오늘날 다양한 애플리케이션이 속도나 위치 제어를 위해 피드백을 요구하고 있다. 피드백 장치는 요구되는 성능과 정확성을 기계가 유지하고 있는지를 확인하는 것에서 중요한 역할을 수행한다. 피드백 장치에 대해 대해 알아보자.
피드백 센서는 정확한 제어 변수(속도, 방향, 위치, 충분한 해상도)를 측정할 수 있어야 한다.
일반적인 가이드라인에서는 모니터링되는 변수의 지정된 정확도보다 10배 높은 해상도가 제안된다. 피드백은 일반적으로 모터에 장착되지만, 일부 애플리케이션에서는 부하에서 직접 피드백을 사용하기도 하기 때문이다. 이는 데드타임을 발생시키는 원인으로 작용할 수 있으므로 이러한 잠재적 상황에 대한 보상을 위해서는 높은 품질 관리가 요청되는 것이다.
속도 피드백
속도 제어만 필요한 애플리케이션의 경우, 가장 저렴한 피드백 장치 중 하나는 바로 타코미터Tachometer이다. 가장 인기있고 보편적으로 받아들여지는 것은 회전 방향을 나타내는 극성과 속도에 정비례하는 출력 전압을 제공하는 영구 자석 설계인데, DC 타코미터는 [V = S×Ke]라는 공식에 따라 출력 전압을 제공한다. 여기서 V는 생성된 출력 전압(볼트)이며, S는 회전 속도(Krpm)를 의미한다. Ke는 타코미터 전압 상수(volts/Krpm)이다.
DC 타코미터는 광범위한 기능을 가지고 있으며, 정격 속도 범위 내에서 작동할 경우 선형 동작을 제공한다. 일반적으로 6000rpm 이상의 정격 속도와 공기 역학 리프트, 브러시 바운스 또는 정류자 런아웃 등으로 선형 특성의 저하가 초래될 수 있지만, 대부분의 속도 제어 애플리케이션의 경우에는 이 속도 범위가 허용된다.
애플리케이션에 대해 선택된 타코미터 전압 상수는 작동 속도에 따라 달라진다. 예를 들어, 선택 항목이 2.0V/Krpm와 19.5V/Krpm이고, 애플리케이션 속도가 100rpm인 경우, 출력 전압은 각각 0.2V(0.100×2.5)와 1.95V가 된다. 즉 속도가 낮을수록 전압 상수는 더 높아지기 때문에 조절이 더 용이하고, 더 정확한 속도 제어가 가능하다. 고속 애플리케이션의 경우에는 회로를 포화시키지 않도록 낮은 타코미터 전압을 선택하는 것이 바람직하다.
그런데 DC 타코미터에서 제공되는 아날로그 신호는 주로 아날로그 제어기와 함께 사용된다. 오늘날 대부분의 최신 제어 장치는 디지털에 기반하기에 DC 타코미터의 사용은 점차 보편적이지 않은 상황이 되고 있다.
DC 타코미터의 대안으로, 느린 속도에서는 디지털 제어 기능이 있는 하이 펄스 카운트 엔코더High pulse count Encoder를 사용할 수 있다. 밀리 초 단위로 rpm의 정확도를 측정하기 위한 엔코더 분해능은 [R=(1/rpm)×(60,000/4)]이다. 여기서 R은 분해능, 회전당 엔코더 카운트(cpr)를 의미하며, rpm은 분당 회전 수의 정확도이다. 60,000은 분당 밀리세컨드, 4는 스퀘어 펄스당 쿼드카운트이다.
예를 들어 원하는 정확도가 5rpm 일 경우에 [R=(1/5)×(60,000/4) = 3000]으로, 회전 당 3000카운트의 분해능을 가진 엔코더가 요구된다.
위치 피드백
위치 결정 응용 분야에 적합한 피드백 장치를 선택할 때 파악해야 할 사항은 원점 배치 전략Homing strategy과 정확도 요구Accuracy requirement이다.
먼저 원점 배치 전략은 애플리케이션·기계가 모터·로드를 스위치 클로저·포인트로 이동시켜 원점이나 참조 위치를 결정할 수 있는지 확인하는 것에서 시작된다. 원점 위치를 결정할 수 없을 경우라면, 앱솔루트absolute 피드백 장치가 필요하다. 패러렐 앱솔루트Parallel absolute나 SSISerial Synchronous Interface 피드백은 애플리케이션의 포지셔너와 성능에 따라 선택한다. 원점으로 이동할 수 없는 애플리케이션의 경우, 리졸버Resolver, 엔코더Encoder와 같은 증분 피드백 장치를 사용할 수 있다.
정확도 요구는 부하에서 필요한 정확도와 피드백 장치가 제공할 수 있는 정확도, 그리고 해상도와 비교하는 방법을 결정하는 것이다. 이를 위한 다양한 피드백 장치의 예는 <표 1>과 같이 정리할 수 있다. 이 예제에서 엔코더는 채널 A와 B에서 각각 1000과 2500 펄스(ppr)를 보이는데, 컨트롤이 양/음의 전환을 표시하므로 분해능이나 회전당 카운트(cpr)는 펄스 수의 4배가 된다.
예를 들어 볼 스크류(pitch=5rev/in)를 사용하는 애플리케이션이 +/- 0.0008″(초각)의 정확도를 요구하는 경우, 해상도 요구 사항은 [ØM=2PX]로 결정된다. 여기서 ØM은 모터 샤프트에서의 변위(라디안)이며, P는 볼 나사 피치(회전 / 인치), X는 선형 변위 정확도(인치)이다. 이로 인한 회전 정확도는 [ØM=2(5) (+/- 0.0008)=+/- 0.02512 라디안]이 된다. 라디안을 도 단위로 변환하면, [X=0.02512×360˚/2 = +/- 1.4˚]이다.
이때 피드백 장치가 제공할 수 있어야 하는 최소 회전 수는 [cpr = 360/1.4 = 250카운트/회전(cpr)]이어야 한다. 규칙상 해상도는 이 수치의 10배가 되어야 하므로 목표가 2500cpr 이상인 경우에 적합하다.
<표 1> 의 피드백 장치를 고려할 때, 결론은 다음의 세 가지로 요약된다. ①500ppr 엔코더는 2000cpr의 분해능을 제공하지만, 이는 정확도를 충족하지 못한다. ②1000ppr 엔코더는 4000cpr의 분해능을 제공하여 지정된 정확도를 충족한다. ③리졸버와 SSI는 모두 16,384cpr의 해상도를 제공하므로 둘 다 사양을 충족시킨다.
기타 고려 사항
속도가 높거나 시간당 카운트가 많을 때 고려해야 할 특별한 매개 변수가 존재한다. 바로 대역폭과 주파수이다.
대역폭은 전기 시스템이 상태를 바꿀 수 있는 최대 속도로, 펄스에 반응하려면 회로가 높음high에서 낮음low으로 전환하는 데 일정 시간이 필요하다는 점이다. 다시 말해 높은 입력 속도 또는 높은 주파수에서 엔코더는 더 이상 두 상태를 올바르게 전환할 수 없게 된다.
모든 엔코더에는 신호를 출력할 수있는 최대 주파수가 존재하는데, 이 한계는 인코더의 최대 작동 주파수Maximum Operating Frequency라고 불린다. 예를 들어 100,000Hz의 최대 대역폭을 가진 2000ppr 인코더의 경우, 전기적으로 실행할 수 있는 최대 속도는 초당 50회전 또는 3000rpm이 된다. 인코더의 최대 실행 속도는 대역폭을 ppr로 나눠 도출되기 때문이다.
다른 고려 사항은 엔코더 신호를 수신하는 컨트롤의 대역폭이다. 엔코더에는 한계가 있고, 이는 제어 시스템(카운터, 모터 제어 장치, PLC)에서도 마찬가지이다. 하지만 많은 최신 제어 장치에서는 인코더용 고 대역폭 전용 회로를 제공하고 있다.
<표 2>는 출력, 펄스/회전, 정확도를 위한 다양한 피드백 디바이스에 대한 비교이다. 정확도는 +/- 카운트로 ppr이 높을수록 애플리케이션의 정확도는 높아지는데, 그만큼 많은 비용이 요구된다.
피드백 장치를 선택하기 위한 또 다른 요구 사항은 환경 조건이다. 자동차나 항공 분야처럼 주변 온도가 높거나 낮은 환경이 그 예이다.
