모션 제어에서 인코더의 역할과 제품 선택 시 고려사항
글/빌 슈위버(Bill Schweber), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
모션 제어 설계에서 모터의 주요 매개변수, 예컨대 각 위치, 속도, 방향을 아는 것은 필수적이다. 이러한 매개변수를 이해하는 데 있어서 중요한 부품 중 하나가 인코더다. 인코더는 추가 센서로서 작동하며, 로터의 각 위치를 결정하고 이를 시스템 컨트롤러(아날로그, 하이브리드(아날로그/디지털), 또는 완전 디지털 방식)에 보고하는 역할을 한다. 인코더는 정해진 시간 간격으로 반복적인 위치의 ‘스냅샷’을 촬영한다. 이 일련의 위치 정보 판독 값을 사용하여, 컨트롤러는 회전 속도와 방향을 결정할 수 있다. (참고: ‘인코더’라는 용어는 다른 전자 회로 및 부품에도 사용되므로 혼동의 여지가 있을 수 있다.)
이 글에서는 주요 인코더 기술이 어떻게 작동하는지, 그리고 모터 제어를 위해 하나의 인코더를 선택해야 한다면 어떤 점을 고려해야 할 지 살펴본다.
인코더란?
모든 모터 애플리케이션이 센서 기반 피드백과 관련한 로터 매개변수를 꼭 필요로 하는 것은 아니다. 예를 들어, 장난감과 같은 저가형 제품은 인코더가 필요 없으며, 인코더를 제공할 수도 없다. 반면, ‘벡터 제어’라고 부르기도 하는 필드 지향 제어(field-oriented control, FOC)를 사용하는 고급 모터 제어 알고리즘은 인코더가 필요 없다. 그러나 FOC 배열 방식조차도 중요한 응용 분야에서는 로터의 추정 위치와 움직임을 모니터링하고 검증하기 위해 인코더를 포함할 수 있다.
로터 위치를 확인하는 데 널리 사용되는 인코더 기술에는 광학식(optical), 자기식(magnetic), 리졸버(resolver), 정전용량식(capacitive) 등 4가지 주요 유형이 있다. 각 방식은 저마다의 장점과 단점을 가지고 있으며, 올바른 최상의 선택은 해당 애플리케이션의 요구 사항, 우선순위 및 비용에 따라 결정된다.
일부 인코더는 전원 켜기 또는 재시작을 할 때 필요한 절대 로터 위치 정보를 제공할 수 있는 반면, 다른 경우에는 상대적인 위치 정보만을 제공하는 방식도 있으나, 최종 애플리케이션에 따라 이 정도의 정보만으로도 충분할 수 있다.
최적의 인코더는 최종 제품을 조립하는 모터 사용자가 선택하며, 일반적으로 사용 현장에서 모터에 부착된다. 많은 모터 공급회사들이 자체적으로 인코더를 제공하거나 제3자로부터 공급받아 공장에서 모터 생산 단계에서 통합하기도 한다. 다양한 선택지가 있는 만큼, 널리 사용되는 4가지 인코더 기술에 대해 자세히 알아본다.
광학식 인코더 (optical encoder)
광학식 인코더는 LED를 광원으로 사용하고, 샤프트에 연결된 코드 휠과 광 센서를 포함하여LED를 구동하는 전원 회로와 센서에서 깨끗한 펄스를 생성하는 출력 회로에 의해 지원된다.
광학식 인코더는 2가지 형태로 제공된다. 투과형 설계에서는 LED와 센서가 코드 디스크(code disk)의 반대편에 배치된다. 반면, 반사형 설계에서는 LED와 센서가 같은 면에 위치한다. 반사형 설계는 더 얇지만 정렬이 더 중요하며, 투과형 설계에 비해 신호 대 잡음비(SNR)가 낮아질 가능성이 있다.
코드 휠(code wheel)은 광학식 인코더에서 매우 중요한 요소다. 이는 얇은 유리 또는 플라스틱 디스크로 제작되며, 불투명한 선이 패턴화 되어 있어 빛이 통과할 수 없는 부분과 빛이 통과할 수 있는 투명한 부분으로 구성되어 있다. 반사형 설계에서는 불투명한 부분이 대신 반사성 표면으로 되어 있다. 코드 휠이 회전하면, 광 센서는 휠의 움직임에 따라 일련의 펄스를 생성한다. 코드 휠의 해상도는 한 바퀴 회전당 1,024 펄스(PPR), 심지어 4,096 PPR까지도 가능하다.
기본적인 광학식 인코더는 증분식(incremental) 센서로, 상대적인 움직임만 감지한다. 이 인코더 시스템은 첫 번째 트랙에서 90°(quadrature) 간격으로 두 번째 광학 트랙을 추가함으로써 트랙 출력 간의 상대적인 위상 차이를 사용하여, 다른 센서와 함께 방향을 결정할 수 있다.
많은 애플리케이션들이 필요한 절대 위치를 얻기 위해 2가지 접근 방식을 활용한다. 첫 번째 방식은 세 번째 코드 휠 트랙을 추가하고, 한 바퀴 회전마다 단일 인덱스 마커를 등록하는 방식으로, 이를 통해 기준점을 설정한다. 두 번째 방식은 전원이 켜질 때마다 절대 위치가 필요한 더 엄격한 경우에 사용되는데, 따라서 인코더 디스크에는 인코딩된 위치마다 고유한 코드 출력을 생성하기 위해 서로 다른 패턴을 가진 여러 트랙이 있다.
광학식 인코더는 설계가 간단하고, 인터페이스가 쉽고, 고해상도를 제공한다는 점에서 매우 인기가 있다. 하지만 디스크로 인해 다소 깨지기 쉽고, 주변 먼지와 오염물의 영향을 받을 수 있으며, 작동을 위해 약간의 전력이 필요하다는 점에 유의해야 한다.
자기식 인코더 (magnetic encoder)
자기식 인코더에는 여러 가지 유형의 인코더가 있다. 가장 널리 사용되는 유형 중 하나는 영구 자석을 로터 샤프트의 끝에 부착하고, 그 근처에 자석 센서를 장착하여 자석의 자기장을 감지할 수 있게 하는 방식이다. 모터 샤프트에 부착된 영구 자석이 회전하면 마그네틱 센서가 감지하는 자기장의 방향도 달라진다.
자기장의 상대적인 세기를 감지함으로써, 인코더는 모터 샤프트의 회전 위치와 속도를 탐지할 수 있다. 이는 서로 직교(90°)하는 두 개의 홀 효과(Hall effect) 센서를 사용하여, 하나는 X축 성분(Bx) 크기를 감지하고 다른 하나는 Y축 성분의 강도(By)를 감지하는 방식으로 이루어진다.
그런 다음, 표준 삼각 함수 공식을 사용하여 두 개의 출력 값을 변환(복조)하면. 샤프트의 회전 각도를 결정할 수 있다. 이 과정은 아날로그 회로를 통해 수행되거나, X 및 Y 성분의 값을 디지털화하여 수치적으로 계산할 수도 있다.
이러한 자기식 인코더들은 최대 4,000 PPR의 해상도를 제공할 수 있으며, 먼지, 오일 및 습기가 많은 곳의 애플리케이션에서도 사용할 수 있을 만큼 견고하다. 하지만 모터 자체에서 발생하는 자기장, 모니터링 시스템, 또는 근처의 전선에서 나오는 강한 자기장에 영향을 받을 수 있다.
또 다른 자기식 인코더(상대적으로 덜 널리 사용됨)는 코드 휠의 바깥쪽 가장자리에 N극 자석과 S극 자석이 번갈아 배치되어 있는 코드 휠을 사용한다. 자기 센서는 극(pole)이 지나갈 때 자기 극성의 변화를 감지하여 위치를 결정한다. 이 방식은 앞서 설명한 방식보다 해상도는 낮지만, 일부 애플리케이션에서는 적합할 수 있다. 또한, 광원과 수신기를 작동시키기 위한 전원이 필요하지 않기 때문에, 광학식 인코더보다 전력 소비가 적다는 장점이 있다.
리졸버(resolver)
리졸버는 자기적 원리를 기반으로 하는 매우 다른 유형의 인코더다. 이 회전식 변압기는 소형 동기 모터와 유사한 배열을 사용하여 로터의 각도와 변위 속도를 결정한다.
일반적으로 약 10kHz의 교류(AC) 신호가 로터에 인가되어 1차측 권선으로 작동한다. 스테이터는 서로 90°로 배치된 두 개의 2차 권선을 가지며, 이는 사인 및 코사인 권선으로 불린다. 로터가 회전함에 따라 사인 권선과 코사인 2차측 권선 사이의 신호에 상대적인 변화와 차이가 유도된다. 이들은 복조를 통해 절대 위치를 제공할 수 있도록 디코딩될 수 있으며, 이 과정에서 다시 삼각함수 공식이 사용된다.
리졸버는 크기, 무게 및 인터페이스 회로 요구 사항에도 불구하고, 정확성과 견고성 때문에 한때 미사일 유도 시스템 관성 플랫폼과 같은 극한 환경의 애플리케이션에 널리 사용되었다. 당시에는 대부분의 최신 옵션보다 크고, 비용이 많이 들고, 더 많은 전력을 소비함에도 불구하고 유일한 각도 위치 인코더 옵션이었다.
일반적으로 리졸버는 정현파 아날로그 신호를 생성하는 반면에, 인코더는 디지털 온/오프 출력을 제공하지만 일부 중복되는 부분이 있다. 따라서 두 기술 모두 원하는 모터 정보를 생성하기 위해서는 각각 서로 다른 디코딩 방식이 필요하다. 인코더의 출력은 현대 전자 장치 및 프로세서와 호환성이 더 높고, 모터 제어 시스템에서 ‘있는 그대로(as is)’ 사용하는 것이 더 용이하다.
정전식 인코더(capacitive encoder)
정전(용량)식 인코더 기술은 새로운 회전 운동 감지 기술을 구현한 것으로, 디지털 고정밀 및 저비용 캘리퍼스에서 수년 동안 사용되어 온 기술이다. 이 배열에는 주변에 전도성 사인파 패턴이 각인된 로터, 고정 송신기, 고정 수신기로 구성된다. 로터가 회전하면서 송신기의 고주파 기준 신호는 예측 가능한 방식으로 변조된다. 이 인코더는 수신기 보드에서 정전 용량 반응의 변화를 감지하여, 이를 다시 복조 알고리즘을 통해 회전 운동의 증분으로 변환한다.
LED가 없기 때문에, 정전식 인코더는 광학 인코더보다 더 긴 수명, 더 작은 크기, 그리고 더 낮은 전류 소비(일반적으로 6mA ~ 18mA 수준)가 장점이다. 또한, 이러한 인코더는 자기 간섭 및 전기적 노이즈에 비교적 강한 내성을 가지고 있다. 하지만 공기 중 오염 물질이 정전식 결합 성능에 영향을 미쳐 성능의 일관성에 영향을 줄 수도 있다.
‘최적의’ 인코더 선택 방법
고성능 인코더는 다양한 애플리케이션의 여러 요구 사항을 충족하기 위해 제공된다. 많은 인코더 옵션 중에서 특정 애플리케이션에 가장 적합한 것을 결정하기란 쉽지 않다. 최선의 결정을 내리기 위해서는 해상도, 인터페이스, 전력 요구 사항, 물리적 견고성, 전자기 간섭(EMI) 고려 사항, 크기 및 비용 등 다양한 요인들을 고려해야 한다
특정 유형의 인코더 제조사마다 자사의 제품이 최고라고 주장하는 것이 일반적이지만, 실제로는 더 미묘하다. 인코더에 대한 모든 일반적 지침(“이 유형은 이 매개변수에 적합하다” 또는 “이 유형은 다른 매개변수에서는 덜 적합하다”)에는 항상 많은 예외가 존재한다.
각 인코더 유형의 상대적인 특성을 비교하는 도표가 유용할 것 같지만, 예외 사항을 명확히 하기 위해서는 많은 주석 설명들이 필요할 것이다. 실제로 최적의 인코더를 선택하기 위해서는 설계의 목표, 프로젝트의 우선순위, 인코더 유형을 선택할 때 반드시 해야 하는 절충안과 균형을 이루면서 사용 가능한 옵션들을 신중하게 검토해야 한다.