인코더는 모션 제어 제품에서 일반적이며 로터리 인코더는 산업 자동화 장비 및 프로세스 제어, 로봇 공학, 의료 장비, 에너지, 항공 우주 등을 포함한 모션 제어 피드백 루프의 핵심 구성 요소입니다.
기계적 동작을 전기 신호로 변환하는 장치인 엔코더는 엔지니어에게 전체 시스템의 성능을 최적화하는 데 사용할 수 있는 위치, 속도, 거리 및 방향과 같은 기본 데이터를 제공합니다.
광학, 자기 및 정전 용량은 엔지니어가 사용할 수 있는 세 가지 주요 엔코더 기술입니다. 그러나 최종 적용에 가장 적합한 기술을 결정하기 위해 고려해야 할 여러 가지 요소가 있습니다.
이 기사에서는 광학, 자기 및 정전식 엔코더 기술에 대한 개요를 제공하고 각 기술의 장단점에 대해 간략하게 설명합니다.
1. 광학 인코더
옵티컬 엔코더는 수년 동안 모션 제어 애플리케이션 시장에서 인기 있는 선택이었습니다. 엔코더 코드 플레이트의 양쪽에 위치한 LED 광원(일반적으로 적외선 광원)과 광검출기로 구성됩니다.
코드 플레이트는 플라스틱 또는 유리로 만들어지며 일련의 투명 및 불투명 선 또는 슬롯이 간격을 두고 배열됩니다. 코드 디스크가 회전할 때 LED 광학 경로는 코드 디스크에 간격을 두고 배열된 라인 또는 슬롯에 의해 차단되므로 축의 회전 및 속도를 결정하는 데 사용할 수 있는 두 개의 일반적인 구형파 A 및 B 직교 펄스를 생성합니다. .
광학, 자기 및 용량성 엔코더의 기술 분석
그림 1: 인덱스 펄스를 포함한 광학 인코더의 일반적인 A 및 B 직교 펄스(사진 제공: CUI Devices)
광학 엔코더가 널리 사용되지만 여전히 몇 가지 단점이 있습니다. 산업 응용 분야와 같이 먼지가 많고 더러운 환경에서는 오염 물질이 코드 플레이트에 축적되어 광학 센서로의 LED 빛 전송을 차단할 수 있습니다.
오염된 코드 디스크는 구형파의 불연속성 또는 완전한 손실로 이어질 수 있기 때문에 광학 인코더의 신뢰성과 정확도에 큰 영향을 미칩니다.
Led는 서비스 수명이 제한되어 있으며 결국 소손되어 인코더 오류로 이어집니다. 또한 유리 또는 플라스틱 코드 디스크는 진동이나 극한의 온도로 인해 손상되기 쉬우므로 열악한 환경 응용 분야에서 광학 인코더의 적용 가능성이 제한됩니다. 모터에 조립하는 것은 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 오염 위험도 더 큽니다.
마지막으로, 광학 엔코더의 해상도가 높으면 100mA 이상의 전류를 소비하므로 모바일 또는 배터리 구동 장치의 적용에 더 많은 영향을 미칩니다.
2. 마그네틱 엔코더
자기 인코더는 광학 인코더와 구조가 유사하지만 광선 대신 자기장을 사용합니다. 마그네틱 엔코더는 슬롯형 광학 코드 디스크를 홀 효과 센서 또는 릴럭턴스 센서 열에서 회전하는 간격을 둔 자극이 있는 마그네틱 코드 디스크로 대체합니다.
코드 플레이트가 회전하면 이러한 센서가 반응하고 결과 신호가 신호 컨디셔닝 프런트 엔드 회로로 전송되어 샤프트의 위치를 결정합니다.
광학식 엔코더에 비해 자기식 엔코더는 내구성이 뛰어나고 진동과 충격에 강하다는 장점이 있습니다. 또한 광학 엔코더의 성능은 먼지, 오물 및 오일 얼룩과 같은 오염 물질의 경우 크게 저하되는 반면 자기 엔코더는 영향을 받지 않으므로 열악한 환경 응용 분야에 적합합니다.
그러나 모터(특히 스테퍼 모터)에서 발생하는 전자기 간섭은 자기 엔코더에 큰 영향을 미치며 온도 변화도 위치 드리프트를 유발합니다.
또한 자기 인코더의 분해능과 정확도는 상대적으로 낮고 이 점에서 광학 및 용량성 인코더보다 훨씬 낮습니다.
3. 정전식 엔코더
정전식 엔코더는 회전자, 고정 송신기 및 고정 수신기의 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 정전 용량 감지는 한 쌍의 수신기/송신기로 구성된 가변 커패시터를 형성하기 위해 고정 요소에 한 극이 있고 MOVING 요소에 다른 극이 있는 스트립 또는 선형 패턴을 사용합니다.
로터는 모터 샤프트가 회전할 때 특정하지만 예측 가능한 신호를 생성하는 사인파 패턴으로 에칭됩니다. 그런 다음 이 신호는 엔코더의 온보드 ASIC에 의해 변환되어 축의 위치와 회전 방향을 계산합니다.
광학, 자기 및 용량성 엔코더의 기술 분석
그림 2: 인코더 디스크 비교(사진 제공: CUI Devices)
4. 정전식 엔코더
정전식 엔코더는 디지털 버니어 캘리퍼스와 동일한 원리로 작동하므로 광학 및 자기 엔코더의 많은 단점을 극복하는 솔루션을 제공합니다.
CUI Devices의 AMT 인코더 라인에 사용되는 정전 용량 기반 기술은 매우 안정적이고 매우 정확한 것으로 입증되었습니다.
LED나 가시선이 필요하지 않기 때문에 정전식 엔코더는 광학 엔코더에 악영향을 미칠 수 있는 먼지, 오물 및 기름 얼룩과 같은 환경 오염 물질이 있는 경우에도 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.
또한 광학 엔코더에 사용되는 글래스 코드 디스크보다 진동 및 초고온/저온에 덜 민감합니다.
앞서 언급한 바와 같이 정전식 엔코더는 LED가 타지 않기 때문에 광학 엔코더보다 서비스 수명이 더 긴 경향이 있습니다.
결과적으로 정전식 엔코더는 패키지 크기가 더 작고 6~18mA의 전체 분해능 범위에서 더 적은 전류를 소비하므로 배터리 구동 응용 제품에 더 적합합니다.
정전 용량 기술의 견고성, 정확도 및 분해능은 자기 인코더보다 높기 때문에 전자파 간섭 및 전기적 잡음은 자기 인코더에 큰 영향을 미치지 않습니다.
또한 정전식 엔코더의 디지털 특성은 유연성과 프로그래밍 가능성 측면에서 주요 이점을 제공합니다. 광학식 또는 자기식 엔코더의 해상도는 엔코더 플레이트에 의해 결정되기 때문에 다른 해상도가 필요할 때마다 새로운 엔코더가 사용되므로 설계 및 제조 공정의 시간과 비용이 증가합니다.
그러나 정전식 엔코더는 프로그래밍 가능한 분해능 범위가 있어 설계자가 새로운 분해능이 필요할 때마다 엔코더를 교체해야 하는 수고를 덜 수 있으므로 재고가 줄어들 뿐만 아니라 PID 제어 루프 미세 조정 및 시스템 최적화도 간소화됩니다.
정전식 엔코더는 BLDC 모터가 시작될 때 펄스 설정의 디지털 정렬 및 인덱싱을 허용하며, 이는 광학 엔코더에 대해 반복적이고 시간이 많이 소요될 수 있는 작업입니다.
내장형 진단 기능을 통해 설계자는 시스템 데이터에 추가로 액세스하여 현장에서 시스템을 최적화하거나 문제를 해결할 수 있습니다.
광학, 자기 및 용량성 엔코더의 기술 분석
그림 3: 정전 용량, 광학 및 자기 기술에 대한 핵심 성능 지표 비교(사진 제공: CUI Devices)
5. 옵션에 무게를 잰다
많은 모션 제어 응용 분야에서 온도, 진동 및 환경 오염 물질은 엔코더가 처리해야 하는 중요한 문제 요소입니다. 용량성 엔코더가 이러한 문제를 극복할 수 있음이 밝혀졌습니다.
광학 또는 자기 기술과 비교하여 설계자에게 안정적이고 정확하며 유연한 솔루션을 제공합니다.
또한 정전식 인코더는 현대 사물 인터넷(IoT) 및 산업용 사물 인터넷(IIoT) 응용 제품에 더 적합하도록 만드는 디지털 기능인 프로그래밍 가능성 및 진단 기능을 추가합니다.