모터 엔코더는 로터를 빠르게 제어하지만 감속기 뒤의 백래시와 탄성 변형을 직접 보지 못합니다. 출력측 엔코더를 추가하면 실제 관절 각도를 측정해 끝단 오차를 줄일 수 있습니다. 두 센서의 역할, 감속비·영점 보정, 이중 루프 대역폭과 고장 진단을 설명합니다.
아래에서는 용어의 차이를 실제 시스템 경계, 실패 조건과 검증 순서로 나눠 살펴봅니다.
모터 엔코더 하나로는 감속기 뒤의 실제 관절 각도를 다 볼 수 없다
모터축 각도를 감속비로 나누면 출력각을 추정할 수 있지만 기어 백래시, 탄성 비틀림, 조립 오차와 마찰 뒤틀림은 그 계산에 나타나지 않습니다. 부하가 바뀌거나 회전 방향이 바뀔 때 끝단 위치가 달라질 수 있습니다.
로봇 엔코더 가이드가 센서 종류와 모터측·출력측의 기본 차이를 다룬다면, 여기서는 두 센서를 동시에 사용할 때 제어 루프와 오차 진단을 어떻게 나누는지 설명합니다.
모터측 엔코더는 정류와 빠른 속도 제어를 맡는다
모터 엔코더는 로터와 직접 연결되어 높은 속도에서 빠르고 깨끗한 피드백을 제공합니다. PMSM 정류, 전류 제어의 전기각과 내부 속도 루프에 사용하기 좋습니다.
출력축에서 생긴 작은 흔들림이 감속비를 거슬러 모터측에 어떻게 보이는지는 전달계에 따라 달라집니다. 빠른 루프를 출력 엔코더 하나에만 의존하면 통신 지연과 감속기 공진 때문에 안정 여유가 줄 수 있습니다.
출력측 엔코더는 감속기 이후의 실제 관절 위치를 직접 읽는다
출력 엔코더를 관절축에 설치하면 기어·벨트·커플링 뒤의 위치를 측정합니다. 모터가 목표 각도에 있어도 부하가 처지거나 백래시 안에서 움직이지 않은 상황을 외부 위치 루프가 볼 수 있습니다.
HEIDENHAIN KCI 120 Dplus 소개는 하나의 장치에서 모터축과 기어 출력측 두 스케일을 읽는 로봇용 이중 피드백 사례를 보여줍니다. 제품 구조보다 두 측정 위치의 책임 구분이 핵심입니다.
| 항목 | 모터측 엔코더 | 출력측 엔코더 |
|---|---|---|
| 읽는 위치 | 감속기 전 로터 | 감속기 뒤 관절축 |
| 주요 역할 | 정류·속도·내부 루프 | 실제 위치·외부 루프 |
| 잘 보는 오차 | 모터 운동·전기각 | 백래시·탄성·출력 처짐 |
| 주의 | 출력 오차를 간접 추정 | 지연·장착 오차·공진 |
두 각도를 감속비로 같은 좌표계에 놓으면 전달 오차가 보인다
모터 각도 θm을 감속비 N으로 나눈 값과 출력 각도 θl의 차이 e=θl-θm/N을 계산합니다. 부호, 영점과 단위를 맞춘 뒤에야 이 차이가 백래시·탄성·센서 오차를 의미합니다.
한 방향 정속에서 남는 일정 오프셋, 방향 전환 때 생기는 히스테리시스, 토크에 비례하는 차이와 진동 주파수를 나눠 봅니다. 하나의 최대 오차 숫자로 합치면 원인을 분리하기 어렵습니다.
코드 디스크와 센서 헤드의 장착 오차도 두 신호 차이에 들어간다
사진의 광학 엔코더는 축과 함께 도는 코드 디스크와 슬롯을 읽는 센서 헤드로 구성됩니다. 실제 로봇용 엔코더는 광학·자기·유도 방식이 모두 가능하지만 편심, 축 흔들림과 헤드 간극은 측정 오차를 만듭니다.
출력 엔코더를 추가하면 진실이 자동으로 생기는 것이 아닙니다. 두 센서의 정확도, 장착 편심과 온도 드리프트를 각각 보정하고 기준 각도계와 비교해야 합니다.
백래시는 방향 전환 때 모터는 움직이지만 출력이 잠시 멈추는 구간으로 나타난다
기어 치면이 반대쪽에 닿기 전까지 모터축이 움직여도 출력축이 움직이지 않을 수 있습니다. 두 엔코더의 속도와 위치 차이를 방향 전환 주변에서 보면 dead zone과 lost motion을 추정할 수 있습니다.
백래시 시험의 기계적 정의는 관절 액추에이터 시험 글과 맞춥니다. 제어 보상으로 출력 오차를 줄여도 기어의 물리 유격과 충격이 사라진 것은 아니므로 진단값을 숨기지 않습니다.
탄성 비틀림은 토크와 주파수에 따라 두 엔코더 차이가 연속적으로 변한다
감속기와 하우징, 벨트가 탄성체처럼 비틀리면 부하 토크가 커질수록 모터 환산각과 출력각의 차이가 커집니다. 백래시의 dead zone과 달리 토크 방향·크기에 따라 비교적 연속적인 변형으로 나타납니다.
전달계 강성과 마찰 파라미터는 로봇 시스템 식별 글의 실험으로 추정할 수 있습니다. 두 엔코더 차이와 모터 전류, 외부 토크를 함께 기록하면 강성·감쇠 모델을 식별하기 쉬워집니다.
이중 루프는 모터측 속도 루프 안에 출력측 위치 루프를 둔다
Synapticon의 dual-loop 설명처럼 모터 엔코더는 빠른 속도 루프를 안정화하고 출력 엔코더는 바깥 위치 루프에서 실제 부하 위치를 교정할 수 있습니다.
외부 위치 루프가 만든 속도 명령을 내부 루프가 추종하는 구조에서는 내부 대역폭을 충분히 높이고 외부 루프를 느리게 둡니다. 두 루프를 비슷하게 빠르게 만들면 감속기 공진과 지연에서 서로 싸울 수 있습니다.
출력측 신호를 빠르게 믿을수록 공진과 양자화 노이즈를 함께 보게 된다
출력 엔코더는 실제 위치를 보지만 하중과 가까워 구조 진동도 직접 측정합니다. 해상도가 낮거나 필터 지연이 크면 외부 위치 루프의 이득을 올릴 때 진동과 limit cycle이 생길 수 있습니다.
주파수 응답으로 모터-부하 사이 공진과 반공진을 찾고 외부 루프 대역폭을 그보다 충분히 낮게 둡니다. notch와 저역통과 필터를 쓰면 위상 지연을 계산하고 단순히 노이즈가 줄었다는 이유로 안정하다고 판단하지 않습니다.
감속비·방향·영점과 시간 지연을 먼저 보정한다
Synapticon 이중 엔코더 사양 문서는 모터 엔코더를 속도·정류에, 관절 엔코더를 위치 제어에 배치하는 예를 제공합니다. 구현 전 두 인터페이스의 샘플률과 지연을 확인합니다.
기준 자세에서 영점을 맞추고 양방향 저속 회전으로 부호와 감속비를 추정합니다. 타임스탬프가 어긋나면 가속 중 두 각도의 차이가 가짜 탄성처럼 보이므로 하드웨어 캡처 또는 지연 보정을 사용합니다.
두 센서의 불일치는 제어 입력이면서 강력한 고장 진단 신호다
정상 모델과 다른 차이가 지속되면 출력 엔코더 단선, 모터 엔코더 슬립, 감속기 손상, 커플링 풀림이나 충돌을 의심할 수 있습니다. 속도와 토크, 자세에 따른 정상 잔차 범위를 먼저 학습합니다.
한 센서가 고장났을 때 남은 센서로 계속 운전할 수 있는지는 작업 위험과 기능 안전 구조에 따라 결정합니다. 자동 전환이 가능한 경우에도 제어 이득과 위치 정확도가 달라지므로 제한 모드와 정지 조건을 검증합니다.
| 시험 | 입력 | 분리할 현상 |
|---|---|---|
| 양방향 저속 | 작은 왕복 위치 | 영점·부호·감속비·백래시 |
| 정적 토크 | 출력 하중 단계 | 강성·처짐·히스테리시스 |
| 주파수 스윕 | 작은 토크 사인파 | 공진·지연·대역폭 |
| 고장 주입 | 센서 단선·고정·점프 | 잔차 진단·제한 모드 |
실기 시험은 끝단 정확도와 제어 안정성, 진단을 함께 본다
이중 엔코더는 액추에이터 구조의 공간·배선·열을 늘리므로 정확도 개선만으로 채택하지 않습니다. 모터측 단일 루프와 이중 루프를 같은 궤적·부하에서 비교합니다.
기준 각도계로 출력 정확도를 측정하고 방향 전환, 정적 부하, 주파수 스윕과 온도 변화를 반복합니다. 끝단 오차가 줄어도 모터 전류 진동, 소음과 기어 충격이 커지면 외부 루프 대역폭과 보상 구조를 다시 조정합니다.
로봇 이중 엔코더 구조에서 자주 묻는 질문
출력측 엔코더 하나만 쓰면 더 정확하지 않나요?
출력 위치는 직접 보지만 모터 정류와 빠른 속도 제어에는 모터측 피드백이 유리합니다. 전달계 공진과 지연 때문에 두 역할을 분리하는 경우가 많습니다.
이중 엔코더가 백래시를 없애나요?
출력 오차를 측정해 보상할 수 있지만 기어의 물리 유격과 방향 전환 충격을 제거하지는 않습니다. 기계 수명과 안정성은 별도로 봐야 합니다.
두 엔코더 차이는 모두 감속기 탄성인가요?
아닙니다. 영점·부호·감속비 오차, 시간 지연, 센서 편심과 장착 변형도 포함됩니다. 보정 뒤 토크·주파수 의존성을 분석해야 합니다.
외부 위치 루프는 얼마나 빠르게 설정하나요?
고정 비율보다 모터-부하 전달계의 공진과 지연을 측정해 결정합니다. 내부 속도 루프보다 충분히 느리고 안정 여유가 있어야 합니다.
센서 하나가 고장나도 계속 움직일 수 있나요?
남은 센서와 작업 위험에 따라 제한 운전이 가능할 수 있지만 자동 fallback의 이득·정확도와 정지 조건을 사전에 검증해야 합니다.
이중 엔코더 제어의 대역폭과 고장 대응은 감속기 강성, 센서 지연, 드라이브 구조와 적용 안전 요구에 따라 달라집니다. 실제 관절의 주파수 응답과 기준 각도계, 고장 주입 시험으로 확정해야 합니다.