KR100509338B1 - 6체배 주파수 체배기 및 이를 이용한 속도신호 발생장치 - Google Patents

6체배 주파수 체배기 및 이를 이용한 속도신호 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공급전원이 필요 없이 회전력을 발전전압으로 직접 변환시켜주는 철도차량에 사용되는 속도검출용 센서장치인 기계적인 타코제네레이터(속도발전기) 시스템으로부터 고정도의 속도신호를 연산하기 위한 6체배 주파수 체배기 및 이를 이용한 고정도 속도신호 발생장치에 관한 것으로, 속도발전기로부터 2상의 입력신호 ΦA, ΦB를 받아 신호 ΦC = -(ΦA+ΦB)를 발생시키는 신호연산기; 상기 2상의 입력신호와 상기 신호연산기로부터 입력된 신호 ΦC의 영점을 검출하여 TTL 레벨로 변환시키는 위상검출기; 상기 위상검출기로부터 입력된 TTL 신호의 상승 모서리를 검출하여 상기 2상의 입력신호에 대하여 60도씩의 위상지연을 갖는 출력신호를 발생하는 단안정 다중발진기; 및 상기 다중발진기로부터 입력된 신호를 논리합(OR)하여 펄스 트레인 형태의 6체배된 출력신호로 변환하는 신호합성기;를 포함하는 6체배 주파수 체배기와, 이를 이용하고 회전방향검출기 및 광절연체를 더 구비한 속도신호 발생장치를 제공함을 요지로 한다.

Description

6체배 주파수 체배기 및 이를 이용한 속도신호 발생장치 {FREQUENCY MUTIPLIER AND DEVICE FOR GENERATING SPEED SIGNAL USING THE MULTIPLIER}
본 발명은 공급전원이 필요 없이 회전력을 발전전압으로 직접 변환시켜주는 철도차량에 사용되는 속도검출용 센서장치인 기계적인 타코제네레이터(속도발전기) 시스템으로부터 고정도의 속도신호를 연산하기 위한 6체배 주파수 체배기 및 이를 이용한 고정도 속도신호 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량에 사용되는 속도검출용 센서장치는 일반 기계장치에서 속도를 검출하는 것과는 달리 매우 신뢰도가 높아야 한다. 이는 차량 속도검출 오차의 유무에 따라 대형사고로 이어질 가능성을 초기에 배제하기 위함이다. 이러한 이유로 철도차량에서는 공급전원이 필요없이 회전력을 발전전압으로 직접 변환시켜주는 기계적인 타코제네레이터(속도발전기) 시스템이 주로 사용된다. 차량의 속도는 타코제네레이터의 출력주파수 또는 발전전압으로부터 연산되는데, 원리적으로 내부 자속의 변화를 전압으로 변환시키는 교류발전기의 특징으로 인하여 광신호를 이용한 속도검출용 엔코더 장치에 비하여 분해능이 현저히 저하되는 단점을 가지고 있다.
일반적으로 광학식 엔코더장치가 최소 400[펄스/1회전] ~ 20000[펄스/1회전] 이상이 출력되며, 고정도의 것은 40000[펄스/1회전] 이상도 시판되고 있으나 ,기계식 타코제네레이터의 경우는 약 200[펄스/1회전]을 초과하는 장치가 거의 없으며, 철도차량에서는 24[펄스/1회전] ~ 160[펄스/1회전] 장치가 주로 사용되고 있다. 이러한 이유로 인하여 차량의 정밀속도를 계산하거나 정밀거리를 계산하는데는 원천적으로 무리가 있으므로 주파수 체배기를 사용하여 2체배 혹은 4체배된 펄스파형을 이용하는 것이 일반적이다. 주파수 체배기는 어느 주파수의 교류(주로 고주파)로부터 그 정수배(整數倍)인 주파수의 교류를 얻는 장치를 말한다.
상기와 같이 종래의 2체배 혹은 4체배된 펄스파형을 이용하여 차량의 정밀속도와 정밀거리를 계산함에 있어서는, 분해능이 현저히 저하되어 차량의 속도검출오차범위가 커지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 공급전원이 필요 없이 회전력을 발전전압으로 직접 변환시켜주는 철도차량에 사용되는 속도검출용 센서장치인 기계적인 타코제네레이터(속도발전기) 시스템으로부터 고정도의 속도신호를 연산하기 위한 6체배 주파수 체배기 및 이를 이용한 고정도 속도신호 발생장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적의 달성을 위해 본 발명에 따른 6체배 주파수 체배기는, 2상의 입력신호 ΦA, ΦB로부터 ΦC = -(ΦA+ΦB)를 발생시키는 신호연산기(Calculator); 상기 2상의 입력신호와 상기 신호연산기로부터 입력된 신호 ΦC의 영점을 검출하여 TTL 레벨, 즉 구형파 형태로 변환시키는 위상검출기(Zero Cross Detector); 상기 위상검출기로부터 입력된 TTL신호, 즉 구형파 신호의 상승 모서리를 검출하여 상기 2상의 입력신호에 대하여 60도씩의 위상지연을 갖는 신호를 발생시키는 단안정다중발진기(Monostable Multivibrator); 및 상기 단안정다중발진기로부터 입력된 신호를 논리합(OR)하여 펄스 트레인 형태로 변환하는 신호합성기(Additioner);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 속도신호 발생장치는, 속도발전기로부터 2상의 입력신호 ΦA, ΦB를 받아 6체배된 출력신호로 변환하는 6체배 주파수 체배기; 상기 2상의 입력신호로부터 열차의 진행방향을 검출하는 회전방향검출기(Direction Detector); 상기 6체배 주파수 체배기로부터 입력된 상기 6체배된 출력신호 및 상기 회전방향검출기로부터 입력된 진행방향 신호를 절연된 신호형태로 변환하여, 4채널의 독립된 속도신호와 4채널의 차량의 진행방향 검출신호를 차량의 각부에 공급하는 광절연체(Optic Isolator);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 회전방향검출기는 상기 2상의 입력신호에 대하여 각각 영점을 검출하는 검출기; 및 상기 검출기로부터 입력된 A상을 입력으로 B상을 클록신호로 사용하고, 상기 B상의 상승 모서리에서 상기 A상의 부호를 판단하여 회전방향을 검출하는 D 플립플롭;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 체배기의 원리를 설명하기 위한 복소평면에서 평형 3상의 표현도이다. 120도 위상차를 갖는 3상의 정현파 신호를 다음 수학식 1과 같이 가정하면 수학식 2의 관계가 성립한다.
신호의 크기 및 위상차가 동일하다면 즉 전기적으로 평형상태에 있을 경우, 수학식 2로부터 임의의 한 신호는 두 신호의 차로 표현할 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 속도발전기로부터 출력되는 2상의 신호가 120도의 위상차를 가지며 신호의 크기가 동일하다고 가정하면, 다음 수학식 3으로부터 240도 만큼 뒤진 신호 EC를 출력하는 것이 가능하므로, 저속의 속도발전기 출력으로부터 6체배된 속도신호를 발생시킬 수 있는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 주파수 체배기를 이용한 고정도 속도신호 발생장치의 블록도로서, 속도발전기에서 출력된 2상의 신호는 도 2의 각 블록을 거쳐서 체배된 신호 Sx(t)로 변환되고 각 차량에 공급된다.
즉, 속도발전기로부터 출력되는 2상의 신호(ΦA, ΦB)가 신호연산기(10)에 입력되어 신호 ΦC = -(ΦA+ΦB)를 발생시키는 단계; 상기 속도발전기의 2상 신호(ΦA, ΦB)와 신호연산기(10)의 출력신호(ΦC)의 영점(zero 지점)을 위상검출기(20)로 검출하고 TTL 레벨, 즉 구형파 형태로 변환시키는 단계; 상기 속도발전기에서 출력되는 2상 신호로부터 회전방향검출기(60)가 열차의 운행방향을 검출하는 단계; 상기 위상검출기로(20)부터 발생된 TTL 신호, 즉 구형파 신호의 상승 모서리를 단안정다중발진기(30)로 검출하고 속도발전기의 출력신호에 대하여 60도씩의 위상지연을 갖는 100μsec의 출력신호 A, /A, B, /B, C, 및 /C를 발생시키는 단계; 상기 단안정다중발진기로(30)부터 발생된 TTL 신호 A, /A, B, /B, C, 및 /C를 신호합성기(40)로 논리합(OR)하여 입력에 대하여 6배의 신호주기로 체배된 펄스 트레인 형태로 변환하는 단계; 상기 6체배된 출력신호와 운행방향 신호를 광절연체(포토커플러)(50)에 의해 절연된 신호형태의 4채널의 독립된 속도신호와 4채널의 차량의 진행방향 검출신호로 만들어 차량의 각부에 공급하는 단계를 거친다.
여기서 신호연산기(10)는 속도발전기의 출력신호 ΦA와 ΦB를 입력받아 상기 수학식 3에 따라 신호 ΦC를 발생시키는 것이고, 위상검출기(20)는 속도발전기의 2상 신호(ΦA와 ΦB)와 신호연산기(10)의 출력신호(ΦC)의 영점을 검출하여 구형파 형태로 변환 시키며, 회전방향검출기(60)는 속도발전기에서 출력되는 2상 신호로부터 열차의 운행방향을 검출하고, 단안정다중발진기(30)는 위상검출기(20)로부터 발생된 구형파 신호의 상승 모서리를 검출하여 약 100μsec의 출력신호를 발생시킨다. 여기서 출력신호는 A, /A, B, /B, C, 및 /C 로 속도발전기의 출력신호에 대하여 60도씩의 위상지연을 갖는다. 그리고 신호합성기(40)는 발생된 TTL 신호 A, /A, B, /B, C, 및 /C를 논리합(OR)하여 펄스 트레인의 형태로 변환하는 것이다. 이때 발생된 신호의 주파수는 입력에 대하여 6배의 신호주기로 체배된 펄스가 된다. 그리고 광절연체(50)는 6체배된 출력신호를 차량의 각부로 공급하기 위하여 포토커플러(Photo coupler)에 의하여 절연된, 즉 전기적으로 분리된 상태의 신호로 제공한다. 이때 출력신호는 독립된 속도신호 4채널과 차량의 진행방향 검출신호 4채널이다.
도 3은 본 발명에서 사용하는 차량의 회전방향 검출방법에 대한 블록도이고, 도 4는 차량의 정방향(+) 회전검출 그래프이며, 도 5는 차량의 역방향(-) 회전검출 그래프이다.
회전방향검출기(60)가 상기 속도발전기에서 출력되는 2상 신호로부터 열차의 운행방향을 검출하는 방법은 다음과 같다. 먼저 입력 2상 신호에 대하여 각각 영점을 검출하고 A상은 기준신호, B상은 클록신호로 사용한다. 각각의 신호는 D 플립플롭의 입력과 클록으로 사용하여 B상의 상승 모서리에서 A상의 부호를 판단함으로써 회전방향을 검출할 수 있는 것이다. Q가 1이면 정방향이고 0이면 역방향이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 주파수 체배기의 시뮬레이션 블록도로서, 2상의 입력신호로부터 6체배된 출력신호를 발생시키는 주파수체배기에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 정상신호의 조건뿐 아니라 왜곡이 발생한 경우에 대해서도 수행하였으며 조건은 아래와 같다.
* 정상 조건
- A상 = 10Vp∠0, B상 = 10Vp∠120 (도 7a, 7b)
- A상 = 10Vp∠0, B상 = 10Vp∠240 (도 8a, 8b)
* 비정상 조건
- A상 = 10Vp∠0, B상 = 10Vp∠100 (도 9a, 9b)
- A상 = 10Vp∠0, B상 = 10Vp∠140 (도 10a, 10b)
- A상 = 10Vp∠0, B상 = 9Vp∠120 (도 11a,11b)
- A상 = 10Vp∠0, B상 = 11Vp∠120 (도 12a,12b)
도 7 ~12에 도시된 바와 같이, 상기 조건하에서 2상의 속도신호로부터 6체배된 신호파형을 발생시키기 위한 주파수 체배기의 컴퓨터 시뮬레이션으로부터 다음과 같은 결과를 얻었다.
먼저 입력신호 2상의 위상차가 120도 혹은 240도인 경우 평형조건을 만족하므로 출력 신호에 왜곡이 발생하지 않았고(도 7, 8), 비정상 조건하에서도 입력 신호의 위상차가 120±20도인 경우 주파수 체배에는 별 영향이 없었으며(도 9, 10), 입력신호의 전압차가 20% 이하인 경우도 주파수 체배에는 별 영향이 없었다(도 11, 12).
즉, 속도발전기로부터 출력되는 2상의 신호 ΦA, ΦB는 위상차가 120±20도 혹은 240±20이고 전압차가 20% 이하일 때, 출력신호에 왜곡이 발생하지 않았고 2상의 속도신호로부터 6체배된 신호파형을 발생시킬 수 있었다.
상기와 같이 구성되고 동작하는 본 발명은 철도차량에 사용되는 속도검출용 센서장치인 기계적인 타코제네레이터(속도발전기) 시스템으로부터 고정도의 속도신호를 연산하기 위한 새로운 6체배 주파수 체배기를 제공함으로써 차량의 정밀속도와 정밀거리의 측정 오차를 크게 감소시킬 수 있어 차량 속도검출 오차의 유무에 따라 대형사고로 이어질 가능성을 초기에 배제할 수 있는 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 체배기의 원리를 설명하기 위한 복소평면에서 평형 3상의 표현도,
도 2는 본 발명에 따른 주파수 체배기를 이용한 고정도 속도신호 발생장치의 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 차량의 회전방향 검출방법의 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 차량의 정방향(+) 회전검출 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 차량의 역방향(-) 회전검출 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 주파수 체배기의 시뮬레이션 블록도,
도 7a, 7b는 A상 = 10Vp∠0, B상 = 10Vp∠120일 때 입력 파형(ΦA와 ΦB)과 연산기 출력 파형(ΦC) 및 단일 상의 펄스파형과 6체배된 파형,
도 8a, 8b는 A상 = 10Vp∠0, B상 = 10Vp∠240일 때 입력 파형(ΦA와 ΦB)과 연산기 출력 파형(ΦC) 및 단일 상의 펄스파형과 6체배된 파형,
도 9a, 9b는 A상 = 10Vp∠0, B상 = 10Vp∠100일 때 입력 파형(ΦA와 ΦB)과 연산기 출력 파형(ΦC) 및 단일 상의 펄스파형과 6체배된 파형,
도 10a, 10b는 A상 = 10Vp∠0, B상 = 10Vp∠140일 때 입력 파형(ΦA와 ΦB)과 연산기 출력 파형(ΦC) 및 단일 상의 펄스파형과 6체배된 파형,
도 11a, 11b는 A상 = 10Vp∠0, B상 = 9Vp∠120일 때 입력 파형(ΦA와 ΦB)과 연산기 출력 파형(ΦC) 및 단일 상의 펄스파형과 6체배된 파형,
도 12a, 12b는 A상 = 10Vp∠0, B상 = 11Vp∠120일때 입력 파형(ΦA와 ΦB)과 연산기 출력 파형(ΦC) 및 단일 상의 펄스파형과 6체배된 파형.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(10) 신호연산기(Calculator)
(20) 위상검출기(Zero Cross Detector)
(30) 단안정다중발진기(Monostable Multivibrator)
(40) 신호합성기(Additioner)
(50) 광절연체(Optic Isolator)
(60) 회전방향검출기(Direction Detector)

Claims (4)

  1. 대상체의 속도를 검출하는 장치에 사용되기 위한 것으로서, 속도에 대한 정보를 담고 있는 2상의 입력신호 ΦA, ΦB의 주파수를 체배하는 주파수 체배기에 있어서,
    2상의 입력신호로부터 ΦC = -(ΦA+ΦB)를 발생시키는 신호연산기;
    상기 2상의 입력신호와 상기 신호연산기로부터 입력된 신호 ΦC의 영점을 검출하여 구형파 형태로 변환시키는 위상검출기;
    상기 위상검출기로부터 입력된 구형파 신호의 상승 모서리를 검출하여 상기 2상의 입력신호에 대하여 60도씩의 위상지연을 갖는 신호를 발생시키는 단안정다중발진기; 및
    상기 단안정다중발진기로부터 입력된 신호를 논리합(OR)하여 펄스 트레인 형태로 변환하는 신호합성기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 6체배 주파수 체배기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2상의 입력신호 ΦA, ΦB는 위상차가 120±20도이고, 전압차가 20% 이하인 것을 특징으로 하는 6체배 주파수 체배기.
  3. 속도발전기로부터 2상의 입력신호 ΦA, ΦB를 받아 신호 ΦC = -(ΦA+ΦB)를 발생시키는 신호연산기, 상기 2상의 입력신호와 상기 신호연산기로부터 입력된 신호 ΦC의 영점을 검출하여 구형파 형태로 변환시키는 위상검출기, 상기 위상검출기로부터 입력된 구형파 신호의 상승 모서리를 검출하여 상기 2상의 입력신호에 대하여 60도씩의 위상지연을 갖는 출력신호를 발생하는 단안정 다중발진기 및 상기 다중발진기로부터 입력된 신호를 논리합(OR)하여 펄스 트레인 형태의 6체배된 출력신호로 변환하는 신호합성기를 포함하는 6체배 주파수 체배기;
    상기 2상의 입력신호로부터 열차의 진행방향을 검출하는 회전방향검출기;
    상기 6체배 주파수 체배기로부터 입력된 상기 6체배된 출력신호 및 상기 회전방향검출기로부터 입력된 진행방향 신호를 각각 전기적으로 절연된 상태로 차량의 각부에 공급하기 위한 광절연체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도신호 발생장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 회전방향검출기는 상기 2상의 입력신호에 대하여 각각 영점을 검출하는 검출기; 및 상기 검출기로부터 입력된 A상을 입력으로 B상을 클록신호로 사용하고, 상기 B상의 상승 모서리에서 상기 A상의 부호를 판단하여 회전방향을 검출하는 D 플립플롭;을 구비하는 것을 특징으로 하는 속도신호 발생장치.
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