엔코더 벡터제어란? 센서리스 제어와 무엇이 다를까?

센서리스 벡터제어는 전압과 전류를 이용해 회전속도를 추정한다. 이 방식만으로도 일반 산업설비에서는 충분한 성능을 얻을 수 있지만, 아주 낮은 속도에서 큰 토크가 필요하거나 실제 회전속도를 매우 정확하게 유지해야 하는 설비에서는 추정값만으로 부족할 수 있다.

이때 모터축의 실제 움직임을 직접 측정하는 엔코더를 사용한다. 엔코더에서 나온 속도정보를 인버터로 되돌려 보내므로 폐루프 벡터제어라고 부르기도 한다.

엔코더는 무엇을 측정할까?

엔코더는 회전축의 움직임을 전기적인 신호로 바꾸는 센서다. 증분형 엔코더에서는 A상과 B상 펄스를 이용해 회전량과 방향을 확인하고, Z상 기준펄스를 사용해 1회전 기준위치를 잡기도 한다.

제어기는 일정시간 동안 들어온 펄스 수와 펄스 간격을 이용해 회전속도를 계산한다. 분해능이 높을수록 한 회전에서 더 많은 위치정보를 얻을 수 있지만 실제 제어성능은 엔코더 분해능만이 아니라 인버터의 제어주기와 필터링, 모터와 기계계의 특성에도 좌우된다.

센서리스 방식과 가장 큰 차이는 무엇일까?

센서리스 방식은 모터모델을 이용해 회전속도를 계산해서 추정한다. 엔코더 방식은 실제 회전축의 움직임을 직접 측정한다. 이 차이는 특히 저속에서 크게 나타난다.

모터속도가 매우 낮으면 유기전압이 작아 센서리스 추정이 어려워질 수 있지만 엔코더는 축이 실제로 움직이는 한 직접적인 위치·속도정보를 제공할 수 있다.

속도 피드백은 어떻게 제어에 사용될까?

인버터에는 목표속도가 있고 엔코더에서는 실제속도가 들어온다. 두 값의 차이를 속도오차라고 생각할 수 있다. 실제속도가 목표보다 낮으면 제어기는 필요한 토크를 증가시키고, 너무 높으면 토크지령을 줄인다.

벡터제어 내부에서는 토크를 만드는 q축 전류와 자속을 만드는 d축 전류를 조절한다. 실제속도 피드백이 있으므로 부하가 변해도 속도오차를 직접 확인하면서 토크전류를 보정할 수 있다.

0속도 부근에서 왜 유리할까?

정지상태나 극저속에서는 센서리스 방식이 사용할 수 있는 전기적 정보가 제한될 수 있다. 반면 엔코더가 있으면 축의 미세한 움직임도 확인할 수 있으므로 0속도 부근에서 토크를 유지하거나 아주 낮은 속도로 안정적으로 운전하는 데 유리하다.

다만 엔코더가 있다고 해서 모든 모터가 무조건 정지상태에서 정격토크를 계속 낼 수 있는 것은 아니다. 저속에서는 전동기 냉각능력이 떨어질 수 있으므로 허용토크와 냉각방식도 함께 봐야 한다.

엔코더가 고장나면 어떤 문제가 생길까?

엔코더 케이블 단선, 전원불량, 커넥터 접촉불량, 펄스노이즈, 잘못된 회전방향 설정 등이 발생하면 실제속도 피드백이 왜곡될 수 있다. 제어기는 잘못된 정보를 바탕으로 토크를 보정하려 하기 때문에 속도헌팅이나 트립으로 이어질 수 있다.

엔코더 케이블은 동력선과 가까이 배치하면 인버터의 스위칭 노이즈 영향을 받을 수 있다. 인버터와 모터 사이 케이블 문제와 마찬가지로 신호선 배선과 접지, 실드 처리가 중요하다.

어떤 설비에서 엔코더 방식이 필요한가?

승강장치, 권상설비, 정밀한 장력제어, 저속에서 큰 토크가 필요한 설비, 속도변동을 매우 작게 유지해야 하는 공정에서는 엔코더 벡터제어가 유리할 수 있다. 위치제어까지 필요하다면 전용 서보시스템이나 보다 정밀한 위치센서를 사용하는 경우도 있다.

서보모터도 피드백을 적극적으로 사용하는 대표적인 시스템이지만, 범용 인버터의 엔코더 벡터제어와는 제어목적과 구성에서 차이가 있다.

엔코더 신호는 속도뿐 아니라 방향도 알려준다

증분형 엔코더의 A상과 B상은 일반적으로 서로 위상이 어긋난 펄스를 출력한다. 어느 신호가 먼저 변하는지를 보면 회전방향을 알 수 있고, 일정시간 동안 발생한 펄스 수를 세면 속도를 계산할 수 있다. 따라서 엔코더 결선에서 A상과 B상이 바뀌거나 인버터의 회전방향 설정이 실제 모터와 반대가 되면 속도 피드백의 부호가 잘못되어 기동 직후 이상동작이나 트립이 발생할 수 있다.

폐루프 제어에서는 속도오차가 어떻게 토크지령으로 바뀔까?

목표속도와 엔코더가 측정한 실제속도의 차이는 속도제어기의 입력이 된다. 속도가 목표보다 떨어지면 제어기는 토크지령을 높이고, 실제속도가 목표보다 높으면 토크지령을 줄인다. 벡터제어에서는 이 토크지령이 주로 q축 전류지령으로 변환된다. 이렇게 실제속도를 계속 되먹임하므로 부하가 갑자기 변해도 속도편차를 직접 감지하고 보정할 수 있다는 점이 센서리스 방식과 가장 큰 차이다.

엔코더 배선은 왜 동력선과 분리해야 할까?

엔코더 신호는 수백 볼트의 모터전원과 달리 작은 전압의 고속 신호다. 인버터 출력선의 PWM 전압은 빠른 dv/dt와 고주파 전류를 만들기 때문에 엔코더 케이블과 길게 나란히 배치하면 노이즈가 유도될 수 있다. 신호선은 동력선과 가능한 한 분리하고, 제조사가 지정한 트위스트페어와 실드 케이블, 접지방법을 사용하는 것이 좋다. 커넥터 접촉불량과 실드 단선도 간헐적인 속도오류의 원인이 될 수 있다.

센서리스와 엔코더 방식 중 무엇을 선택할까?

일반적인 펌프나 팬, 단순 컨베이어처럼 속도정밀도가 아주 높지 않은 설비라면 센서리스 방식으로 충분한 경우가 많다. 반면 저속에서 큰 토크를 계속 유지해야 하거나 권상·장력제어처럼 속도변동이 품질이나 안전에 직접 영향을 주는 설비에서는 엔코더 피드백의 장점이 커진다. 선택의 기준은 ‘더 고급 기능인가’가 아니라 필요한 저속토크, 속도정밀도, 위치정보, 유지보수 비용을 함께 보는 것이다.

엔코더 분해능이 높을수록 무조건 제어가 좋아질까?

분해능이 높으면 한 회전에서 더 많은 위치정보를 얻을 수 있어 저속에서 속도를 세밀하게 계산하는 데 유리하다. 하지만 너무 높은 분해능만 선택한다고 전체 제어성능이 자동으로 좋아지는 것은 아니다. 인버터의 입력주파수 한계와 옵션보드 사양, 제어주기, 케이블 길이, 노이즈 내성까지 맞아야 한다.

따라서 엔코더를 선정할 때는 PPR이나 절대위치 비트수뿐 아니라 출력방식, 전원전압, 최대 회전속도, 인버터가 지원하는 신호형식을 함께 확인해야 한다. 기존 모터의 엔코더를 교체할 때도 기계적으로 장착된다고 바로 호환된다고 보면 안 된다.

속도 피드백이 있어도 기계 위치가 정확하다고 볼 수 있을까?

엔코더가 모터축에 달린 설비에서 감속기와 커플링 사이에 백래시나 미끄럼이 생기면 엔코더는 모터축의 회전은 정확히 알려주어도 부하 끝단의 실제 위치를 직접 알려주지는 못한다. 모터가 지령대로 움직였다는 기록과 제품 위치가 맞지 않는 현상이 동시에 나타날 수 있는 이유다.

이럴 때는 엔코더 펄스의 누락만 의심하지 말고 커플링 체결상태, 감속기의 유격, 벨트 장력, 부하축의 기계식 기준점도 확인해야 한다. 요구하는 정밀도가 부하 끝단 기준이라면 엔코더 설치 위치와 별도의 위치센서 필요 여부가 달라진다.

속도제어와 위치제어의 목표도 구분해야 한다. 엔코더를 추가했다고 모든 인버터가 자동으로 서보 수준의 위치제어를 수행하는 것은 아니다. 제어기 기능, 펄스 분해능, 기계 강성, 튜닝 상태가 함께 맞아야 한다.

시운전에서 피드백 방향을 먼저 확인하는 이유

드라이브가 정방향 토크를 지령했는데 엔코더 피드백을 역방향으로 해석하면 제어기는 속도가 부족하다고 판단해 출력을 더 키울 수 있다. 처음부터 큰 속도지령을 넣지 말고 제조사의 절차에 따라 저속에서 회전방향과 표시속도의 부호가 일치하는지 확인해야 한다.

운전 중에는 속도지령, 피드백속도, 토크전류, 위치편차 또는 속도편차를 같은 시간축에서 보면 원인을 구분하기 쉽다. 지령은 일정한데 피드백만 순간적으로 튄다면 케이블·커넥터·엔코더 신호를, 두 값이 함께 흔들린다면 부하나 상위 제어지령을 먼저 살핀다.

그림은 축의 실제 움직임을 측정한 값이 속도제어기로 되돌아와 토크전류 지령에 반영되는 과정을 보여준다. 엔코더는 측정수단이고, 안정적인 제어에는 올바른 배선과 피드백 방향 확인이 따라야 한다.

마무리

센서리스 벡터제어는 속도를 추정하고 엔코더 벡터제어는 실제 축속도를 직접 측정한다. 따라서 엔코더 방식은 저속과 0속도 부근, 빠른 부하변화에서 보다 정확한 피드백을 얻을 수 있다.

반면 엔코더와 케이블, 옵션보드가 추가되므로 비용과 유지보수 항목도 늘어난다. 결국 필요한 속도정밀도와 저속토크, 설비의 중요도를 고려해 센서리스와 엔코더 방식을 선택해야 한다.