인크리멘탈 인코더 자석과 앱솔루트 인코더 자석: 선택 가이드

마그네틱 엔코더는 모션 제어 시스템에서 없어서는 안 될 센서로 기계 동작의 각 변위, 선형 변위, 속도 및 가속도를 측정하는 데 사용됩니다. 그중에서도 마그네틱 엔코더는 내오염성과 내구성이 뛰어나 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 다양한 출력 신호에 따라 마그네틱 엔코더는 크게 두 가지 범주로 나뉩니다: 인크리멘탈 엔 코더와 앱솔루트 엔코더.

1. 인크리멘탈 엔코더

인크리멘탈 엔코더는 마그네틱 링 (또는 마그네틱 스케일)의 자기장 변화를 이용해 주기적인 전기 신호를 생성하여 상대 변위를 측정하는 장치입니다.

1.1 기본 작동 원리

• 자기 링 구조: 인크리멘탈 마그네틱 링은 동일한 폭의 N극과 S극 자극 쌍이 둘레를 따라 번갈아 가며 배열되어 있습니다.
• 신호 생성: 센서(예: 자기저항 센서 또는 홀 센서)는 회전하는 자기 링의 자기장 변화를 읽고 위상차가 90°인 두 개의 구형파 신호를 생성하며, 일반적으로 위상 A와 위상 B(또는 사인/코사인 신호)라고 합니다.
  • 자극 쌍의 수에 따라 인코더의 분해능이 결정됩니다(자극 쌍 하나는 신호 주기 하나에 해당).
• 변위 측정: 각 회전 중에 위상 A와 위상 B는 일련의 펄스를 출력합니다. 시스템은 이러한 펄스의 수를 세어 변위량을 계산합니다.
• 방향 결정(직교 디코딩): 위상 A와 위상 B 사이의 90° 위상차를 사용하여 회전 방향을 결정합니다.
  • 시계 방향 회전: 위상 A의 상태가 변경될 때 B ≠ A(즉, 위상 B가 위상 A보다 뒤처짐)이면 시계 방향 회전을 나타냅니다.
  • 시계 반대 방향 회전: 위상 A의 상태가 변경될 때 B = A(즉, 위상 A가 위상 B에 뒤처지거나 위상 B가 위상 A를 리드)인 경우 시계 반대 방향 회전을 나타냅니다.

1.2 인크리멘탈 인코더의 특징

• 상대 위치: 인크리멘탈 엔코더는 상대 변위 정보, 즉 마지막 측정 지점에서부터의 변위 변화량만 제공합니다.
• 전원 차단 메모리: 전원 차단 메모리 기능이 없습니다. 시스템의 전원이 꺼지면 펄스 카운터가 0으로 재설정되고 엔코더는 현재 위치를 알 수 없습니다. 전원을 다시 켜면 절대 위치를 결정하기 위해 기준점(원점 복귀 작업)을 찾아야 합니다.
• 산업용 애플리케이션: 속도 제어 및 고정 길이 절단과 같이 시작 시점의 정확한 위치를 알 필요는 없지만 동작 속도와 상대 거리의 정밀한 측정이 필요한 시나리오에 적합합니다.

---

2. 인덱스/참조 마크가 있는 인크리멘탈 인코더

정전 후 인크 리 멘탈 엔코더가 0으로 돌아가야 하는 문제를 해결하기 위해 "원점" 또는 "제로 위치" 신호가 도입되었으며, Z 위상 또는 참조 표시라고도 합니다.

2.1 작동 원리

• Z 위상 신호: 위상 A와 위상 B 외에도 고유한 기준 표시(일반적으로 특수한 자극 또는 간격)가 마그네틱 링에 추가됩니다. 전체 회전당 하나의 펄스 신호만 생성하는데, 이것이 바로 Z 위상 신호입니다.
• 절대 위치 결정:
  1. 전원을 켜면 인코더가 회전을 시작합니다.
  2. Z 위상 펄스가 나타나면 시스템은 현재 펄스 수를 0으로 지우거나 알려진 초기 절대 위치로 설정합니다. 이 Z 펄스 포인트는 "원점" 역할을 합니다.
  3. 그 후 A/B 펄스를 카운트하여 원점을 기준으로 한 절대 위치를 알 수 있습니다.
• 실제 적용 로직: 비디오에서 프린터가 시작될 때 들리는 "삐걱거리는" 소리는 인크리멘탈 엔코더가 Z 위상 원점을 찾는 과정입니다. 산업 제어에서는 이 프로세스를 호밍이라고 하며, 시작 전에 반드시 완료해야 하는 중요한 단계입니다.

2.2 산업용 애플리케이션

공작 기계, 로봇, 프린터 등 좌표계를 설정하기 위해 호밍 작업이 필요한 장비에 일반적으로 사용됩니다. 절대식 엔코더보다 비용이 저렴하면서도 호밍 작업을 통해 절대 위치를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.

2.3 인크리멘탈 엔코더의 신호 처리: 직교 디코딩 및 곱셈

인크리멘탈 엔코더는 위상 A, 위상 B, 위상 Z 신호를 출력합니다. 이러한 신호는 일반적으로 간섭 방지 기능을 향상시키기 위한 차동 신호(예: RS-422)입니다.

• 신호 처리의 핵심: 직교 디코딩

컨트롤러(예: PLC 또는 모션 제어 카드)는 위치 및 방향 정보를 얻기 위해 A/B 신호를 처리해야 합니다:

1. 방향 결정: 위상 A와 위상 B 사이의 위상차(90°)를 기준으로 회전 방향(시계 방향/반시계 방향)을 결정합니다.
2. 펄스 카운팅: 방향에 따라 펄스를 누적 또는 감소시켜 총 변위량을 얻습니다.

• 정밀도 향상: 곱셈 기술

위치 분해능을 개선하기 위해 일반적으로 원본 펄스를 직접 계산하지 않고 곱셈 기술을 사용합니다:

• 1배 곱셈: 카운팅은 위상 A의 상승 에지에서만 발생합니다.
• 2배 곱셈: A 단계의 상승 에지와 하강 에지 모두에서 카운트가 발생합니다.
• 4배 곱셈: 가장 일반적으로 사용되는 방법으로, 인코더의 공칭 해상도를 4배로 높여주는 4배 곱셈은 위상 A와 위상 B의 모든 에지(상승 및 하강 에지)에서 카운팅이 발생합니다.

인코더에 회전당 펄스 수(PPR)가 N개라고 가정하면 4배 곱셈을 적용한 후 컨트롤러가 수신하는 실제 해상도는 회전당 카운트 수(CPR)가 4N개가 됩니다.

• 속도 계산

속도 계산은 단위 시간 내에 수신된 총 펄스 수를 취하여 이루어집니다.

$$회전 속도(RPM) = \frac{펄스 수 \times 60}{시간 간격(초) \times CPR}$$

회전 속도(RPM)

• 전체 이름: 분당 회전 수.
• 의미: 장치(예: 모터 샤프트, 휠)가 분당 회전하는 전체 회전 수를 나타내는 최종 계산 결과입니다. 엔지니어링 및 기계 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 회전 속도 단위입니다.

펄스 수

• 의미: 설정한 시간 간격 내에 인코더 또는 센서가 감지한 총 펄스 수입니다.
• 물리적 의미: 인코더가 회전하는 동안 특정 각도를 지나 회전할 때마다 하나의 전기 펄스를 출력합니다. 펄스 수가 많을수록 같은 시간 내에 회전하는 각도 또는 회전 수가 커집니다.

시간 간격(초)

• 단위: 초(초).
• 의미: 펄스 수를 측정하는 데 사용하는 시간 간격입니다. 예를 들어 0.1초 이내에 50개의 펄스를 세었다면 여기서 '시간 간격'은 0.1초입니다.

CPR

• 전체 이름: 회전당 횟수.
• 의미: 사용 중인 인코더 또는 센서의 고유한 매개변수입니다. 장치가 한 번 완전히 회전할 때마다(360도) 출력되는 카운트 수를 나타냅니다.
• 중요도: 고정된 값으로, 사용 중인 장치의 사양 설명서에 따라 결정해야 합니다.
• 영점 위치/원점 처리(Z 위상)

Z 위상 신호는 절대 위치를 보정하는 데 사용됩니다. 시스템 시작 또는 원점 복귀 중에 사용됩니다:

1. 시스템이 고속으로 이동하여 Z 위상 펄스를 찾습니다.
2. Z 위상 펄스(일반적으로 폭이 1 ~ 2 A/B 펄스 주기)가 나타나면 컨트롤러는 즉시 카운터를 0으로 재설정하거나 사전 설정된 절대 시작 위치로 설정합니다.

---

3. 앱솔루트 인코더

앱솔루트 엔코더는 전체 회전 주기 동안 절대 위치를 나타내는 고유한 디지털 코드를 제공합니다.

3.1 절대 위치의 정의 및 장점

• 절대 위치: 모든 측정은 현재 각도에 해당하는 디지털 코드를 직접 출력하며, 이 코드는 0°에서 360° 사이에서 고유합니다. 샤프트의 특정 각도(예: 10.5°, 180°, 359.9°)에 대해 인코더는 고유한 디지털 코드를 출력합니다. 모든 위치에는 고유한 "ID 번호"가 있습니다.
• 전원 차단 메모리: 가장 큰 장점은 전원 차단 메모리가 있다는 것입니다. 언제 전원이 인가되더라도 원점 복귀할 필요 없이 현재 위치를 즉시 출력할 수 있습니다.

3.2 앱솔루트 엔코더의 작동 원리

앱솔루트 마그네틱 엔코더는 일반적으로 멀티 트랙 또는 노니우스 원리를 채택하여 절대 위치 결정을 수행합니다. 아래 다이어그램은 노니우스 원리를 기반으로 하는 싱글턴 앱솔루트 엔코더를 보여줍니다.

3.2.1 노니우스 원리

노니우스 원리의 핵심은 자극 쌍의 수가 서로 다른 두 개의 자기 트랙(자기 링)을 사용하여 신호 주기의 차이를 통해 절대 위치를 결정하는 것입니다.

• 마그네틱 링 구조: 두 개의 자기 트랙이 사용됩니다:
  • 마스터 트랙: 자극 쌍의 수가 P라고 가정합니다(예: 비디오에 표시된 것처럼 6개의 자극 쌍).
  • 노니우스 트랙: 자극 쌍의 수가 P-1(예: 비디오에 표시된 것처럼 5극 쌍)이라고 가정합니다.
• 신호 생성 및 계산:
  1. 미세 해상도: 두 트랙은 각각 두 세트의 사인/코사인 신호(예: 사인(MT) 및 사인(NT))를 생성하여 하나의 자극 주기 내에서 미세한 위치를 계산하는 데 사용됩니다. 이는 전기 신호 보간 기법을 통해 이루어집니다.
  2. 거친 해상도: 두 트랙의 자극 수가 서로 다르기 때문에 트랙이 회전함에 따라 트랙 간의 위상차가 주기적으로 변합니다.
     • 완전한 360° 회전 주기 내에서 마스터 트랙과 노니우스 트랙은 0°에서 360°까지 변화하는 총 위상차(또는 카운트 차이)를 생성합니다.
     • 이 고유한 위상 편차는 마스터 자극 주기 카운트 역할을 하며, 인코더가 현재 어느 마스터 자극 주기에 있는지 구분하는 데 사용됩니다.
• 절대 위치 계산 공식:
  절대 포지션 = 마스터 기간 수 + 마스터 보간법

3.3 앱솔루트 인코더의 유형

• 싱글턴 앱솔루트: 0°-360° 범위 내에서 절대 각도를 측정하지만 회전 수는 기록할 수 없습니다.
• 멀티턴 앱솔루트: 단일 회전 절대 위치 측정을 기반으로 기어 세트 또는 기타 카운팅 메커니즘을 추가하여 회전 수를 기록하므로 더 넓은 절대 위치 범위를 제공합니다.

3.4 산업용 애플리케이션

앱솔루트 엔코더는 고성능 서보 시스템을 위한 최고의 선택입니다. 원점 복귀가 필요하지 않은 특성 덕분에 장비 효율성과 안전성이 크게 향상됩니다:

• 로봇 공학 및 자동화: 로봇 조인트와 암 스팬의 정밀한 위치 제어에 사용됩니다.
• CNC 공작 기계: 메인 스핀들 및 이송 축에 대한 정확한 위치 피드백.
• 중장비: 크레인, 항만 기계 등 정전 상황에서도 현재 위치 정보가 유지되도록 보장합니다.
• 영구 자석 동기 모터(PMSM) 정류: 드라이브 전원이 켜진 후 절대 위치 정보를 사용하여 직접 전자식 정류를 수행하여 즉각적이고 원활한 모터 시동을 달성할 수 있습니다.

3.5 앱솔루트 인코더의 신호 처리: 직렬 통신 프로토콜

앱솔루트 엔코더는 디지털 위치 코드를 직접 출력하므로 신호 처리의 핵심은 통신 프로토콜로, 데이터 전송의 정확성과 실시간 성능을 보장합니다.

• 일반적인 프로토콜: BiSS-C 및 SSI

프로토콜	SSI(동기식 직렬 인터페이스)	BiSS-C(양방향/동기식 직렬)
유형	단방향, 동기식 직렬 통신	양방향, 동기식 직렬 통신(가장 일반적)
원리	컨트롤러가 클록 신호를 보내면 엔코더가 위치 데이터를 동기식으로 전송합니다.	SSI의 단방향 기능을 포함하며 인코더 파라미터를 읽고 쓸 수 있는 리턴 채널을 추가합니다.
특징	간단하고 안정적이며 중간 정도의 실시간 성능.	고성능 서보 시스템에 사용되는 고속, 높은 실시간 성능(나노초 수준의 지연 시간).
데이터 내용	주로 위치 데이터.	위치 데이터 + 체크섬(CRC) + 경고/진단 정보.

• 신호 처리 흐름(BiSS-C를 예로 들어)
  1. 클록 생성: 서보 드라이브(컨트롤러)가 고속 클록 신호(일반적으로 수MHz~10MHz)를 생성합니다.
  2. 데이터 요청: 컨트롤러는 클록 신호를 통해 인코더에 데이터를 전송하도록 알립니다.
  3. 데이터 전송: 인코더는 최대 수십 비트의 디지털 위치 코드, CRC 체크섬 및 오류 상태 비트를 컨트롤러에 동기식으로 전송합니다.
  4. 검증 및 구문 분석:
     • CRC 검증: 컨트롤러는 수신된 데이터에 대해 순환 중복 검사를 수행합니다. 검증에 실패하면 데이터가 잘못된 것으로 간주되어 일반적으로 알람이 트리거되거나 이전 주기의 위치를 사용합니다.
     • 구문 분석: 데이터 스트림을 구문 분석하여 24비트 또는 26비트와 같은 고정밀 위치 단어를 추출합니다.
• 서보 제어에 앱솔루트 인코더 적용

호밍 작업이 필요 없는 앱솔루트 엔코더의 특성으로 인해 고성능 서보 시스템에 선호되는 선택입니다:

• 전원 켜기 시 위치 결정: 서보 드라이브의 전원이 켜진 후 한 번의 통신으로 모터의 절대 각도를 얻을 수 있으므로 원점 복귀에 시간을 낭비할 필요가 없습니다.
• 전자식 정류: 영구 자석 동기 모터(PMSM)의 경우 시동 토크를 정확하게 출력하려면 로터의 정확한 초기 위치를 알아야 합니다. 앱솔루트 엔코더는 이 정보를 직접 제공하므로 드라이브가 전자식 정류를 바로 수행하여 모터를 원활하고 즉각적으로 시동할 수 있습니다. 반대로 인크리멘탈 엔코더는 먼저 "영점 찾기" 또는 "초기 각도 식별" 프로세스가 필요합니다.

요약하면, 인크리멘탈 엔코더의 신호 처리는 하드웨어 카운팅과 소프트웨어 곱셈에 중점을 두는 반면, 앱솔루트 엔코더의 신호 처리는 고속 직렬 통신과 데이터 검증에 중점을 둡니다.

---

4. 요약 비교: 인크리멘탈 인코더와 앱솔루트 인코더 비교

특징	인크리멘탈 인코더	인덱스/참조 마크가 있는 인크 리 멘탈 엔코더	앱솔루트 인코더
위치 출력	펄스 수(상대 위치)	펄스 수(상대 위치)	고유 디지털 코드(절대 위치)
전원 차단 메모리	아니요	아니요	예
시작 작동	반드시 홈(Z 단계 검색)	귀환해야 함(Z 단계 검색)	귀환 필요 없음
신호 유형	A/B 위상(구형파/사인-코사인)	A/B 위상 + Z 위상	멀티트랙 코드/노니우스 신호
복잡성 및 비용	낮음	중간	높음
일반적인 애플리케이션	속도 제어, 컨베이어	공작 기계 호밍, 프린터	로봇 조인트, 고정밀 포지셔닝