인코더 주요 매개변수 설명
엔코더를 올바르게 평가하고 선택하려면 측정 정밀도, 속도 범위, 환경 적응성, 수명 등 여러 측면에 영향을 미치는 주요 파라미터를 깊이 이해해야 합니다. 본 페이지에서는 각종 엔코더의 전기적·기계적·환경적 파라미터를 보다 전문적이고 상세하게 해설합니다.
1. 분해능 (Resolution)
1.1 정의 및 표기 방식
- 증분(Incremental) 엔코더: PPR(Pulses Per Revolution) 또는 CPR(Counts Per Revolution)로 표기. 일반적으로 1000, 2500, 5000 PPR 등이 있으며, 4배 주파수 시 실제 카운트는 4×PPR에 달함.
- 절대(Absolute) 엔코더: 단회전 분해능을 비트(bits)로 표기(예: 13비트 = 8192 위치), 다회전 분해능은 “다회전 비트수 + 단회전 비트수”(예: 25비트 다회전) 형태.
- 리니어(Linear) 엔코더: LPI(Lines Per Inch), CPI(Counts Per Inch) 또는 “µm/펄스” 등으로 표기.
1.2 분해능과 시스템 성능
- 분해능이 높을수록 미세한 움직임을 감지해 더 정밀한 위치 제어 및 속도 제어가 가능.
- 지나치게 높은 분해능은 고성능 컨트롤러 및 고속 프로세서가 필요하며, 그렇지 않으면 펄스 누락이나 지연 발생.
- 고속 운전 시 분해능이 높으면 펄스 주파수가 커지므로 케이블 및 드라이버의 대역폭 확인 필요.
1.3 추가 사항
- 일부 엔코더는 내부 보간(Interpolation) 기술을 지원해 전자 분해능을 대폭 향상.
- 기계적 분해능(코드휠 실제 선 수)과 전자적 분해능(보간 후 출력)을 구분 요망.
2. 정밀도 (Accuracy)
2.1 광의·협의 정밀도
- 광의 정밀도: 출력 값과 실제 위치 간 최대 편차. 코드휠 오차, 조립 오차, 베어링 가타 등이 영향.
- 협의 정밀도: 일부 제조사는 코드휠 오차나 센서 판독 오차만 표기, 조립·베어링 오차 불포함.
2.2 단위
- 회전 엔코더: arcsec(각초), arcmin(각분), °(도) 또는 분해능 백분율.
- 리니어 엔코더: µm/m, ppm(백만분율) 등.
2.3 오차 원인
- 코드휠/그레이팅 제조 오차: 선 피치 불균일, 편심.
- 센서 비선형: 광전·자기 센서 에지 왜곡.
- 기계적 장착 오차: 편심, 베어링 가타, 플랜지 불일치.
- 환경 영향: 온도 드리프트, 진동, 오염 부착.
2.4 정밀도 향상 및 보정
- 고정밀 등급 코드휠 또는 정밀 광학·자기 소자 채용.
- 레이저 간섭계로 오차 보정, 보정 테이블 작성.
- 베어링 강성 향상으로 가타 저감.
3. 반복 정밀도 (Repeatability)
3.1 개념
- 동일 위치로 복귀 시 출력 일관성을 평가. 절대 오차와 무관.
- 절대 정밀도가 보통이어도 반복 정밀도가 좋으면 소프트웨어 보정으로 고정밀 달성 가능.
3.2 영향 요인
- 기계적 백래시: 기어·커플링·볼스크류 유격 및 탄성 변형.
- 신호 지터: 센서 임계점 검출 불안정.
- 환경 간섭: 온도 변화, EMI, 진동 등.
3.3 개선 방안
- 전송계 최적화, 고품질 커플링 사용해 동심도 확보.
- 다중 샘플링 평균화 및 필터링.
- 진동·노이즈 원 제거.
4. 최대 속도 및 응답 주파수 (Max Speed & Frequency Response)
4.1 최대 속도
- 회전 엔코더: RPM(revolutions per minute) 단위(예: 6000 RPM).
- 리니어 엔코더: m/s 또는 mm/s 단위.
- 최대 속도 초과 시 신호 누락·왜곡으로 정밀도 저하.
4.2 응답 주파수
- 속도 상승 시에도 신호 파형을 보존하고 정확히 카운트할 수 있는 한계 주파수.
- 증분 엔코더 펄스 주파수 = RPM × PPR / 60.
- 절대 엔코더는 통신 속도 또는 갱신 주파수에 좌우.
4.3 주의사항
- 컨트롤러는 고속 카운트 및 시리얼 분석 성능 필요.
- 케이블 및 수신 회로는 대역폭 확보, 노이즈 억제 필요.
5. 전원 전압 및 소비 전력 (Supply Voltage & Power Consumption)
5.1 전원 전압 범위
- TTL 타입: 5 V DC. HTL 타입: 10~30 V DC. 일부 고급형은 4.5~30 V 폭넓은 지원.
- 산업용 이더넷 엔코더는 24 V 시스템 호환.
5.2 소비 전력
- 광학식은 조명 광원 내장으로 소비 전력 상대적으로 높음.
- 자기/정전용량식은 소비 전력 낮으나, 저온 시 예열 필요할 수 있음.
- 고속·고분해능 운전 시 내부 처리·드라이버 소비 증가.
5.3 안정성
- 전원 리플·순간 저하로 리셋이나 펄스 누락 발생.
- 대규모 다축 시스템에서는 전원 케이블 전압 강하 고려.
6. 출력 형태 및 신호 레벨 (Output Types & Signal Levels)
6.1 증분 출력
- A/B/Z 사각파: TTL, HTL, RS422 등.
- 사인파 출력(1 Vpp): 고정밀 그레이팅/자기 엔코더, 보간으로 분해능 확대.
6.2 절대 출력
- 병렬식: Gray 코드, 바이너리 등 다비트 병렬.
- 시리얼식: SSI, BiSS, EnDat 등 동기식 시리얼, 배선 축소·내노이즈성 향상.
- 버스/이더넷: CANopen, Profibus, EtherCAT, Profinet 등 네트워크화.
6.3 아날로그 출력
- 전압(0~5 V, 0~10 V) 또는 전류(4~20 mA). 기존 아날로그 제어 시스템에 적합.
- 전원 리플·케이블 임피던스에 민감.
7. 보호 등급 (IP Rating)
7.1 IP 규격
- IP65: 방진·저압 분사 방수.
- IP67: 단시간 침수 가능.
- IP68: 장시간 수중 동작 가능.
7.2 선택 전략
- 실외, 식품 세척, 고습·분진 환경에는 고등급 IP 엔코더 권장.
- 고등급 IP는 비용 상승·방열·베어링 저항 증가 요인 검토 필요.
8. 베어링 하중 및 기계 수명 (Bearing Load & Mechanical Life)
8.1 베어링 종류 및 하중
- 정밀 볼베어링, 앵귤러 콘택트 베어링 채용.
- 반경 하중(Radial): 축심 수직. 축방향 하중(Axial): 축심 방향.
8.2 수명 및 유지보수
- 고속·고하중·극한 온도 조건에서 수명 단축.
- 세라믹 베어링 or 특수 윤활유 사용 모델로 내구성 강화.
8.3 설치 시 주의
- 유연 커플링·외부 지지대 설치로 반경 하중 분산.
- 동심도 확보로 과도한 토크·진동 방지.
9. 환경 파라미터 (Environment Parameters)
9.1 온도 범위
- 동작 온도: –20 °C ~ +85 °C 권장. 정밀도 보장 범위.
- 보관 온도: 더 넓은 범위지만 광학부·윤활제 열화 주의.
9.2 습도·결로·부식
- 고습·결로 환경에서는 실링·방청 처리 강화.
- 산·알칼리·염수 환경에는 스테인리스 또는 내후성 코팅 외함 사용.
9.3 진동·충격
- g 또는 m/s²로 한계치 표시. 공작기계 주축·자동차 시험대 등 고진동 환경은 고사양 요구.
- 방진 패드·마운트로 충격 저감가능.
9.4 EMC/ESD 대책
- 실드 케이블·적절 접지로 EMI 억제.
- 접지 링·TVS 등 ESD 보호 소자 병용.
10. 기능 안전 및 이중화 (Functional Safety & Redundancy)
10.1 안전 무결성 레벨 (SIL / PL)
- SIL: IEC 61508/62061. PL: ISO 13849.
- AGV, 엘리베이터, 협동 로봇 등 안전 크리티컬 영역은 SIL2/3 인증 모델 권장.
10.2 이중화 설계
- 이중 리드 헤드/이중 채널: 센서 데이터 교차 검증, 장애 시 자동 백업.
- 센서 장애로 인한 다운타임 리스크 대폭 감소.
10.3 내장 셀프체크
- 광원 감쇠, 자기 이상, 과열 감지 시 경보.
- “안전 정지” 또는 “감속 보호” 로직으로 시스템 안전성 강화.
11. 선형성 오차 및 보정 (Linearity & Calibration)
11.1 오차 원인
- 코드휠/자기 패턴 주기 분포 불균일.
- 리드 헤드/스케일 간 간극이나 장착 각도 미세 변동.
11.2 보정 및 보상
- 반도체 검사·정밀 계측 분야는 레이저 간섭계로 오차 곡선 생성, 보정 테이블 작성.
- 일부 엔코더는 내부 메모리에 보정 테이블 저장하여 자동 보상.
11.3 부분 보정 및 시스템 통합
- 소규모 동작 구간만 집중 보정해 고정밀 유지.
- 반복 정밀도 활용으로 극히 높은 위치 결정 정밀도 달성 가능.
12. 종합 선택 및 통합 가이드
12.1 애플리케이션 요구 사항
- 운동 유형: 회전/직선, 속도 범위, 가감속 특성.
- 시스템 정밀도: 분해능, 정확도, 반복 정밀도.
- 환경 제약: IP 등급, 온도 범위, 분진/수증기, 진동 노이즈.
12.2 기계·전기 인터페이스
- 축경, 플랜지 형상, 베어링 하중이 기구계와 호환되는지 확인.
- 전원 전압, 신호 레벨, 통신 프로토콜이 컨트롤러와 일치하는지 검증.
- 케이블 길이, 전압 강하, 신호 감쇄 예측 후 실드/연선 구조 적용.
12.3 설치·조정·유지보수
- 동심도 확보, 과도한 반경/축방향 하중 피하기.
- 유연 커플링 권장, 편심 보상.
- 외함 실링, 방진 링, 케이블·커넥터 체결 상태 정기 점검.
13. 결론
엔코더 선택의 핵심 파라미터를 이해하면 제어 시스템의 효율성과 안전성을 높일 수 있습니다. 주요 지표는 다음과 같습니다:
- 분해능·정밀도·반복 정밀도: 위치 결정 정밀도 및 제어 부드러움
- 최고 속도·응답 주파수: 고속 동작 시 펄스 누락 방지
- 보호 등급·베어링 하중: 혹독한 환경·고하중에서의 안정 수명
- 전기 호환성·통신 인터페이스: 드라이버, PLC, 산업 네트워크와의 효율적 연결
- 기능 안전·이중화: 안전 크리티컬 용도의 신뢰성 확보
이들 파라미터의 의미와 시험 기준을 숙지하여 최적의 엔코더를 선택·통합·유지보수함으로써 산업 자동화 시스템에 높은 효율성과 안전성을 제공합니다.