[NC] 1.3.4 위치 검출기 (광학식 엔코더)

   위치결정 및 이송 제어를 위해서는, 모터 및 피구동체의 위치 및 속도정보가 필요하다. 최근에, 제어에 필요한 속도신호는 위치신호를 미분함으로써 얻을 수 있게 된다. 따라서, 위치 검출기의 정밀도 및 응답성은 제어 시스템의 성능을 결정하는데에 중요한 요소라 할 수 있다. 

   위치 검출기는, 검출원리에 따라 자기식과 광학식, 검출대상의 운동에 따라 리니어 형식, 로터리 형식으로 분류된다. 정밀위치결정 및 이송에 사용 되고 있는 대표적인 위치 검출기는, 광학식 엔코더와 레이져 간섭계 이다. 여기에서는, 정밀위치결정 및 이송에 많이 사용되고 있는 광학식 엔코더에 대하여 서술 한다.

(1) 검출원리

   엔코더에는 회전각도를 검출하는 용도의 로터리 엔코더와 직선위치를 검출하는 용도의 리니어 엔코더가 있지만, 둘다 검출원리는 같으며, 스케일과 검출 헤드로 구성된다. 스케일 위에는 Fig. 1.11 (a) 에 나타내는 것처럼 금속으로 증착된 격자 패턴이 새겨져 있다. 이런 격자의 간격은 격자 피치라 불린다. Fig. 1.11 (b) 에, 광학식 엔코더 (투영 주사 방식) 의 위치검출의 원리도를 나타낸다. 광원, 콘덴서 렌즈, 주사판 (인덱스 스케일) 슬릿에 의해 생성된 투광 패턴은, 메인 스케일 위의 슬릿에서 통과 혹은 절연된다. 검출 헤드 (혹은 스케일)의 이동에 따른 투과강의 강도변화는, 수광소자 A, B에 의하여 정현파, 여현파장의 전기신호로 변환되어, 이러한 신호로 부터 A상, B상 펄스가 생성된다.

   회전 (이동) 방향이 반전되면, A상에 대한 B상의 위상 역시 반전되어, 운동 방향이 변별된다. 또한, 논리회로를 사용하여, 펄스 수를 1, 2, 4배로 계산 하는 것이 가능하다. 실제로, 업/다운 카운터라 불리우는 방향변별기능이 지원되는 전기 회로를 이용하여, 상대적인 각도 및 위치의 변화를 검출하기도 한다. 이러한 방식으로 각도 및 위치의 변화분에 대한 펄스를 출력하는 방식을 인크리멘탈 방식이라 한다.   

   인크리멘탈 방식에는 각도/위치의 절대값이 검출 되지 않는다. 따라서, 스케일 위에 원점 검출용슬릿을 별도로 만들어 두어, 통과하는 빛으로 부터 펄스 신호가 생성되고 이를 원점신호로 사용하게 된다. 이 신호를 Z상 신호라 한다. 이에 반해, 각도/위치의 절대값과 검출신호가 1 대 1 로 대응되는 엔코더는 앱솔루트 엔코더라 부른다. 

Fig 1-11 엔코더

(2) 분해능

   엔코더가 검출가능한 최소각도 혹은 최소위치변화를 분해능 (resolution) 이라 하며, 로터리 엔코더의 경우에는 1회전당 출력 펄스 수로 표현된다. 고분해능화를 위해서, 보다 세세한 피치의 격자에 대하여 회절 및 간섭의 원리를 이용하여 정현파 신호를  취득하고 있다. (간섭 주사 방식)

   간섭 주사 방식에는, 1 격자 피치의 이동에 대하여 n_0 주기의 정현파 신호가 취득된다.  n_0는 광학적분할수라 부르며, 보다 높은 고분해능을 얻기 위해서는, 정현파를 전기적으로 분할하는 방법 (interpolation) 이 이용되기도 한다. 격자 피치를 g_p, 전기적분할수를 n_e라 할때, 엔코더 분해능 r_e 는 다음과 같이 계산된다.

r_e = g_p / (n_0*n_e)    (eq. 1.1)

(3) 아베의 오차 (Abbe's error)

   리니어 엔코더를 이용하는 경우, Fig. 1.12 (a) 에서 보여지듯, 스케일과 검출헤드를 구동테이블과 베이스 사이에 설치 하지 않으면 안된다. 따라서, 실제로 제어하고자 하는 공작물 위의 작업점과 제어를 위하여 사용하는 위치검출 축 사이에 offset (거리 L_ab ) 이 발생하게 된다. 테이블이 Fig. 1.12 (b) 에 나타내듯이, 각도 θ_ab의 자세변화 (pitching) 가 발생 할 경우,  작업점의 위치는 스케일의 검출위치에 대하여 

L_ab * tan ( θ_ab ) 만큼의 오차를 가지게 되고, 이러한 오차를 아베의 오차 (Abbe's error) 라 부른다.

Fig. 1-12 아베의 오차