인코더에 대한 궁극적인 가이드: 유형, 애플리케이션 및 이점

1. 인코더 소개

인코더는 주로 기계 동작의 속도, 위치, 각도, 거리 또는 개수를 감지하는 데 사용되는 센서의 일종입니다.

서보 모터와 같은 많은 모터 제어는 기계에 사용되는 것 외에도 모터 컨트롤러에 정류, 속도 및 위치 감지를 위한 피드백을 제공하기 위해 인코더가 필요합니다.

2. 인코더의 분류

엔코더는 아날로그 엔코더와 디지털 엔코더로 나눌 수 있습니다. 아날로그 엔코더는 다시 로터리 트랜스포머와 Sin/Cos 엔코더로 나눌 수 있고, 디지털 엔코더는 인크리멘탈 엔코더와 앱솔루트 엔코더로 나눌 수 있습니다.

3. 일반적으로 사용되는 인코더의 작동 원리

3.1 디지털 인코더의 원리

1） 광전 커플러를 사용하여 기계식 샤프트에 설치된 세그먼트 디스크를 스캔합니다.

기계 코드는 비례하는 전기 펄스 신호로 변환됩니다.

광원(일반적으로 LED)은 수신기(포토다이오드일 수 있음)를 향해 좁은 광선을 방출합니다. 광원과 수신기는 모두 회전하는 연결 베어링의 고정된 부분에 엄격하게 설치됩니다.

인코더는 베어링의 회전 부분에 설치되는 투명한 개구부 또는 창이 있는 음영 디스크입니다.

3.2 광전 디지털 인코더의 원리

베어링이 회전하면 인코더는 광선이 번갈아 가며 통과(디스크의 작은 창을 통과)할 수 있도록 합니다.

포토다이오드는 위치 변화에 따라 그에 상응하는 하이 레벨 또는 로우 레벨 신호를 출력합니다. 포토다이오드의 출력은 특수 회로를 통해 위치 및 속도 정보로 변환할 수 있습니다.

3.2.1 인크리멘탈 인코더의 출력

인크리멘탈 인코더 출력은 원형 투명 및 불투명 표시가 있는 중앙축 광전 디스크로 구성되며, 광전 이미터 및 수신기 구성 요소로 판독하여 A, B, -A, -B로 결합된 구형파 신호를 얻습니다.

각 신호 쌍의 위상차 C는 90도입니다(한 사이클은 360도와 같습니다).

또한 영점 보정 신호가 있으며 인코더는 디스크가 한 바퀴 회전할 때마다 하나의 신호를 출력합니다.

3.2.2 인크리멘탈 인코더의 연결 원리

1. 단상 연결

단방향 카운팅 및 단방향 속도 측정에 사용됩니다.

2. A-B 2상 연결

양방향 카운팅 및 방향과 속도 결정에 사용됩니다.

3. A-B-C 3상 연결

기준 위치 보정을 통한 속도 결정에 사용됩니다.

A-A-B-B-C-C 연결은 대칭 음극 신호 연결 전류로 감쇠가 최소화되고 간섭 방지 기능이 강하며 장거리에서도 출력할 수 있습니다.

방향 결정 방법

A와 B는 위상이 90도 어긋나 있으므로, A가 먼저 발생하는지 B가 먼저 발생하는지 감지하여 방향을 결정할 수 있습니다.

영점 위치 보정 수행 방법

인코더 펄스를 전송하는 동안 간섭 등의 이유로 오류가 발생하여 전송 오류가 발생할 수 있습니다.

이때 적시에 영점 위치 보정을 수행해야 합니다.

C 인코더는 회전할 때마다 제로 펄스 또는 식별 펄스라고 하는 하나의 펄스를 출력하며, 제로 또는 식별 위치를 결정하는 데 사용됩니다.

회전 방향에 관계없이 제로 펄스를 정확하게 측정하기 위해 제로 펄스는 두 채널의 높은 레벨 조합으로 출력됩니다.

채널 간의 위상 차이로 인해 제로 펄스는 펄스 길이의 절반에 불과합니다.

3.2.3 인크리멘탈 인코더의 승수

기술 및 샘플링의 한계로 인해 인코딩 디스크를 더 세밀하고 정밀하게 물리적으로 분할하는 것은 불가능합니다.

그러나 디지털 회로 변환을 통해 더 높은 펄스를 얻을 수 있습니다.

이중 주파수 신호

A 단계와 B 단계를 '독점적 또는' 변환하여 얻습니다.

4중 주파수 신호

카운터는 채널 A와 B의 각 가장자리에서 증가하거나 감소합니다. 카운터의 방향은 어느 채널이 다른 채널을 리드하는지에 따라 결정됩니다.

카운터의 숫자는 매 사이클마다 4씩 증가하거나 감소합니다.

3.2.4 인크리멘탈 인코더의 특징

인코더는 미리 설정된 각 회전 각도에 대해 펄스 신호를 출력하며, 회전 각도는 펄스 신호의 수를 세어 계산합니다.

따라서 인코더가 출력하는 위치 데이터는 상대적입니다.

고정 펄스 신호가 사용되므로 회전 각도의 시작 위치를 임의로 설정할 수 있습니다.

상대 인코딩을 사용하기 때문에 회전 각도 데이터는 손실되며 정전 후에는 재설정해야 합니다.

3.2.5 인크리멘탈 인코더의 문제점

1) 인크리멘탈 인코더는 영점 누적 오차가 있습니다.

2) 간섭 방지 기능이 약합니다.

3) 정전 또는 종료 후 수신 장치의 전원을 끄고 기준 위치를 다시 찾아야 합니다.

앱솔루트 엔코더의 등장으로 이러한 문제가 해결되었습니다.

3.3 앱솔루트 인코더 원리

앱솔루트 인코더에는 여러 개의 광 채널과 선이 새겨진 광 코드 디스크가 있습니다.

각 채널은 2, 4, 8, 16 등의 줄을 순차적으로 사용하여 코딩됩니다.

인코더의 모든 위치에서 조명 채널을 읽고 켜짐/꺼짐 상태를 사용하여 2^0에서 2^(n-1) 범위의 그레이 코드라고 하는 고유한 이진 코드를 얻습니다(여기서 n은 절대 인코더의 비트 수입니다).

인코더의 위치는 라이트 코드 디스크에 의해 기계적으로 결정되므로 정전이나 간섭의 영향을 받지 않습니다.

3.3.1 앱솔루트 인코더 코드 디스크

광코드 디스크는 광전 커플러 그룹으로 스캔하여 각 위치에서 고유 코드를 얻습니다. 각 위치에는 고유한 코드가 있습니다.

앱솔루트 인코더의 출력 코드는 다음과 같습니다:

1. 자연 바이너리 코드: 0000 0001 0010 0011 0100

2. 회색 코드: 0000 0001 0011 0010 0110

회색 코드 특성:

숫자 표현에서 인접한 정수는 단 하나의 차이만 있으므로 디지털 변환 회로(예: 3-4, 0011-0100)에서 큰 피크 전류가 발생하는 것을 방지할 수 있습니다.

바이너리-그레이 코드 변환 형식:

상위 자릿수는 유지되고 두 번째로 높은 자릿수는 상위 자릿수와 두 번째로 높은 자릿수(이진)에 "배타적 또는" 연산을 수행하여 얻습니다.

소수점 및 회색 코드에 대한 참조.

3.3.2 앱솔루트 인코더의 출력 포맷

1. 병렬 출력 모드

이 모드에서는 데이터의 각 비트(비트 채널)당 하나의 케이블이 있으며, 각 케이블의 신호 레벨(높음 또는 낮음)은 1 또는 0을 나타냅니다.

물리적 장치는 인크리멘탈 엔코더와 유사하며 물리적 장치 형식에 따라 콜렉터 오픈 PNP, NPN, 차동 드라이브, 푸시풀, 차동 하이/로우 유효 등 다양한 유형이 있습니다.

병렬 출력은 일반적으로 그레이 코드 인코더라고도 하는 그레이 코드의 형태입니다.

2. 동기식 직렬 인터페이스(SSI) 출력

이 모드에서는 데이터가 집중되어 케이블 그룹을 통해 전송됩니다. 데이터 출력은 타이밍을 지정하는 통신 프로토콜에 따라 순서가 지정됩니다.

직렬 출력은 더 적은 연결선을 사용하고 더 먼 거리까지 전송할 수 있어 인코더의 보호 및 안정성을 크게 향상시킵니다.

하이비트 앱솔루트 인코더와 멀티턴 앱솔루트 인코더는 일반적으로 직렬 출력을 사용합니다.

3. 비동기 직렬 형식

이 모드에서는 질문과 답변을 통해 명령과 데이터가 교환되며 인터페이스는 이중입니다. 대표적인 예로 두 개의 케이블만 필요한 RS485 인터페이스를 들 수 있습니다.

데이터 콘텐츠는 인코더의 위치 값 또는 인스트럭션에서 요청한 기타 콘텐츠일 수 있습니다.

예를 들어 각 인코더에 주소를 추가하면 여러 인코더가 전송 케이블과 후속 수신을 공유할 수 있습니다. 이 형식을 필드버스 유형이라고 합니다.

4. 하이브리드 인코더의 원리

인크리멘탈 인코딩과 앱솔루트 인코딩은 모두 동일한 디스크에 통합되어 있습니다.

디스크의 가장 바깥쪽 원에는 고밀도 증분 스트라이프가 있고 가운데 부분은 앱솔루트 인코더의 이진 그레이 코드 채널입니다.

디스크의 회전은 회전당 펄스 수를 세어 표시하며, 일주일 동안 회전한 각도는 회색 코드의 숫자 값을 사용하여 계산합니다.

멀티턴 앱솔루트 인코더: 단일 회전 앱솔루트 엔코더를 기반으로 클럭 기어 메커니즘의 원리를 사용하여 기어 전송을 통해 중앙 디스크의 회전을 다른 디스크 세트 (또는 여러 세트의 기어 및 디스크)로 전송하여 단일 회전 코딩을 기반으로 회전 수의 코딩을 추가하여 엔코더의 측정 범위를 확장합니다.

평행광이 격자를 통과할 때 생성되는 모아레 프린지의 강도는 코사인 함수에 가까워집니다.

감광성 요소의 1/4 모아레 프린지 4개를 모아레 프린지 이동 방향에 배치하면 4개의 사인 및 코사인 출력 신호 세트를 얻을 수 있습니다.

사인-코사인 인코더의 출력 형태

선형 인코더

리니어 엔코더는 물체의 선형 이동 거리를 측정하고 측정된 거리를 펄스 전기 신호 출력으로 변환합니다.

간단히 말해서 로터리 엔코더의 디스크를 직선으로 늘리는 원리입니다.

그레이팅 스케일 인코더

격자 변위 센서의 작동 원리는 격자 쌍의 마스터 격자(즉, 스케일 격자)와 보조 격자(즉, 표시 격자)가 상대적으로 변위되면 빛의 간섭과 회절이 모아레 프린지라고 하는 규칙적인 흑백(또는 밝고 어두운) 줄무늬 패턴을 생성한다는 것입니다.

동일한 흑백(또는 밝고 어두운) 줄무늬는 광전 장치를 통해 사인파를 변화시키는 전기 신호로 변환됩니다.

성형 회로로 증폭 및 성형 후 위상차가 90도인 두 개의 사인파 또는 구형파 신호를 얻어 격자형 디지털 디스플레이로 전송하여 카운팅 및 표시합니다.

로터리 변압기

리졸버라고도 하는 회전식 변압기는 제어 목적으로 사용되는 마이크로 모터의 일종입니다.

기계적 회전을 특정 수학적 함수에 의해 회전 각도와 관련된 전기 신호로 변환하는 간접 측정 장치입니다.

로터리 트랜스포머의 원리

1. 회전 변압기는 로터 각도에 따라 변화하는 전압을 출력하는 신호 구성 요소입니다.

여자 권선이 특정 주파수의 교류 전압에 의해 여기될 때 출력 권선의 전압 진폭은 로터 각도와 사인 또는 코사인 함수 관계에 있거나 일정한 비례 관계를 유지하거나 특정 범위 내에서 로터 각도와 선형 관계를 갖습니다.

2. 회전 변압기의 고정자와 회전자 사이의 자속 분포는 사인 법칙을 따릅니다.

따라서 고정자 권선에 여자 전압이 인가되면 위 그림과 같이 회전자 권선은 전자기 결합을 통해 유도 기전력을 생성합니다.

출력 전압의 크기는 로터의 각도 위치에 따라 달라지며, 따라서 로터의 변위에 따라 정현파로 변화합니다.

변압기 원리에 따라 1차 권선의 권선 수가 N1이고 2차 권선의 권선 수가 N2라고 가정할 때, k = N1 / N2는 권선 비율입니다. 1차 권선에 AC 전압이 인가될 때

로터리 트랜스포머 적용

1. 위상 감지 모드

유도 전압의 위상각은 로터의 기계적 회전각과 동일합니다.

따라서 로터 출력 전압의 위상각이 감지되는 한 로터 회전 각도를 알 수 있습니다.

2. 진폭 감지 모드

실제 애플리케이션에서는 변조 전압의 전기적 각도를 지속적으로 변경하여 기계적 각도의 변화를 추적하고 유도 전압의 진폭을 측정하여 기계적 각도 변위를 얻을 수 있습니다.

5. 인코더 설치 시 주의사항

기계적 측면:

1. 설치 시 허용되는 샤프트 하중에 주의하세요;

2. 인코더 축과 사용자 축의 차이가 없는지 확인합니다. 출력 샤프트 가 0.20mm 미만이고 축으로부터의 편차 각도가 1.5° 미만인 경우입니다;

3. 설치 중에는 샤프트와 디스크의 손상을 방지하기 위해 부딪히거나 떨어뜨리거나 충돌하지 않도록 주의하세요;

4. 장기간 사용하는 동안 인코더를 고정하는 나사가 느슨하지 않은지 정기적으로 점검합니다(분기당 1회).

전기적 측면:

1） 접지선은 가능한 한 두껍고 일반적으로 1.5제곱밀리미터 이상이어야 합니다;

2） 출력 회로의 손상을 방지하기 위해 엔코더의 출력 와이어가 서로 겹치지 않아야 합니다;

3） 인코더의 신호선은 출력 회로 손상을 방지하기 위해 DC 전원이나 교류 전류에 연결하지 않아야 합니다;

4） 인코더에 연결된 모터와 같은 장비는 접지가 잘 되어 있고 정전기가 없어야 합니다.

6. 인코더 차폐 케이블 설치.

로터리 엔코더의 내부 구조 다이어그램.