Servo Motor용 센서(Sensor)
AC 서보모터의 센서의 역할은 회전자의 위치 검출과 모터의 속도 검출 및 위치 결정 제어에 있어서 위치 정보의 검출이다. 이 기능의 검출은 1개의 센서로서 모두 가능하지는 않으며 보통은 적당한 제어 회로와 조합해서 가능해 진다. 여기서는 서보모터용으로 가장 많이 사용하는 로타리 인코더와 리졸버의 특징과 사용법에 대해서 기술한다.
광학식 엔코더
광학식 엔코더는 기능면에서 인크리멘탈형(Incremental)과 절대치형(Absolute)으로 분류할수 있다.
광학식 엔코더는 투광용 광원과 수광 소자와 슬릿이 있는 회전 디스크의 3가지로 구성되어 있으며, 회전 디스크를 투광용 광원과 수광 소자의 중간에 넣어서 회전 시키면 회전각에 비례한 펄스 출력을 얻을수 있다.
아래 그림은 투광용 광원으로 발광 다이오드(LED)를 이용하여 회전 디스크를 통과한 광선을 똑바로 수광소자에 투시되도록 한 것으로, 고정 슬릿만을 붙인 광학식 엔코더의 한 예를 보여주고 있다. LED로 부터 투사된 광선(적외광선)은 회전 디스크의 슬릿과 고정 슬릿판의 슬릿을 통과하여 수광소자에 검출된다.
1) 인크리멘탈 인코더
아래 그림은 Zero상 신호 Z를 가지고 있는 A,B출력형 인크리멘탈 인코더의 구조도이다.
LED로 부터 광투사된 광선은 회전 디스크의 슬릿을 통과한뒤 고정 슬릿판의 A, B, Z에 해당하는 각각의 슬릿을 통과하여 A, B, Z의 수광소자에서 검출출된다. 고정 슬릿판 상의 A, B의 슬릿은 90˚의 위상차를 갖도록 배치되어 있으며, 파형이 정비된 전기적 신호 출력도 90。의 위상차를 갖는 구형파로 된다.
인크리멘탈 인코더는 구조가 간단하고 가격이 싸며, 출력 전선의 갯수도 작아서 신호전달이 간단하다. 인코더의 출력 펄스는 축의 회전 위치의 절대치를 나타내지는 않고, 축이 회전한 각도에 비례한 펄스수가 얻어지는 것이며, 절대치 표시를 수행하는 경우는 인코더 출력 펄스를 카운터에 축적한 것으로 표시한다.
사용상의 주의점으로는 신호 전달중의 노이즈를 카운터에 축적하는 결점이 있기 때문에 노이즈 대책을 충분히 세워야될 필요가 있다. 또 전원이 끊어진 경우에는 다시 전원을 투입하여도 원래 위치의 표시는 불가능하게 되기 때문에 충분히 주의를 기울여야 한다. 인크리멘탈 인코더는 인코더 자체에서 단지 펄스열을 발생하기 때문에 회전 속도를 검출하기 위한 아날로그 신호를 얻기 위해서는 인코더의 출력 펄스 수를 F/V Converter에서 펄스 주파수에 비례한 아날로그 신호로 변환하여야 한다.
2) 절대치형 인코더
절대치형 인코더의 기본적인 구성은 인크리멘탈형과 동일하다. 회전 디스크의 슬릿은 2진 부호열로 되어 있는데, 회전 디스크의 바깥 둘레를 최하위 비트로 하고 중심을 향하여 필요한 비트(행)수 만큼의 슬릿이 동심원상으로 배치되어 있다. 아래 그림은 절대치형 인코더의 구조도이다.
절대치형 인코더는 명칭 그대로 입력축의 절대 위치를 검출할수 있기 때문에 신호 전송중의 노이즈에 의해 오차가 누적되지 않으며, 또 전원이 단절되어 재투입하는 경우에도 인크리멘탈형에서 처럼 원래의 위치를 잃어 버리지 않고 정상적으로 올바른 현재치를 검출할수가 있다. 단점으로는 , 비트수가 많아지면 출력 신호선의 수가 많아져 구조상 소형화, 저가화가 어렵다는 것을 들수 있다.
자기 엔코더
자기 인코더는 미소 다극 착자된 자기 드럼과 이 드럼에 근접하도록 설치된 자기 조항 소자로 구성되어 있다. 자기 드럼과 자기 저항 소자의 위치 관계는 그림 4에서 보여주는 바와 같이 드럼의 바깥 둘레에 착자하고, 자기 저항 소자를 드럼의 바깥둘레에 대향하도록 배치된 것과, 드럼의 측면에 착자되고 이 면에 자기 저항 소자를 대향하도록 배치된 것이 있다. 어느쪽의 경우에 있어서도 기본적인 원리는 동일하다. 이와같이 자기 인코더는 광학식 인코더와는 검출부의 구조는 다르지만 출력신호를 만들어 내는 방법은 완전히 동일하다.
자기 인코더는 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
a) 먼지, 결빙 등의 영향을 잘 받지 않기 때문에 내환성이 좋다.
b) 고 분해능(1000 ~ 3000 pulse/rev은 표준사양)
c) 고 응답성(200kHz정도까지는 출력 저하가 생기지 않음)
d) 구조가 간단하다.
자기 인코더는 자력을 응용한 인코더이기 때문에 강자계와 자성분이 많은 장소에서 사용하는 경우에는 다음과 같은 점을 주의 하여야 한다.
a) 외부로 부터 강력한 자계를 가하면 오동작을 한다.
이와 같은 경우에는 자성체의 케이스를 이용하여 쉴드하여 사용한다.
b) 자성분이 들어오면 드럼에 부착되어 오동작을 일으킨다.
이와 같은 장소에서 사용하는 경우는 자성분이 들어오지 못하도록 케이스로 보호한다.
레졸버(Resolver)
레졸버는 회전각과 위치의 검출기로써 모터의 센서로 사용되고 있다. 인코더가 변위량을 디지탈 양으로 변환하는 것에 비하여 레졸버는 아날로그 양으로 변환한다. 일반적으로 브러시리스 레졸버라 부르는 것은 회전 트랜서를 사용한 형을 말한다.
레졸버는 스테이터(Stator), 로터(Rotor), 회전 트랜스의 3요소로 구성되어 있고, 스테이터와 로터의 권선은 자속 분포가 각도에 대하여 정현파가 되도록 분포되어 있다. 여자 권선에 있는 스테이터 권선은 전기적으로 90도 위상차가 나고 2상 구조로 되어 있으며, 출력 권선의 로터는 단권선이나 2상 권선이 용도에 따라 감겨져 있다.
레졸버는 구조가 모터의 구조와 유사하고 내환경성이 우수하다. 주요 특징은 다음과 같다.
a) 진동, 충격등의 내환경성이 우수하다.
b) 사용온도 범위가 넓다.
c) 장거리 전송이 가능하다.
d) 형상의 소형화가 가능하다.
e) 신호처리 회로가 복잡해 진다.
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