엔코더로 스마트한 모터 제어를
엔코더로 스마트한 모터 제어를
  • 오현식 기자
  • 승인 2019.05.08 09:30
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BLDC 모터 확산으로 엔코더 중요성 증가

로터리 엔코더는 거의 모든 모션 제어 애플리케이션에 필수적인 요소이지만, 오늘날 그 중요성은 더욱 높아지고 있다. 제어·정밀성·효율성 측면에서 더 큰 이점을 지닌 BLDC 모터가 확산되고 있기 때문이다. 또한 엔코더는 정확한 모션 시스템을 위한 필수 요소로, 더 지능화된 모션 제어에 대한 요구가 높아지는 상황도 엔코더의 가치를 제고시키고 있다. 스마트 모션 구현을 위한 엔코더 기술을 살핀다.  

엔코더의 역할은 간단하다. 바로 모터 축의 위치를 시스템 컨트롤러에 정확히 표시하는 것이다. 이 정보를 사용하면 컨트롤러는 모터 권선을 정확하고, 효율적으로 제어할 수 있을 뿐 아니라 모션 컨트롤 루프가 원하는 모터 성능을 유지하는데 필요한 속도·방향·가속도를 결정할 수 있다. 

엔코더는 다양한 기술에 기반할 수 있다. 그런데 이들 기술들은 모두 [그림 1]처럼 A와 B의 쿼드러처 시그널의 표준 디지털 출력과 일부 모델의 인덱스 출력을 제공한다. 또한 엔코더는 [그림 2]에서 볼 수 있듯 U/V/W의 정류 위상 채널 출력도 제공한다.

광학 엔코더의 표준 A/B 직교 신호와 색인 신호
광학 엔코더의 표준 A/B 직교 신호와 색인 신호
엔코더로 생성된 U, V, W 파형
엔코더로 생성된 U, V, W 파형

 

엔코더 기술별 장·단점
엔코더 기술 중  가장 잘 알려진 세 가지는 광학식(optical)과 자기식(magnetic), 그리고 용량식(capacitive) 기술이라고 할 수 있다.
먼저 광학식은 한 면에 LED가 있고 반대면에 포토 트랜지스터가 있는 슬롯 디스크를 사용하는 방식이다. 디스크가 회전에 따라 광 경로를 차단함으로써 펄스가 축 회전 및 방향을 나타내는 것으로, 저렴한 비용으로 효과적이지만 먼지·오일 등과 같은 오염 물질에 의해 광 경로를 방해받을 수 있다는 단점이 있다. 또  제한적인 LED의 수명도 단점으로 꼽힌다. 

자기식 인코더는 자기장을 사용한다는 점을 제외하고는 광학식 엔코더와 유사하다. 슬롯형 광학 휠 대신 자기 저항 센서 어레이를 회전시키는 자기 디스크를 사용하며, 휠의 회전에 따라 센서가 응답을 발생시켜 샤프트의 위치를 파악하도록 하는 것이다. 자기식 엔코더는 광학신 엔코더의 내구성을 개선할 수 있지만, 전기 모터의 자기 간섭 영향을 받기 쉬워 신뢰성이 문제될 수 있다. 

광학식·자기식 엔코더의 단점을 보완하는 기술이 용량식 엔코더이다. 고정 전극과 슬라이더 전극 사이의 정전용량의 변화를 이용하는 용량식 엔코더 기술은 저비용이지만, 마모의 우려가 없으며, 먼지·오일과 같은 오염 물질로부터 자유로워 더 높은 신뢰성을 지닌다. 또 용량식 기술은 해상도 조정 기능이 있어 더 높거나 낮은 해상도를 위해 엔코더를 변경할 수 있는 이점을 제공한다. 

성능·유연성·신뢰성의 이점 외에도 용량식 엔코더는 제품 개발부터 설치와 유지보수에 이르는 모든 인코더 사용 단계에서 더 많은 이점을 제공하며, 특히 미래의 제조 환경인 디지털 환경에 최적화된 기능을 제공한다. 디지털 기반으로 내장형 ASIC과 마이크로컨트롤러를 사용하여 추가 기능과 더 향상된 성능을 제공할 수 있는 것이다. 또 용량식 엔코더의 스마트한 출력은 표준 엔코더 출력과 100 % 호환되는 동시에 여러 가지 방식으로 성능과 시나리오를 변경할 수 있다. 

용량식 엔코더의 작동 방식
용량식 엔코더의 작동 방식

빠르고 손쉬운 활용
CUI의 용량식 엔코더인 AMT31 시리즈를 예로 들면, 먼저 간단하고 빠른 원터치 영점 조정의 이점을 제공한다. 광학식 혹은 자기식 엔코더를 사용해 모터 권선과 정류 신호를 기계적으로 정렬하는데 정렬-파형 관찰-미세 조정 등 여러 단계가 필요한 것과 달리 AMT31 시리즈는 적절한 모터 위상을 활성화해 샤프트를 원하는 위치에 고정시키고, 이 위치에서 엔코더를 ‘제로’로 명령하는 간단한 방식으로 영점 조정을 완료할 수 있다. 시간으로 환산하면 15~20분의 작업을 단 1~2분에 완료할 수 있는 것이다. 

또한 AMT 시리즈의 디지털 기능은 시스템 설계 프로세스를 크게 향상시켜 유연성과 진단 기능을 제공하고 모터 및 모터 컨트롤러 성능을 평가할 수 있게 한다. 단일 용량식 엔코더가 광범위한 해상도 및 폴 쌍 값을 지원할 수 있기 때문에 설계자는 이 프로그래머블 해상도 기능을 사용하여 컨트롤러나 알고리즘 개발 중에 PID 제어 루프의 응답 및 성능을 동적으로 조정할 수 있다.

나아가 내장된 인텔리전스 기능을 사용하면 신속한 현장 고장 분석을위한 온보드 진단도 가능하다. 엔코더가 제대로 작동하는지 또는 샤프트의 기계적 오정렬 또는 기타 문제로 인해 일종의 고장이 발생했는지 여부를 파악하는 엔코더 테스트 시퀀스 등을 통해 오류를 신속하게 판단하고 조치할 수 있다. 

마지막으로 디지털 인터페이스를 통해 BOMbill of materials을 단순화할 수 있다. 엔코더는 소프트웨어에서 특정 변형(PPR, 극쌍 및 정류 방향)에 맞게 조정할 수 있으므로 다중 모터 제품, 혹은 여러 버전을 나열하고 재고할 필요가 없게 된다. 

AMT Viewpoint 소프트웨어 화면
AMT Viewpoint 소프트웨어 화면

GUI로 더 편리하게
다른 한편으로 윈도우 PC 기반의 CUI 용량식 엔코더용 AMT Viewpoint 소프트웨어는 개발 속도를 높이고, 모델 번호 및 버전 확인과 같은 시간이 많이 걸리는 평범한 작업을 간단한 작업으로 전환시킨다. USB 케이블만 있으면 엔코더와 인터페이스가 가능하며, 간단한 직렬 데이터 형식을 구현할 수 있는 것. 또 [그림 4]와 같은 GUI를 사용하면  사용자가 응용 프로그램의 필요에 맞게 엔코더를 조정하고 사용자 지정할 수 있다.

GUI의 설정 화면을 통해 사용자는 주요 인코더 파형과 타이밍을 볼 수 있으며, 엔코더 옵션이 변경되면 자동 조정도 가능하다. GUI를 통해 인코더를 프로그래밍하는 데는 몇 번의 키 스트로크만이 필요하기에 사이클 완료까지 소요되는 시간은 30초 정도에 불과하다. A, B, 인덱스 또는 정류 모드용 엔코더의 정렬 및 영점 조정은 단 몇 초 만에 완료된다. 

데모 모드에서는 GUI를 통해 실제 엔코더가 부착된 것처럼 관련 작업을 수행할 수 있다. 이는 구매 또는 실제 사용 전 엔코더와 툴에 익숙해질 수 있는 방법이다. 이와 함께 GUI는 출력 포맷, 슬리브(보어) 어댑터, 장착베이스 등의 옵션을 포함하는 특정 엔코더 버전에 대한 주문 가능한 부품 번호 생성까지 지원한다.

향상된 성능과 신뢰성
용량식 엔코더의 이점은 성능·신뢰성 향상 이상이다. ASIC/마이크로 컨트롤러를 내장한 CUI의 AMT31과 같은 엔코더는 프로그래밍 가능한 인텔리전트 기능을 제공하여 운영 통찰력을 높이고 재고 관리의 단순화를 지원한다. 

이 기능을 PC 기반 GUI와 결합하면 사용이 쉽우면서 동시에 정교한 기능을 구현할 수 있어 프로토 타입 설계부터 설치 및 구성, 진단까지 엔코더 사용의 모든 측면을 크게 단순화할 수 있다. 또한 표준 출력 유형과의 호환성을 유지하면서 더 낮은 전력 소비로 에너지 비용도 낮출 수 있다.