초고속 승강기 위치제어에 따른 과학

승강기의 정확한 도착, 어떻게 가능할까?

초고속 승강기 위치제어에 따른 과학

승강기는 운전자가 따로 있는 자동차나 항공기와는 달리 무인 운전되는 시스템으로서 고속주행-저속주행-정밀착상을 반복해야 하는 고도의 제어기술이 필요하다. 최근의 초고속 승강기는 분속 수백미터의 고속주행에도 불구하고승강장에서는 불과 10㎜ 이내의 정밀한 착상이 요구된다.

이처럼 고층화에 따라 승강기의 전기적 위치제어 기술은 갈수록 차원 높은 기술을 요구하고 있다. 승강기의 속도 및 위치제어는 엔코더(Encoder)라는 정밀전자기기를 사용하는데 엔코더를 통하여 숨겨진 승강기 속 과학을 알아보도록 한다.

글 김영수(한국승강기대학교 교수)

아날로그 값을 전기신호로 바꿔주는 엔코더

산업의 발달로 인하여 산업용 정밀 머신 툴, 산업로봇, 고정밀 위치제어장치와 같은 미소 단위로 이동

하는 장비가 급증하게 되었으며, 이로 인하여 물체의 이동 거리나 위치를 측정하는 다양한 기기나 반

도체 제조장치 등에서 고정밀도로 위치제어를 행하는 기기들의 위치 변위 검출에 대한 정확도는 제어

기의 성능을 좌우하는 중요한 요소 중의 하나가 된다. 아무리 정밀한 모터가 있더라도 모터에서 발생

하는 움직임을 정확히 측정할 수 있는 기기가 없으면 모터의 제어가 불가능하고 효용이 없게 된다. 이

모터의 움직임과 제어를 가능하게 할 수 있도록 해주는 것이 바로 엔코더이다.

엔코더는 회전각도, 위치 이동량과 같은 아날로그값을 디지털 값과 같이 취급할 수 있도록 코드화하

고 전기신호로 출력하는 변환기이다. 예를 들면 정밀로봇이나 동작이 발생하는 각종 동적기기에는 모

터와 그 모터의 움직임을 측정하는 계측기가 필요하다. 이때 엔코더는 움직임이 발생하는 각종 기기에

서 회전량 등의 변위(이동)를 정확히 측정하기 위한계측기가 된다. 주로 엘리베이터, 계측기기, 산업용

로봇, NC 공작기계 등에 널리 사용된다.

다양한 엔코더의 종류

그러므로 이러한 기기에서 위치를 고정밀도로 측정할 수 있는 센싱 디바이스 사용은 필수이며 여기서 높은

정확도를 요구하는 변위량 검출을 위해서는 자기식 엔코더(Magnetic encoder)보다는 광학식 엔코더

(Optical encoder)의 사용이 일반적이다. 일반적으로 범용 자기식 엔코더는 주위환경에 영향을 덜 받고 수

명이 긴 장점이 있으나 높은 분해능을 얻는 것에는 한계가 있으며 매우 고가이므로 점점 고정밀화 되고 있는

센서에 적용하는 데에는 제약을 받고 있다.

이에 반하여 광학식 엔코더는 먼지나 외부환경에 영향을 받지만 고 분해능을 달성함에 있어 많은 장점이 있

는 동시에 경제적인 면에서 자기식 엔코더에 비해 저렴한 장점으로 인하여 디지털화된 산업용기기에 폭넓게

사용되고 있다. 광학식 엔코더는 선형위치 및 변위나 직선 이동량을 검출하기 위한 리니어 엔코더(Linear

Encoder)와 회전속도, 회전량, 각도 등의 검출을 위한 로터리 엔코더(Rotary Encoder)로 분류할 수 있다.

엔코더의 모형과 구조

엔코더는 회전형 직선형 등이 있으나 모터의 회전감지에 사용되는 엔코더는 회전체의 각 변위를 측정하는

회전형 엔코더가 쓰인다. 출력형태로는 디지털 형태의 펄스가 출력되는 것이 일반적이며 우측 [그림 1]과 같

은 구조의 광학식 회전형의 엔코더가 주류를 이룬다.

엔코더의 원리

엔코더는 회전형(Rotary), 직선형(Linear) 등이 있으나 모터의 회전감지에 사용되는 엔코더는 회전체의 각 변

위를 측정하는 로터리 엔코더가 쓰인다. 출력형태로는 디지털 형태의 펄스가 출력되는 것이 일반적이며 다음

[그림3]과 같은 구조의 광학식 회전형의 엔코더가 주류를 이룬다. 일반적으로 로터리 광학식 엔코더는 동일 원

주 상에 수많은 슬릿을 두고 외부에 발광부에서 발생하는 빛을 90°의 전기적 위상차를 갖는 2개의 수광부를

두고 있다. 수광부 신호는 비교기를 통하여 디지털화된 신호로 바뀌며 카운터를 사용하여 위치를 측정한다.

엔코더의 내부는 크게 나누자면 3가지의 구성요소로 되어 있다. 우측의 [그림 3]을 보면 알 수 있듯이 빛을

발산하는 투광소자(LED), LED의 빛을 받는 수광소자, 그리고 그 사이에 설치된 회전디스크로 이루어져있다.

회전디스크의 원형 둘레에는 많은 슬롯이 생성되어 있다. 모터축이 회전을 하게 되면 기계적으로 물려있는

엔코더도 같은 속도로 회전을 하게 된다. 이때 엔코더에 설치된 LED의 빛이 엔코더 슬롯을 통과한다. 수광

소자가 빛을 받게 되면 ON 상태가 되고 슬롯과 슬롯 사이에서는 빛이 막혀 있어 차단됨에 따라 OFF가 된

다. 고속으로 회전하면 연속의 ON/OFF가 되는 것이다.

[그림3]에서 A와 B는 서로 다른 슬롯을 바라보고 있다. 가장바깥 둘레의 슬롯을 A가, A의 안쪽 슬롯을 B가

담당하고 있다. A와 B의 슬롯은 서로 어긋나 있고, ON이 되는 시기가 약간 틀리다.

또한 단위시간 당 펄스의 출력(ON)으로 속도도 알 수 있다. A와 B의 출력파형을 2진수로 표현하자면,

다음으로는 엘리베이터에서 가장 많이 사용하는 로터리 엔코더의 신호발생원리 및 동작을 알아보자.

로터리 엔코더는 매우 얇은 디스크와 광원(LED), 광 검출기로 구성되어 있다. 얇은 디스크에 새겨진 패턴을

통과한 빛이 광 검출기에 도달하면, 검출기에서 디스크의 패턴신호를 출력하게 된다. 디스크는 모터의 회전

축이나 기타 회전량 검출이 필요한 부분에 연결되어 측정이 필요한 부분과 같이 회전하게 된다. [그림 4]와

같은 구조에서 검출기는 구형파를 출력하게 된다.

이 로터리 엔코더는 출력의 형태에 따라 다음과 같이 다시 엔코더를 구분할 수 있다.

엔코더로 위치와 속도를 어떻게 검출할까?

반지름의 길이가 r인 원호상의 점 x, y가 원위를 운동할 때 발생하는 신호를 X, Y 축으로 쪼개면, 그림과 같

이 사인, 코사인 신호가 만들어지는데, 역으로 사인, 코사인 신호를 XY 평면에 도시하면, 어느 위치에 있던

지 원점에서 부터의 길이는 일정하다. 이를 수식으로 표현하면‘sin 2θ+ cos 2θ= r^2’이다.

따라서 엔코더에서 나오는 두개의 신호를 오실로 스코프에서 관찰하면 위치에 따른 출력 값이 항상 어떠한

원호 위에서 움직이는 것을 알 수 있다. 따라서 엔코더의 조립 시 헤드와 글라스(Glass)의 상대 위치가 잘

정렬되면 신호의 강도가 강해지므로 리사주파형의 반지름 또한 따라서 커지게 된다.

정현파로 이루어진 A, B상의 엔코더 출력은 구동 방향의 판별 뿐 아니라 이를 더 세분화하여 해상도를 높이

는 작업에 응용될 수 있는데, 위상각을 측정함으로써 한 주기를 원하는 만큼 나눌 수 있다. [그림12-1, 2, 3]

에서 보듯이 모터의 상대운동에 의하여 현재의 위치가 전진할 때 이를 X-Y 도메인에서 보면, 리사주의 위상

각 θ가 회전하는 형태로 표기된다. 이를 이용하여 만약 X-Y Domain에서 360도를 12등분하여 판별할 수

있으면, 엔코더 한 주기를 12등분하여 알아낼 수 있으므로 원래의 엔코더 해상도가 10um일 경우 대략

0.83um 정도로 해상도를 높일 수 있다. 최근에는 1024채배까지 가능한 보간기(Interpolator)가 판매되는데

높은 채배일수록 경우 노이즈에 취약하고 최대 출력 주파수의 한계 때문에 구동부의 최대 속도를 높이지 못

하는 단점이 있다.

엔코더의 속도측정의 세 가지 방법

① M방법

M방법은 일정 주기의 샘플링 시간(Tc) 동안의 펄스 수 m1을 이용하여 속도를 측정하는 방법으로 저속에서

는 카운트 되는 펄스수가 적으므로 저속에서 정밀도가 떨어진다

② T방법

T방법은 엔코더 펄스 사이의 시간(Tp)을 측정(m2 클럭수를 이용)하여 속도 정보를 얻는 방법으로 고속에서

는 Tp시간 동안 m2 수가 적으므로 정밀도가 떨어진다.

③ M/T방법

M방법과 T방법이 절충된 M/T방법이 실제 속도 측정에 가장 많이 사용 된다. M/T방법은 일정 주기의 샘플

링 시간(Tc) 이후에 처음 발생되는 엔코더 펄스와 동기되어 δΤ 만큼 지연된 시간 Td(m2를 이용하여 계산)

와 엔코더 펄스 수(m1)를 이용하여 속도를 측정한다.