Rotary Encoder란? 회전각 검출 원리

Rotary Encoder란 회전축의 각도와 회전량을 전기적인 신호로 변환하는 센서입니다. 광학식·자기식 검출 원리와 Incremental·Absolute Encoder의 차이 및 활용방법을 알아봅니다.

Rotary Encoder란 무엇이며 무엇을 측정할까?

Rotary Encoder는 Motor나 기계의 회전축(Shaft)이 얼마나 회전했는지 측정하여 전기적인 신호로 변환하는 회전 위치센서입니다. 한국어로는 로터리 엔코더 또는 회전형 엔코더라고 하며 회전각(Angular Position), 회전방향, 회전량과 회전속도를 검출하는 데 사용됩니다. 기본적으로 회전축과 연결된 Disk 또는 Magnetic Element와 이를 읽는 Sensor, Signal Processing Circuit으로 구성됩니다. Shaft가 회전하면 Encoder 내부의 광학패턴이나 자기패턴이 이동하고 센서는 이러한 변화를 Pulse 또는 Digital Position Data로 변환합니다. 산업자동화에서는 Servo Motor와 Conveyor, Robot, CNC Machine, Packaging Machine, Elevator 등의 Motion Control에 폭넓게 사용됩니다. 특히 Servo System에서는 Controller가 명령한 위치와 Encoder가 측정한 실제 위치를 비교하여 Position Error를 보정합니다. 따라서 Rotary Encoder는 단순히 회전 여부를 확인하는 센서가 아니라 정밀한 Position·Velocity Feedback을 제공하는 Motion Control의 핵심 센서입니다.

광학식과 자기식 Encoder는 어떻게 회전을 검출할까?

Optical Rotary Encoder는 회전축에 부착된 Code Disk와 LED 등의 Light Source, Photodetector를 이용합니다. Disk에는 일정한 간격의 투명·불투명 패턴이나 반사패턴이 형성되어 있으며 Shaft가 회전하면 빛이 통과하거나 차단되는 상태가 반복됩니다. Photodetector가 이러한 광량변화를 감지하면 Signal Processing Circuit이 Pulse 또는 위치정보로 변환합니다. Magnetic Rotary Encoder는 Shaft에 장착된 Magnet이나 Magnetic Code Wheel의 자기장 변화를 Hall Sensor, Magnetoresistive Sensor 등의 소자로 검출합니다. 광학식은 높은 Resolution과 정밀도를 구현하는 데 널리 사용되며 자기식은 먼지와 Oil, 진동 등이 존재하는 환경에서 장점을 갖는 제품이 많습니다. 다만 방식만으로 Encoder의 성능을 단정할 수는 없습니다. 실제 Position Accuracy는 Code Pattern의 정밀도와 Bearing 구조, Signal Interpolation, 설치오차, 온도특성 등에 영향을 받습니다. 따라서 적용환경과 필요한 Resolution·Accuracy를 함께 고려하여 방식을 선택해야 합니다.

Incremental Encoder의 A·B·Z상은 어떤 역할을 할까?

Incremental Rotary Encoder는 Shaft가 일정한 각도만큼 회전할 때마다 Pulse를 발생시키고 Controller가 Pulse 수를 Count하여 상대적인 회전량을 계산합니다. 대표적으로 A Phase와 B Phase의 두 신호가 사용되며 두 Pulse는 일반적으로 약 90°의 전기적 위상차를 갖도록 구성됩니다. Controller는 어느 신호가 먼저 변하는지를 확인하여 Clockwise와 Counterclockwise 같은 회전방향을 판단할 수 있습니다. 이러한 방식을 Quadrature Encoding이라고 합니다. Z Phase는 Index 또는 Reference Pulse라고도 하며 일반적으로 회전당 한 번의 기준신호를 제공하는 데 사용됩니다. Encoder 사양에는 PPR(Pulses Per Revolution), CPR 또는 Counts Per Revolution 등의 표현이 사용되는데 제조사마다 정의와 카운트 방식이 다를 수 있으므로 주의해야 합니다. 예를 들어 A·B상의 상승·하강 Edge를 모두 계산하는 4배수 Counting을 사용하면 실제 Controller의 Count 수가 명시된 Pulse 수와 달라질 수 있습니다. 따라서 Encoder와 Controller의 사양 정의를 함께 확인해야 정확한 각도계산이 가능합니다.

Absolute Encoder는 회전각을 어떻게 기억할까?

Absolute Rotary Encoder는 각 회전위치에 고유한 Code를 부여하여 현재 Shaft Position을 직접 판독할 수 있도록 설계된 Encoder입니다. Incremental 방식이 기준점에서 발생한 Pulse를 누적하여 상대위치를 계산한다면 Absolute 방식은 각 위치에 대응하는 Digital Code를 읽어 절대적인 위치정보를 제공합니다. Single-turn Absolute Encoder는 한 바퀴 내부의 각도위치를 구분하며 Multi-turn Absolute Encoder는 여러 회전에 걸친 회전수 정보까지 제공할 수 있습니다. 통신방식으로 SSI, BiSS, EnDat와 다양한 산업용 Fieldbus·Drive Interface 등이 사용될 수 있습니다. 전원 차단 후 위치정보 유지방법은 제품마다 다릅니다. 코드 자체로 Single-turn 위치를 직접 읽는 방식이 있고 Multi-turn 정보는 Gear Mechanism, Battery Backup 또는 Energy Harvesting 등의 기술을 사용할 수 있습니다. 따라서 Absolute Encoder라고 해서 모든 제품이 동일한 방식으로 위치를 저장하는 것은 아닙니다. 장비 재가동 시 Homing 필요 여부 역시 Encoder와 제어시스템의 전체 설계에 따라 결정됩니다.

Rotary Encoder를 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

Rotary Encoder를 선정할 때는 Resolution, Accuracy, Maximum Speed, Shaft Type, Output Circuit과 Interface를 확인해야 합니다. Incremental Encoder에서는 PPR와 A·B·Z Phase 여부가 중요하며 출력방식으로 Open Collector, Push-Pull, Line Driver 등이 사용됩니다. 장거리 또는 고속 Pulse 전송에서는 Differential Line Driver가 Noise 내성 측면에서 유리한 경우가 많습니다. 설치 시에는 Shaft Misalignment와 Radial·Axial Load가 Encoder Bearing에 과도하게 전달되지 않도록 Flexible Coupling 등을 적절히 사용해야 합니다. Hollow Shaft Type은 기계축에 직접 장착할 수 있지만 제조사가 지정한 고정방법과 허용오차를 따라야 합니다. VFD와 Servo Drive 주변에서는 Cable Shielding, Grounding과 배선분리를 통해 Electrical Noise의 영향을 줄이는 것도 중요합니다. 결국 Rotary Encoder는 회전축의 움직임을 광학 또는 자기신호로 읽어 각도·방향·속도 정보를 생성하고 이를 Controller에 Feedback함으로써 정밀한 회전제어를 가능하게 하는 핵심 Motion Sensor입니다.