Transcript 엔코더

인코더 교육 자료
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Contents
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1
인코더 란?
2
인코더 종류
3
인코더 시장동향
4
인코더 원리
5
인코더 신호 처리
6
주요 부품의 기능
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인코더란 ?
Code 란?
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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?
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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?
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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
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인코더의 종류
인식 방식에 따른 인코더 분류
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Electro
-magnetic
Electronic
Optical
자기 저항
전기 유도
자기 변위
홀 센서
반사식
투과식
전기 저항
자기식 센서의 특징
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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
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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
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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
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Laser Interferometer
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The Doppler effect
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● 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
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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
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범용 회전 위치(각도) 인코더
통상적인 위치 인코더의 종류
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링형 회전 위치(각도) 인코더
통상적인 위치 인코더의 종류
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디스크형 회전 위치(각도) 인코더
통상적인 위치 인코더의 종류
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선형 위치 인코더
통상적인 위치 인코더의 종류
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평판형 XY 인코더
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인코더 시장 동향
광학식 인코더 시장 동향
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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
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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
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인코더의 원리
광학식 센서 인식 원리
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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
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1.
회전형 인코더 구조
광학식 센서 인식 원리
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1.
회전형 엔코더 구조
광학식 센서 인식 원리
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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
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Absolute position encoders
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● 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
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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
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Absolute encoders 코드
1.





2.
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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
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인코더 신호 처리
인코더 신호 처리 프로세스
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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
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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
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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
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1. Sin2 + Cos2 = 1
Interpolation
원점을 중심으로
회전각도를 등간격으로 나눔
Signal Conditioning 1
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1. 이상적인 Sine & Cosine파형
2. Ampulitue 에러
Signal Conditioning 2
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1. Offset 에러
2. Phase 에러
Signal Conditioning 3
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1. 복합적인 에러
사인파형 측정 및 분석
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1. 인코더 전용의 신호 측정 및 분석기
사인파형 측정 및 분석
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1. 사인파형 신호 모니터링
사인파형 측정 및 분석
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1. 사인파형 스펙트럼 분석
사인파형 측정 및 분석
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1. 사인파와 코사인파형의 상대적인 비교
사인파형 측정 및 분석
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1.
인코더 전용의 신호 분석기 : Amplitude, Amplitude Difference,
Offset, Phase -> Overall Error ( Estimated Interpolation Error)
TTL 인코더 카운트
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1. 위치 카운트 : Edge 카운트
2. 방향 판단 : Sequence – B Lead
정방향
B : Rising A : Rising B : Falling
A : Falling
Communication
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BiSS Communication
Clock
Data
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인코더 주요 부품의 기능
자기식 Absolute encoders 구조
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Photodiodes
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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
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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
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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
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