리졸버란?
리졸버는 엔코더의 일종으로 회전 각도를 측정하기 위한 센서입니다.
회전 각도를 감지하는 장치 중 특히 전자기 유도를 통해 자기장의 변화를 읽어내어 회전 각도를 감지하는 장치를 리졸버라고 합니다. 리졸버가 읽은 회전 정보는 전기 신호로 출력되어 리졸버를 장착한 회전 기기에 피드백을 줄 수 있습니다.
리졸버의 사용 용도
리졸버는 주로 산업 장비에 사용됩니다. 백색가전이나 상업시설에서는 볼 수 없습니다. 회전 각도를 측정하는 대상은 주로 서보 모터가 주를 이굽니다.
서보 모터가 정확한 동작을 하기 위해서는 모터의 회전수 등을 감지하여 피드백을 해야 합니다. 이러한 서보 모터를 이용한 고정밀 위치 결정을 할 때 레졸버가 결합되어 활용됩니다.
최근에는 전기자동차에 사용되는 경우도 있습니다. 전기자동차의 주행제어, 전동식 파워 스티어링 등에 적용되어 고도의 모터 제어가 가능합니다. 리졸버를 통해 저전력으로 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 자동차에도 보급이 확대되고 있습니다.
리졸버의 원리
리졸버의 기본 원리는 변압기와 거의 동일합니다. 코일이 감긴 두 개의 코어로 구성되어 있습니다.
회전에 따라 1차측 코어와 2차측 코어의 상대적인 위치가 변화하여 1차측과 2차측에 편차가 발생합니다. 교류 전류 값을 측정하여 회전 각도를 감지하는 것이 리졸버의 원리입니다. 예를 들어, 회전 각도가 0도일 때는 코어 간의 상대적 위치가 변하지 않기 때문에 입출력 전압에 편차가 발생하지 않으며, 180도일 때 입출력 전압의 위상이 역전됩니다.
레졸버에서 대상과 연동하여 회전하는 부분을 로터, 코일을 내장한 부분을 스테이터라고 합니다. 로터가 스테이터와 동심원 모양이면 로터 1회전당 동배의 출력을 얻을 수 있습니다. 반면, 타원형으로 하면 2배, 삼각형의 경우 3배의 출력을 얻을 수 있습니다.
따라서 로터 형상에 따라 출력 신호의 배율을 제어할 수 있습니다. 이처럼 리졸버는 코어와 코일로 구성된 단순한 구조로 되어 있어 열악한 환경에서도 사용이 가능하다는 장점이 있습니다.
리졸버의 기타 정보
1. 리졸버 사용법
RDC는 Resolver-Digital Converter의 약자로, CPU가 연산 처리할 수 있도록 디지털 신호로 변환하는 역할을 합니다.
RDC는 회전각 신호를 디지털화할 때, 리졸버의 제조 편차를 보정하는 역할도 합니다. 서보 모터나 자동차 주행용 모터에 적용되는 연산 처리는 일반적으로 PID 제어입니다. 목표 회전수와 리졸버가 감지한 회전각과 회전각속도를 비교하여 모터에 공급할 에너지량을 결정합니다.
위치 결정과 제어의 정확도를 높이려면 회전 각도 검출과 에너지량 결정 타이밍의 시간차를 최소화해야 하는데, 이는 CPU의 동작 주파수 상한에 따라 달라집니다.
2. 리졸버의 미래
리졸버는 기본 구성이 간단하지만 가격이 높습니다. 부품 비용뿐만 아니라 고정밀도를 보장하는 리졸버를 지속적으로 안정적으로 제조하는 데에도 많은 비용이 소요됩니다. 리졸버에는 여러 개의 고정자 권선이 있는데, 모든 동선을 균일하게 감는 것이 중요합니다. 권선이 불균일하면 출력 신호에 영향을 미쳐 위치 검출의 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다.
최근에는 레졸버를 대체할 수 있는 자기식 센서의 채용이 활발히 이루어지고 있습니다. 자기식 센서에는 다양한 종류가 있지만, 대부분 자기저항 효과를 이용한 MR 센서가 많습니다. 자기저항 효과란 외부 자기장의 세기나 방향에 따라 전기저항이 변화하는 현상을 말합니다. 마그네틱 센서는 용도에 따라 다음과 같은 종류가 있습니다.
- AMR (이방성 자기저항 효과: Anisotropic magnetoresistance effect) 소자
- GMR (Giant magnetoresistance effect: 거대 자기저항 효과) 소자
- TMR (터널 자기저항 효과: Tunnel magnetoresistance effect) 소자
자기식 센서는 베어링 회전륜과 일체화할 수 있고, RDC와 같은 신호처리 회로가 필요 없다는 장점이 있습니다. 소형화, 경량화, 저비용화를 기대할 수 있습니다.