인코더 선택 - 1부: 특성

애플리케이션에 적합한 인코더는 어떻게 선택합니까? 이 블로그에 답변이 몇 가지 있습니다.

소형 모터가 탑재된 많은 애플리케이션에서 선택하는 피드백 센서는 디지털 증분형 인코더입니다. 이 블로그 시리즈는 위치 및 속도 제어 애플리케이션을 위한 선택을 더 자세하게 살펴보기 전에 가장 중요한 인코더의 특성을 재고하는 것으로 시작합니다.

일반적인 요구 사항은 무엇입니까?

각 애플리케이션마다 다릅니다. 메인 작업은 위치 제어나 속도 제어일 수 있습니다. 속도 제어나 위치 제어의 정확도 수준은 매우 상이할 수 있으며 인코더 선택 전에 정의해야 합니다. 저속(100rpm 미만)에서의 속도 제어는 고속(1000rpm 이상)에서의 속도 제어보다 더 나은 피드백을 필요로 합니다.

부하가 모터에 직접 연결되어 있거나 기어헤드 또는 나사 등과 같은 기계적 변환 시스템이 있을 수 있습니다. 인코더는 일반적으로 모터 샤프트에 장착되지만 부하 자체에도 장착될 수 있습니다. 변환 메커니즘의 기계적 특성은 인코더 선택에 영향을 줍니다: 기어 감소 및 기계적 유격을 고려해야 합니다.

온도, 진동, 전자기 간섭과 같은 환경 조건 또한 인코더 선택에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 광학 인코더는 먼지로부터 보호해야 합니다. 자기 인코더는 모터의 자기장을 포함하여 외부의 자기장에 민감할 수 있으므로 차폐가 필요할 수 있습니다.

증분형 인코더의 핵심적인 특성은 무엇입니까?

증분형 인코더의 특성 매개변수는 모터 회전당 펄스 수입니다. 일반적으로, 동일한 펄스 수를 제공하는 두 개의 채널이 있습니다. 두 신호에는 펄스 길이의 1/4인 상대적 위상 변이가 있습니다. 이러한 배열로 모터의 회전 방향을 감지할 수 있고 펄스당 4개의 고유한 상태가 나타납니다. 때때로, 이러한 상태를 쿼드 카운트라고 부릅니다. 이는 한 채널의 펄스 수보다 4배 더 높은 실제 분해능을 나타냅니다. 1000cpt(회전당 카운트 또는 펄스)인 인코더는 회전당 4000개의 상태 또는 360°/4000 = 0.09°의 공칭 분해능을 제공합니다.

관찰: 인코더의 분해능에 대해 토론할 경우 모든 사람이 동일하게 채널당 펄스 수(cpt) 또는 상태 수(쿼드 카운트)에 대해 이야기하도록 합니다.

디지털 증분형 인코더의 신호. 상태 변경(채널 A 및 B의 신호 에지) 카운트로 한 개의 인코더 채널에서 회전당 카운트 수보다 4배 더 높은 분해능이 나타납니다.

인코더 분해능은 광범위하게 달라질 수 있습니다. 모션 감지에만 사용할 수 있는 매우 간단한 1cpt(또는 4개 상태) 인코더부터 매우 정확한 위치나 속도 피드백을 위한 여러 10,000cpt까지 있습니다. 실현 가능한 인코더 분해능에 영향을 주는 많은 요인들: 몇 가지 예를 들어, 기본 물리적 원리(광학, 자기, 유도 ...), 기본 신호 유형(아날로그 또는 디지털), 신호 처리(예: 보간) 및 기계적 레이아웃. 그러나 이 블로그는 인코더 설계가 아닌 특정 애플리케이션의 제어 요구 사항을 적절한 인코더로 일치시킬 수 있는 방법에 관한 것입니다.

인코더는 얼마나 정확합니까?

분해능(상태 수)으로 공칭 정확도가 나타나며 위치는 1개 상태의 오차 내로 알려져 있습니다. 그러나 인코더 펄스의 길이는 기계적 허용 오차(예: 샤프트 런아웃, 자극 길이 등)로 인해 달라질 수 있습니다. 모터 회전의 한 범위에서의 펄스는 다른 범위의 펄스보다 짧을 수 있습니다. 결과적으로 측정된 위치는 모터가 1회전하는 동안 주기적으로 실제 위치에서 벗어납니다. 

256cpt인 자기 보간 인코더의 측정된 비선형성의 예시. 완벽한 위치에서의 편차는 인코더 신호(1024 쿼드 카운트)의 함수로 표시됩니다. 다이어그램은 1회전의 25회 측정으로 구성됩니다. 1회전 후 편차가 반복되는 현상을 분명하게 볼 수 있습니다. 평균 절대 위치에서의 편차는 약 +/- 0.45° 또는 INL 측면에서 약 0.9°입니다. 주어진 인코더 위치에서 신호 노이즈(지터)는 약 0.3°로 1 상태(360° / 1024 = 0.35°)의 변화에 매우 정확하게 대응합니다.

최대 편차(피크 대 피크)는 통합 비선형성(INL)이라고 합니다. INL은 절대 위치의 정확도가 필요한 애플리케이션에 중요합니다. 반복성(즉, 주어진 설정값에 대해 항상 같은 위치에 도달)은 INL의 영향을 받지 않습니다. 반복성은 오히려 일반적으로 1 상태 미만에 해당하는 신호 지터의 문제입니다.

증분형 인코더와 절대 위치?

증분형 인코더는 단지 위치만 변경합니다. 절대 위치를 지정하려면 우선 기준 위치 또는 정 위치를 설정해야 합니다. 이는 메커니즘을 외부 기준 위치로 이동시켜 설정할 수 있으며 기계적 엔드 스톱 또는 리미트 스위치일 수 있습니다.

일부 인코더에는 회전당 1개의 펄스가 있는 세 번째 채널이 있습니다. 이 인덱스 채널의 에지는 1회전 안에 절대 위치의 기준을 제공해 줍니다. 외부 기준에 대한 제한된 정확도는 인덱스 채널 에지 중 한 곳으로 추가 이동하여 개선할 수 있습니다. 그러나 인덱스 채널은 포지셔닝의 전제 조건이 아님을 유의하십시오. 실제로 기계 제작업체는 모터 인코더 유닛을 교체해야 하는 경우 새로운 보정이 필요하므로 인덱스를 참조용으로 사용하지 않으려고 합니다. 또한 일부 컨트롤러는 인코더 신호를 교차 확인하고 회전당 인코더 수를 감독하기 위해 인덱스 채널을 사용합니다.

인덱스 채널 신호의 에지로 추가 이동하여 기준 위치의 정확도 개선.

신호 전송 시 무엇을 관찰해야 합니까?

긴 라인을 통한 전송과 더 나은 신호 품질을 위해 라인 드라이버가 권장됩니다. 라인 드라이브는 포지셔닝 시 인코더 펄스의 누락을 방지하기 위해 거의 필수적입니다.

라인 드라이버는 각 채널(A, B, I)에 반전 신호(Ā, B̄, Ī)를 생성합니다. 각 신호의 쌍은 함께 전송되고 그 차이가 평가되며 신호 전송 중 전자기 간섭을 필터링합니다. 유익한 부작용으로서 신호 품질은 향상되고 신호 에지는 더욱 더 분명하게 정의되며, 드라이버 기능으로써 더 먼 거리(최대 약 30m)에 신호를 전송할 수 있습니다.

인코더는 최소 공급 전압을 필요로 합니다. 긴 인코더 라인에는 라인 저항과 해당 전압 드롭이 문제가 될 수 있습니다. 따라서 케이블 단면적 및 공급 전압을 점검하십시오.

환경 조건, 견고성

인코더의 표준 작동 온도 범위는 -30°C ~ +100°C이며, 애플리케이션의 대부분과 모터에서 생성되는 열을 포함합니다.

강하게 진동하는 애플리케이션 및 기계적 충격에서는 견고한 기계적 하우징과 케이블의 우수한 스트레인 릴리프가 중요합니다.

광학 인코더는 전자기 간섭에 덜 민감한 반면 자기 인코더는 표유 자기장에 대한 우수한 차폐가 필요합니다. 하우징이 잘 닫히지 않고 꽉 조이지 않는 경우 광학 인코더는 먼지에 민감합니다.

다음 블로그에서는 포지셔닝 및 속도 제어를 위한 인코더 선택에 대해 보다 정확하게 살펴보려고 합니다.