링해야 하는 시스템
• 회전-선형 변환 - 각 회전이 정밀한 선형 이동을 제공하는 메커니즘 구동 장치
• 높은 기어비 - 모터 회전이 출력 샤프트의 동작을 훨씬 초과하는 기어 또는 벨트 구동 시스템
• 최소한의 필터링으로 절대적인 정확도 - 소프트웨어 롤오버 감지로 인한 누적 오류가 있어서는 안 되는 응용 제품
• 간소화된 시작 논리 - 전원 공급 시작 후 더 간단하고 안정적인 초기화로부터 이점을 얻는 설계

Same Sky의 AMT 절대값 인코더 제품군에는 SPI 및 RS-485 디지털 인터페이스를 갖춘 소형 멀티턴 모델이 포함되어 있습니다. 임베디드 모션 시스템용으로 설계된 이 제품은 낮은 전력 소비, 모듈식 실장 유연성, 간단한 통신 기능을 제공하므로 절대적인 멀티턴 추적이 필요한 곳에 이상적입니다. 전원 재설정을 적절히 관리하면 작동 주기 전반에 걸쳐 중단 없는 정확성을 보장합니다.

정확한 통신 프로토콜은 서로 다를 수 있지만, 대부분 소수의 바이트나 명령어만으로 각위치와 회전 수를 쉽게 읽을 수 있도록 되어 있습니다. Same Sky의 AMT 인코더에 대한 명령은 각 규격서에 문서화되어 있습니다.

결론

멀티턴 인코더는 회전 추적을 내부적으로 관리하여 복잡한 롤오버 논리나 광범위한 소프트웨어 필터링이 필요하지 않으므로 동작 제어를 간소화합니다. 이 내장된 기능은 확장된 동작 범위에서 정확한 위치 데이터를 보장하므로, 안정적이고 확장 가능한 자동화 시스템을 개발하는 엔지니어에게 필수적인 부품입니다.

Same Sky의 AMT 절대값 멀티턴 인코더는 2mm에서 5/8인치(15.875mm)의 모터 샤프트 지름을 지원하여 설계 유연성을 더욱 향상시킵니다. 이러한 폭넓은 기계적 호환성을 통해 다양한 모터 플랫폼에 통합할 수 있으므로, 추가적인 맞춤화 없이도 강력한 위치 감지 기능을 제공합니다.