[TECH REPORT] 로터리 인코더, 고정밀 유도 위치 감지로 한계 극복

[온세미=브라이슨 바니(Bryson Barney) 온세미 제품 마케터] 4차 산업 혁명의 원동력 중 하나는 증가하는 자동화에 대한 효율성과 안전성을 향상시키기 위한 로봇과 코봇(cobot)의 확산이라고 할 수 있다. 조립라인에서 물체를 집어 배치하거나 작업자의 안전을 보장하는 것과 같이 최종 작업을 정밀하게 제어하려면, 각 회전 지점에서 정확한 각도 위치 측정이 가능해야 한다.

실제 로봇의 목표 기능의 정확도는 궁극적으로 각 가동 연결 부위에서의 누적 정확도에 의해 제한된다. 높은 정확도를 제공할 수 있어 광학 인코더(optical encoder)는 산업용 애플리케이션에서 회전 위치를 제공하는 데 일반적으로 사용된다.

다만 광학 인코더는 비싸고 BOM이 크며, 산업 환경에서 흔히 발생하는 오염 물질 및 진동으로 인해 성능이 저하된다. 반면에 유도 로터리 인코더(inductive rotary encoder)는 이러한 요인에 영향을 받지 않고 저렴하지만, 전통적으로 동일한 수준의 성능을 제공하지는 못하면서 높은 정확도가 필요하지 않은 자동차 애플리케이션에서 제한돼 적용됐다.

최근에는 광학 인코더와 동일한 수준의 정확도를 구현하는 유도 센서가 적용된 로터리 인코더가 등장하면서 다양한 산업분야에서 활용되고 있다.

◆ 인코더 선택에서 고려할 점

로터리 인코더는 샤프트의 각위치를 측정하여 디지털 값으로 변환한다. 애플리케이션에 대한 인코더를 선택할 때 핵심 고려사항은 분해능(비트), 정확도(아크초(arcsec)), 반복성, 지연 시간, 속도(RPM) 및 센서 크기(직경 mm)이다. 다양한 기본 인코더 기술 간의 서로 다른 영향(tradeoff)을 이해하면 인코더 선택에 도움이 된다.

분해능

분해능은 완전한 1회전시, 위치에 대한 토탈 코드 수에 의해 결정된다. 따라서 한 번 회전할 때 유한한 수의 코드가 주어지면, 특정 위치 판독값에서 다음으로 가장 가까운 위치까지 변경 가능한 가장 작은 위치값이다. 앱설루트 인코더(absolute encoder)의 분해능은 일반적으로 비트로 표현된다. 인코더에 대한 일반적인 오해는 해상도가 높을수록 시스템의 정확도가 향상된다는 것이다. 하지만 해상도가 높은 것이 반드시 정확도를 높이는 것은 아니라는 점을 인식하는 것이 중요하다. 인코더가 정확도 위해 높은 분해능을 갖는 것이 중요하며, 일반적으로 상당히 효과가 있다.

정확도

인코더 정확도는 인코더의 출력 값과 측정 중인 샤프트의 실제 위치 간의 불일치를 측정한 것이다. 인코더 정확도는 일반적으로 각도, 분각 또는 아크초로 측정된다. 표준 인코더는 약 2.5분각(1도의 3분의 1) 이상의 정확도를 갖는 반면, 고급 정밀 인코더는 5아크초(0.0014도)까지 정확도를 가질 수 있다. 많은 산업용 로봇 애플리케이션에서는 50 아크초 이상의 정확도가 필요하다.

반복성

반복성은 샤프트가 다른 이동 후 동일한 위치로 돌아올 때 시스템이 측정을 얼마나 일관되게 재현할 수 있는지를 나타낸다. 동일한 물리적 위치에 대해 측정된 출력의 차이는 반복 오류로 측정되며, 주로 아크초로 표시된다.

지연 시간

인코더를 선택할 때 고려해야 할 또 다른 매개변수는 시스템의 단계 응답 및 지연 시간이다. 일반적으로 마이크로시간 단위로 표시되는 지연 시간은 위치 측정 시작부터 계산된 위치를 마스터 컨트롤러로 전송할 때까지의 시간 범위이다. 마스터에서 묻는 인코더에 위치값에 대해 얼마나 빠르게 응답을 받을 수 있을지를 고려해야 한다.

속도

센서 변환기에서 들어오는 신호를 감지하고 처리하는 데 사용되는 전자 장치의 유한한 대역폭을 감안할 때, 정확한 위치 측정을 수행하면서 샤프트가 회전할 수 있는 속도는 제한된다. 특정 샤프트 속도에서는 센서 전자 장치는 특정 속도를 따라갈 수 없다.

크기

위치 센서의 크기는 인코더 선택 프로세스에서 중요한 고려사항으로, 최종 애플리케이션마다 크기 제한이 다양하기 때문이다. 정확도는 일반적으로 센서의 직경에 비례한다는 점에 유의해야 한다.

변환기 유형

가장 일반적인 인코더는 광학, 유도 또는 자기 변환기를 사용하여 각 회전을 처리하고 디지털 측정으로 통해 전기 신호로 변환한다. 광학 인코더는 가장 정확하고 자기식 인코더(magnetic encoder)는 가장 정확하지 않다. 유도 인코더의 정확도는 예로부터 두 인코더 중간에 있지만 각 방식의 단점을 보완한다. 광학 인코더는 정확도가 높을수록 비용이 높아진다. 고객은 필요에 맞는 최적의 솔루션을 찾기 위해 신뢰성, 사용 편의성 및 유지보수와 같은 기타 요소뿐만 아니라 시스템 비용에 대한 정확도 요구 사항의 균형을 맞춰야 한다.

◆ 유도 인코더, 온도에 대한 정확도 ‘자기 감지’보다 우위

유도 인코더는 인쇄 회로 기판의 유도 코일로 제조된 금속 트레이스를 사용한다. 다른 회전 인코더와 마찬가지로 유도 인코더는 고정자(Stator)라고 불리는 고정 요소와 로터(Rotor)라고 불리는 이동 요소의 두 가지 주요 부분으로 구성된다.

스테이터는 송신기 코일과 둘 이상의 수신기 코일로 구성된다. 수신기 코일은 회로 기판에 인쇄돼 로터의 위치에 따라 변화하는 신호를 생성한다. 많은 설계에서 센서 신호를 처리하기 위한 전자 회로는 스테이터에 통합돼 있다. 로터는 어떠한 활성 회로도 포함하지 않으며, 강자성 물질 또는 구리와 같은 전도성 물질의 층 또는 패턴을 갖는 기판(예: PCB)으로 이뤄진다. 스테이터의 송신기 코일에 AC 전류가 구동될 때 전자기장이 생성된다. 로터가 센서 위를 통과하면 대상 표면의 전도성 패턴에 와전류가 생성된다. 와전류는 반대 필드(opposite-field)를 생성해 센서와 대상 사이의 플럭스 밀도를 조절하며, 스테이터의 수신 코일에서 전압을 생성한다. 수신기 전압의 진폭과 위상은 목표물이 스테이터에 대해 회전함에 따라 달라지므로 목표물의 위치를 계산할 수 있다.

유도 인코더는 산업용 애플리케이션으로 적합하다. ▲액체 ▲먼지 ▲자기장 ▲EMI 및 강한 진동을 포함해 거의 모든 형태의 오염이나 간섭에 둔감하고 기계적 진동에 대한 감도가 낮아 로터에서 스테이터로의 변환과 로터에서 스테이터로의 회전을 구별할 수 있다. 예를 들어, 회전 운동(측정됨)과 x, y 또는 z 축의 진동(거절될 수 있음)을 구별할 수 있다.

전체 로터 표면과 전체 스테이터 표면 간의 유도 결합에 활용돼 작동을 멈추기 전에 PCB 코일을 절단해야 하는 까닭에 견고성도 보장된다. 특히 자기 인코더와 달리 유도 감지에는 온도 의존성이 없다. 따라서 온도에 대한 유도 인코더의 정확도와 반복성은 자기 감지보다 몇 배 더 우수하다.

◆ 로터리 위치 센서 산업계 요구 대응

유도 인코더의 기능은 산업용 애플리케이션으로써 매우 매력적이지만, 역사적으로 보면 높은 수준의 정확도(예를 들면 <100 아크초)를 필요로 하지 않았고 낮은 회전 속도로 작동하는 경우로 제한적 사용이 됐다.

시장에서는 높은 정확도 및 고속 위치 감지를 제공하기 위해 점점 더 강력한 인코더를 요구하고 있다. 다양한 환경 요인의 간섭 속에서 내성이 뛰어난 유도 인코더는 이러한 산업용 애플리케이션에서 매우 매력적이다. 과거에는 상대적인 부정확성으로 인해 복잡한 전자 기계 시스템에 유도 인코더를 채택하는 것이 제한적이었지만, 최근 발표된 로터리 위치 센서는 산업용 애플리케이션에서 회전 감지를 위한 최적의 솔루션을 제공한다.

온세미는 새로운 이중 유도 로터리 센서 NCS32100을 통해 사용처를 확대하고 있다. NCS32100는 일반적으로 중급 및 고급 광학 인코더의 정확도를 제공한다. 최대 8개의 스테이터 코일과 함께 사용하기 위해 다양한 방식으로 할당할 수 있는 8개의 신호 채널이 있어 정밀하고 대략적인 위치 결정(coarse positioning)을 가능하게 한다.

최적의 스테이터 및 로터 코일과 쌍을 이뤄 고속에서 높은 정확도로 절대 위치를 계산한다. 최신의 유도 인코더 성능을 뛰어넘는 NCS32100은 최대 6000RPM에서 +/-50 arcsec 이상의 정확도를 제공한다. 이는 최대 10만 RPM(정확도 감소)의 속도도 지원할 수 있으며, 구성 설정을 저장하기 위한 플래시 메모리가 있는 Arm 코텍스(Cortex)-M0+ 프로세서를 포함한 고도화 된 통합된 센서이다.