Incremental Encoder란? A·B·Z상 원리

Incremental Encoder란 회전할 때 발생하는 Pulse를 누적해 상대 위치와 속도·방향을 측정하는 센서입니다. Incremental Encoder의 기본 원리와 A·B·Z상 신호, PPR·Quadrature Counting 및 PLC 연결 시 확인할 사항을 알아봅니다.

Incremental Encoder란 무엇이며 어떻게 위치를 측정할까?

Incremental Encoder는 모터나 회전축이 움직일 때 일정한 간격의 Pulse를 발생시키고 그 Pulse 수를 누적하여 이동량과 상대 위치를 측정하는 엔코더입니다. 이름의 Incremental은 위치가 변화할 때마다 증가 또는 감소하는 정보를 제공한다는 의미입니다. 예를 들어 한 회전에 일정한 수의 Pulse를 발생하는 엔코더가 모터축에 연결되어 있다면 PLC나 Motion Controller는 발생한 Pulse를 세어 축이 얼마나 회전했는지 계산할 수 있습니다. Pulse가 발생하는 시간 간격이나 일정 시간 동안의 Pulse 수를 이용하면 회전속도도 계산할 수 있습니다. 다만 Incremental Encoder는 일반적으로 현재 위치에 대응하는 고유한 절대 위치값을 직접 제공하지 않습니다. 전원이 꺼지거나 Counter 값이 초기화되면 누적해 두었던 상대 위치정보를 잃을 수 있으므로 시스템에 따라 전원 투입 후 Home Sensor나 Z상 신호 등을 이용한 원점복귀(Homing)가 필요합니다. 이러한 특성이 전원 재인가 후에도 위치코드를 제공할 수 있는 Absolute Encoder와의 대표적인 차이입니다.

A상과 B상 신호로 회전방향을 어떻게 판단할까?

Incremental Encoder에서 A상(Channel A)과 B상(Channel B)은 회전량뿐 아니라 회전방향을 판단하기 위한 핵심 신호입니다. 일반적인 Quadrature Encoder에서는 A상과 B상이 약 90°의 전기적 위상차를 갖는 Pulse 형태로 출력됩니다. 축이 한 방향으로 회전할 때는 A상이 B상보다 먼저 변하고 반대 방향으로 회전하면 B상이 A상보다 먼저 변합니다. PLC나 Encoder Counter는 두 신호의 변화순서를 비교하여 정회전과 역회전을 구분하고 Count 값을 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다. A상 하나만 사용해도 Pulse 발생횟수를 셀 수 있지만 방향정보를 얻으려면 일반적으로 A상과 B상을 함께 사용합니다. 또한 제어기가 A상의 Rising Edge만 계산할 수도 있고 A·B상의 상승과 하강 Edge를 모두 사용하는 ×4 Quadrature Counting을 적용할 수도 있습니다. 따라서 같은 엔코더라도 제어기의 카운팅 설정에 따라 한 회전에서 계산되는 Count 값이 달라질 수 있습니다. 엔코더 사양의 PPR과 실제 Controller의 Count 설정을 구분해 확인해야 정확한 위치계산이 가능합니다.

Z상 신호는 원점과 기준위치를 어떻게 알려줄까?

Z상(Channel Z)은 Index Pulse 또는 Reference Pulse라고도 하며 일반적인 Incremental Encoder에서 축이 한 바퀴 회전할 때 특정 위치에서 한 번 발생하는 기준 신호입니다. A상과 B상이 회전 중 반복적으로 많은 Pulse를 발생시키는 것과 달리 Z상은 회전의 기준점을 확인하는 데 사용됩니다. 예를 들어 장비가 기동될 때 Home Sensor를 이용해 대략적인 원점 위치를 찾은 뒤 저속으로 이동하면서 Z상 신호를 검출하여 보다 반복성 있는 기준점을 설정하는 방식이 사용될 수 있습니다. 또한 회전축의 1회전 기준을 확인하거나 누적 Count와 기계적 위치 사이의 관계를 점검하는 데 활용할 수 있습니다. 그러나 Z상 자체가 Absolute Encoder처럼 모든 회전위치를 알려주는 것은 아닙니다. 한 회전에서 기준이 되는 특정 위치를 알려주는 신호이므로 여러 바퀴를 회전한 절대 위치를 알아내려면 별도의 Count 정보가 필요합니다. Z상의 Pulse 폭과 A·B상과의 위상관계 역시 엔코더 제품에 따라 다를 수 있으므로 정밀한 원점제어에서는 데이터시트를 확인해야 합니다.

PLC에 Incremental Encoder를 연결할 때 무엇을 확인할까?

Incremental Encoder를 PLC에 연결할 때는 Pulse 수뿐 아니라 최대 출력주파수와 전기적 출력방식을 확인해야 합니다. 엔코더의 회전속도가 높거나 PPR이 커질수록 초당 발생하는 Pulse 수가 증가합니다. 예를 들어 A상 기준 PPR이 1,000인 엔코더가 3,000rpm으로 회전한다면 기본 Pulse 주파수는 1,000 × 3,000 ÷ 60 = 50kHz가 됩니다. 일반 Digital Input이나 일반 Counter가 이 속도를 처리하지 못한다면 Pulse가 누락되어 위치와 속도 계산에 오차가 발생할 수 있으므로 High-Speed Counter(HSC) 또는 전용 Encoder Input Module이 필요합니다. 또한 엔코더 출력은 NPN Open Collector, Push-Pull, Line Driver 등 여러 방식이 있으므로 PLC 입력전압과 회로방식이 호환되어야 합니다. 장거리 또는 노이즈가 많은 환경에서는 차동 Line Driver 방식과 적절한 케이블·Shield 처리가 유리할 수 있습니다. 결국 Incremental Encoder를 정확하게 사용하려면 A·B·Z상의 역할뿐 아니라 PPR, 최대 회전속도, 입력주파수와 출력 인터페이스를 함께 검토해야 합니다.