엔코더 A·B·Z상 신호 해석

인크리멘털 로터리 엔코더 데이터시트를 보면 A상, B상, Z상(A/B/Z Phase)이라는 표기를 자주 볼 수 있습니다. 세 신호는 모두 같은 역할을 하는 것이 아니라 각각 회전량, 회전방향, 기준위치를 알아내는 데 사용됩니다.

가장 간단하게 정리하면

A상 = 회전량을 측정하는 기본 펄스

B상 = A상과 함께 회전방향을 판별하는 펄스

Z상 = 1회전마다 발생하는 기준·원점 신호

입니다.

Omron은 인크리멘털 엔코더를 A상만 사용하는 1상, A·B상을 사용하는 2상, A·B·Z상을 사용하는 3상 모델로 구분하며, Z상은 일반적으로 한 바퀴당 한 번 출력되는 원점 신호라고 설명합니다.

A상은 어떤 신호일까?

A상은 엔코더 축이 회전할 때 반복적으로 발생하는 기본 펄스 신호입니다.

예를 들어 엔코더 사양이

1000 P/R

이라고 되어 있다면 제조사가 정의한 기본 해상도에 따라 축이 한 바퀴 회전하는 동안 A상에서 1000개의 펄스 주기가 발생합니다.

Omron 역시 인크리멘털 엔코더의 해상도를 축이 1회전했을 때 출력되는 펄스 수로 정의합니다.

따라서 컨트롤러가 A상 펄스를 계속 세면 축이 얼마나 움직였는지 계산할 수 있습니다.

예를 들어 1000 P/R 엔코더에서 A상 주기만 1회씩 카운트한다면

360° ÷ 1000 = 0.36°

이므로 기본적으로 펄스 한 주기가 0.36°의 회전에 대응합니다.

그런데 A상만으로는 회전방향을 알 수 없다

A상만 보면 펄스가 몇 번 발생했는지는 알 수 있지만 축이 어느 방향으로 돌았는지는 구분하기 어렵습니다.

예를 들어 축이 오른쪽으로 10° 움직여도 펄스가 발생하고 반대쪽으로 10° 움직여도 A상에는 펄스가 발생합니다.

그래서 방향까지 알아내기 위해 B상을 함께 사용합니다.

B상은 무엇이 다를까?

B상도 A상과 같은 형태의 반복적인 펄스신호이지만 A상과 시간적으로 어긋나 있습니다.

일반적인 쿼드러처(Quadrature) 엔코더에서는 A상과 B상의 위상차가 약 90 electrical degrees입니다. Omron도 A·B상 사이의 위상차가 일반적으로 전기각 90°라고 설명합니다.

파형을 단순하게 표현하면 다음과 같은 식입니다.

A상: ＿▔▔＿▔▔＿▔▔＿
B상: ＿＿▔▔＿▔▔＿▔▔

두 신호가 동시에 움직이는 것이 아니라 약간의 시간차를 두고 변화합니다.

이 시간차를 이용하면 회전방향을 알아낼 수 있습니다.

A상이 먼저냐 B상이 먼저냐로 방향을 판단한다

한 방향으로 회전할 때 A상이 B상보다 먼저 변한다면 반대 방향에서는 B상이 A상보다 먼저 변합니다.

NI는 쿼드러처 엔코더에서 A가 B보다 앞서는지, B가 A보다 앞서는지를 이용해 회전방향을 판단할 수 있다고 설명합니다.

예를 들어 특정 엔코더가

A leads B = CW

B leads A = CCW

로 정의되어 있다면 A상이 먼저 변할 때 시계방향으로 판단합니다.

하지만 여기에는 중요한 주의점이 있습니다.

A가 먼저면 항상 시계방향이라고 외우면 안 됩니다.

엔코더를 어느 쪽에서 바라보는지와 제조사의 위상 정의에 따라 방향 기준이 달라질 수 있기 때문입니다. 실제 Dynapar의 특정 엔코더는 지정된 관찰 방향에서 A상이 B상보다 앞설 때 CW라고 명시하고 있습니다.

따라서 실제 장비에서는 반드시 제조사의 Timing Diagram 또는 Phase Sense를 확인해야 합니다.

A·B상을 사용하면 왜 해상도가 4배까지 늘어날까?

A상과 B상에는 각각 상승 에지와 하강 에지가 있습니다.

컨트롤러가 한 주기에서

A 상승 → B 상승 → A 하강 → B 하강

과 같이 네 번의 변화를 모두 카운트하면 ×4 디코딩이 가능합니다.

예를 들어 1000 P/R 엔코더라면 ×4 카운팅 시

1000 × 4 = 4000 counts/rev

가 됩니다.

따라서 한 카운트당 각도는

360° ÷ 4000 = 0.09°

입니다.

실제 Omron의 인크리멘털 엔코더 입력모듈도 A·B 위상차 입력에 대해 ×2와 ×4 카운팅을 지원합니다.

즉 A·B상은 방향판별뿐 아니라 더 세밀한 위치카운팅에도 사용됩니다.

Z상은 무엇일까?

Z상은 흔히

Index

Reference

Zero

Origin

신호라고 부릅니다.

A·B상은 축이 돌아가는 동안 계속 반복적으로 펄스를 출력하지만 Z상은 일반적인 인크리멘털 엔코더에서 축 1회전당 한 번 발생합니다.

Omron은 Z상을 1회전당 한 번 발생하는 원점신호로 정의하고 있으며, NI도 Z 또는 Index 신호를 한 바퀴당 한 번 발생하는 기준신호로 설명합니다.

따라서

A·B상 = 얼마나 움직였는가

Z상 = 한 바퀴 중 특정 기준위치가 어디인가

를 알려준다고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

Z상은 어디에 사용할까?

대표적인 용도는 원점복귀(Homing)와 위치 기준 설정입니다.

인크리멘털 엔코더는 전원이 꺼지면 PLC나 컨트롤러가 누적해 두었던 위치정보를 잃을 수 있습니다.

장비를 다시 켰을 때 모터를 일정 방향으로 움직이면서 Z상 신호가 들어오는 위치를 찾으면 이를 기준점으로 사용할 수 있습니다.

예를 들어

Z상 검출 위치 = Encoder Zero

로 설정하고 이후 A·B 펄스를 증가·감소시키면서 상대위치를 계산할 수 있습니다.

다만 Z상 자체만으로는 여러 회전에 걸친 절대위치를 알려주는 것은 아닙니다. 기본적으로 한 회전 안에서 반복되는 기준신호입니다.

Z상 펄스 폭은 항상 같을까?

아닙니다.

Z상은 일반적으로 한 바퀴에 한 번 발생하지만 펄스 폭과 A·B상에 대한 위치관계는 제조사와 제품에 따라 달라질 수 있습니다.

예를 들어 Dynapar의 한 제품은 Index 신호를 특정 B상 상태와 연동해 출력하고, 다른 제품은 A·B 두 신호의 특정 구간에 맞춰 Index를 출력하도록 설계되어 있습니다.

Renishaw의 일부 엔코더 역시 A·B 쿼드러처 신호와 동기화된 Z 기준 펄스를 제공합니다.

따라서 Z상은 단순히 한 바퀴에 한 번이라는 조건만 확인하지 말고 Z 펄스 폭과 A/B상과의 동기 위치도 확인해야 합니다.

A·B·Z가 있다고 모두 같은 출력회로일까?

그렇지 않습니다.

A·B·Z는 신호의 역할이고, 신호를 전기적으로 어떻게 출력하는지는 별개의 사양입니다.

대표적인 출력방식에는

NPN Open Collector

PNP Open Collector

Voltage Output

Complementary Output

Line Driver Output

등이 있습니다.

Omron 역시 인크리멘털 엔코더에서 이러한 출력회로를 구분하며, Line Driver 방식은 RS-422A 계열의 차동출력을 사용해 고속·장거리 전송과 노이즈에 유리하다고 설명합니다.

따라서 A/B/Z 출력이라고 적혀 있다고 해서 곧바로 PLC에 연결할 수 있는 것은 아닙니다.

A+·A−·B+·B−·Z+·Z−는 무엇일까?

Line Driver 엔코더에서는 다음처럼 6개의 신호가 표시될 수 있습니다.

A+ / A−

B+ / B−

Z+ / Z−

여기서 −는 단순히 0V나 마이너스 전원이라는 뜻이 아닙니다.

각 신호의 반전된 차동신호입니다.

예를 들어 A+가 High이면 A−는 Low가 되고, 반대 상태에서는 A+가 Low, A−가 High가 됩니다.

수신기는 두 신호의 차이를 비교해 실제 A상 신호를 판단합니다. 이렇게 하면 두 선에 공통으로 들어오는 외부 노이즈의 영향을 줄이는 데 유리합니다.

Omron의 실제 Line Driver 연결 예에서도 A+/A−, B+/B−, Z+/Z−를 각각 쌍으로 PLC 고속카운터에 연결하도록 되어 있습니다.

A−를 0V에 연결하면 될까?

임의로 연결하면 안 됩니다.

A−, B−, Z−는 차동 Line Driver의 반전 출력이므로 일반적인 GND와 다른 신호선입니다.

Line Driver 입력에서는 보통

A+ ↔ A−

B+ ↔ B−

Z+ ↔ Z−

각각을 차동입력 한 쌍으로 연결합니다.

반면 NPN·PNP Open Collector 엔코더에서는 이런 반전신호 자체가 없을 수 있습니다.

따라서 엔코더 교체 시에는 A/B/Z의 존재 여부뿐 아니라 출력회로 종류까지 반드시 일치시키는 것이 중요합니다.

1000 P/R A·B·Z 엔코더를 예로 들어보면

다음과 같은 엔코더가 있다고 가정해보겠습니다.

Resolution: 1000 P/R
Output phase: A, B, Z
A/B phase difference: 90°
Output: Line Driver

이를 해석하면

1000 P/R
한 회전당 기본적으로 1000개의 펄스 주기

A상
회전량 측정

B상
A상과의 위상차를 이용해 회전방향 판별

Z상
1회전당 기준위치 신호

Line Driver
A+/A−, B+/B−, Z+/Z− 형태의 차동출력이 사용될 수 있음

이라는 의미입니다.

실제로 Omron E6C2-C 계열도 1000 P/R을 포함한 여러 해상도에서 A·B·Z 3상 출력 모델을 제공합니다.

Z상이 없으면 엔코더를 사용할 수 없을까?

그렇지는 않습니다.

엔코더에 따라

A상만

A·B상

A·B·Z상

제품이 각각 존재합니다.

Omron도 실제 제품군에서 1상, 2상, 3상 모델을 각각 제공합니다.

단순히 회전속도만 측정한다면 A상 하나만으로도 충분할 수 있습니다.

회전방향까지 알아야 한다면 A·B상이 필요하고, 반복적인 기준위치나 정밀한 원점복귀가 필요하다면 Z상까지 있는 제품이 유리합니다.

즉 필요한 기능에 따라 출력상을 선택하면 됩니다.

최대 응답주파수도 함께 확인해야 한다

엔코더의 A·B·Z 신호를 제대로 읽으려면 PLC나 카운터가 펄스를 처리할 수 있을 만큼 빨라야 합니다.

예를 들어 해상도가 높고 회전속도까지 빠르면 A·B상의 주파수가 매우 높아집니다.

Omron의 실제 엔코더 입력모듈도 모델에 따라 A·B 입력의 최대 주파수와 Z상 입력의 최대 주파수를 별도로 규정하고 있습니다.

예를 들어 1000 P/R 엔코더가 3000 rpm으로 회전하면

3000 ÷ 60 = 50회전/초

이므로 A상의 기본 주파수는

1000 × 50 = 50,000Hz

즉 50kHz가 됩니다.

따라서 PLC 고속카운터의 최대 입력주파수가 이보다 충분히 높아야 합니다.

실제 데이터시트는 어떻게 읽을까?

예를 들어 데이터시트에 다음과 같이 적혀 있다고 가정해보겠습니다.

Resolution: 2000 P/R
Output: A, B, Z
Phase difference A/B: 90° ±45°
Output circuit: NPN Open Collector
Maximum response frequency: 100kHz

이를 해석하면

2000 P/R
엔코더의 기본 펄스 해상도

A·B
위치와 회전방향 검출

Z
한 회전의 기준점

90° ±45°
A와 B 사이의 허용 위상차

NPN Open Collector
전기적인 출력회로 방식

100kHz
엔코더가 정상적으로 출력할 수 있는 최대 응답주파수 조건

을 의미합니다.

Omron E6B2-C 계열에서도 실제로 A·B·Z상, A/B 위상차, NPN·PNP·Line Driver 출력 및 최대 응답주파수를 각각 별도 사양으로 제시합니다.

정리

인크리멘털 엔코더의 A·B·Z상은 각각 다른 역할을 담당합니다.

A상 = 회전량을 계산하는 기본 펄스

B상 = A상과 약 90° 위상차를 두어 회전방향 판별

Z상 = 일반적으로 1회전에 한 번 발생하는 원점·기준 신호

A·B상의 상승·하강 에지를 모두 읽는 ×4 카운팅을 사용하면 기본 펄스 수보다 최대 4배 많은 위치 카운트를 얻을 수 있습니다.

또한 Line Driver 제품에서 보이는 A+/A−, B+/B−, Z+/Z−는 각각 차동신호 한 쌍이며 −선을 0V로 착각해서는 안 됩니다.

실제 엔코더를 선택하거나 PLC에 연결할 때는 해상도(P/R) → A·B·Z상 → 회전방향 정의 → ×1·×2·×4 카운팅 → Z상 위치 → 출력회로 → 최대 응답주파수 → PLC 입력방식까지 함께 확인하는 것이 중요합니다.