물류 이송 자동화 추세, 서비스 로봇 활용의 확대 등 바야흐로 모바일 로봇 시대가 다가오고 있다. 최근 몇 년 동안 휠 인 모터를 모바일 로봇에 적용하는 데 있어, 종래의 홀센서를 장착한 BLDC모터의 저속 제어 특성을 개선하기 위해 엔코더가 요구되는 추세이다. 이에 (주)모터114 전용철 상무는 휠 인 모터에 적합한 엔코더의 특성에 대해 전한다. 

사진. 모터114

1. 엔코더, 휠 인 모터의 주요 요소로 부상

휠 인 모터(Wheel in Motor)가 점진적으로 서비스 로봇 및 산업용 로봇에 적용됨에 따라, 휠 인 모터에 사용되는 엔코더(Encoder) 또한 성능에 영향을 미치는 주요한 요소가 되고 있다. 일반적으로 서보모터에 사용되는 엔코더의 종류는 두 가지로, 그 구조에 따라 광학식(Optical)과 자기식(Magnetic)으로 분류할 수 있다. 본문에서는, 서로 다른 구조를 가진 엔코더의 특성을 살펴보고, 서비스 로봇 구동부에 적용되는 휠 인 모터의 엔코더 활용에 대해 살펴본다. 

아래의 그림은 아우터 로터(Outer Rotor) 방식 휠 인 모터의 내부 구조도이다.

Wheel in Servo Motor Structure(사진. 모터114)

여기서 홀센서의 역할은 로터의 절대 위치를 감지해 초기 스타트 시 제어 안정성을 확보하고, 엔코더는 위치/속도/토크 및 벡터 제어(Vector Control) 기능을 수행한다. 이때 엔코더의 분해능(1,024ppr/4,096ppr)은 차량(Vehicle) 속도제어의 경우 4체배로 사용하므로 제어성에 큰 영향을 주지 않지만, 폐 루프 제어(Closed Loop Control) 시스템에서는 엔코더 분해능(Resolution)이 높을수록 강성(Rigidity)이 커서 외부의 영향에 안정적이다.

현재 산업계에서 가장 널리 사용되는 서보모터 엔코더에는 광학식과 자기식의 두 가지 엔코더 유형이 있다. 광학식 엔코더는 주로 광원, 코드 디스크, 광학 격자(Optical Grating), 광학 검출 장치 및 변환 회로로 구성된다. 코드 디스크에는 동일한 피치의 방사형 광 투과(Light-transmitting) 슬릿이 새겨져 있으며, 인접한 두 개의 광 투과 슬릿은 증분 간격(Incremental Period)을 나타낸다. 광학식 엔코더는 출력축의 기계적·기하학적 변위(Mechanical Geometric Displacement)를 광학 변환을 통해 펄스 또는 디지털 양(Digital Quantity)으로 변환하는 센서로, 주로 변위 또는 각도를 측정하는 데 사용한다. 
자기식 엔코더는 자기 유도 장치(N/S극 자석)와 자기장의 변화를 이용해 로터의 절대 위치를 생성하고, 홀 이펙트(Effect) 센서(Hall IC)로 위치정보를 제공한다.
 
2. 노이즈 내성(Noise Immunity)  

광학식 엔코더의 구조는 간단하기 때문에 설계 및 사용 과정에서 모터에 대한 EMI(전자파 간섭)를 고려할 필요가 없다. 

자기식 엔코더의 경우 모터 내부에서 생성된 자기장(Back-EMF, 역기전력)이 자기식 엔코더에 간섭한다. 동작 속도가 높을수록 자기식 엔코더에 대한 모터 자기장의 간섭이 커지기 때문에 자기 엔코더는 노이즈를 방지할 수 있도록 설계된다. 따라서 아우터 로터인 휠 인 모터를 수동으로 빠르게 회전시키면, 모터 내부에서 역기전력이 발생(약 0.47mv/RPM)한다.

이 역기전압은 엔코더 로직 신호 전압(5V)보다 매우 커서, 엔코더 칩에 데미지를 주어 엔코더 출력(A상, B상) 이상의 원인이 된다. 이에 모터 파워선(UVW)과 엔코더 신호선과의 접촉을 피하고, 조립 운반 시 수동회전은  지양해야 한다.

최근에는 휠 인 모터의 경우 외부 충격과 실외(Outdoor)용 이동체의 IP65등급 요구에 따라 자기식 엔코더에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이다. 
그렇다면 이 같은 추세가 나타나는 이유는 무엇일까? 이는 실내 저속 구동 시 광학식 엔코더가 가격이 저렴하고 안정적으로 작동해 사용 시 문제가 없지만, Heavy Duty Application(Otdoor용)에는 자기식 엔코더가 요구된다.

광학식 엔코더(Optical Type, 左)와 자기식 엔코더(Magnetic Type, 右)

첫째, 일반적인 광학식 엔코더의 디스크 소재는 유리, 금속 혹은 플라스틱이다. 유리 재질의 디스크는 가는 선이 증착되어 있으며 내열성과 위치 정밀도는 높은 수준으로 평가되나, 외부 충격에 쉽게 깨질 수 있다. 금속 재질의 디스크는 디스크에 직접 선이 새겨져 있으며 쉽게 깨지기는 않지만 금속의 두께로 인해 정밀도에 한계가 있고 내열성은 유리 재질의 디스크보다 훨씬 더 나쁘다. 마지막으로, 플라스틱 재질의 디스크는 가격은 저렴하나 정밀도와 내열성을 보장할 수 없다. 이에 반해 자기식 엔코더는 기존의 디스크를 자석 장치로 대체하므로 광학식 엔코더의 약점을 보완하며 충격, 부식 및 오염에 대한 높은 내구성을 보장한다.

둘째, 광학식 엔코더는 디스크에 격자(Score)를 매겨 정확도를 계산하므로 정확도가 높을수록 디스크가 넓어지고 이에 따라 엔코더 또한 커지며, 정확도가 연속되지 않는다. 반면 자기식 엔코더는 이러한 제한이 없으며 작은 크기로 높은 정확도를 만들 수 있다. 즉 이론상 사인파 홀센서(Sine Wave Hall Sensor) 출력으로 분해능은 무제한이 될 수 있다. 

셋째, 광학식과 자기식 엔코더의 검출 원리가 다르기 때문에 광학식이 자기식보다 효율성이 떨어질 가능성이 높다. 광학식 디스크의 소재는 일반적으로 유리, 금속 및 폴리머 소재를 포함한다. 실제 구동 환경에서 광학식 엔코더 디스크와 포터레지스터(Light Sensitive Resistor) 사이의 거리는 매우 좁아서 축(Axial) 방향으로 움직임이 발생하면 엔코더가 손상될 수 있다. 그러나 자기식 엔코더는 기계적 구조가 상대적으로 간단하므로, 내구성과 신뢰성이 더 우수하다.

3. 내환경(Environment) 특성

먼지와 수증기가 있는 환경에서는 광학식 엔코더가 손상될 가능성이 높다. 모든 엔코더의 센서 회로와 디스크는 엔코더 쉘(Shell)의 베어링 사이에 위치하는데, 일반적으로 엔코더는 베어링, 쉘 및 배선 등에서 밀봉되지만, 이 상태는 온도에 매우 취약하다. 따라서 외부 환경과 모터 자체에서 발생하는 열로 인해 엔코더의 온도가 높아지면 엔코더의 공기와 수증기가 배출되고, 온도가 낮으면 외부 공기와 수증기가 다시 유입된다. 디스크에 수증기로 인한 결로현상은 직접적인 고장의 원인이 될 수 있다. 그러나 자기식 엔코더의 구성 요소는 칩에 캡슐화되어 외부의 영향을 받지 않는다.

또한 광학식 엔코더의 경우 디스크에 먼지가 유입되면 엔코더 출력에 이상이 발생하기 때문에 먼지가 없는 환경에서 제조해야 하고, 밀봉 또한 오차 없이 진행해야 한다. 그럼에도 진동이 심한 경우 분진의 유입으로 인해 엔코더 소손 가능성이 있다. 반면 자기식 엔코더의 마그네틱 센서는 투명한 갭(Gap)을 청소할 필요가 없다. 디스크와 센서 간 공간에 철 성분이 유입되지 않는 한 엔코더의 칩은 자기 펄스를 쉽게 감지한다. 따라서 먼지, 결로 및 기타 오염 물질은 자기식 엔코더의 신뢰성에 영향을 주지 않는다. 

Magnetic Encoder 장착 구조(사진. 모터114)

최근 몇 년 동안 휠 인 모터를 서비스 로봇 등에 적용하는 데 있어, 종래의 홀센서를 장착한 BLDC모터의 저속 제어 특성을 개선하기 위해 엔코더가 요구되는 추세이다. 서비스 로봇 구동부에 적용되는 휠 인 서보 모터의 전문 제조업체이자 공급업체인 ZLTECH는 모터에 내장된 광학식과 자기식 엔코더를 장착해 휠 인 모터의 주행 성능과 내환경 성능 및 수명을 크게 향상시켰다.

모바일 로봇은 4차 산업의 첨단 제조 공장 및 서비스를 위한 물류 핵심 장비이며, 로봇의 주행 시스템인 휠 인 모터는 로봇 구동부의 ‘핵심’이다. ZLTECH의 새로운 휠 인 서보모터는 다양한 용도의 모바일 플랫폼에 맞게 개발 제작됨으로써 종래의 BLDC/DC모터 및 감속기를 대체하고, 다양한 애플리케이션에서 요구하는 물류 및 서비스 로봇의 주행 솔루션을 제공한다.

필자소개

(주)모터114 기술연구소 전용철 상무