자기 인코더
자기식 엔코더는 다극 자석과 자기 센서를 핵심으로 하여 회전 또는 직선 변위를 전기 신호로 변환한다. 오일/분진/진동에 강하고, 동작 온도 범위가 넓으며, 설치 허용오차가 큰 것이 장점으로, 산업 자동화, 자동차 및 중장비, 로봇, 옥외 장비에서 널리 쓰이는 위치 피드백 장치다.
자기식 엔코더란?（What is a Magnetic Encoder）
자기식 엔코더는 자기장의 주기적 변화를 이용해 위치와 속도를 측정하는 센서 시스템이다. 전형적인 구성은 자석(다극 자기 링/자기 테이프/방사·축 방향 자화 자석)과 리드헤드(자기 센서 칩과 신호 컨디셔닝 회로)로 이뤄진다. 리드헤드는 규정된 에어갭 내에서 변위에 따라 변하는 사인/코사인 성분을 감지하고, 아날로그 프런트엔드(AFE) 및 보간/디코딩을 거쳐 증분 A/B/Z, 사인/코사인 1 Vpp(또는 전류형 11 µApp) 또는 절대 위치(SSI/BiSS/SPI/EnDat 등)를 출력한다.
광학식 엔코더와 비교하면, 자기식 엔코더는 환경 내구성이 뛰어나고 수명이 길며 비용이 유리하다. 다만 극한의 분해능, 선형도, 세분화 오차(SDE)에서는 하이엔드 광학식 대비 다소 열세일 수 있다.
동작 원리（Working Principle）
1) 자기 센싱 기술
- 홀(Hall): 저비용, 성숙하고 신뢰성 높음. 위치/각도 정확도는 중간, 온도 드리프트 보상이 필요.
- AMR(이방성 자기저항): 홀보다 감도가 높고 잡음에 강함.
- GMR/TMR(거대/터널 자기저항): 최고 감도와 저잡음, 더 높은 분해능과 더 작은 에어갭 지원. TMR은 온도 드리프트가 더 낮으나 비용이 높음.
- 차동 검출: 동상/역상 채널로 외란 자계와 공통 모드 온도 드리프트를 상쇄하여 내노이즈 성능 향상.
2) 신호 형성과 각도 연산
- 자석이 원주 또는 직선 방향으로 N/S가 교대로 자화되어 주기적 자계를 형성하면, 리드헤드는 sin/cos에 근접한 두 신호를 얻는다. 각도는 다음과 같이 계산할 수 있다:
theta = atan2(V_sin, V_cos) - 디지털 보간 또는 위상고정루프(PLL)로 각도/변위를 세분화한다. 절대식은 다회전/단회전 코드, 중복 카운트, 프로토콜 프레임을 통해 유일 코드를 출력한다.
3) 속도–주파수 관계（순수 텍스트 식）
- 회전형:
f ≈ (RPM / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - 선형형:
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
(여기서 RPM은 회전수, pole_pairs는 극쌍 수, edges_per_cycle은 전기 주기당 유효 에지 수, v는 선속도, p는 자기 테이프의 극피치)
분류（Classification）
- 운동 형태별: 회전 엔코더(링/방사·축 방향 자석, 축상(on-axis)/오프축(off-axis)) / 선형 엔코더(다극 자기 테이프/자기 격자).
- 출력별: 증분식(A/B/Z, TTL/HTL/RS422; 사인/코사인 1 Vpp, 11 µApp) / 절대식(SSI/BiSS-C/SPI/EnDat, 게이트웨이를 통한 CANopen/EtherCAT 등).
- 자석별: 다극 자기 링(내/외경 장착, 고정 극피치), 방사/축 방향 자화 자석(저극쌍, 소형), 플렉서블 자기 테이프(장거리 스트로크, 설치 용이).
- 센서 칩별: 단일 칩 각도 센서(AFE + CORDIC/SIN/COS 통합) / 디스크리트 AFE + ADC + MCU/FPGA 보간·코딩.
출력 및 인터페이스（Outputs & Interfaces）
| 분류 | 신호 형태 | 대표 적용 |
|---|---|---|
| 증분 사각파 | A/B(+Z), TTL/HTL/RS422 | PLC 고속 카운트, 속도/위치 루프 |
| 사인/코사인 | 1 Vpp, 11 µApp | 고분해 보간, 저 SDE 응용 |
| 절대 직렬 | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | 절대 위치, 다회전 카운트, 진단 |
| 필드버스/산업 이더넷 | CANopen, EtherCAT, PROFINET(인터페이스 모듈 경유) | 다축 동기화, 원거리 전송, 온라인 진단 |
핵심 사양（Key Specifications）
| 지표 | 전형 범위 / 설명 |
|---|---|
| 분해능 | 회전: 12–18 bit(홀/AMR), 18–20+ bit(GMR/TMR + 보간); 선형: 본체 격자 5–50 µm, 보간 1–5 µm, 최상급은 서브마이크론 가능 |
| 각도 정확도 | 회전 절대: ±0.05° ~ ±0.5°(자석과 편심에 의존) |
| 반복성/지터 | 반복성 ±0.05° 이내; 지터는 SNR 및 보간 클록에 좌우 |
| 세분화 오차(SDE) | 통상 ±0.1° 이내(최상급 ≤ ±0.03°); 선형형은 µm 단위 |
| 자기 에어갭 | 0.5–2.5 mm(자석 에너지 등급과 센서 어레이에 따라) |
| 극피치/극쌍 | 링: 2–64 극쌍이 일반적; 테이프 극피치 2–5 mm가 흔함 |
| 최대 속도 | 기계 회전수 10,000+ RPM; 선형 > 3 m/s(인터페이스에 의존) |
| 온도 범위 | −40 °C ~ +125/150 °C(차량용 등급), 온도 보상 필요 |
| 오염/보호 | IP50–IP67; 오일 미스트/분진/쿨런트에 우수 |
| EMC/ESD | 산업/차량용 EMC 요구 충족, 차동/실드 설계가 관건 |
주: 실제 성능은 자석 재질·자화 품질, 편심/틸트, 에어갭, 실드, 알고리즘 보상의 합성 영향에 좌우됨.
자석 및 기구 설계（Magnet & Mechanics）
- 자석 재질 선택: NdFeB(고에너지, 탈자 민감 → 온도 관리 필요), SmCo(고온 안정, 고가), 페라이트(저가, 부피 큼).
- 자화 방식: 방사/축 방향 자화 또는 다극 링 자화; 극피치 균일성은 선형성과 고조파 오차에 직결.
- 기하 공차: 편심(runout)은 1·2차 고조파 각도 오차 유발; 틸트/축 흔들림은 진폭·위상 불균형과 왜곡 초래.
- 에어갭 공차: 과대 시 진폭 감쇠 및 SNR 저하; 과소 시 간섭·마찰 및 온도 미스매치 위험.
- 잡자계 내성: 차동 구조, 자속 집중 또는 실드 링 설계, 모터 스테이터 치 고조파로부터 거리 확보; 필요 시 stray-field immunity 평가.
오차와 보상（Error Sources & Compensation）
- 진폭/위상 불균형·타원 오차: AGC, 위상 밸런싱, 타원 보정으로 SDE 저감.
- 온도 드리프트: 센서 온도 계수와 자석 잔류자기(remanence)의 온도 의존성 모델링; 온도 실측 기반 온라인 보정.
- 편심/극피치 오차: 출하 시 LUT 선형화 또는 시스템 인시투 보정(다점 피팅/고조파 보상).
- 잡자계/EMI: 차동 배선, RS422 전송, 실드와 단일점 접지; 필요 시 연자재(soft iron) 실드 추가.
- 다회전 카운팅: 정전 시 유지 방안으로 에너지 하베스팅/기어/FRAM/NVRAM을 사용, 중복 일치성 검증 시행.
타 기술과의 비교（Comparisons）
| 기술 | 분해능/정확도 | 환경 적응성 | 비용 | 대표 적용 |
|---|---|---|---|---|
| 자기식 엔코더 | ★★★☆(최대 18–20+ bit) | ★★★★★ | ★★☆ | 산업/차량, 가혹 환경, 장수명 |
| 광학식 엔코더 | ★★★★★(nm/arcsec 급) | ★★☆ | ★★★★ | 정밀 공작기계, 계측, 반도체 플랫폼 |
| 유도식(인덕티브) 엔코더 | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | 고온/강한 EMI, 중장비 |
| 리졸버 | ★★☆(아날로그 복조) | ★★★★★ | ★★★ | 고진동/고온 모터 피드백 |
| 포텐쇼미터 | ★ | ★★ | ★ | 저비용, 단수명/저정밀 |
적용 분야（Applications）
- 산업 자동화: 컨베이어 및 중량 기구, 서보/스테핑 하이브리드 시스템, 엘리베이터 및 항만 장비.
- 자동차/교통: 모터 정류/위치, 조향/페달, 섀시/시트 위치(ISO 26262 환경).
- 로봇/협동로봇: 관절 각도, AGV/AMR 휠 엔코더, 옥외 이동 플랫폼.
- 재생에너지/옥외 장비: 태양광·풍력 추적, 밸브/액추에이터, 광산/건설 기계.
설치 및 통합 요점（Installation & Integration）
- 정렬/동축도: 회전형은 위치 결정 숄더/지그 활용, 반경/면 런아웃 제어; 선형형은 자기 테이프 직선도와 지지체 안정성 확보.
- 에어갭 설정: 데이터시트 기준으로 전온도 범위 마진 확보; 최소 SNR과 최대 속도에서 진폭 여유 검증.
- 배선·종단: RS422 차동 또는 전류형 우선; 임피던스 매칭, 실드, 단일점 접지로 루프 방지.
- 프로토콜 파라미터: SSI/BiSS/SPI/EnDat의 프레임 길이, CRC, 타이밍, 알람 비트가 컨트롤러와 일치해야 함.
- 중복·안전: 중요 축은 이중 채널/이중 센서와 일치성 모니터링(SIL/PL 또는 ASIL) 적용.
표준 및 적합성（Standards & Compliance）
- IEC 60529(IP 보호) / IEC 60068-2(진동/충격/고저온/습열)
- IEC 61000-6-2 / 6-4(산업용 EMC 내성/방출), ISO 7637(차량용 과도 현상)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262(기계/드라이브/자동차 기능 안전)
- AEC-Q100/Q200(차량용 등급 부품 신뢰성 — 센서 칩/수동 소자 대상)
실제 요구 적합 항목은 업종/프로젝트 요구에 맞춰 조정.
선택 가이드（Selection Guide）
- 목표 정확도: 각도 정확도/선형도, 분해능, SDE, 지터 목표.
- 센서 기술: Hall(비용 우선) / AMR / GMR / TMR(분해능·온도 안정 우선).
- 자석 구성: 다극 링/테이프/단일 자석; 극피치·치수, 재질·온도 등급.
- 출력 인터페이스: 증분/사인-코사인 또는 SSI/BiSS/SPI/EnDat; 필드버스 게이트웨이·온라인 진단 필요 여부.
- 환경·수명: IP 등급, 온도/오일 미스트/분진, 잡자계 내성; 자동차/옥외는 차량용 내구 요구.
- 기구·에어갭: 허용 정렬 오차, 에어갭 윈도우, 최고 회전수; 조립 지그와 양산 일관성.
- 보상·교정: 온도/고조파/LUT 선형화 지원 여부; 출하 또는 인시투 보정 전략.
- 안전·중복: 기능 안전 등급, 페일세이프 및 고장 모니터링 인터페이스.
용어 사전（Glossary）
- 극피치/극쌍(pole pitch/pairs): N-S 한 주기의 공간 길이/극쌍 수.
- SDE(Sub-Division Error): 세분화 오차; 보간 후 잔류하는 주기성 오차.
- Stray-field Immunity: 외란(잡) 자기장에 대한 내성.
- CTE: 열팽창 계수; 자석과 기구 부품의 열적 체결에 영향.
요약: 자기 센싱 원리, 자석·기구 설계, 인터페이스·보상 전략을 이해하고 목표 정확도와 운전 조건에 맞춰 올바르게 선정하면, 가혹한 환경에서도 고신뢰·장수명·진단 가능한 모션 제어·위치 피드백을 구현할 수 있다.
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