Transcript 엔코더
인코더 교육 자료 www.mecapion.com Contents www.mecapion.com 1 인코더 란? 2 인코더 종류 3 인코더 시장동향 4 인코더 원리 5 인코더 신호 처리 6 주요 부품의 기능 www.mecapion.com 인코더란 ? Code 란? www.mecapion.com code〔koud〕〔L 「서자판(書字板)」의 뜻에서〕 n. 1. 신호법;암호, 약호(略號) (어떤 계급·동업자 등의) 규약, 관례;(사회의) 규범 법전 컴퓨터】 코드, 부호 【생물】 (생물의 특징을 결정하는) 정보, 암호 【의학】 병원내의 구급 치료반에 대한 지령 【언어】 기호 체계;(사회 언어학에 있어서) 말하는 방식 《미·속어》 심장 발작 환자 엔코더 란? www.mecapion.com 물리적인 정보 Encoder 물리적인 정보 Decoder 정보전송 1. 물리적인 정보등을 1. Code 화 1. 해독기 표현하는 2. 디지털 2. Code를 아날로그 정보로의 신호 전환 물리적인 정보로 정보로 복원 전환 기타 Code 3. 음악, 음성, 및 언어 및 언더 화상, 위치 통일 통일 등 원래의 물리적인 2. 3. 통신 방식 1. 3. 통신 방식 2. 노이즈, 정보 손실 등의 발생 위치 인코더(Position Encoder) 란? www.mecapion.com 위치 Encoder 물리적인 정보 Decoder 정보전송 1. 위치 2. 회전, 직선 등 3. 광(光), 전기 유도, 자기 유도, 1. Code 화 2. 아날로그/디 1. 지털 정보로 3. 위치/ 속도/가속도 전환 1. 해독기 등의 정보 Absolute/I 2. Counter 복원 ncremental 3. 기타 정보 4. TTL/Sine 수집 및 5. Serial(Prot 조합 2. 노이즈, 정보 손실 등의 발생할 수 전자기저항 ocol)/Parall 있으므로 등 el 필요시 보정 6. 기타 정보 www.mecapion.com 인코더의 종류 인식 방식에 따른 인코더 분류 www.mecapion.com Electro -magnetic Electronic Optical 자기 저항 전기 유도 자기 변위 홀 센서 반사식 투과식 전기 저항 자기식 센서의 특징 www.mecapion.com 1. Complete system-on-chip Only small magnet and minimum number of external components needed 2. Ease of assembly - magnet orientation at assembly does not need to be considered User defined zero / index position 3. Increased operation safety Magnet placement monitoring during operation Loss of power supply indication 4. Ideal for applications in harsh environment due to contact-less position sensing High reliability No wear Insensitive to humidity No temperature compensation required : -40˚C ~ +125˚C (+150˚C available) 5. Low power consumption mode down to << ~mA 광학식 센서의 특징 www.mecapion.com 1. 빛의 파장은 가장 안정 (길이의 정의에 사용) 2. 대부분의 광학센서는 강도, 간섭, 빛의 이동시간 측정 강도: 주로 analog, 거리에 비례한 신호발생, on/off 간섭: 매우 정확 이동시간: 매우 긴 측정범위 3. 투과식과 반사식으로 나누어짐 4. 비광학센서보다 정확하고 높은 응답성(frequency response 우수) 5. 먼지, 오염에 극히 민감 ⇒ 실링 필요, 청정한 분위기에서 작동 광학식 센싱 방식의 종류 www.mecapion.com 1. Autocollimators 2. Optical encoders 3. Fiber optic sensors 4. Interferometric sensors 5. The Doppler effect 6. Laser triangulation sensors 7. Photoelectric transducers (photoconduction/photoemission/photovoltaic) Laser Interferometer www.mecapion.com Laser Interferometer www.mecapion.com The Doppler effect www.mecapion.com ● 원리: doppler radar는 움직이는 물체만 감지, 주파수변화로 속도 감지 ● reflector가 vR의 속도로 움직일 때 (vR<<vL(레 이저속도)) ⇒ 두 가지로 분리하여 고려함 detector가 vR으로 가까워짐 + source가 vR으로 가까워짐 source source detector vR vR detector 출력 신호에 따른 인코더 분류 www.mecapion.com 출력 파형의 형태 1. TTL Signal(Square wave) Comparator에 의한 디지털 출력 line수와 관계된 digital 출력 Electrical noise(interpolation error)에 무관함 Interpolation에 의한 디지털 출력 고분해능 가능 electrical noise(interpolation error) 문제됨 Analog sine, cosine wave 출력 Interpolation에 의한 디지털 출력 고분해능 가능 electrical noise(interpolation error) 문제됨 Skew 신호 등 출력 신호 2. Signle turn Absolute(절대 각도) – Serial communication Incremental(변화 각도) – Parallel communication Multi turn Z상 Powerdown mode 통상적인 위치 인코더의 종류 www.mecapion.com 범용 회전 위치(각도) 인코더 통상적인 위치 인코더의 종류 www.mecapion.com 링형 회전 위치(각도) 인코더 통상적인 위치 인코더의 종류 www.mecapion.com 디스크형 회전 위치(각도) 인코더 통상적인 위치 인코더의 종류 www.mecapion.com 선형 위치 인코더 통상적인 위치 인코더의 종류 www.mecapion.com 평판형 XY 인코더 www.mecapion.com 인코더 시장 동향 광학식 인코더 시장 동향 www.mecapion.com 소형화 & 통신형 시스템화 Siemens/Fanuc/Mi tsubishi/Yaskawa 등 : 독립 적인 자체 프로토콜 사용 •Heidenhain/Tama gawa/Sick(Hyperfa ce) 등 : 시장 지배적인 자체 프로토콜 사용 고분해능 Fanuc : 24bit •Yaskawa : 20bit • • Absolute Serial High Resolution 원가절감(중국생산) Tamagawa : raw 9bit -> 17bit로 체배 •Heidenhain : 11~12bit -> 17~21bit • 자기식 인코더 시장 동향 www.mecapion.com 저가형 서보 모터 인식방식 자기 저항 방식에서 Hall 센서 방식으로의 전환(SoC) 고분해능 7~8bit > 12~13bit 기존의 BLDC 시장을 침투하기 위한 Commutation Signal 필요 특수 기능 13bit Commutation Absolute 고성능 BLDC Absolute Serial 중공 encoder Linear encoder 예상 가격 범용 1~3만원 특수용 30~300만원 시장 저가 서보모터 고가 BLDC 내환경성 www.mecapion.com 인코더의 원리 광학식 센서 인식 원리 www.mecapion.com 1. Photodiode 인식 원리 Index plate = Recticle = Mask light source index plate collimating lens index plate focusing lens encoder 축 photodiode 광학식 센서 인식 원리 www.mecapion.com 1. 회전형 인코더 구조 광학식 센서 인식 원리 www.mecapion.com 1. 회전형 엔코더 구조 광학식 센서 인식 원리 www.mecapion.com 1. Incremental & Absolute 비교 1. encoder shaft는 축에 연결 (모터축) 2. encoder disk는 투명, 불투명 sector로 반복되어 있음 3. mask (광원과 disk사이)는 많은 빛의 창이 동시에 on/off 될 수 있게 함 ⇒ line spacing에서의 국소적인 오차를 평균화 효과 4. LED로부터의 빛은 collimate되고, disk와 mask를 통과한 빛은 렌즈를 통하여 photodiode에 투사됨 Encoder Disk 1. Incremental Disk 2. Absolute Disk www.mecapion.com Absolute position encoders www.mecapion.com ● absolute encoder disk는 N sector로 분할 - 한 쪽은 광원 - parabolic reflector 사용하여 빛의 평면 만듬 - 다른 쪽은 disk - N photodiode가 반경방향으로 배치됨 010 001 011 000 100 111 101 110 Absolute encoders 원리 및 특징 www.mecapion.com 1. 원리 digital word가 투명, 불투명 section로 구성되도록 sector 배치 하나의 sector 추가는 2배 증가 ⇒ detector는 parallel word (shaft angle에 해당)를 발생 ⇒ shaft의 절대 위치를 통전 시에도 (0∼360°사이의 값) 알 수 있음 2. 특징 현재의 각도는 항상 알고 있음 (파워온시도) 외부 interpolating electronics 불필요 1회전 이상일 때는 외부 counter 필요(파워 다운 모드 선택) Sine wave type incremental 트랙과 결합하여 고분해능 절대치 엔코더 제작 광학식 Absolute encoders 구조 www.mecapion.com Absolute encoders 코드 1. 2. www.mecapion.com straight binary cord 중요한 측정오차발생 야기 하나 이상의 sector의 값이 동시에 변함 진동이나 오염에 의해 다른 photodiode가 release되기 전에 한 photodiode가 trigger됨 45°(001)에서 90°(011)로 이동할 때 중간 트랙이 먼저 trigger 됨 45°(001) → 135°(010) → 90°(011) ⇒ 제어계가 혼동, 오인 Gray code word를 읽을 때 발생 가능한 오차를 피하도록 배치됨 한 번에 하나의 sector만 변하도록 배치 ⇒ 안전함 gray coded word와 각도의 크기는 무관 (binary coded word에서와 다르게) 010 001 011 000 100 111 101 110 Absolute position encoders www.mecapion.com www.mecapion.com 인코더 신호 처리 인코더 신호 처리 프로세스 www.mecapion.com 마스크 Counter Communication Comparator • Absolute와 Incremental 정보를 이용하여 위치 카운트 및 통신(Power down 모드시 멀티턴 카운트) Interpolator Amplifier Conditioner Digital PDA Analog PDA •고분해능을 구현하기 위한 8bit 이상의 고속 interpolation 기술 개발 • 사인파의 위상 및 진폭, 형상등을 이상적인 사인파로 재 튜닝 • Absolute 트랙 : Digital PDA, •Incremental 트랙(사인파) : Analog 트랙 마스크 • 사인파형 신호 생성을 위한 마스크 설계 기술 확보 디스크 및 기구부 다이오드 드라이버 발광 다이오드 • Absolute 트랙 및 사인파 생성을 위한 트랙 등의 최소 거리 확정 등을 통한 소형화 및 고속 회전을 고려한 기구적 안정성 검토 •Conditioner와 연계된 LED control 검토 • PDA 트랙의 증가에 따라 직진성 개선 및 사용 개수 확정 인코더 출력 분해능 www.mecapion.com 비통신형 인코더(parallel output) 통신형 인코더(serial output) Incremental Sine Wave Square Wave Square Wave Counter 2진수 Absolute 펄스 정보 Line/rev Commu -nication 위치 정보 Pulse/rev Count/rev line * interpolation ratio Pulse * 4(일반 사양) Absolute & Incremental Count www.mecapion.com Absolute Track Absolute Track No. : n 최상위 Bit : n Lines No. : 2 (n-1) 1 section – 1 sine wave Sine Wave(Incremental) Incremental Lines Bit : n Lines No. : 2n pulse/rev Interpolation Interpolation Bit : i Absolute 최상위 Bit Interpolation No : 2i Incremental Bit : n * i Pulse : 2n+i If 4 Fold Incremental counts : 4*2n+i Incremental Track 인터폴레이션 www.mecapion.com 1. Sin2 + Cos2 = 1 Interpolation 원점을 중심으로 회전각도를 등간격으로 나눔 Signal Conditioning 1 www.mecapion.com 1. 이상적인 Sine & Cosine파형 2. Ampulitue 에러 Signal Conditioning 2 www.mecapion.com 1. Offset 에러 2. Phase 에러 Signal Conditioning 3 www.mecapion.com 1. 복합적인 에러 사인파형 측정 및 분석 www.mecapion.com 1. 인코더 전용의 신호 측정 및 분석기 사인파형 측정 및 분석 www.mecapion.com 1. 사인파형 신호 모니터링 사인파형 측정 및 분석 www.mecapion.com 1. 사인파형 스펙트럼 분석 사인파형 측정 및 분석 www.mecapion.com 1. 사인파와 코사인파형의 상대적인 비교 사인파형 측정 및 분석 www.mecapion.com 1. 인코더 전용의 신호 분석기 : Amplitude, Amplitude Difference, Offset, Phase -> Overall Error ( Estimated Interpolation Error) TTL 인코더 카운트 www.mecapion.com 1. 위치 카운트 : Edge 카운트 2. 방향 판단 : Sequence – B Lead 정방향 B : Rising A : Rising B : Falling A : Falling Communication www.mecapion.com BiSS Communication Clock Data www.mecapion.com 인코더 주요 부품의 기능 자기식 Absolute encoders 구조 www.mecapion.com Photodiodes www.mecapion.com 1. 입사광의 강도를 측정 ⇒ 강도의 중심을 측정하는 센서로 사용 2. discrete, analog signal 제공 3. 파장 : infrared ∼ ultraviolet analog output photodiode + LED: optical encoders, 근접센서에 사용 analog output photodiode + laser: autocollimator, interferometer, triangular sensor에 사용 4. 2-D discrete arrays ⇒ 비디오카메라의 imaging device 0.5"에 1024 분할 가능 2D 경우 1024 x 1024 = 10242 (처리할 정보의 수) 5. 분해능 증가 ⇒ 정보를 처리하는 hardware능력을 고려해야 함 6. 비젼시스템에서의 속도와 분해능의 문제 위치 감지 Photodiode www.mecapion.com 1. Quadrature Mode Diode의 출력은 Spot이 중심에서 벗어나면 급격히 감소함 Centering drvice에 사용 고분해능 불가 2. lateral effect mode 4 quadrants로부터의 전압으로 빛의 spot의 위치를 구함 방향에 따라 응답의 균일성은 diode 출력의 대칭도를 나타냄 Recticle 설계 www.mecapion.com 1. Recticle 면적 통과후 PDA로 입사되는 광량을 조절 유기되는 전기량 예측 2. Digital Track On/Off로 설계 Comparator회로로를 거치기전 삼각파형의 아날로그 신호 생성 3. Analog Track Sine 파형 생성을 위한 Sine파형 구멍 구멍과 막힌면 1:1 설계 이물질의 흡착에 대비하여 다수의 구멍 설계 필수 www.mecapion.com