인코더 선택 - 3부: 속도 제어

일반적인 심층 분석에서는 매우 정밀한 속도 제어를 위해서는 가장 높은 인코더 분해능이 필요한 것으로 나타납니다. 인코더 분해능은 요구되는 속도 정확도의 제곱으로 증가합니다. 또한, 빠른 속도 제어 루프가 필요하며 높은 질량의 관성은 속도 안정성에 유익한 영향을 줍니다.

• 참고: 인코더의 분해능만이 정확하고 역동적 속도 제어에 영향을 미치는 것은 아닙니다. 이는 시스템 전체의 반응입니다. 반응 시간은 전원 공급 장치와 컨트롤러의 전류 및 전압 제약, 제어 루프의 샘플링 속도, 질량 관성, 마찰 변동 및 기계적 작동에 따라 제한될 수 있습니다.

증분형 인코더를 사용한 속도 평가는 어떻게 진행됩니까?

속도는 컨트롤러에서 주어진 시간 주기 내에서 상태 변경 수를 계산하여 평가됩니다. 예를 들어, EPOS2에서 속도 컨트롤러의 샘플링 속도는 1kHz입니다. 따라서 내부 속도는 500cpt 인코더(회전당 2000qc)에서 속도 분해능이 30rpm에 해당하는 ms당 쿼드 카운트 정수(qc/ms)로 측정됩니다. 인코더 분해능이 낮을수록 이 속도 양자화는 더 높아집니다.

이는 디지털 수집으로 인한 계측 문제임을 강조해야 합니다. 시스템이 작동하는 방식이 아닌 측정 대상입니다. 모터의 실제 속도가 설정값을 추정하고 기계적 관성(플라이휠 효과)으로 인해 그 값을 유지합니다. 평균 속도를 중심으로 변동하는 측정값일 뿐입니다.

맥슨 MR 인코더로 모터에 기록된 속도 신호. (EPOS2 스튜디오 데이터 레코더의 스크린샷.) 검정색 라인은 센서의 속도 판독값입니다. 이 속도는 1qc/ms 분해능에 해당하는 30rpm 단위로 점프합니다. 또한 신호는 모터가 1회전하는 시간으로부터 30ms의 스테밍 기간을 나타냅니다. 녹색의 평균 속도는 이 주기를 보다 분명하게 보여줍니다. 이 평균 속도 신호는 모터의 실제 속도에 더 가깝습니다. 그러나 이러한 경우에는 오히려 인코더의 불완전성을 반영하고 있습니다. 그렇지만, 평균 신호의 속도 정확도에는 2000rpm의 속도에서 약 3rpm의 편차가 있으나 오히려 좋습니다!

고속에서의 속도 제어

인코더의 전자 부품은 취급할 수 있는 최대 펄스 주파수를 제한하므로 인코더의 최대 속도를 제한합니다. 일부의 경우, 이러한 제한은 불균형과 장착 공차와 같은 기계적 고려 사항에서 비롯됩니다.

컨트롤러 측의 인코더 입력에 있어서 주파수 제약 또한 고려해야 합니다. 매우 빠른 속도가 요구되는 경우에는 해당되는 낮은 인코더 분해능을 선택해야 합니다.

수천 rpm의 고속에서 몇 퍼센트로 변하는 상대 속도는 여러 10 rpm의 절대 정확도에 해당하며 도달하기가 상당히 간단합니다. 

규칙 #4: 고속 제어를 위한 인코더(> 500rpm)

상태 수가 중간이거나 적은 인코더 및 최대 속도가 충분히 높은 등급인 인코더를 선택하십시오. 많은 경우, 맥슨 EASY 인코더는 완벽한 솔루션입니다. 일반적으로 고정밀 광학 인코더는 필요하지 않습니다. 경험 법칙: (속도, rpm) x (인코더 분해능, cpt) > 100,000rpm cpt는 지금까지 대부분의 애플리케이션에 충분합니다.

저속에서의 속도 제어

속도 평가의 상태 카운팅 유형이 고속에서는 속도 제어가 우수한 반면, 매우 낮은 속도에서는 어려워집니다. 5% 또는 3rpm의 정확도로 유지해야 하는 초당 1회전의 속도, 60rpm을 상상해 보십시오. 위와 동일한 500cpt 인코더와 1ms 제어 주기 시간으로는 안정적이고 부드럽게 제어되는 속도를 얻을 수 없을 것입니다.

절대 속도의 변동을 줄이기 위해서는 더 높은 인코더 분해능과 더 빠른 컨트롤러가 필요합니다. 위에 설명된 상황에 5000cpt의 인코더를 상상해 보십시오. 10배 더 많은 피드백을 얻습니다. 그러나 제어 루프는 저속에서도 절대 속도 편차를 작게 유지하기 위해 더 빠르게 반응할 수 있어야 합니다. 두 가지 요구 사항은 인코더에 대한 요구를 증가시킵니다. 인코더 분해능은 절대 속도 정확도의 제곱으로 증가합니다: 허용된 속도 변동의 절반은 4배 더 높은 인코더 분해능을 필요로 합니다. 

일부 컨트롤러에서는 매우 낮은 속도에서 속도 평가의 대체 방법이 가능합니다. 이는 2개의 상태 사이에서 경과하는 시간을 측정합니다. 속도 피드백 값은 더 균일해져서 더 단단하고 더 역동적인 제어가 가능합니다.

EPOS4 컨트롤러에서는 저속에서 속도 관측기(speed observer)라고 불리는 다른 방법의 사용이 가능합니다. 속도 관측기는 제어 루프의 한 요소입니다. 관측기는 관찰된 속도를 두 가지 단계로 계산합니다. 첫째, 시스템의 기계적 전달 함수를 정의하는 매개변수를 기반으로 속도, 위치 및 외부 토크를 예측합니다. 둘째, 새로 측정된 로터 위치를 기반으로 예측된 값을 측정합니다.

그러나 아직은 분해능이 높고 컨트롤러가 빠른 인코더가 유리합니다.

규칙 #5: 저속 제어를 위한 인코더(< 100 rpm)

빠른 컨트롤러와 함께 상태 수가 많거나 매우 많은 인코더를 선택하십시오.