엔코더 A상·B상·Z상 펄스의 원리와 회전방향 검출 방법

모터가 어디로 얼마나 돌고 있는지 아는 법

우리가 일상에서 사용하는 자동문, 엘리베이터, 프린터, 그리고 공장의 정밀한 로봇 팔까지 모터가 들어가는 모든 기계는 정확하게 움직여야 합니다. 모터가 회전할 때 그냥 돌기만 하면 어디쯤 멈춰야 할지, 얼마나 빠르게 돌고 있는지 알 수 없습니다. 이때 눈과 귀가 되어주는 핵심 부품이 바로 로터리 엔코더입니다. 그중에서도 가장 널리 쓰이는 A상, B상, Z상 펄스 신호의 원리를 이해하면 모션 제어의 기본 뼈대를 완벽하게 파악할 수 있습니다.

회전하는 기계의 눈 역할을 하는 엔코더의 기초

엔코더는 모터의 회전 축에 붙어 회전 상태를 전기적인 펄스 신호로 바꾸어주는 센서입니다. 회전판에 미세한 구멍이나 슬롯을 뚫어놓고 빛을 통과시키거나 차단하는 광학식 방식이 가장 대중적입니다. 회전판이 돌아갈 때 센서는 빛이 통과하면 켜지고 차단되면 꺼지는 현상을 반복하며 펄스라는 네모난 파형을 만들어냅니다. 이 펄스를 세면 모터가 얼마나 회전했는지 계산할 수 있습니다.

A상과 B상 펄스가 만들어내는 마법 같은 회전 방향 검출

단순히 펄스 하나만 있으면 모터가 몇 바퀴 돌았는지는 알 수 있지만 어느 방향으로 돌고 있는지는 알 수 없습니다. 시계 방향으로 돌든 반시계 방향으로 돌든 빛이 차단되었다가 켜지는 횟수는 똑같기 때문입니다. 이 문제를 해결하기 위해 엔코더는 위상이 90도 다른 두 개의 신호인 A상과 B상을 동시에 내보냅니다.

이 두 신호의 관계를 보면 회전 방향을 정확히 알 수 있습니다.

• 시계 방향으로 돌 때 A상 펄스가 먼저 변하고 그보다 90도 늦게 B상 펄스가 변합니다.
• 반시계 방향으로 돌 때는 반대로 B상 펄스가 먼저 변하고 A상 펄스가 나중에 변합니다.

마치 두 사람이 나란히 달리기를 할 때 누가 먼저 출발선을 넘었는지 보는 것과 같습니다. 컨트롤러는 이 미세한 시간 차이와 순서를 읽어내어 모터가 정방향으로 도는지 역방향으로 도는지 즉시 판단합니다. 이를 통해 정밀한 위치 제어가 가능해집니다.

원점 복귀의 핵심인 Z상 펄스의 역할

A상과 B상만 있으면 모터가 움직인 거리는 알 수 있지만 절대적인 위치를 특정하기는 어렵습니다. 전원을 켰을 때 지금 여기가 어디인지 기준점이 필요합니다. 이때 등장하는 것이 바로 Z상 펄스입니다.

Z상 펄스는 모터가 정확히 한 바퀴를 돌 때마다 딱 한 번만 짧은 신호를 줍니다. 톱니바퀴에 홈이 파여 있어서 한 바퀴 돌 때마다 딸깍 소리가 나는 것과 비슷합니다. 기계를 처음 켤 때 모터를 돌리다가 Z상 신호가 들어오는 순간을 찾으면 그곳을 영점 또는 기준 원점으로 설정할 수 있습니다. CNC 기계나 3D 프린터가 전원을 켤 때 탁탁 소리를 내며 원점으로 돌아가는 과정이 바로 이 Z상 펄스를 찾는 과정입니다.

신호 분해능을 높여주는 체배 기술 활용하기

엔코더의 성능을 이야기할 때 분해능이라는 단어가 자주 나옵니다. 한 바퀴를 몇 개의 펄스로 쪼개서 볼 수 있는지를 뜻합니다. 물리적으로 슬롯을 아주 많이 뚫는 것에는 한계가 있지만 A상과 B상의 신호 변화를 전기적으로 세분화하면 원래보다 훨씬 더 정밀한 제어가 가능해집니다.

• 1체배 방식은 A상이나 B상 중 하나의 상승 혹은 하강 에지만 카운트합니다.
• 2체배 방식은 A상과 B상의 모든 상승 또는 하강 에지를 카운트하여 해상도를 두 배로 높입니다.
• 4체배 방식은 A상과 B상의 모든 상승 에지와 하강 에지를 전부 카운트하여 기본 해상도의 네 배에 달하는 정밀도를 확보합니다.

비싼 고해상도 엔코더를 새로 구입하지 않고도 제어 프로그램 설정을 4체배로 바꾸는 것만으로도 비용을 들이지 않고 정밀도를 네 배로 끌어올릴 수 있는 훌륭한 실무 팁입니다.

현장에서 흔히 하는 오해와 진실 바로잡기

엔코더를 다루다 보면 몇 가지 오해에 부딪히기 쉽습니다. 흔히 펄스가 많을수록 무조건 좋다고 생각하지만 반드시 그렇지는 않습니다. 분해능이 너무 높으면 기계적인 미세 진동이나 노이즈까지 전부 신호로 인식하여 오작동을 일으킬 수 있습니다. 제어하고자 하는 대상의 기계적 유격이나 필요한 정밀도에 알맞은 사양을 고르는 것이 중요합니다.

또 다른 오해는 엔코더 선이 길어져도 상관없다는 생각입니다. 엔코더 출력은 약한 전기 신호이기 때문에 공장처럼 모터 노이즈가 많은 환경에서는 쉽게 왜곡됩니다. 이럴 때는 일반 선 대신 쉴드 케이블을 사용하고 라인 드라이버 출력을 지원하는 엔코더를 선택해야 신호 손실을 막을 수 있습니다.

비용을 아끼면서 안정성을 높이는 설치와 유지보수 요령

엔코더는 정밀 광학 부품이기 때문에 먼지, 기름, 습기, 그리고 강한 충격에 매우 취약합니다. 현장에서 엔코더가 고장 나는 주된 이유는 불량이라기보다는 잘못된 설치나 환경 관리 부족인 경우가 많습니다.

• 모터 축과 엔코더 축을 연결할 때는 반드시 전용 커플링을 사용하여 유격을 없애고 진동이 직접 전달되지 않도록 완충 장치를 두어야 합니다.
• 배선 작업을 할 때는 동력선과 신호선을 나란히 붙여서 지나가지 않도록 거리를 두거나 트레이를 분리해야 인버터 노이즈로 인한 카운터 오작동을 예방할 수 있습니다.
• 진동이 심한 환경이라면 방진 고무를 장착하고 알루미늄 커버 등으로 물리적 보호조치를 해주면 수명이 몇 배로 늘어납니다.

엔코더 선택과 적용에 관해 자주 하는 질문

오픈 콜렉터 출력과 라인 드라이버 출력 중 어떤 것을 골라야 할지 헷갈린다는 현장 엔지니어가 많습니다. 거리가 짧고 비용을 아끼고 싶다면 회로가 단순한 오픈 콜렉터가 유리하지만 배선 거리가 길거나 노이즈에 강한 시스템을 구축해야 한다면 차동 신호를 보내는 라인 드라이버 방식이 필수적입니다.

엔코더가 고장 났을 때 테스터기로 어떻게 확인하는지 묻는 경우도 흔합니다. 오실로스코프가 있다면 A상과 B상의 90도 위상 차파형을 직접 눈으로 보는 것이 가장 확실하지만 간단하게 멀티미터의 주파수나 전압 측정 모드를 활용해 모터를 천천히 돌리며 신호 전압이 0V와 5V 혹은 24V 사이를 오가는지 확인하는 방법으로 고장 여부를 대략 판별할 수 있습니다.

Z상 펄스가 나오지 않는다는 문의도 자주 들어옵니다. Z상은 한 바퀴에 딱 한 번만 나오기 때문에 일반적인 멀티미터의 빠른 반응 속도나 눈짐작으로는 확인하기 어렵습니다. 반드시 모터를 한 바퀴 이상 정방향으로 회전시키면서 오실로스코프의 단발 트리거 기능을 사용하거나 PLC의 카운터 입력 모니터링 기능을 활용해야만 정확하게 검출되는지 확인할 수 있습니다.