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KR101885275B1 - 노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법, 엔코더의 출력 신호를 보정하는 방법 및 앱솔루트 엔코더 - Google Patents

노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법, 엔코더의 출력 신호를 보정하는 방법 및 앱솔루트 엔코더 Download PDF

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KR101885275B1
KR101885275B1 KR1020170054629A KR20170054629A KR101885275B1 KR 101885275 B1 KR101885275 B1 KR 101885275B1 KR 1020170054629 A KR1020170054629 A KR 1020170054629A KR 20170054629 A KR20170054629 A KR 20170054629A KR 101885275 B1 KR101885275 B1 KR 101885275B1
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KR
South Korea
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signal
angle
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magnet
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전재욱
후안 하 뉴엔
박재완
문준영
김태원
이도언
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

엔코더가 노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법은 엔코더는 회전축에 위치한 2극 자석의 회전에 따른 제1 각도 데이터 및 다극 자석의 회전에 따른 제2 각도 데이터를 생성하는 단계, 상기 엔코더는 상기 제1 각도 데이터에 따른 제1 파형 신호를 상기 제2 각도 데이터에 따른 제2 파형 신호와 동일한 주기의 제3 파형 신호로 변환하는 단계, 상기 엔코더는 상기 제2 각도 데이터 및 상기 다극 자석의 회전 주기의 위치를 상기 제2 파형 신호와 상기 제3 파형 신호의 차이를 기준으로 결정한 값을 이용하여 각도 결과값을 연산하는 단계 및 상기 엔코더는 각도 결과값과 절대 각도를 매칭한 테이블을 이용하여 연산한 상기 각도 결과값에 대응하는 절대 각도를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법, 엔코더의 출력 신호를 보정하는 방법 및 앱솔루트 엔코더{ANGLE DETERMINATING METHOD USING ENCODER SIGNAL WITH NOISE SUPPRESSION, ADJUSTING METHOD FOR OUTPUT SIGNAL OF ENCODER AND ABSOLUTE ENCODER}
이하 설명하는 기술은 앱솔루트 엔코더의 신호를 보정하는 기법과 보정한 신호를 이용하여 각도를 산출하는 기법에 관한 것이다.
엔코더(encoder)는 회전하는 물체의 회전 각속도와 위치를 검출하기 위한 장치이다. 엔코더는 회전을 검출하는 수단에 따라 광학식 엔코더와 자기식 엔코더로 구분할 수 있다. 또한 엔코더는 일정한 기준과의 상대적인 위치를 측정하는 인크리멘탈(incremental) 엔코더와 전원 공급 여부와 관계 없이 절대적인 위치를 측정할 수 있는 앱솔루트(absolute) 엔코더로 구분할 수 있다.
자기식 엔코더는 회전하는 물체와 함께 회전하는 자성체를 이용하여 회전 각속도와 회전 위치를 검출할 수 있는 출력 신호를 생성한다. 자기식 엔코더의 출력 신호는 회전 자기장의 유도 전압에 기반하는 사인파(sine wave)와 코사인파(cosine wave)의 쌍으로 구성되며, 두 파형의 위상으로부터 회전 위치와 회전 속도를 검출할 수 있다. 그러나, 자기식 엔코더는 출력 신호의 노이즈, 위상 흔들림, DC 오프셋, 진폭 변동, 파형 왜곡 등에 취약하다. 따라서 자기식 엔코더의 출력 신호에서 위상차를 제거하기 위한 기법에 대한 연구가 있었다.
한국공개특허 제10-2013-0135918호 한국등록특허 제10-1468323호
종래 기술은 자기식 엔코더에서 사용되는 다극 자석의 제작 과정이나 조립 과정에서 발생할 수 있는 오류에 대해서는 해결책을 제시하지 못하고 있다.
이하 설명하는 기술은 다극 자석을 이용하는 앱솔루트 엔코더에서 다극 자석 자체의 결함이나 조립의 오차에서 발생하는 신호의 위상차를 보상하는 기법을 제공하고자 한다.
엔코더가 노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법은 엔코더는 회전축에 위치한 2극 자석의 회전에 따른 제1 각도 데이터 및 다극 자석의 회전에 따른 제2 각도 데이터를 생성하는 단계, 상기 엔코더는 상기 제1 각도 데이터에 따른 제1 파형 신호를 상기 제2 각도 데이터에 따른 제2 파형 신호와 동일한 주기의 제3 파형 신호로 변환하는 단계, 상기 엔코더는 상기 제2 각도 데이터 및 상기 다극 자석의 회전 주기의 위치를 상기 제2 파형 신호와 상기 제3 파형 신호의 차이를 기준으로 결정한 값을 이용하여 각도 결과값을 연산하는 단계 및 상기 엔코더는 각도 결과값과 절대 각도를 매칭한 테이블을 이용하여 연산한 상기 각도 결과값에 대응하는 절대 각도를 결정하는 단계를 포함한다.
앱솔루트 엔코더는 회전축에 위치하는 2극 자석의 회전에 따른 제1 각도 데이터를 출력하는 제1 자기 센서, 상기 상기 회전축에 위치하는 다극 자석의 회전에 따른 제2 각도 데이터를 출력하는 제2 자기 센서, 상기 제1 자기 센서 및 상기 제2 자기 센서의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환기, 각도 결과값과 절대 각도를 매칭한 테이블을 저장하는 저장 장치 및 상기 제1 각도 데이터에 따른 제1 파형 신호를 상기 제2 각도 데이터에 따른 제2 파형 신호와 동일한 주기의 제3 파형 신호로 변환하고, 상기 제2 파형 신호와 상기 제3 파형 신호의 차이를 기준으로 결정한 기준 값과 상기 제2 각도 데이터를 이용하여 각도 결과값을 연산하고, 연산한 상기 각도 결과값과 상기 테이블을 이용하여 절대 각도를 연산하는 신호 처리 회로를 포함한다.
이하 설명하는 기술은 제조 과정이나 조립 과정에서 불량으로 판단되는 다극 자석을 사용할 수 있는 엔코더를 제공한다.
도 1은 종래 앱솔루트 엔코더의 구조를 도시한 블록도의 예이다.
도 2는 앱솔루트 엔코더에서 자석과 자기를 감지하는 센서의 배치를 도시한 예이다.
도 3은 2극 자석과 다극 자석의 회전에 따라 센서가 검출하는 신호 파형을 도시한 예이다.
도 4는 앱솔루트 엔코더에서 사용되는 자석의 구조를 도시한 예이다.
도 5는 도 4의 구조를 갖는 자석을 이용하여 검출한 신호 파형의 예이다.
도 6은 앱솔루트 엔코더의 구조를 도시한 다른 예이다.
도 7은 도 2와 같이 구성된 앱솔루트 엔코더에서 2극 자석 및 다극 자석의 회전에 따라 센서에 의해 검출되는 이상적인 신호 파형을 나타낸다.
도 8(a)는 조립 과정에서 2극 자석과 다극 자석이 잘못 조립된 불량 앱솔루트 엔코더를 예시한다. 도 8(b) 및 8(c)는 도 8(a)와 같이 잘못 조립된 불량 앱솔루트 엔코더에 의해 출력된 신호 파형을 나타낸다.
도 9(a)는 다극 자석 양산 과정에서 다극 자석의 크기가 상이하게 생산된 불량 앱솔루트 엔코더를 예시한다. 도 9(b)는 도 9(a)와 같이 잘못 양산된 불량 앱솔루트 엔코더에 의해 출력된 신호 파형을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔루션에 따라 보상된 신호 파형을 예시한다.
도 11(a)는 2개의 2극 자석으로 구성된 앱솔루트 엔코더 구조를 예시한 도면이다. 도 11(b)는 도 11(a)와 같은 구조를 갖는 앱솔루트 엔코더로부터 출력된 이상적인 신호 파형을 예시한 도면이다.
도 12(a)는 2개의 2극 자석을 이용하여 제조된 불량 앱솔루트 엔코더를 예시하며, 도 12(b)는 도 12(a)의 불량 앱솔루트 엔코더로부터 출력된 신호 파형을 예시한 도면이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
도 1은 종래 앱솔루트 엔코더(100)의 구조를 도시한 블록도의 예이다. 앱솔루트 엔코더(100)는 제1 자기 센서(110), 제2 자기 센서(120), ADC(130), 각도 데이터 산출부(140) 및 절대 각도 산출부(150)을 포함한다. ADC(130), 각도 데이터 산출부(140) 및 절대 각도 산출부(150)는 하나의 회로로 구성될 수 있다. 도시하지 않았지만 2극 자석과 다극 자석은 회전축에 위치한다.
제1 자기 센서(110)는 2극 자석의 회전에 따른 신호(A1, B1)를 출력하고, 제2 자기 센서(120)는 다극 자석의 회전에 따른 신호(A2, B2)를 출력한다. ADC(130)는 아날로그 파형 신호를 디지털 신호로 변환한다. 90°위상을 갖는 A신호 및 B상 신호를 각각 소정의 주기로 샘플링하여, ADC(130)가 디지털 신호를 생성한다.
각도 데이터 산출부(140)는 각 자석의 회전으로 전달되는 신호를 역삼각함수(arctan) 처리를 통해 특정 각도를 연산한다. 각도 데이터 산출부(140)는 제1 자기 센서(110)가 생성한 신호에서 제1 각도(θ1)를 연산하고, 제2 자기 센서(120)가 생성한 신호에서 제2 각도(θ2)를 연산한다. 절대 각도 산출부(150)는 제1 각도(θ1)와 제2 각도(θ1)로부터 회전축의 절대적인 회전 각도를 산출해서 절대 각도 데이터(θ)를 산출한다. 절대 각도 산출부(150)는 절대 각도 산출을 위한 테이블을 이용한다.
도 2는 앱솔루트 엔코더에서 자석과 자기를 감지하는 센서의 배치를 도시한 예이다. 도 2는 앱솔루트 엔코더에서 자석의 회전을 감지하는 센서의 배치를 도시한 예이다. 도 2는 중심에 위치하는 2극 자석(사선으로 표시함)과 2극 자석의 외곽에 위치하는 다극 자석을 도시하였다. 2극 자석과 다극 자석의 중심은 회전축에 해당한다. 도 2에서 다극 자석은 4극 자석으로 도시하였다. 물론 다극 자석은 보다 많은 극수를 갖는 자석이 사용될 수 있다. 극수가 많은 다극 자석을 사용할수록 분해능이 높아진다. 다만 설명의 편의를 위해 이하 4극 자석을 전제로 설명한다.
2극 자석의 자기를 감지하는 제1 자기 센서(210)는 2극 주석의 중심에 위치한다. 다극 자석의 자기를 감지하는 제2 자기 센서(220a 및 220b)는 다극 자석의 바깥쪽에 위치한다. 제2 자기 센서는 2개를 사용할 수 있다. 한편 제1 자기 센서(210)와 제2 자기 센서(220a 및 220b)는 동일한 선상에 위치한다.
도 3은 2극 자석과 다극 자석의 회전에 따라 센서가 검출하는 신호 파형을 도시한 예이다. 도 2와 같이 자기 센서가 배치되면 각 센서에서 검출하는 신호는 도 3과 같은 파형을 갖는다. 도 3에서 가로축은 시간에 해당하고, 세로축은 회전 정도를 의미한다. 도 3에서 점선은 2극 자석의 회전에 따른 파형을 나타내고, 실선은 동일한 회전에서 다극 자석(4극 자석)의 회전에 따른 파형을 나타낸다.
도 4는 앱솔루트 엔코더에서 사용되는 자석의 구조를 도시한 예이다. 도 4는 자석의 생산 과정이나 조립 과정에서 발생할 수 있는 불량한 자석의 구조를 도시한 예이다. 도 4(a)는 앱솔루트 엔코더에서 사용되는 자석을 생산하는 과정에서 발생한 불량의 예이다. 도 4(a)는 다극 자석의 크기가 상이한 예이다. 도 4(b)는 조립 과정에서 발생한 불량의 예이다. 도 4(b)는 2극 자석과 다극 자석을 잘못 조립한 예이다.
도 5는 도 4의 구조를 갖는 자석을 이용하여 검출한 신호 파형의 예이다. 정상적인 자석인 경우 2극 자석의 1회전과 다극 자석의 다회전이 일정한 주기로 일치해야 한다. 그러나 도 4와 같은 자석을 사용하는 경우 제1 자기 센서(110) 및 제2 자기 센서(120)이 출력하는 신호가 도 5와 같이 일치하지 않을 수 있다.
이하 설명하는 기술은 도 4와 같은 불량 자석을 사용할 수도 있는 앱솔루트 엔코더를 전제로 한다. 이하 설명하는 기술은 도 4와 같은 불량이 발생하여도 정확한 회전 각도를 측정하게 한다.
도 6은 앱솔루트 엔코더(200)의 구조를 도시한 다른 예이다. 앱솔루트 엔코더(200)는 제1 자기 센서(210), 제2 자기 센서(220), ADC(230), 신호 생성 회로(240), 신호 처리 회로(250) 및 저장 장치(260)을 포함한다. 신호 생성 회로(240), 신호 처리 회로(250) 및 저장 장치(260)는 하나의 회로로 구성될 수 있다. 또한, 상술한 구성 요소들 중 적어도 하나는 엔코더(200)에 필수적으로 포함되지 않을 수 있다. 예를 들어, 저장 장치(260)는 선택적으로 엔코더(200)에 포함될 수 있다. 도시하지 않았지만 2극 자석과 다극 자석은 회전축에 위치한다.
제1 자기 센서(210)는 2극 자석의 회전에 따른 신호(sin파, cos파)를 출력하고, 제2 자기 센서(220)는 다극 자석의 회전에 따른 신호(sin파, cos파)를 출력한다. 제1 자기 센서(210)가 출력하는 신호를 제1 각도 데이터라고 명명하고, 제2 자기 센서(220)가 출력하는 신호를 제2 각도 데이터라고 명명한다.
ADC(130)는 아날로그 파형 신호를 디지털 신호로 변환한다. 90°위상을 갖는 A신호 및 B상 신호를 각각 소정의 주기로 샘플링하여, ADC(130)가 디지털 신호를 생성한다.
한편 도 6에는 도시하지 않았지만 앱솔루트 엔코더(200)는 ADC(130)에서 출력되는 신호 자체의 노이즈를 제거하기 위한 필터(PLL 등)를 포함할 수도 있다.
신호 생성 회로(240)는 각 센서(210 및 220)에서 전달되는 신호를 삼각파형의 신호로 변환한다. 신호 생성 회로(240)가 생성하는 신호는 한국등록특허 제10-1468323호에서 PLL을 이용하여 생성한 신호일 수 있다. 신호 생성 회로(240)가 출력하는 삼각파는 도 3에 도시한 파형의 신호와 같다. 신호 생성 회로(240)가 출력하는 신호 중 제1 각도 데이터에 따른 회전을 나타내는 신호를 제1 파형 신호라고 명명하고, 제2 각도 데이터에 따른 회전을 나타내는 신호를 제2 파형 신호라고 명명한다.
신호 처리 회로(250)는 제1 자기 센서(210)의 신호로부터 생성한 삼각파(2극 자기 삼각파) 및 제2 자기 센서(220)의 신호로부터 생성한 삼각파(다극 자기 삼각파)를 일정하게 처리하는 구성이다. 신호 처리 회로(250)가 도 5와 같이 2극 자석 및 다극 자석의 파형이 일치하는 않는 경우 위상차를 보정한다.
신호 처리 회로(250)는 먼저 다극 자석이 측정하고 있는 자석의 회전 주기의 위치(m)를 확인하다. 다극 자석 경우 회전축이 1회전하면 동일한 정현파가 복수개 생성된다. 도 3을 살펴보면 4극 자석에서 4개의 파형이 발생한다. 회전 주기의 위치는 4개의 파형 중 현재 측정된 신호의 위치가 어디인지를 의미한다. 예컨대, 4개의 파형을 순서대로 1번, 2번, 3번 및 4번이라고하면, 신호 처리 회로(250)는 m이 몇 번인지를 결정한다. m은 아래의 수학식 1과 같이 연산될 수 있다. 수학식 1의 연산 결과가 소수점을 포함하면 소수점 이하 자리는 무시할 수 있다.
[수학식 1]
m = (2극 감지 센서 신호 값) * (다극 자석 극 수) / (2 * π)
신호 처리 회로(250)는 m의 값을 구한 후, 신호 처리 회로(250)는 제1 파형 신호를 제2 파형 신호와 동일한 주기의 신호로 변환한다. 이때 생성한 신호를 제3 파형 신호라고 명명한다. 즉, 2극 자석의 회전에 따른 신호를 다극 자석의 회전에 따른 신호와 동일한 주기의 신호로 변환하는 것이다. 제3 파형 신호(transin)는 아래의 수학식 2를 사용하여 생성할 수 있다.
[수학식 2]
transin = (2극 감지 센서 신호 값) * (다극 자석 극 수) - 2 * π * m
신호 처리 회로(250)는 동일한 주기를 갖게된 제2 파형 신호와 제3 파형 신호의 차이를 연산한다. 신호 처리 회로(250)는 아래의 수학식 3과 같이 두 개의 신호의 차이(error)를 연산할 수 있다. 신호 처리 회로(250)는 다극 감지 센서 신호 값에 제3 파형 신호(transin) 값을 감산하여 두 개의 신호 차이를 연산할 수 있다.
[수학식 3]
error = (다극 감지 센서 신호 값) - transin
신호 처리 회로(250)는 제2 파형 신호와 제3 파형 신호의 차이를 기준으로 새로운 기준 값을 결정한다. 신호 처리 회로(250)는 아래의 수학식 4를 이용하여 기준값(n)을 연산할 수 있다.
[수학식 4]
n = m+ 1 (if error=0) or n = m (if error<0)
신호 처리 회로(250)는 차이(error) 값이 0보다 크거나 같다면 m에 1 값을 더해주어 n 값을 구하고, 0보다 작다면 m 값을 그대로 유지하여 n 값을 구한다. 이 과정은 두 개의 신호에 발생한 위상차이를 보정하기 위한 기준값을 결정하는 과정이다.
신호 처리 회로(250)는 아래의 수학식 5와 같이 결정한 기준값(n)과 다극 감시 센서의 신호 값을 합산하여 각도 결과값(angle result)을 연산한다.
[수학식 5]
Angleresult = (다극 감지 센서 신호 값) + 2 * π * n
신호 처리 회로(250)는 산출된 각도 결과값을 기준으로 저장 장치(260)에 저장된 테이블에서 매칭되는 절대 각도를 찾는다. 테이블은 사전에 마련되는 것으로 각도 결과값과 이에 대응하는 절대 각도를 저장한다. 이를 통해 엔코더(200)는 최종적으로 절대 각도를 결정할 수 있다.
한편 도 6의 엔코더(200)와 같이 각도 결과값을 이용하지 않고, 절대 각도를 측정할 수도 있다. 이 경우, 본 도면의 저장 장치(260)는 엔코더(200)에 필수적으로 포함되지 않을 수 있다. 예컨대, 신호 처리 회로(250)는 수학식 3에서 연산한 차이(error) 값을 아래의 수학식 6을 사용하여 제1 파형 신호의 주기에 맞는 값(errotrans)으로 변환할 수 있다.
[수학식 6]
errortrans = error/(다극 자석 극 수) + m * 2 * π/(다극 자석 극 수)
신호 처리 회로(250)는 2극 자석의 신호인 제1 파형 신호를 아래의 수학식 7을 사용하여 보정할 수 있다. 아래 수학식 7은 위상차가 보정된 신호(Fixsin)을 나타낸다.
[수학식 7]
Fixsin = (2극 감지 센서 신호 값) + errortrans
결국 엔코더는 수학식 6 및 수학식 7을 이용하여 도 3과 같은 불량 자석을 사용한 경우에도 위상차가 없는 파형을 생성할 수 있다. 도 1을 기준으로 설명하면 각도 데이터 산출부가 생성한 제1 각도(θ1)와 제2 각도(θ1)에 대한 위상차 보정을 수행한 것이다. 이제 도 1의 절대 각도 산출부(150)와 같은 구성을 이용하여 절대 각도를 산출할 수도 있다.
또는, 엔코더는 수학식 4에 따라 획득한 n 값을 새로운 m 값으로 간주하여 수학식 2 내지 4에 재대입함으로써 n 값을 새롭게 구할 수 있다. 즉, 엔코더는 수학식 2 내지 4의 연산을 무한 루프로 돌려 에러값이 특정 값 이하로 떨어질때까지 m 값을 계속하여 보정/보상할 수 있다.
도 7은 도 2와 같이 구성된 앱솔루트 엔코더에서 2극 자석 및 다극 자석의 회전에 따라 센서에 의해 검출되는 이상적인 신호 파형을 나타낸다. 도 7에서 가로축은 시간, 세로축은 회전 정도를 나타낸다. 또한, 도 7에서 점선은 2극 자석의 회전에 따라 검출된 신호 파형(즉, 2극 자기 삼각파)을 나타내고, 실선은 동일한 회전에서 다극 자석의 회전에 따른 신호 파형(즉, 다극 자기 삼각파)을 나타낸다. 다극 자석의 회전수는 2극 감지 센서 출력 신호 값에 영향을 받으며, 이는 수학식 1과 같이 표현될 수 있음은 앞서 상술한 바와 같다.
도 7을 참조하면, 이상적인 신호 파형의 경우, 2극 자석의 1회전과 다극 자석의 다회전이 일정한 주기로 일치한다. 그러나, 이러한 이상적인 신호는 실제 양산 시 조립 공차나 자석의 서로 다른 크기로 인해 도 8 및 도 9과 같이 거의 출력되지 않는다.
도 8(a)는 조립 과정에서 2극 자석과 다극 자석이 잘못 조립된 불량 앱솔루트 엔코더를 예시한다. 도 8(b) 및 8(c)는 불량 앱솔루트 엔코더에 의해 출력된 신호 파형을 나타낸다. 특히, 도 8(b)는 2극 자석 신호가 다극 자석 신호보다 앞서는 경우를 나타내며, 도 8(c)는 2극 자석 신호가 다극 자석 신호보다 늦어지는 경우를 나타낸다.
본 명세서에서 2극 자석 신호(제1 각도 데이터, 2극 자기 삼각파 또는 2극 감지 센서 신호 값)'는, 2극 자석의 회전에 따라 2극 자석에 구비된 센서인 2극 감지 센서(또는 제1 자기 센서)에 의해 검출된 신호로부터 도출/생성된 삼각파/파형/각도 값을 나타내며, '다극 자석 신호(제2 각도 데이터, 다극 자기 삼각파 또는 다극 감지 센서 신호 값)'는, 다극 자석에 구비된 센서인 다극 감지 센서(또는 제2 자기 센서)에 의해 검출된 신호로부터 도출/생성된 삼각파/파형/각도 값을 나타낸다.
도 8(b) 및 8(c)를 참조하면, 도 7의 이상적인 신호와 같이 2극 자석의 1회전과 다극 자석의 다회전이 일정한 주기로 일치하지 않음을 확인할 수 있다.
도 9(a)는 다극 자석 양산 과정에서 다극 자석의 크기가 상이하게 생산된 불량 앱솔루트 엔코더를 예시한다. 도 9(b)는 불량 앱솔루트 엔코더에 의해 출력된 신호 파형을 나타낸다.
도 9(b)를 참조하면, 도 7의 이상적인 신호와 같이 2극 자석의 1회전과 다극 자석의 다회전이 일정한 주기로 일치하지 않음을 확인할 수 있다.
이하에서는 도 8 및 9와 같이 불량 앱솔루트 엔코더의 출력 신호 파형을 이상적인 파형으로 보상하기 위한 추가적인 솔루션을 제안한다.
앞서 도 6과 관련하여 제안했던 솔루션은 도 8(b)와 같이 2극 자석 신호가 다극 자석 신호보다 앞서는 경우에만 보상할 수 있다. 그러나, 이하에서 제안되는 솔루션은 도 8(b)뿐만 아니라, 도 8(c)와 같이 2극 자석 신호가 다극 자석 신호보다 늦어지는 경우까지 모두 보상할 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 솔루션에는 앞서 상술한 도 6의 블록도가 동일하게 적용될 수 있으므로, 도 6을 재참조하여 해당 솔루션에 대해 후술한다. 다만, 이하에서 후술하는 실시예에 따라 도 6의 블록도에서 저장 장치(260)는 선택적으로 포함될 수 있다.
또한, 자석의 회전 주기의 위치(m)(또는 다극 자석의 회전수, 다만 m 값은 개략적인 회전수를 나타내며, 정확한 회전수를 나타내지는 않음)을 획득하는 단계까지는 본 솔루션에도 동일하게 적용될 수 있으므로, 해당 단계까지의 중복되는 설명은 생략한다.
다시 도 6을 참조하면, 신호 처리 회로(250)는 수학식 1에 따라 m의 값을 구한 후, m 값을 이용하여 특정 시점에서의 다극 자석 신호 값을 이하의 수학식 8에 따라 제4 파형 신호(transin)로 변환할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112017041637430-pat00001
수학식 8에 따라 제4 파형 신호를 계산하면 후술할 도 10에서 얇은 점선 파형이 굵은 점선 파형(제4 파형 신호)으로 보정되는 효과를 가져온다. 이렇게 보정된 신호 값을 2극 자석 신호 값과 비교하여 에러가 있는지(즉, m 값의 오류 여부)를 알 수 있는 척도가 된다. 즉, 이러한 제4 파형 신호 값을 구하는 이유는 m 값이 정확한지 아닌지에 대해서 판단하기 위함이다.
신호 처리 회로(250)는 제4 파형 신호와 특정 시점에서의 2극 자석 신호 값과의 차이를 수학식 9와 같이 연산하여 에러 값(error)을 산출할 수 있다. 이러한 에러 값은 실시예별로 m 값을 보정/조절하기 위해 사용된다.
[수학식 9]
Figure 112017041637430-pat00002
만일, 수학식 9에 의해 산출된 에러 값이 2극 자석 신호 값을 (2*다극 자석 극수)로 나눈 값보다 큰 경우, 신호 처리 회로(250)는 수학식 10에 기초하여 m 값을 보정/조절할 수 있다. 여기서, 2극 자석 신호 값을 (2*다극 자석 극수)로 나눈 값은 최대 에러 값을 의미하며, 수학식 9에 의해 산출된 에러 값이 최대 에러 값보다 큰 경우는 도 8(b) 및 도 9(b)와 같이 2극 자석 신호가 다극 자석 신호보다 앞서는 오류가 발생한 경우를 의미할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112017041637430-pat00003
수학식 10에서 만일, 보정/조정할 m 값이 '0'임에 따라 보정/조정된 m 값으로 '-1'이 산출되는 경우, 신호 처리 회로(250)는 수학식 11을 추가로 연산하여 이전 사이클 값인 3(다극 자석 극수-1=4-1=3)을 산출할 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112017041637430-pat00004
이렇게 보정/조정된 최종 m 값은 이하에서 후술할 수학식 14에 의해 최종 각도 결과 값을 산출하는 데 사용된다.
만일, 수학식 9에 의해 산출된 에러 값이 음(-)의 2극 자석 신호 값을 (2*다극 자석 극수)로 나눈 값(=
Figure 112017041637430-pat00005
)보다 작은 경우, 신호 처리 회로(250)는 수학식 12에 따라 m 값을 보정/조정할 수 있다. 여기서, 에러 값은 다극 자석 신호와 2극 자석 신호의 오프셋 값을 나타내며, 오프셋 값의 범위는
Figure 112017041637430-pat00006
이상
Figure 112017041637430-pat00007
이하로 결정될 수 있다. 수학식 9에 의해 산출된 에러 값이
Figure 112017041637430-pat00008
보다 작은 경우는 도 8(c)와 같이 2극 자석 신호가 다극 자석 신호보다 늦어지는 오류가 발생한 경우를 의미할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112017041637430-pat00009
수학식 12에서 만일, 보정/조정할 m 값이 '3'임에 따라 보정/조정된 m 값으로 '4'가 산출되는 경우, 신호 처리 회로(250)는 수학식 11을 추가로 연산하여 이전 사이클 값인 0을 산출할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112017041637430-pat00010
신호 처리 회로(250)는 이렇듯 상황별로 서로 다른 수학식을 이용하여 획득한 최종 m 값을 transin 값을 구하기 위한 수학식 8에 m 값으로서 재대입될 수 있다. 즉, 엔코더는 에러값이 특정값 이하로 유지되도록 수학식 8 내지 13 연산을 무한루프로 돌려 m 값을 계속하여 보상/보정할 수 있다.
또는, 신호 처리 회로(250)는 이렇듯 상황별로 서로 다른 수학식을 이용하여 획득한 최종 m 값을 수학식 14에 대입함으로써 최종 각도 결과 값(angleresult)를 산출/획득할 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112017041637430-pat00011
신호 처리 회로(250)는 산출된 각도 결과값을 기준으로 저장 장치(260)에 저장된 테이블에서 매칭되는 절대 각도를 찾는다. 테이블은 사전에 마련되는 것으로 각도 결과값과 이에 대응하는 절대 각도를 저장하며, 엔코더(200)에 구비된 저장 장치(260)에 저장되어 있을 수 있다. 이를 통해 엔코더(200)는 최종적으로 절대 각도를 결정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔루션에 따라 보상된 신호 파형을 예시한다. 특히, 도 10(a)는 도 8(b)의 신호 파형을 상술한 솔루션에 따라 보상한 신호 파형, 도 10(b)는 도 9(b)의 신호 파형을 상술한 솔루션에 따라 보상한 신호 파형, 도 10(c)는 도 8(c)의 신호 파형을 상술한 솔루션에 따라 보상한 신호 파형을 각각 나타낸다. 도 10에서 굵은 점선은 제4 파형 신호(transin)을 나타내며, 얇은 점선은 2극 자석 신호를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 보정된 다극 자석 신호인 제4 파형 신호가 2극 자석 신호와 일정한 주기로 만나도록 보정되었음(즉, 이상적인 신호 형태로 보정되었음)을 확인할 수 있다.
상기 다극 자석 및 2극 자석간의 회전수 측정 이외에도, 2극 자석 2개만으로 회전수를 측정할 수 있는 시스템이 있는데, 이하에서는 이러한 시스템에서의 엔코더 출력 신호 보정 솔루션을 제안한다.
도 11(a)는 2개의 2극 자석으로 구성된 앱솔루트 엔코더 구조를 예시한 도면이다. 도 11(b)는 도 11(a)와 같은 구조를 갖는 앱솔루트 엔코더로부터 출력된 이상적인 신호 파형을 예시한 도면이다.
도 11(a)에 도시된 자석 구조(즉, 2개의 2극 자석으로 구성)를 갖는 앱솔루트 엔코더의 경우, M-기어 축 및 A-기어 축의 기어비(예를 들어, M의 기어잇수=24, A의 기어잇수=30)를 이용하여 회전수를 측정하게 된다. 이러한 앱솔루트 엔코더를 통해 출력되는 이상적인 신호는 도 11(b)와 같다. 이때, 2극 자석의 회전을 센싱하기 위한 센서는 각 2극 자석의 중앙에 배치된다. 예를 들어, M-기어 축의 2극 자석 중앙에 제 1 자기 센서가 배치되며, A-기어 축의 2극 자석 중앙에 제 2 자기 센서가 배치될 수 있다.
도 11(b)에서 얇은 실선은 M-기어 축에 구비된 제1 자기 센서에 의해 검출된 '제1 2극 자기 삼각파'이며, 얇은 점선은 A-기어 축에 구비된 제 2 자기 센서에 의해 검출된 '제2 2극 자기 삼각파'를 각각 나타내며, 굵은 실선은 상기 두 개의 2극 자기 삼각파의 차를 나타낸다. 이러한 2극 자기 삼각파의 차가 제1 2극 자기 삼각파와 일정한 주기로 본 도면과 같이 일치하는 신호 파형을 이상적인 신호 파형으로 볼 수 있다.
그러나, 2개의 2극 자석을 이용하여 제조된 앱솔루트 엔코더 역시 제조 과정에서 불량이 발생할 수 있으며, 그 결과 도 11(b)와 같은 이상적인 파형이 출력되지않을 수 있다.
도 12(a)는 2개의 2극 자석을 이용하여 제조된 불량 앱솔루트 엔코더를 예시하며, 도 12(b)는 불량 앱솔루트 엔코더로부터 출력된 신호 파형을 예시한 도면이다.
이렇듯 불량 앱솔루트 엔코더로부터 출력된 신호 파형 역시 2극 자석 및 다극 자석 간 위상 오차 방법과 유사하게 보상이 가능하다. 이하에서는, 기어비 및 2극 자석을 이용한 위상 오차 신호 또한 보상 솔루션을 제안한다.
본 솔루션에도 앞서 상술한 도 6의 블록도가 동일/유사하게 적용될 수 있으므로, 도 6을 재참조하여 본 솔루션에 대해 후술한다. 다만, 도 6에서 제1 자기 센서는 M-기어 축에 배치된 센서, 제2 감지 센서는 A-기어 축에 배치된 센서에 각각 해당할 수 있으며, 신호 생성 회로(240)는 상기 제1 및 제2 감지 센서로부터 검출된 신호들에 기초하여 생성된 2개의 2극 자기 삼각파를 신호 처리 회로(250)로 출력하게 된다.
만일, 앱솔루트 엔코더에 구비된 M-기어 축의 기어 잇수가 24이며, A-기어 축의 기어 잇수가 30이라고 한다면, M-기어 축과 A-기어 축의 기어 회전비는 4:5일 수 있다. 이때, M-기어 축의 각도(또는 제1 각도 데이터)를
Figure 112017041637430-pat00012
, A-기어 축의 각도(또는 제2 각도 데이터)를
Figure 112017041637430-pat00013
라고 한다면, 위상 오차를 보상하는 데 사용되는 중간값
Figure 112017041637430-pat00014
은 신호 처리 회로(250)에 의해 수학식 15에 따라 산출될 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112017041637430-pat00015
수학식 15에 따라
Figure 112017041637430-pat00016
가 0 미만인 값으로 산출된 경우에는 수학식 16에 따라
Figure 112017041637430-pat00017
이 보정될 수 있다.
[수학식 16]
Figure 112017041637430-pat00018
수학식 16은, 도 12(b)에 도시된 바와 같이, M-기어 축의 2극 자석과 A-기어 축의 2극 자석이 항상 동기화되어 같은 파형을 나타내지 않기 때문에 이를 동기화시키기 위한 목적으로 사용될 수 있다. 즉, 수학식 16은 각도 값이
Figure 112017041637430-pat00019
까지 증가하는 신호를 만들기 위함이다.
M-기어 축의 회전수 m은
Figure 112017041637430-pat00020
에 기초하여 산출될 수 있다. 보다 상세하게는, 신호 처리 회로(250)는 수학식 17에 따라 M-기어 축의 회전수인 m 값을 산출할 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112017041637430-pat00021
수학식 17에서 a 값은 M-기어 축이 A-기어 축 사이의 기어비에서 A-기어 축의 기어비 값을 나타낸다. 예를 들어, M-기어 축과 A-기어 축 사이의 기어비가 5:4인 경우, a 값은 5이다.
다음으로, 신호 처리 회로(250)는 M-기어 축의 각도인
Figure 112017041637430-pat00022
를 변형한 제5 파형 신호(transin)를 수학식 18에 따라 획득할 수 있다.
[수학식 18]
Figure 112017041637430-pat00023
신호 처리 회로(250)는 제5 파형 신호(transin)와 중간값
Figure 112017041637430-pat00024
사이의 차이를 수학식 19와 같이 산출하여 에러 값(error)을 획득할 수 있다.
[수학식 19]
Figure 112017041637430-pat00025
만일, 수학식 19에 의해 산출된 에러 값이 중간값
Figure 112017041637430-pat00026
을 2*a로 나눈 값보다 큰 경우, m 값은 신호 처리 회로(250)에 의해 수학식 20과 같이 보정/조정될 수 있다. 여기서 산출된 에러 값이 중간값
Figure 112017041637430-pat00027
을 2*a로 나눈 값보다 큰 경우는 도 12(b)에서 도 8(b) 또는 9(b)와 같이 굵은 실선에 해당하는 신호 파형이 얇은 실선/점선에 해당하는 신호 파형보다 시간축에서 앞선 경우에 해당한다.
[수학식 20]
Figure 112017041637430-pat00028
수학식 20에서
Figure 112017041637430-pat00029
는 최대 에러 값을 나타낸다.
만일, 수학식 20에 따라 보정/조정된 m 값이 0보다 작은 경우에는 수학식 21에 따라 추가로 보정/조정될 수 있다.
[수학식 21]
Figure 112017041637430-pat00030
이렇게 보정/조정된 최종 m 값은 transin 값을 구하기 위한 수학식 18에 m 값으로서 재대입될 수 있다. 즉, 엔코더는 에러값이 특정값 이하로 유지되도록 수학식 18 내지 21 연산을 무한루프로 돌려 m 값을 계속하여 보상/보정할 수 있다.
만일, 수학식 19에 의해 산출된 에러 값이 음(-)의 중간값 -
Figure 112017041637430-pat00031
을 2*a로 나눈 값보다 작은 경우, m 값은 신호 처리 회로(250)에 의해 수학식 22와 같이 보정/조정될 수 있다. 여기서 산출된 에러 값이 음(-)의 중간값 -
Figure 112017041637430-pat00032
을 2*a로 나눈 값보다 작은 경우는 도 12(b)에서, 도 8(c)와 같이, 굵은 실선에 해당하는 신호 파형이 얇은 실선/점선에 해당하는 신호 파형보다 시간축에서 늦는 경우에 해당한다.
[수학식 22]
Figure 112017041637430-pat00033
만일, 수학식 22에 따라 보정/조정된 m 값이 (a-1) 값보다 큰 경우에는 수학식 23에 따라 추가로 보정/조정될 수 있다.
[수학식 23]
Figure 112017041637430-pat00034
신호 처리 회로(250)는 중간값
Figure 112017041637430-pat00035
에 따라 서로 다른 수학식을 이용하여 획득한 최종 m 값은 transin 값을 구하기 위한 수학식 18에 m 값으로서 재대입될 수 있다. 즉, 엔코더는 에러값이 특정값 이하로 유지되도록 수학식 18, 19, 22 및 23 연산을 무한루프로 돌려 m 값을 계속하여 보상/보정할 수 있다.
본 솔루션을 적용하는 경우, 도 12(b)에서 굵은 실선에 해당하는 신호 파형이 얇은 실선/점선에 해당하는 신호 파형보다 시간축에서 앞선 경우에는 도 10(a) 및 10(b)와 같이 보상/보정될 수 있으며, 도 12(b)에서 굵은 실선에 해당하는 신호 파형이 얇은 실선/점선에 해당하는 신호 파형보다 시간축에서 늦는 경우에는 도 10(c)와 같이 보상/보정될 수 있다. 그 결과, 도 11(b)에 도시한 바와 같이 굵은 실선 파형과 얇은 실선 파형이 일정한 주기로 만나는 이상적인 파형의 형태로 보정될 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100 : 앱솔루트 엔코더
110 : 제1 자기 센서
120 : 제2 자기 센서
130 : ADC
140 : 각도 데이터 산출부
150 : 절대 각도 산출부
200 : 앱솔루트 엔코더
210 : 제1 자기 센서
220 : 제2 자기 센서
230 : ADC
240 : 신호 생성 회로
250 : 신호 처리 회로
260 : 저장 장치

Claims (20)

  1. 엔코더는 회전축에 위치한 2극 자석의 회전에 따른 제1 각도 데이터 및 다극 자석의 회전에 따른 제2 각도 데이터를 생성하는 단계;
    상기 엔코더는 상기 제1 각도 데이터에 따른 제1 파형 신호를 상기 제2 각도 데이터에 따른 제2 파형 신호와 동일한 주기의 제3 파형 신호로 변환하는 단계;
    상기 엔코더는 상기 제2 각도 데이터 및 상기 다극 자석의 회전 주기의 위치를 상기 제2 파형 신호와 상기 제3 파형 신호의 차이를 기준으로 결정한 값을 이용하여 각도 결과값을 연산하는 단계; 및
    상기 엔코더는 각도 결과값과 절대 각도를 매칭한 테이블을 이용하여 연산한 상기 각도 결과값에 대응하는 절대 각도를 결정하는 단계를 포함하는 엔코더가 노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔코더는 상기 2극 자석의 회전 주기의 위치를 결정하고, 다극 자석의 극 수에서 2개를 감한 값 및 상기 위치를 기준으로 상기 제1 파형 신호를 상기 제3 파형 신호를 변환하는 엔코더가 노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 엔코더는 상기 차이가 0 이상이면 상기 결정한 값을 상기 회전 주기의 위치에 1을 더한 값으로 결정하고, 상기 차이가 0보다 작다면 상기 결정한 값을 상기 회전 주기의 위치로 결정하는 엔코더가 노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 엔코더는 상기 제1 각도 데이터를 다극 자석의 극 수에 곱한 값을 2π로 나누어 상기 회전 주기의 위치를 결정하는 엔코더가 노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엔코더는 2π에 상기 회전 주기의 위치를 곱한 값을 상기 제1 각도 데이터를 다극 자석의 극수에 곱한 값에서 감산하여 상기 제3 파형 신호를 변환하는 엔코더가 노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 엔코더는 2π에 상기 회전 주기의 위치를 곱한 값을 상기 제2 각도 데이터에 가산하여 상기 각도 결과값을 연산하고, 상기 회전 주기의 위치는 상기 제1 각도 데이터를 다극 자석의 극 수에 곱한 값을 2π로 나누어 결정되는 엔코더가 노이즈를 제거한 신호를 이용하여 각도를 결정하는 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 회전축에 위치하는 2극 자석의 회전에 따른 제1 각도 데이터를 출력하는 제1 자기 센서;
    상기 회전축에 위치하는 다극 자석의 회전에 따른 제2 각도 데이터를 출력하는 제2 자기 센서;
    상기 제1 자기 센서 및 상기 제2 자기 센서의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환기;
    각도 결과값과 절대 각도를 매칭한 테이블을 저장하는 저장 장치; 및
    상기 제1 각도 데이터에 따른 제1 파형 신호를 상기 제2 각도 데이터에 따른 제2 파형 신호와 동일한 주기의 제3 파형 신호로 변환하고, 상기 제2 파형 신호와 상기 제3 파형 신호의 차이를 기준으로 결정한 기준 값과 상기 제2 각도 데이터를 이용하여 각도 결과값을 연산하고, 연산한 상기 각도 결과값과 상기 테이블을 이용하여 절대 각도를 연산하는 신호 처리 회로를 포함하는 앱솔루트 엔코더.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 자기 센서는 상기 2극 자석의 중심에 위치하고, 상기 제2 자기 센서는 상기 제1 자기 센서의 일직선 상에서 상기 다극 자석의 양 옆 부위에 위치하는 앱솔루트 엔코더.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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  17. 삭제
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