KR100384173B1 - Apparatus and method for high resolution processing of encoder signal for a motor control - Google Patents

Apparatus and method for high resolution processing of encoder signal for a motor control Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치 및 그 방법을 제공하는 것으로, 상기 방법은, 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치에서 M 개수법을 응용하여 모터의 위치 및 속도 검출을 위해 인코더로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하고, 디지털 신호의 분해능을 향상시키기 위해 상기 디지털 신호의 상승과 하강 모서리에 동기화된 4체배의 펄스를 발생시켜 플렉스내의 카운터를 이용해 변경된 디지털 펄스를 계수하여 디지털 위치값을 검출하는 단계와; 상기 디지털 위치값이 검출되면, 미소 위치를 검출하기 위해 T 측정법을 응용하여 A/D변환기로 인코더의 아날로그 Sin/Cos 신호를 동시에 샘플링하고 홀드하여 읽고 아크 탄젠트 함수를 적용해 미소 위치를 구하는 단계와; 상기 미소 위치의 검출이 이루어지면, 상기 검출된 디지털 위치 값과 아날로그 신호 검출에 의한 미소 위치값을 합산으로 모터의 현재 위치를 계산하는 단계와; 상기 계산된 현재 위치에서 속도 샘플링 시간을 이용해 순시 속도를 산출하는 단계를 포함하여 이루어져, 모터의 위치 및 속도를 고분해능으로 검출하여 속도응답 특성, 저속 운전 능력 및 속도 제어범위를 향상시킨다.The present invention provides a high resolution encoder signal processing apparatus for a motor control and a method thereof, wherein the method is an analog signal input from an encoder for detecting the position and speed of a motor by applying the M method in the high resolution encoder signal processing apparatus for motor control. To detect the digital position value by counting the changed digital pulse by using the counter in the flex to generate 4 multiply pulses synchronized to the rising and falling edges of the digital signal to improve the resolution of the digital signal. Steps; When the digital position value is detected, applying the T measurement method to detect the micro position, simultaneously sampling and holding the analog Sin / Cos signal of the encoder with an A / D converter to read the micro position and applying the arc tangent function to obtain the micro position. ; Calculating the current position of the motor by adding up the detected digital position value and the micro position value by analog signal detection when the micro position is detected; Comprising the step of calculating the instantaneous speed by using the speed sampling time at the calculated current position, it detects the position and speed of the motor with high resolution to improve the speed response characteristics, low speed driving capability and speed control range.

Description

모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치 및 그 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR HIGH RESOLUTION PROCESSING OF ENCODER SIGNAL FOR A MOTOR CONTROL}High Resolution Encoder Signal Processing Apparatus and Method for Motor Control {APPARATUS AND METHOD FOR HIGH RESOLUTION PROCESSING OF ENCODER SIGNAL FOR A MOTOR CONTROL}

본 발명은 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아날로그 신호(Sin/Cos) 출력형 증분형 인코더를 적용한모터 제어시 모터 1회전당 생성될 수 있는 인코더 신호의 속도 및 위치 분해능을 향상시키기 위한 고분해능 인코더 신호 처리장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-resolution encoder signal processing apparatus and method for controlling the motor, and more particularly, the speed of the encoder signal that can be generated per rotation of the motor when the motor is applied to the analog signal (Sin / Cos) output type incremental encoder And a high resolution encoder signal processing apparatus and method for improving position resolution.

최근 자동 제어 시스템의 급속한 발달과 더불어 제어 대상의 정밀 제어를 위해 각종 센서의 사용과 그 응용 기술들이 현저하게 발전하고 있으며, 특히 고성능 제어를 필요로 하는 공작기계 등과 같은 시스템에서는 토크, 속도, 위치의 정밀한 제어가 요구되어 센서의 의존도가 전체 시스템의 성능에 큰 비중을 차지하게 되었다.Recently, with the rapid development of the automatic control system, the use of various sensors and their application technologies have been remarkably developed for precise control of the control target. Especially, in systems such as machine tools that require high performance control, torque, speed, position Precise control is required, so the dependence of the sensor is a big part of the overall system performance.

3상 교류 모터의 속도 제어를 위해서는 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 실시간 연산을 통한 고성능 모터 제어를 위해 DSP(120)를 사용한다.상기의 DSP(120)는 인가되는 지령값에 따라 모터(300)의 속도를 제어하는 속도 제어기(121)와, 모터(300)의 속도 제어에 대한 전류값을 제어하는 전류 제어기(122)를 포함한다.또한, 상기 전류 제어기(122)에서 출력되는 전류 제어값에 따라 가변 전압 및 주파수를 생성하여 요구되는 속도로 모터(300)가 구동될 수 있도록 DC전압을 AC전압으로 변환하는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터부(130), PWM 알고리즘 및 전류 제어를 위한 모터 상전류 검출부(200) 및 모터(300)의 실제 속도를 궤환받아 일정한 기준 속도로 제어하기 위한 엔코더 신호 처리부(140)로 구성된다.상기한 구성을 통해 3상 교류 모터의 속도 제어를 위한 기본 원리는 다음과 같다.As shown in FIG. 1, the speed control of the three-phase AC motor uses the DSP 120 for high-performance motor control through real-time calculation. And a current controller 122 for controlling the speed of the motor 300, and a current controller 122 for controlling the current value for the speed control of the motor 300. The current control output from the current controller 122 is also included. PWM (Pulse Width Modulation) inverter unit 130 for converting DC voltage to AC voltage so that the motor 300 can be driven at the required speed by generating a variable voltage and frequency according to the value, for PWM algorithm and current control The motor phase current detection unit 200 and the encoder signal processor 140 for controlling a constant reference speed by receiving the actual speed of the motor 300. The basic principle for the speed control of the three-phase AC motor through the above configuration Is following same.

통상적으로 산업계에서 고성능 벡터 제어 시스템 구현을 위해 적용하고 있는 속도 검출 장치로는 증분형 인코더(Incremental Encoder)와 절대값 인코더(Absolute Encoder)가 주로 이용되며, 일반적으로 가격이 저렴한 증분형 인코더가 사용되고 있다.In general, incremental encoders and absolute encoders are mainly used as speed detection apparatuses to implement high-performance vector control systems in the industry, and in general, inexpensive incremental encoders are used. .

증분형 인코더를 이용한 속도 검출 방법에서 가장 일반적인 방법으로는 펄스 개수법, 주기 측정법 그리고 두 가지의 혼합형이 사용되고 있으나 미소 위치 정보 검출에 어려움이 있다.In the speed detection method using an incremental encoder, the most common method is pulse counting, periodic measuring, and a mixture of two types. However, it is difficult to detect minute position information.

상기의 펄스 개수법(M method)은 가장 널리 사용되는 방법으로, 도2a에 도시된 바와 같이 일정시간(속도 제어주기) 동안 입력되는 인코더 펄스의 개수를 측정하여 속도를 계산하는 방법이다.도2a에서 Ncount는 M 카운트의 개수이며, Ts는 샘플링 시간(속도 센싱 시간)이다.이 방법은 샘플링 시간이 일정하고 하드웨어가 간단하나 저속 운전 시에는 입력되는 인코더 펄스의 수가 적어서 정밀도가 떨어지는 단점이 있으며, 속도 샘플링 시간에 의한 오차()에 의해 모터의 속도 리플을 초래하게 된다.따라서, 정밀도를 향상시키기 위해서는 모터 1회전당 출력되는 인코더 펄스가 많은 제품을 사용하거나 샘플링 시간을 충분히 늘려야만 한다.The pulse counting method (M method) is the most widely used method, and is a method of calculating a speed by measuring the number of encoder pulses input for a predetermined time (speed control period) as shown in FIG. 2A. Where Ncount is the number of M counts, and Ts is the sampling time (velocity sensing time) .This method has a constant sampling time and simple hardware, but has low accuracy because of the small number of encoder pulses input at low speed operation. Error due to rate sampling time ( Therefore, the speed ripple of the motor is caused. Therefore, in order to improve the precision, it is necessary to use a product with many encoder pulses output per revolution of the motor or to increase the sampling time sufficiently.

그리고, 주기 측정법 (T method)은 도 2b에 도시된 바와 같이, 인코더 펄스의 간격을 측정하고 그 역수를 이용해 속도를 계산하는 방법으로서 주기를 측정하기 위해 고주파수의 기준 클럭 펄스가 필요하게 된다.도 2b에서 TSL은 저속 운전시 샘플링 타임이고, TSH는 고속 운전시 샘플링 타임이며, N1은 저속 운전시 카운트 개수이고, N2는 고속 운전시 카운트 개수이다.이 주기 측정법은 모터의 고속 운전시 인코더 펄스의 간격이 조밀하기 때문에 측정 시간이 짧고 저속의 경우에는 인코더 펄스의 간격이 길어져서 측정 시간이 길어지게 된다.따라서, 주기 측정법을 저속에 적용하는 경우 기준 클럭 펄스를 개수 해야할 카운터의 비트수가 많아지게 되어 하드웨어의 부담이 커지고 인코더 펄스에 노이즈가 포함될 경우 속도 오차가 커지는 문제와 전체 제어 시스템의 샘플링 시간 변동을 초래하게 되는 단점이 있다.In addition, as shown in FIG. 2B, a method of measuring a period (T method) is a method of measuring an interval of encoder pulses and calculating a speed using the inverse thereof, and a high frequency reference clock pulse is required to measure the period. In 2b, T SL is the sampling time at low speed operation, T SH is the sampling time at high speed operation, N1 is the count number at low speed operation, N2 is the count number at high speed operation. Because of the tight pulse intervals, the measurement time is short, and at low speeds, the encoder pulses are longer, resulting in longer measurement times. This can increase the burden on the hardware and increase the speed error if the encoder pulse contains noise. It has the disadvantage that it results in a sampling time variation of the system.

또한, 가변 샘플링 방식(M/T method)은 가장 널리 사용되고 있는 방식으로, 펄스 개수 법(M method)과 주기 측정법(T method)의 장점을 섞은 방법이라고 할 수 있다.이 방식은 도 2c에 도시된 바와 같이, 기본 샘플링 시간을 설정하여 이 시간 동안 펄스 개수법을 이용해 위치 정보(θ)를 구하고 나머지 미소 위치 정보(dθ)값을 구하기 위해 기본 샘플링 시간이 지난 후 가장 가까운 인코더 펄스까지의 주기를 측정하는 방식이다.도 2c에서 Ts는 일정 샘플링 타임(펄스 개수법용)이고, dt는 속도 계산용 가변시간(주기 측정법용)이며, N1은 펄스 개수법에 의한 카운터 개수이고, N2는 주기 측정법에 의한 카운터 개수이다.In addition, the variable sampling method (M / T method) is the most widely used method, and can be said to be a method that mixes the advantages of the pulse count method (M method) and the period measuring method (T method). As shown in the figure, a period of time from the closest encoder pulse after the basic sampling time to obtain the position information (θ) and the remaining minute position information (dθ) by using the pulse counting method is set during this time. In Fig. 2C, Ts is a constant sampling time (for pulse counting), dt is a variable time for speed calculation (for periodic measurement), N1 is a counter count by pulse counting, and N2 is a periodic measuring method. The number of counters by

이 방식을 이용할 경우 발생할 수 있는 속도 오차는이다.The speed error that can occur when using this method to be.

여기서, 기준 클럭(MCLK)은 카운트한 인코터 펄스의 시간을 측정하기 위한 고주파수의 클럭 펄스이다.예를 들어, 기준 클럭: 40ns, 속도 샘플링시간: 1㎳ 일때, 1,000rpm 운전시에 발생되는 속도 샘플링에 의한 속도 오차 △=40ns*1000rpm/(40ns+1ms)=> 근사치로 0.04rpm가 된다.따라서, 속도 오차를 줄이기 위해서는 하드웨어에 의해 기준 클럭의 시간을 줄이거나, 속도 제어기의 샘플링 시간을 늘려야 한다.그러나 이러한 방식에 의해 속도 제어기의 샘플링시간을 늘리면, 첫번째로 빠르게 변화하는 속도를 측정할 경우 측정 시간에 의한 지연으로 인하여 순시 속도를 입력받을 수 없어 순시 속도 오차를 야기하게 되고, 둘째 샘플링 시간은 인코더 펄스 수에 비례하므로 샘플링 시간을 늘이게 되면 보다 많은 수의 인코더 펄스를 카운팅하게 되어 보다 많은 비트를 갖는 카운터의 설계를 필요하게 되어 하드웨어적인 부담이 따르게 된다.Here, the reference clock MCLK is a high frequency clock pulse for measuring the time of the counted encoder pulses. For example, when the reference clock is 40 ns and the velocity sampling time is 1 ms, the speed generated during 1,000 rpm operation is obtained. Speed error due to sampling △ = 40ns * 1000rpm / (40ns + 1ms) => Approximate value is 0.04rpm. Therefore, in order to reduce speed error, it is necessary to reduce the time of reference clock by hardware or increase sampling time of speed controller. However, if you increase the sampling time of the speed controller by this method, when you measure the first rapidly changing speed, the instantaneous speed cannot be input due to the delay due to the measurement time, causing the instantaneous speed error, and the second sampling time. Is proportional to the number of encoder pulses, so increasing the sampling time counts more encoder pulses, resulting in more bits The design of the counter is required, which is a hardware burden.

상기한 문제점을 종합하면, 첫째로 속도 측정의 제한이 있는 문제점이 있다.To sum up the above problem, firstly, there is a problem that there is a limitation of the speed measurement.

즉, 가장 널리 사용되는 가변 샘플링 방식은 샘플링 주기 동안의 평균 속도를 검출하므로 측정에 따른 지연이 생긴다.특히 저속에서는 펄스의 주기가 늘어남에 따라 측정 시간의 지연은 더욱 커지게 되고, 저속에서의 속도 샘플링 주기는 인코더의 분해능에 의해 제한된다.제어 가능한 속도의 하한치는 샘플링 주기 당 최소한 1개의 인코더 펄스를 얻을 수 있는 속도의 최소치를 말하며 그 관계식은 다음의 수학식 1과 같다.In other words, the most widely used variable sampling method detects the average speed during the sampling period, resulting in a delay due to measurement, especially at low speeds, as the period of the pulse increases, the delay of the measurement time becomes larger, and at low speeds. The sampling period is limited by the resolution of the encoder. The lower limit of the controllable speed refers to the minimum value of the speed at which at least one encoder pulse can be obtained per sampling period, and the relation is expressed by Equation 1 below.

여기서, ppr : 1회전당 펄스수(pulse per revolution), TS: 속도 샘플링 시간이다.Here, ppr: pulse per revolution, TS: velocity sampling time.

예를 들면 1024 ppr의 인코더의 경우, 속도 샘플링 주기를 1㎳로 가정할 때, 1개의 인코더 펄스를 얻기 위해서는 상기 식에 의해 모터의 속도는 58.59 rpm 이상이 되어야 한다.또한, 3rpm정도의 저속 운전을 하기 위해서는 샘플링 주기는 19.5㎳ 이상이 되어야 하며 최대 속도의 주파수 대역폭은 51.28㎐로 제한 되게 된다.따라서, 극 저속 영역에서 시간 지연 없이 속도를 측정하기 위해서는 하드웨어적으로 인코더 펄스수를 높여야만 가능하게 된다.For example, in the case of an encoder of 1024 ppr, assuming that the speed sampling period is 1 ms, the motor speed should be 58.59 rpm or more according to the above equation in order to obtain one encoder pulse. In order to achieve this, the sampling period must be 19.5㎳ or more and the maximum frequency bandwidth is limited to 51.28㎐. Therefore, in order to measure the speed without time delay in the extremely low speed region, it is possible to increase the number of encoder pulses in hardware. do.

둘째로 속도 정밀도의 제한이 따르는 문제점이 있다.Second, there is a problem that the limitation of speed precision is followed.

즉, 일반적으로 모터 속도 검출의 분해능을 높이기 위해, 인코더 1회전당 발생하는 출력 펄스수가 높은 인코더를 사용하거나 혹은 4체배를 이용하기도 한다.높은 수의 인코더 사용은 시스템의 비용 증가와 전기적인 회전속도의 감소를 초래할 수 있으며, 4체배를 이용하는 방법은 인코더 자체가 갖고 있는 위상 에러(phase error)와 듀티 에러(duty error)(악화된 경우 : 1펄스 주기의 최대 1/8~1/10)등으로 인하여 4체배시 인코더 펄스의 에러들을 증폭시키는 현상을 초래하여 정밀한 속도 및 위치 제어를 어렵게 할 수 있다.In other words, in order to increase the resolution of motor speed detection, an encoder with a high output pulse number per rotation of the encoder may be used, or a multiplication factor may be used. The use of a high number of encoders increases the system cost and the electric rotation speed. The method of using multiplication of 4 multiply the phase error (duty error) and duty error (deterioration: 1/8 to 1/10 of 1 pulse period) of the encoder itself. This causes a phenomenon of amplifying the errors of the encoder pulse when quadrupling, making precise speed and position control difficult.

정밀 가공용 공작기계 등의 가공 정밀도 사양은 통상적으로 0.5~0.1㎛ 정도이므로, 고 분해능 신호 처리방법을 사용하지 않고 일반적인 방법으로 인코더 신호 처리를 할 경우 요구되는 사양을 만족시키기는 어렵다.Since the machining precision specification of a machine tool for precision machining is generally about 0.5 to 0.1 占 퐉, it is difficult to satisfy the required specifications when the encoder signal processing is performed in a general manner without using a high resolution signal processing method.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 아날로그 신호(Sin/Cos) 출력형 증분형 인코더를 적용한 모터 제어시 모터 1회전당 생성될 수 있는 인코더 신호의 속도 및 위치 분해능을 향상시킨 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치와, 상기 신호 처리장치에 적용되는 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, and an object of the present invention is to provide an encoder signal that can be generated per motor revolution during motor control using an analog signal (Sin / Cos) output type incremental encoder. The present invention provides a high resolution encoder signal processing device for motor control with improved speed and position resolution, and a high resolution encoder signal processing method for motor control applied to the signal processing device.

도1은 일반적인 모터 컨트롤러의 블록도.1 is a block diagram of a general motor controller.

도2a는 도1의 장치에 적용되는 펄스 개수법의 모터 위치 측정의 예시도.Fig. 2A is an illustration of motor position measurement of pulse counting applied to the apparatus of Fig. 1;

도2b는 도1의 장치에 적용되는 주기 측정법의 모터 위치 측정의 예시도.FIG. 2B is an illustration of motor position measurement of a periodic measurement applied to the apparatus of FIG. 1; FIG.

도2c는 도1의 장치에 적용되는 가변 샘플링 방식의 모터 위치 측정의 예시도.2C is an exemplary diagram of motor position measurement of a variable sampling method applied to the apparatus of FIG.

도3은 본 발명의 실시예에 의한 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치의 블록도.3 is a block diagram of a high resolution encoder signal processing apparatus for controlling a motor according to an embodiment of the present invention;

도4는 도3에서 Flex의 상세 블록도.4 is a detailed block diagram of Flex in FIG.

도5는 도3에서 인코더 출력신호의 예시도.5 is an exemplary diagram of an encoder output signal in FIG. 3;

도6은 도3에서 인코더 신호 수신부의 회로도.6 is a circuit diagram of an encoder signal receiver in FIG. 3;

도7은 본 발명에 따른 아날로그 신호 출력형 인코더를 이용한 위치 검출시 신호 파형도.7 is a signal waveform diagram at the time of position detection using the analog signal output type encoder according to the present invention;

도8은 본 발명에 따른 순시속도 검출시 시간과 위치간의 관계선도.8 is a relationship diagram between time and position during instantaneous speed detection according to the present invention;

도9는 본 발명에 따른 사인파 1회전을 2의 n승 비트로 분할한 경우의 예시도.Fig. 9 is an illustration of the case where one sine wave rotation according to the present invention is divided into n power bits of two.

도10은 본 발명에 따른 4체배를 이용한 2의 n-2 승 비트 분할 방식의 신호 파형도.10 is a signal waveform diagram of a 2 n-2 power bit division method using 4 multiplication according to the present invention.

도11은 본 발명에 따른 사인파의 선형화 예시도.11 is an exemplary linearization diagram of a sine wave according to the present invention.

도12는 본 발명에 따른 한 주기를 8개 구간으로 분할하여 위치를 검출하는 방식의 신호 파형도.12 is a signal waveform diagram of a method of detecting a position by dividing one period into eight sections according to the present invention;

도13은 본 발명에 따른 8개 구간별 아크 탄젠트 산출시의 신호 파형도.13 is a signal waveform diagram at the time of calculating the arc tangent for each of eight sections according to the present invention;

도14는 본 발명에 따른 미소 위치 검출시의 신호 파형도.14 is a signal waveform diagram at the time of minute position detection in accordance with the present invention.

도15는 본 발명의 실시예에 의한 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리방법의 순서도.15 is a flowchart of a method for processing a high resolution encoder signal for controlling a motor according to an embodiment of the present invention.

도16은 본 발명에 따른 최종 위치 정보 계산 예시도.16 is an exemplary view of calculating final position information according to the present invention.

도17은 본 발명에 따른 최소 위치 검출시 시간과 위치간의 관계선도.Figure 17 is a relationship diagram between time and position at the time of minimum position detection in accordance with the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

11A, 11B : 인코더 신호 수신부 12A, 12B : 영전압 검출부11A, 11B: Encoder signal receiver 12A, 12B: Zero voltage detector

13 : A/D 변환기 14 : 플렉스13: A / D Converter 14: Flex

15 : 버퍼 16 : DSP15: buffer 16: DSP

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 아날로그 출력형 증분형 인코더에 있어서, 저역통과 필터와 차동 증폭기를 포함하며, 모터의 구동에 따라 궤환되는 상전류 및 모터 위치 정보를 인코더 신호 수신부와; 상기 인코더 신호 수신부에서 출력되는 Sin/Cos 아날로그 신호가 0V를 통과하는 시점을 검출하는 영전압 검출부와; 상기 영전압 검출부에서 출력되는 신호로부터 디지털 위치 정보를 추출하는 플렉스와; 복수개 채널 이상을 동시에 샘플링 가능하며, 상기 인코더 신호 수신부에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 미소 위치 계산에 필요한 신호로 제공하는 A/D 변환기와; 상기 A/D 변환기와 플렉스에서 출력되는 디지털 신호 처리를 연산하여 모터의 위치 및 속도 제어를 수행하는 DSP를 포함한다.또한, 본 발명은 (a) 펄스 개수법을 응용하여 모터의 위치 및 속도 검출을 위해 인코더로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하고, 디지털 신호의 분해능을 향상시키기 위해 상기 디지털 신호의 상승과 하강 모서리에 동기화된 4체배의 펄스를 계수하여 디지털 위치값을 검출하는 단계와; (b) 상기 디지털 위치값이 검출되면, A/D변환기에 의해 디지털 정보로 변환된 아날로그 Sin/Cos 신호를 주기 측정법을 응용하여 샘플링과 홀드하여 읽고 아크 탄젠트 함수를 적용해 미소 위치를 구하는 단계와; (c) 상기 미소 위치의 검출이 이루어지면, 상기 검출된 디지털 위치값과 아날로그 신호 검출에 의한 미소 위치값을 합산으로 모터의 현재 위치를 계산하는 단계와; (d) 상기 계산된 현재 위치에서 속도 샘플링 시간을 이용해 순시 속도를 산출하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an analog output type incremental encoder, comprising: a low pass filter and a differential amplifier, and an encoder signal receiving unit configured to output phase current and motor position information fed back by driving of a motor; A zero voltage detector detecting a time point at which the Sin / Cos analog signal output from the encoder signal receiver passes 0V; A flex for extracting digital position information from the signal output from the zero voltage detector; An A / D converter capable of simultaneously sampling a plurality of channels or more, and converting an analog signal output from the encoder signal receiving unit into a digital signal and providing the signal as necessary for calculating a micro position; The digital signal processing outputted from the A / D converter and the flex includes a DSP for controlling the position and speed of the motor. The present invention further includes (a) detecting the position and speed of the motor by applying pulse counting. Converting an analog signal input from an encoder into a digital signal for detecting the digital signal, and counting a pulse of four multiplications synchronized with rising and falling edges of the digital signal to improve the resolution of the digital signal; (b) when the digital position value is detected, sampling and holding an analog Sin / Cos signal converted into digital information by an A / D converter by applying a periodic measurement method, reading and applying an arc tangent function to obtain a micro position; ; (c) calculating the current position of the motor by adding up the detected digital position value and the micro position value by analog signal detection when the micro position is detected; (d) calculating the instantaneous velocity using the velocity sampling time at the calculated current position.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치의 블록도이고, 도 4는 도 3에서 메모리부의 상세 블록도이고, 도 5는 도 3에서 인코더 출력신호의 예시도이며, 도 6은 도 3에서 인코더 신호 수신부의 회로도이고, 도 7은 본 발명에 따른 아날로그 신호 출력형 인코더를 이용한 위치 검출시 신호 파형도이며, 도 8은 본 발명에 따른 순시속도 검출시 시간과 위치간의 관계선도이고, 도 9는 본 발명에 따른 사인파 1회전을 2의 n승 비트로 분할한 경우의 예시도이다.3 is a block diagram of a high resolution encoder signal processing apparatus for controlling a motor according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a detailed block diagram of a memory unit in FIG. 3, and FIG. 5 is an exemplary diagram of an encoder output signal in FIG. 3. 6 is a circuit diagram of an encoder signal receiving unit in FIG. 3, FIG. 7 is a signal waveform diagram when detecting a position using an analog signal output encoder according to the present invention, and FIG. 8 is a relationship between time and position when detecting instantaneous speed according to the present invention. 9 is an exemplary diagram in the case where one rotation of a sine wave according to the present invention is divided into n power bits of two.

또한, 도 10은 본 발명에 따른 4체배를 이용한 2의 n-2 승 비트 분할 방식의 신호 파형도이고, 도 11은 본 발명에 따른 사인파의 선형화 예시도이고, 도 12는 본 발명에 따른 한 주기를 8개 구간으로 분할하여 위치를 검출하는 방식의 신호 파형도이며, 도 13은 본 발명에 따른 8개 구간별 아크 탄젠트 산출시의 신호 파형도이고, 도 14는 본 발명에 따른 미소 위치 검출시의 신호 파형도이며, 도 15는 본 발명의 실시예에 의한 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리방법의 순서도이고, 도 16은 본 발명에 따른 최종 위치 정보 계산 예시도이며, 도 17은 본 발명에 따른 최소 위치 검출시 시간과 위치간의 관계선도이다.In addition, Figure 10 is a signal waveform diagram of the n-2 power bit division method of 2 using a multiplier according to the present invention, Figure 11 is an illustration of the linearization of the sine wave according to the present invention, Figure 12 is a view according to the present invention FIG. 13 is a signal waveform diagram of a method of detecting a position by dividing a period into eight sections. FIG. 13 is a signal waveform diagram of calculating arc tangent for eight sections according to the present invention. Figure 15 is a signal waveform diagram of the time, Figure 15 is a flow chart of a high-resolution encoder signal processing method for controlling the motor according to an embodiment of the present invention, Figure 16 is an exemplary view of calculating the final position information according to the present invention, Figure 17 is according to the present invention The relationship diagram between time and position at the minimum position detection.

도 3에서 A+(B+)는 인코더에서 출력되는 Sin(Cos)신호이고 A-(B-)는 A+(B+)의 반전 신호이며, R상은 기준 위치를 나타내는 신호로서 인코더 1회전당 1개의 펄스가 출력되어 모터 회전자 위치를 검출하는데 응용할 수 있으나 이하에서는 구체적으로 설명하지 않는다.In FIG. 3, A + (B +) is a Sin (Cos) signal output from the encoder, A- (B-) is an inverted signal of A + (B +), and R phase is a signal indicating a reference position. The output can be applied to detect the motor rotor position, but will not be described in detail below.

도 5에는 인코더 처리시 인코더로부터 입력되는 신호가 도시되어 있다.5 shows a signal input from an encoder during encoder processing.

도3 및 도5에 따르면, 인코더(400)에 입력되는 Sin/Cos파 신호들은 보통 모터와 10m 이상 떨어져 사용될 수 있으므로 정확한 신호 전달을 위해 일반적으로 라인 드라이브(Line drive)방식(2가닥-A+, A-)이 사용되고 있다.모터의 구동에 따라 센서로부터 검출되어 궤환되는 상전류(A+,A-,B+,B-) 및 모터의 실제 속도가 인코더 신호 수신부(11A,11B)에 인가되면, 인코더 신호 수신부(11A,11B)내에 구비되는 도시되지 않은 저역필터와 차동 증폭기는 궤환되는 각 신호를 차동 증폭 및 저역 필터링을 통해 순수한 아날로그 성분만의 신호로 추출한 다음 디지털 위치 검출에 사용할 펄스 생성을 위해 영전압 검출부(Zero Crossing Detector)(12A, 12B)를 통과하게 되고 디지털 펄스(ADIG_SENC, BDIG_SENC)로 변환되어 플렉스(14)로 입력된다.3 and 5, since the Sin / Cos wave signals input to the encoder 400 can be used 10m or more away from the normal motor, a line drive method (two strands-A +, A-) is used. When the phase currents A +, A-, B +, and B- detected and returned from the sensor according to the driving of the motor and the actual speed of the motor are applied to the encoder signal receiving units 11A and 11B, the encoder signal The low-pass filter and differential amplifier (not shown) provided in the receivers 11A and 11B extract each signal returned by pure analog components through differential amplification and low-pass filtering, and then zero voltage to generate a pulse for use in digital position detection. It passes through the Zero Crossing Detectors 12A and 12B and is converted into digital pulses ADIG_SENC and BDIG_SENC and input to the flex 14.

상기 인코더 신호 수신부(11A,11B)는 모터로부터 궤환되는 신호 정보는 노이즈로부터 보호하기 위하여 일정한 DC 전압에 신호를 실어 보내는 방식을 적용하고 있으므로, 이를 복원할 때는 차동 증폭기등으로 DC 성분을 제거하고 저역 필터의 통과를 통해 순수한 아날로그 성분의 Sin/Cos 파 신호들을 추출하게 된다.상기 영전압 검출부(12A, 12B)는 고 분해능 인코더 신호 처리 방식에서 디지털 위치 정보를 얻기 위해 Sin/Cos파의 아날로그 신호가 0V를 지나는 시점을 검출하여 그에 대한 정보(ADIG_SENC, BDIG_SENC)를 출력한다.상기에서 ADIG_SENC는 궤환되는 A상 전류의 0V 검출을 의미하고, BDIG_SENC는 궤환되는 B상 전류의 0V 검출을 의미한다.또한, 미소 위치 검출을 위해 인코더 신호 수신부(11A)로부터 출력되는 아날로그 신호(ADC_ENCA, ADC_ENCB)들은 A/D변환기(13)에 입력되고 한 주기를 8개 구간으로 분할하여 아크탄젠트(arctangent) 함수를 이용해 미소 위치 보간 소프트웨어 알고리즘에 의해 미소 위치를 계산한다.상기 A/D 변환기(13)는 2개 채널 이상 동시 샘플링이 가능한 A/D 변환기로 구현할 수 있다.상기에서, A/D변환기(13)에 입력되는 아날로그 신호인 ADC_ENCA, ADC_ENCB의 경우 ADC의미는 A/D 변환기로의 입력되는 신호라는 목적지의 정보를 의미하는 것이고, ENCA 및 ENCB는 인코더의 A상 및 B상을 의미한다.즉, A/D 변환기(13)로 입력되는 상 전류를 의미한다.그리고, 플렉스(14)는 프로그램 어블 디바이스(Programmable Logic Device)의 종류로 산업용 모터 컨트롤러 및 통신 시스템에 범용적으로 사용되는 RAM 구조의 소자로 설계된 로직이 컴파일되어 소자에 다운로드 되며, 소자의 처리 속도가 빠르고 저장 용량이 커서 많은 용량의 로직을 적용하는데 사용되는 소자이다.이 플렉스(14)는 도 4에 도시된 바와 같이, 궤환되는 Sin/Cos 아날로그 A,B상전류가 0V를 지나는 시점에 대한 신호(ADIG_SENC,BDIG_SENC), 즉 디지털 정보를 얻기 위한 신호가 마스터 클럭(CLK)에 동기가 되도록 하는 동기화부(14A)와, 상기 마스터 클럭(CLK)에 동기화된 디지털 펄스(A_DIG,BDIG)의 분해능을 향상시키기 위한 4체배기(14B) 및 24비트로 구성된 디지털 위치 검출기(Position detector)(14C)로 구성되며, 16비트로 구성된 버퍼(14D)를 더 포함한다.상기에서 동기화부(14A)에 입력되는 CONVST는 DSP에서 출력되는 제어신호로서, 위치 정보를 샘플링하기 위한 신호이며, 한 제어주기 동안 변환된 위치 정보양을 홀드하고 DPS에서 디지털 위치 검출기와 A/D변환부로부터 현재 값을 읽도록 하는 제어신호이며, 이 신호의 말미에 '#'이 부가되는 경우 해당 신호의 네가티브 인에이블(Negative Enable)을 의미한다.또한, 상기 동기화부(14A)에서 출력되는 A_HOLD,B_HOLD 신호는 보정 알고리즘에 적용되는 신호로 DSP로부터 CONVST# 신호가 인에이블된 시점에서 A_DIG 및 B_DIG 신호값을 래치를 이용하여 홀드시킨 신호를 의미한다.상기의 4-체배기(14B)는 디지털 신호의 분해능을 향상시기키 위한 것으로, 디지털 신호의 한 주기르 고려할 때 한 주기는 하이와 로우 만의 정보를 갖고 있으므로, 이러한 정보로부터 정밀한 위치값을 검출하기 위해 한 주기를 보다 세분화하는 것으로, A_DIG 및 B_GIG 신호로부터 한주기의 90°간격의 정보를 추출한다.즉, A_DIG 및 B_DIG 신호의 상승과 하강 에지를 검출하여 기존의 하이 또는 로우 신호를 클럭 폭을 갖는 4개의 펄스를 생성한다.또한, 동기화부(14A)에서 디지털 위치 검출기(14C)에 인가되는 CNT_LATCH 신호는 전술한 CONVST# 신호와 동일하며, 포지티브 인에이블(Positive Enable)신호로, DSP로부터 위치 정보값을 읽기 위해 현재값을 홀딩시키는 제어 신호이다.디지털 위치 검출기(14C)는 카운터 회로로 구성되며, 4-체배기(14B)에서 출력되는 디지털 신호(ENC_4fold)를 개수하며, U/-D 신호를 현재의 카운터 개수값에서 증가시키거나 감소시키는 기능을 수행한다.상기의 U/-D 신호는 A_DIG,B_DIG 신호를 이용하여 현재 모터의 회전이 정방향으로 회전하는지 또는 역방향으로 회전하는지를 검출한 신호이다.또한, 도 6에 따르면, 인코더 신호 수신부(11A, 11B)는 저역통과 필터(LPF)와 차동 증폭기(AMP)로 구성되어 있다. 도6에 도시된 회로에서 R1과 R2는 사용하는 A/D변환기(13)의 기준 전압에 따라 출력 전압 범위가 적당하도록 조정한다.Since the encoder signal receivers 11A and 11B apply a method of loading a signal at a constant DC voltage to protect the signal information returned from the motor from noise, the DC signal is removed by a differential amplifier or the like when the signal is restored. Sin / Cos wave signals of pure analog components are extracted through a filter. The zero voltage detection units 12A and 12B are analog signals of Sin / Cos waves to obtain digital position information in a high resolution encoder signal processing scheme. Detects the time point passing through 0V and outputs information (ADIG_SENC, BDIG_SENC). In the above, ADIG_SENC means 0V detection of feedback A-phase current, and BDIG_SENC means 0V detection of feedback B-phase current. The analog signals ADC_ENCA and ADC_ENCB output from the encoder signal receiver 11A are inputted to the A / D converter 13 to detect the minute position. The period is divided into eight sections, and the micro position interpolation software algorithm calculates the micro position using an arctangent function. The A / D converter 13 is an A / D converter capable of simultaneously sampling two channels or more. In the above, in the case of ADC_ENCA and ADC_ENCB, which are analog signals inputted to the A / D converter 13, the meaning of ADC means information of a destination, which is a signal input to the A / D converter, and ENCA and ENCB. Means phase A and phase B of the encoder. That is, the phase current input to the A / D converter 13. The flex 14 is a type of programmable logic device. Logic designed as a RAM-structured device commonly used in controllers and communication systems is compiled and downloaded to the device. As shown in Fig. 4, the flex 14 is used to obtain signals (ADIG_SENC, BDIG_SENC), i.e., digital information, for the time when the feedback Sin / Cos analog A and B phase current passes 0V. A synchronization unit 14A for synchronizing the signal to the master clock CLK, and a multiplier 14B and 24 bits for improving the resolution of the digital pulses A_DIG and BDIG synchronized to the master clock CLK. And a 16D bit buffer 14D. The CONVST input to the synchronization unit 14A is a control signal output from a DSP and samples position information. It is a control signal to hold the converted position information amount during one control period and to read the current value from the digital position detector and the A / D converter in DPS, and '#' is added at the end of this signal. If the corresponding signal In addition, the A_HOLD and B_HOLD signals output from the synchronization unit 14A are signals applied to a correction algorithm and are A_DIG and B_DIG signals when the CONVST # signal is enabled from the DSP. The 4-multiplier 14B is used to improve the resolution of the digital signal. When one cycle of the digital signal is considered, one period is used for only high and low information. In order to detect a precise position value from this information, one period is further subdivided to extract 90 ° intervals of information from the A_DIG and B_GIG signals, i.e., the rising and falling edges of the A_DIG and B_DIG signals. It detects the existing high or low signal to generate four pulses having a clock width. In addition, the CNT_LATCH signal applied to the digital position detector 14C by the synchronization unit 14A. Is the same as the CONVST # signal described above, and is a positive enable signal, which is a control signal for holding a current value to read the position information value from the DSP. The digital position detector 14C includes a counter circuit. The number of digital signals (ENC_4fold) output from the 4-multiplier (14B) is counted, and a function of increasing or decreasing the U / -D signal from the current counter number is performed. The U / -D signals include A_DIG, The B_DIG signal detects whether the current rotation of the motor rotates in the forward direction or in the reverse direction. Further, according to FIG. 6, the encoder signal receivers 11A and 11B include a low pass filter LPF and a differential amplifier. AMP). In the circuit shown in Fig. 6, R1 and R2 are adjusted so that the output voltage range is appropriate according to the reference voltage of the A / D converter 13 to be used.

이어서, 모터 위치(속도) 검출을 위해 32비트 정보를 얻는 방법을 설명한다.Next, a method of obtaining 32-bit information for motor position (speed) detection will be described.

도7에 도시된 바와 같이, 펄스 개수법(M method)를 응용하여 위치 및 속도 검출을 위해 인코더 신호 수신부(11A,11B)로부터 입력되는 아날로그 신호의 영전압 검출을 통해 디지털 정보를 얻고, 이 디지털 정보 신호의 분해능을 향상시키기 위해 ADIG_SENC, BDIG_SENC신호의 상승과 하강 모서리에 동기화된 펄스(4체배)를 발생시켜 24비트 카운터를 통한 디지털 펄스의 계수로 디지털 위치 값(θdigital)이 검출된다.As shown in Fig. 7, the pulse information method (M method) is applied to obtain digital information through zero voltage detection of an analog signal input from the encoder signal receivers 11A and 11B for position and speed detection. In order to improve the resolution of the information signal, a pulse (4 multiplication) synchronized to the rising and falling edges of the ADIG_SENC and BDIG_SENC signals is generated, and the digital position value (θdigital) is detected as a coefficient of the digital pulse through a 24-bit counter.

그리고, 미소 위치를 검출하기 위해 주기 측정법(T method)를 응용하기 위해 A/D변환기(13)를 적용하여 인코더 신호 수신부에서 출력되는 아날로그 Sin/Cos 신호를 동시에 샘플링하고 홀드하여 읽고 아크탄젠트 함수를 적용해 미소 위치(θanalog)를 구한다. 총 32비트 위치 정보에서 하위 8비트를 구성하며,로 미소 위치를 검출한다.In order to apply the T method to detect the micro position, the A / D converter 13 is applied to simultaneously sample, hold, and read the analog sin / cos signal output from the encoder signal receiver to read the arc tangent function. Apply to find the micro position (θanalog). Configures the lower 8 bits from the total 32 bits of location information. To detect the micro position.

이어서, 현재의 위치(32비트 정보)를 구하게 되는데, 현재의 위치는 디지털 위치 값(θdigital)과 아날로그 신호 검출에 의한 미소 위치값(θanalog)의 합으로 표현할 수 있다. 즉, θ=θdigital+θanalog와 같다.Subsequently, the current position (32-bit information) is obtained, and the current position can be expressed by the sum of the digital position value θdigital and the small position value θanalog by analog signal detection. That is, θ = θ digital + θ analog.

더불어 도 8에 도시된 바와 같이, 속도 샘플링 시간(Ts)을 이용해 다음의 수학식 2와 같이 순시 속도(△w)를 구한다.In addition, as shown in FIG. 8, the instantaneous speed Δw is obtained using the speed sampling time Ts as shown in Equation 2 below.

상기 위치 정보 검출을 보다 상세히 설명한다.The location information detection will be described in more detail.

디지털 위치(θdigital) 검출은 디지털 위치 정밀도를 향상시키기 위해 4체배기(14B)를 이용해 인코더 신호를 4배(2048펄스 인코더 사용시, 2048 x 4 = 8192ppr)로 만들고 플렉스(14)에 내장된 24비트 위치 검출기(14)로 4체배 펄스를 개수하여 디지털 위치값(θdigital)을 구한다.Digital position (θdigital) detection uses an quadruple (14B) to quadruple the encoder signal to 4x (2048 x 4 = 8192ppr when using 2048 pulse encoders) to improve digital position accuracy and the 24-bit position built into the flex 14 The multiplier pulses are counted by the detector 14 to obtain a digital position value [theta] digital.

미소 위치(θanalog) 검출은 구형파 펄스식 인코더에서는 인코더 펄스의 에지와 에지 사이에 더 이상 정확한 위치 정보를 얻을 수 없으나 아날로그 신호 출력형 인코더에서는 한 주기내에서도 아날로그 값에 의해 각도를 세분하여 위치 정보를 얻을 수 있다.In the analog wave detection, the square wave pulse encoder can no longer obtain accurate position information between the edges of the encoder pulse, but in the analog signal output type encoder, the position value can be obtained by subdividing the angle by the analog value within one period. Can be.

아날로그 신호 출력형 인코더를 이용해 미소 위치 정보(dθ)값을 구하기 위해 필요한 조건은 아래에 제시된 바와 같다.The conditions required for obtaining the micro position information (dθ) using the analog signal output type encoder are shown below.

1) 입력 파형은 Sine/Cosine의 두 개 파형으로 이루어진다.1) Input waveform consists of two waveforms, Sine / Cosine.

2) DSP를 이용한 신호 처리 및 입력 파형 검출에 필요한 시간 지연은 인정한다.2) Time delay required for signal processing and input waveform detection using DSP is acceptable.

3) A/D변환기(13) 이외에 디지털 위치 정보를 얻기 위해 별도의 영전압 검출부(12A, 12B) 회로를 설계하며, 디지털 정보는 24비트 카운터를 이용해 개수 한다.3) In addition to the A / D converter 13, a separate zero voltage detection unit 12A, 12B circuit is designed to obtain digital position information, and the digital information is counted using a 24-bit counter.

4) A/D변환기(13)의 입력 채널은 동시 샘플링이 가능하다.4) The input channel of the A / D converter 13 can be simultaneously sampled.

5) 인코더는 모터 1회전당 2048개의 Sine파형을 출력한다.5) The encoder outputs 2048 sine waveforms per motor revolution.

그래서 인코더 신호가 이상적인 Sin/Cos신호라고 가정하고 미소 위치를 검출하기 위해 n비트 A/D 변환기(13)를 이용한 경우 미소 위치 검출 방법은 ①Sin파 1회전을 2n비트로 분할하는 방법, ②4체배를 이용한 2n-2비트 분할 방법, ③8개 구간 분할을 이용한 2n-3비트 분할 분석 법으로 구분할 수 있다.Therefore, when the n-bit A / D converter 13 is used to detect the micro position assuming that the encoder signal is the ideal Sin / Cos signal, the micro position detection method is a method of dividing 1 rotation of sin wave into 2 n bits, It can be divided into 2 n-2 bit division method using 3 n and 2 n-3 bit division analysis method using 8 divisions.

상기 ①sin파 1회전을 2n비트로 분할하는 방법은, 도9에 도시된 바와 같이, 아날로그 신호 출력형 인코더의 한 주기를 2n비트(n=A/D변환기 비트 수) 분해능으로 분할하는 방법으로 최소 미소 위치 크기는와 같다. 만일, 2048펄스 출력형 인코더와 12비트 A/D변환기(인코더의 한 주기를 212로 분할)를 사용할 경우 모터 1회전당 최대 8,388,608(= 2048*212) 분해능을 얻을 수 있다.The method of dividing 1 sinsin wave into 2 n bits is divided into 2 n bits (n = number of A / D converter bits) by dividing one cycle of the analog signal output encoder as shown in FIG. The minimum smile position size is Same as If, when using the (dividing one period into 212 of the encoder) 2048 output pulse encoder with the 12-bit A / D converter can be obtained per revolution of the motor up to 8,388,608 (= 2048 * 212) resolution.

그리고 ② 4체배를 이용한 2n-2비트 분할 방법은, 도10에 도시된 바와 같이 인코더의 한 주기를 2n비트 분해능으로 분할 한 것에 해당하는 개념으로서, ADIG_SENC, BDIG_SENC의 4체배 신호(22)를 이용해 0~2pi를 4등분하여 각 4체배 신호 사이의 분해능을 2n-2로 나누어 검출하는 방법이다.2) The 2 n-2 bit division method using multiplication of 4 is a concept corresponding to dividing one period of the encoder by 2 n bit resolution as shown in FIG. 10, and the multiplication signal of ADIG_SENC and BDIG_SENC (2 2). By using), 0 ~ 2pi is divided into 4 parts, and the resolution between each multiplication signal is divided by 2 n-2 .

즉, 2n(한 주기 분해능) = 22(4체배 신호) * 2n-2(0~pi/2까지의 미소 위치 분해능)과 같다.That is, 2 n (one cycle resolution) = 2 2 (four times multiplication signal) * 2 n-2 (micro position resolution from 0 to pi / 2).

또한, ③8개 구간 분할을 이용한 2n-3비트 분할 분석방법은, 한 주기를 4체배 없이 2n비트 분해능으로 검출하거나 4체배를 통해 0~pi/2까지의 신호를 검출하는 방법에 있어서 미 고려된 사항으로 Sin/Cos 신호는 pi/4이상에서는 선형성이 확보되지 않는다는 점이다. 따라서, 도11에 도시된 바와 같이, 0~2pi를 8개 구간으로 나누어 선형성이 확보된 0~pi/4구간 값만을 A/D변환하여 미소 위치 정밀도를 향상시키는 방식이 필요하다.In addition, the 2n-3 bit segmentation analysis method using 8 divisional divisions is not considered in the method of detecting one cycle with 2 n bit resolution without 4 multiplication or detecting signals from 0 to pi / 2 through 4 multiplication. As a matter of fact, the Sin / Cos signal does not have linearity above pi / 4. Accordingly, as shown in FIG. 11, a method of improving A / D precision by improving A / D conversion of only 0 to pi / 4 interval values having linearity by dividing 0 to 2 pi into eight sections is required.

인코더 한 주기는 2n의 위치 분해능을 갖고 있으므로 8개 구간으로 나눌 경우 0~pi/4간의 분해능은 2n-S(여기서, S는 8개 구간에 대한 비트 값 3임(2S=8개 구간))이다.Since one encoder has a position resolution of 2 n , when divided into 8 sections, resolution between 0 and pi / 4 is 2 nS (where S is a bit value 3 for 8 sections (2S = 8 sections)). to be.

즉, 2n(한 주기 분해능) = 2S(8개 구간) * 2n-S(0~pi/4까지의 미소 위치 분해능)과 같다.That is, 2 n (one cycle resolution) = 2 S (8 sections) * 2 nS (micro position resolution from 0 to pi / 4).

예를 들어, 인코더 펄스수가 2048[ppr]이고 A/D변환기(13)가 12비트인 경우의 위치 분해능은8,388,608 (=2048*23*212-3)이다.For example, the position resolution when the number of encoder pulses is 2048 [ppr] and the A / D converter 13 is 12 bits is 8,388,608 (= 2048 * 2 3 * 2 12-3 ).

이상 기술한 미소 위치를 검출하는 방법은 인코더 신호가 이상적이라는 가정하에 정리된 개념들이다. 그러나, 일반적인 회로에서 노이즈(noise)에 의한 영향은 무시할 수 없으며 특히 모터를 구동하는 드라이브 시스템에서의 노이즈는 신호 처리에 있어서 고려해야 할 중요한 항목이다. 일반적으로 A/D변환기(13)로 검출한 신호 중 하위 2비트 정도는 노이즈에 오염될 가능성이 높은 비트로서 신뢰성 확보가 어렵다고 할 수 있다.The above-described methods for detecting the small position are concepts arranged under the assumption that the encoder signal is ideal. However, in general circuits, the influence of noise is not negligible, especially noise in a drive system driving a motor is an important item to consider in signal processing. In general, the lower two bits of the signal detected by the A / D converter 13 are bits that are likely to be contaminated with noise, and thus, it may be difficult to secure reliability.

이러한 점을 고려하여 구현된 고 분해능 위치 검출 방법은 다음의 ④ 아크 탄젠트 함수(Atan function)를 이용한 Sin/Cos파의 한 주기 보간법과 같다.The high-resolution position detection method implemented in consideration of this point is the same as the one-cycle interpolation method of Sin / Cos wave using ④ arc tangent function.

④ 아크 탄젠트 함수(Atan function)를 이용한 Sin/Cos파의 한 주기 보간법의 경우, 도13의 (a)는 인코더로부터 출력되는 신호이며 8개로 분류된 구간 판별을 위해 입력된 Sin/Cos신호의 절대치를 구한다.④ In the case of one period interpolation of Sin / Cos wave using the arc tangent function (Atan function), FIG. 13 (a) shows the signal output from the encoder and the absolute value of the Sin / Cos signal inputted to discriminate eight classified sections. Obtain

Sin/Cos파의 한 주기 8개 구간에 대해 절대치를 취한 결과는 도13의 (b)와 같다. 각 구간별 미소 위치는 아크탄젠트 함수에 의해 구해지며 아크탄젠트 함수의 포화를 막고 위치 값의 크기만을 구하는 것이 필요하기 때문에 검출된 a, b상의 크기가 큰 값을 분모로 하여 계산한다.The result of taking an absolute value for eight periods of one period of the Sin / Cos wave is shown in Fig. 13B. The micro position of each section is obtained by the arc tangent function, and it is necessary to find the magnitude of the position value to prevent the saturation of the arc tangent function.

도13의 (c)는 8개 구간 각각 계산된 값(△θ)을 더하여 Sin파 한 구간(0~2pi)을 선형화한 결과를 나타내며, 12비트 A/D변환기(13)의 경우 1024(=210(=> 8구간(23)*각 구간 분해능(27))분해능으로 분할된다.FIG. 13 (c) shows the result of linearizing one section (0 to 2 pi) of Sin wave by adding the calculated values (Δθ) to each of eight sections, and in the case of the 12-bit A / D converter 13, 1024 (= It is divided into 2 10 (=> 8 intervals (2 3 ) * resolution of each interval (2 7 )).

이러한 고 분해능 위치 보간 알고리즘의 구현은 도14 및 도15에 도시된 바와 같이 이루어진다. 도14는 실제 소프트웨어에서 구현한 알고리즘이고, 도15는 구현된 프로그램의 흐름도이다.The implementation of this high resolution position interpolation algorithm is made as shown in Figs. 14 is an algorithm implemented in actual software, and FIG. 15 is a flowchart of the implemented program.

도14에 따르면, 미소 위치 검출법 중 한 주기를 8개 구간으로 분할하는 방법을 적용했으며 sign_A, sign_B는 A상과 B상이 +값인지 -값인지를 구분하기 위한 소프트웨어 플래그이다.According to Fig. 14, a method of dividing a period into eight sections of the micro position detection method is applied, and sign_A and sign_B are software flags for discriminating whether A phase and B phase are positive values or negative values.

도15는 12비트 A/D변환기(13)의 2개 채널로부터 검출한 A와 B 신호의 값을 아크탄젠트 함수를 이용해 위치 값을 계산하고, 계산된 값이 현재 어느 모드(8개 구간)에 존재하는지를 도14에서 정의한 알고리즘에 따라 판정하는 흐름도이다.Fig. 15 calculates the position values of the A and B signals detected from the two channels of the 12-bit A / D converter 13 by using the arc tangent function, and the calculated values are currently displayed in any mode (8 sections). It is a flow chart for determining whether there exists according to the algorithm defined in FIG.

보다 구체적으로는 표준적인 아크 탄젠트 테이블을 작성하고 A/D 변환기(13)에서 인코더 입력신호를 샘플링/홀드하여 M 개수법으로 모터위치(θdigital)을 검출한다(ST221~ST23).More specifically, a standard arc tangent table is prepared, and the A / D converter 13 samples / holds the encoder input signal and detects the motor position θdigital by the M number method (ST221 to ST23).

이어서 주기 측정법으로 미소 위치(θanalog)를 검출하고, 채널 A와 B로 각각 입력되는 인코더 신호의 사인값 절대치인 |a|가 |b| 보다 큰지 여부에 따라 Cal.a1을 설정한다(ST24~ST27).Subsequently, a micrometer (θanalog) is detected by a period measuring method, and | a |, which is the absolute value of the sine of the encoder signal respectively input to the channels A and B, is | b | Set Cal.a1 depending on whether it is larger (ST24 to ST27).

그리고 |A|와 |B|를 상호 비교하여 Sign_A와 Sign_B의 부호에 따라 위치값(Cal.θ)을 산출한다(ST28~ST42).Then, | A | and | B | are compared with each other, the position value Cal.θ is calculated according to the sign of Sign_A and Sign_B (ST28 to ST42).

이처럼 계산된 위치 값(Calc.θ)으로부터 모터 순시 속도를 구할 수 있다(ST43).The instantaneous speed of the motor can be obtained from the calculated position value Calc.θ (ST43).

즉, θ=θdigital + θanalogThat is, θ = θdigital + θanalog

실제로 구현된 신호 처리방법은 디지털 위치 분해능을 향상시키기 위해 4체배 신호를 이용해 디지털 펄스의 분해능을 향상시켰으며 미소 위치를 구하기 위해sin파의 선형구간을 8개 구간으로 나누어 아크탄젠트 함수를 이용하는 방법을 동시에 사용하고 있다.In order to improve the digital position resolution, the actual signal processing method has improved the resolution of the digital pulse by using the quadratic signal, and the method of using the arc tangent function by dividing the linear section of the sin wave into 8 sections to find the micro position. I use it at the same time.

도16은 최종적으로 계산되는 위치 정보값이 디지털 위치값과 A/D변환기와 아크탄젠트 함수에 의해 보간된 미소 위치(Sin/Cos파의 한 주기의 최대 정보는10비트로 구성)값의 합으로 이루어짐을 나타내고 있으며 이 중 상위 2비트는 4체배에 의한 효과와 같음을 알수 있다.Fig. 16 is the sum of the position information values finally calculated is the sum of the digital position values and the micro position (the maximum information of one period of Sin / Cos wave composed of 10 bits) interpolated by the A / D converter and the arc tangent function. Of these, the upper two bits are equivalent to the effect of multiplication.

본 발명의 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치 및 그 방법에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.According to the high resolution encoder signal processing apparatus and method for controlling the motor of the present invention, the following effects are obtained.

일반적으로 속도 제어 루프의 성능은 센서의 대역폭과 노이즈에 의하여 제한되나 고분해능 위치 처리를 채용하면 센서의 대역폭이 확장되고 양자화 노이즈가감소하여 속도 제어 루프의 성능이 센서에 의하여 제한되지 않으므로 속도 센서의 영향을 무시할 수 있다. 즉 속도 측정은 이상적이라고 할 수 있다.In general, the performance of the speed control loop is limited by the sensor's bandwidth and noise. However, the high speed position processing allows the sensor's bandwidth to be expanded and the quantization noise to be reduced, so the performance of the speed control loop is not limited by the sensor. Can be ignored. In other words, speed measurement is ideal.

그래서 본 발명에 따르면, 속도 응답 특성의 향상 효과가 있다. 짧은 샘플링 주기에서도 충분한 정도를 갖는 속도 검출이 가능하여 속도 제어 주기를 전류의 1~2배로 설정할 수 있으므로 제어 루프의 지연을 줄여 응답성을 향상시킬 수 있다. 이는 부하 토크 변동에 의한 응답 시간을 단축하여 속도 드롭을 감소시킬 수 있다. 즉, 센서 지연에 따른 영향을 감소시킬 수 있고 센서의 대역폭을 향상시킬 수 있다.Thus, according to the present invention, there is an effect of improving the speed response characteristics. Speed detection with sufficient accuracy is possible even in short sampling periods, and the speed control cycle can be set to 1 to 2 times the current, thereby reducing the delay of the control loop to improve responsiveness. This can shorten the response time due to the load torque variation and reduce the speed drop. That is, the influence of the sensor delay can be reduced and the bandwidth of the sensor can be improved.

그리고 저속 운전 능력 및 속도 제어 범위의 향상 효과가 있다. 속도 측정의 양자화 오차를 줄임으로서 최소 측정 가능한 속도가 작아져 저속 제어 특성이 향상되며 속도의 제어 범위를 높일 수 있다. 센서의 노이즈 감소를 통해 제어 범위의 확장을 가져올 수 있다.And it has the effect of improving the low speed driving capability and the speed control range. By reducing the quantization error of the speed measurement, the minimum measurable speed is smaller, which improves the low speed control characteristics and increases the speed control range. The noise reduction of the sensor can lead to an extension of the control range.

고 분해능 인코더 처리 기법을 이용한 속도 검출과 일반적으로 사용되는 구형파 펄스형 인코더를 사용한 경우의 최소 속도 제어 범위를 도17을 참조하여 비교하기로 한다.The speed detection using the high resolution encoder processing technique and the minimum speed control range in the case of using the commonly used square wave pulse type encoder will be compared with reference to FIG.

도17에서 최소 속도 검출을 위해 속도 제어기의 샘플링 시간을 250㎲라고 가정하자.In FIG. 17, assume that the sampling time of the speed controller is 250 ms for the minimum speed detection.

최소 속도를 구하기 위한 식은이며,The formula for finding the minimum velocity is Is,

1) (아날로그 출력형 인코더)고 분해능 처리 기법을 적용한 2백만 분해능의경우:1) (Analog Output Encoder) For 2 million resolutions with high resolution processing:

2) (구형파 펄스 출력형 인코더) 일반 M/T방식을 적용한 5,000ppr의 경우:2) (Square wave pulse output type encoder) In case of 5,000ppr using general M / T method:

상기 계산과 같이 미소 위치를 검출하는 보간 방법의 사용은 모터를 극 저속에서부터 제어할 수 있다는 장점을 갖고 있다.The use of an interpolation method for detecting a micro position as in the above calculation has the advantage that the motor can be controlled from an extremely low speed.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위를 한정하는 것이 아니다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention may use various changes, modifications, and equivalents. It is clear that the present invention can be applied in the same manner by appropriately modifying the above embodiments. Therefore, the above description does not limit the scope of the following claims.

Claims (8)

아날로그 출력 증분형 인코더에 있어서,In the analog output incremental encoder, 저역통과 필터와 차동 증폭기를 포함하며, 모터의 구동에 따라 궤환되는 상전류 및 모터 위치 정보를 인코더 신호 수신부와;An encoder signal receiver including a low pass filter and a differential amplifier, the phase current and motor position information being fed back according to the driving of the motor; 상기 인코더 신호 수신부에서 출력되는 Sin/Cos 아날로그 신호가 0V를 통과하는 시점을 검출하는 영전압 검출부와;A zero voltage detector detecting a time point at which the Sin / Cos analog signal output from the encoder signal receiver passes 0V; 상기 영전압 검출부에서 출력되는 신호로부터 디지털 위치 정보를 추출하는 플렉스와;A flex for extracting digital position information from the signal output from the zero voltage detector; 복수개 채널 이상을 동시에 샘플링 가능하며, 상기 인코더 신호 수신부에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 미소 위치 계산에 필요한 신호로 제공하는 A/D 변환기와;An A / D converter capable of simultaneously sampling a plurality of channels or more, and converting an analog signal output from the encoder signal receiving unit into a digital signal and providing the signal as necessary for calculating a micro position; 상기 A/D 변환기와 플렉스에서 출력되는 디지털 신호 처리를 연산하여 모터의 위치 및 속도 제어를 수행하는 DSP를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치.And a DSP for calculating the position and speed of the motor by calculating the digital signal processing output from the A / D converter and the flex. 제 1항에 있어서, 상기 인코더 신호 수신부는,The method of claim 1, wherein the encoder signal receiving unit, 저주파 대역의 신호만을 통과시키기 위한 저역통과 필터와;A low pass filter for passing only signals in the low frequency band; 상기 저역통과 필터를 통과한 저주파 대역의 신호를 차동 증폭하기 위한 차동 증폭기와;A differential amplifier for differentially amplifying a low frequency signal passing through the low pass filter; 상기 A/D 변환기의 기준 전압에 따라 출력 전압 범위가 설정되는 복수개의 저항을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치.And a plurality of resistors in which an output voltage range is set according to a reference voltage of the A / D converter. 제 1항에 있어서, 상기 플렉스는,The method of claim 1, wherein the flex is 모터의 디지털 위치 검출 시점과 아날로그 신호 검출 시기가 제어기의 제어 클럭을 기준으로 동기가 되도록 하는 동기화부와;A synchronization unit for synchronizing the digital position detection time and the analog signal detection time of the motor with respect to the control clock of the controller; 모터의 디지털 위치 정보의 분해능을 향상시키기 위한 4체배기와;A multiplier for improving the resolution of the digital position information of the motor; 상기 4체배기에 의해 향상된 분해능으로 모터의 디지털 위치를 검출하는 디지털 위치 검출기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리장치.And a digital position detector for detecting a digital position of the motor with an improved resolution by the quadruple multiplier. (a) 펄스 개수법을 응용하여 모터의 위치 및 속도 검출을 위해 인코더로부터 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변경하고, 디지털 신호의 분해능을 향상시키기 위해 상기 디지털 신호의 상승과 하강 모서리에 동기화된 4체배의 펄스를 계수하여 디지털 위치값을 검출하는 단계와;(a) By applying the pulse counting method, the analog signal input from the encoder is converted into a digital signal for detecting the position and speed of the motor, and synchronized to the rising and falling edges of the digital signal to improve the resolution of the digital signal. Counting pulses of multiplication to detect a digital position value; (b) 상기 디지털 위치값이 검출되면, A/D변환기에 의해 디지털 정보로 변환된 아날로그 Sin/Cos 신호를 주기 측정법을 응용하여 샘플링과 홀드하여 읽고 아크 탄젠트 함수를 적용해 미소 위치를 구하는 단계와;(b) when the digital position value is detected, sampling and holding an analog Sin / Cos signal converted into digital information by an A / D converter by applying a periodic measurement method, reading and applying an arc tangent function to obtain a micro position; ; (c) 상기 미소 위치의 검출이 이루어지면, 상기 검출된 디지털 위치값과 아날로그 신호 검출에 의한 미소 위치값을 합산으로 모터의 현재 위치를 계산하는 단계와;(c) calculating the current position of the motor by adding up the detected digital position value and the micro position value by analog signal detection when the micro position is detected; (d) 상기 계산된 현재 위치에서 속도 샘플링 시간을 이용해 순시 속도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리방법.(d) calculating the instantaneous speed by using the velocity sampling time at the calculated current position. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 단계 (a)에서 상기 디지털 위치 검출은, 디지털 위치 정밀도를 향상시키기 위해 4체배기를 이용해 인코더 신호를 설정된 배수만큼 승산하고 플렉스에 내장된 디지털 위치 검출기로 4체배 펄스를 계수하여 디지털 위치값을 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리방법.In the step (a), the digital position detection is performed by multiplying the encoder signal using a multiplier by a set multiple in order to improve digital position accuracy, and counting the multiplier pulse with a digital position detector built in the flex to calculate the digital position value. High resolution encoder signal processing method for a motor control, characterized in that the. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 단계 (b)에서 상기 미소 위치 검출은, 인코더 신호가 Sin/Cos신호일 때 미소 위치를 검출하기 위해 n비트 A/D 변환기를 이용한 경우, Sin파 1회전을 2n비트로 분할하는 방식과, 4체배를 이용한 2n-2비트 분할 방식과, 8개 구간 분할을 이용한 2n-3비트 분할 분석방식을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리방법.In the step (b), the minute position detection may be performed by dividing one rotation of a sin wave into 2 n bits when an n-bit A / D converter is used to detect the minute position when the encoder signal is a Sin / Cos signal. A high resolution encoder signal processing method for a motor control, comprising a 2 n-2 bit division method using multiplication and a 2 n- 3 bit division analysis method using eight interval divisions. 제 6항에 있어서, 상기 단계 미소 위치 검출은, 아크 탄젠트 함수를 이용한 Sin/Cos파의 한 주기 보간법을 적용하여, 인코더로부터 출력되는 신호를 설정된 개수만큼 구분된 구간 판별을 위해 입력된 Sin/Cos신호의 절대치를 구하고, 상기 아크 탄젠트 함수를 이용하여 각 구간별 미소 위치를 산출한 후, 상기 산출된 각 구간별 미소 위치를 합산하여 Sin/Cos파의 한 구간의 미소 위치를 검출하는 방식을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어용 고분해능 인코더 신호 처리방법.The method of claim 6, wherein the step micro-position detection is performed by applying a period interpolation method of a sin / cos wave using an arc tangent function, and inputting sin / cos to discriminate intervals of signals output from the encoder by a predetermined number. The absolute value of the signal is calculated, the minute position of each section is calculated using the arc tangent function, and the calculated minute position of each section is summed to detect the minute position of one section of the Sin / Cos wave. High resolution encoder signal processing method for a motor control comprising a. 삭제delete
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