KR100518638B1 - 다회전 절대위치 엔코더 장치의 룩업테이블 구성방법과이를 이용한 체배방법 및 이를 이용한 위치산출방법 - Google Patents

다회전 절대위치 엔코더 장치의 룩업테이블 구성방법과이를 이용한 체배방법 및 이를 이용한 위치산출방법 Download PDF

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Abstract

검출대상체내에 장착된 엔코더로부터 출력되는 2상(A상, B상)의 신호를 기초로 마이컴에서 0 ~ 45°구간의 값을 수학식 1을 이용하여 구하고, 수학식 1에 의하여 산출된 비선형적인 값을 마이컴에서 일정한 값으로 선형화하여 룩업테이블(이하 L.U.T라 함)을 형성하여 메모리에 기록하는 룩업테이블 구성방법을 제공하고, 상기 L.U.T값을 기초로 디지털화되어진 2N구간의 A상 및 B상신호를 2N/2등분 하여 사분면의 위치에 따라 위상신호 Q1 ~ Q4를 발생시켜 엔코더 회전각도를 산출하고, 1 사분면에 의해 등분된 위치값을 L.U.T값을 기준으로 반복하여 4N구간으로 등분하는 체배방법을 제공하며, 엔코더에 전원 투입시, 메모리에 기록된 이전의 엔코더 위치값과 현재 엔코더의 위치신호값을 사용하여 사분면의 위치 상신호(P, Q 값)를 산출하여 이미 마련된 L.U.T.값을 A상 및 B상에 기초하여 엔코더의 위치각도를 산출하며, 과거의 위치 상신호값과 비교하여 방향을 판별하고 방향 판별값에 기초하여 엔코더 위치값을 연산하는 엔코더 위치 검출 방법을 제공하여, 회로적인 체배없이 전기적 신호값에 의한 체배방법만을 이용하여 고체배된 위치정보를 얻을 수 있도록 한다.

Description

다회전 절대위치 엔코더 장치의 룩업테이블 구성방법과 이를 이용한 체배방법 및 이를 이용한 위치산출방법{processing method of Multi-turn type Encoder}
본 발명은 엔코더의 룩업테이블 및 고체배에 의한 위치산출방법에 관한 것으로, 특히 검출대상체내에 장착된 엔코더로부터 출력되는 2상(Sin 및 Cos상)의 신호를 기초로, 회로적인 체배없이 전기적 신호값에 의한 체배방법만을 이용하여 고체배된 위치정보를 얻을 수 있도록 한 다회전 절대위치 엔코더 장치의 룩업테이블 구성방법과 이를 이용한 체배방법 및 이를 이용한 위치산출방법에 관한 것이다.
일반적으로, 엔코더는 산업기기에 많이 사용되는 AC/DC Servo 모터에 있어서 회전위치와 속도를 제어하기 위해서 사용되며, 통상 증분치 엔코더(incremental encoder)와 절대치 엔코더(absolute encoder)로 구분된다.
그런데 절대치 엔코더를 사용하는 서보모터에서 모터가 회전을 하게 되면, 절대치 엔코더의 1회전 카운트값이 증가하게 되고, 모터가 한 바퀴 돌 때마다 회전량 카운트값이 1씩 증가하게 된다.
그러므로, 모터가 한 방향으로 계속해서 회전을 하게 되면, 범위가 제한된 회전량 카운트값이 넘게 되어 오버플로우(overflow)가 발생하게 되고, 오버플로우가 발생하면 엔코더의 회전량값이 잘못된 값으로 읽히게 되어 엔코더의 데이터 카운트값을 틀리게 인식하는 문제점이 있었다.
이와 같은 위치검출 오차를 기구적인 변경없이 회로적으로 제거하기 위한 방법들이 제시되었는데, 그 구성을 하기에서 도 1내지 도 5를 참조하여 살펴본다.
도 1은 종래의 절대치 엔코더 장치의 주요 구성 블럭선도이고, 도 2는 도 1의 위치검출방법에 있어서 신호정형화 및 계수방법에 관한 신호선도이다.
상기 절대치 엔코더 장치의 구성을 살펴보면, 검출대상의 위치를 검출하여 2상신호(sin 및 cos 신호)로 출력하는 엔코더(1)와, 상기 엔코더(1)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D는 변환기(2)와, 상기 엔코더(1)로부터 출력되는 2상신호를 구형파로 정형화하는 비교회로(3)와, 상기 구형파의 상승 및 하강을 계수하는 카운터(4) 및, 내삽 처리부(5a)에서 디지털로 변환된 2상신호를 입력받아 내삽위치를 구하고 위치 연산부(5b)에서 상기 카운터(4)로 부터의 출력된 카운터 값과 상기 내삽위치와의 합을 구하여 합성위치를 결정하는 마이크로 프로세서(5)로 구성된다.
이와 같은 종래의 위치검출장치에 있어서의 동작 흐름도는 도 2에서 2개의 파형을 이용하여 설명한다.
도 2에 있어서, ① 및 ②는 엔코더(1)로부터 얻어지는 Sin 및 Cos 신호의 파형으로, 이들을 A/D 변환기(2)로 변환 후, 마이크로프로세서(5)에 인가하면, 상기 마이크로프로세서(5)를 구성하는 내삽처리부(5a)에서 내삽처리를 수행하고, 이와 같이 얻어진 내삽위치의 파형은 ③에 나타난 것으로 Sin 및 Cos 신호의 주기로 0부터 1까지 연속하고 있다.
또, 이러한 처리와 동시에 상기 Sin 및 Cos 신호를 비교회로(3)에 의해 ④ 및 ⑤에 나타난 것 같이 구형파로 정형화한다.
따라서, 카운터(4)는 구형파의 상승 및 하강을 계수하여 ⑥에 나타난 것 같이 카운터값을 출력한다.
이 경우, 상승 2회와 하강 2회를 계수한 때에 카운터 값을 +1로 하고 있다.
끝으로, ③에 나타났던 내삽위치와 ⑥으로 나타난 카운터값을 가산하여 합성위치⑦을 산출하는데, 이 합성위치가 구한 검출대상의 위치이다.
한편, 상기와 같은 종래의 검출장치에 있어서, 2상 신호의 내삽처리와 기본 주기의 계수가 완전하게 동기되도록 실행하고, 합성할 때에 내삽위치와 카운터 값의 상한이 일치하고 있지 않으면 안되며 일치하지 않는 경우, 순간적인 불연속에 의해 오차가 발생하는 문제를 낳게 되며, 아날로그 형태의 신호를 디지털형태의 신호로 변환하므로 인해 고정밀 위치측정을 위한 분해능은 한계가 있다.
도 3은 종래의 절대위치검출을 위한 앱솔루트 엔코더 구성도이고, 도 4는 도 3의 위치검출방법에 있어서 현재위치를 나타내는 순서도이며, 도 5는 도 3의 위치검출방법에 따른 타이밍 챠트이다.
상기한 종래 구성에서는 엔코더 회전속도의 정회전 및 부회전방향에 따라, 증분펄스(i) 값을 감산하거나 가산하여 위치를 판독하는 것으로 한계속도설정치를 넘어서는 상태에서 출력 위치 데이터를 재설정하는 것을 특징으로 하는 위치검출방법을 제시하고 있으며, 그 상세한 설명을 하기에서 살펴본다.
상기 앱솔루트 엔코터는 도 3에 나타내는 바와 같이 압솔루트 엔코더(8), 모터(9), 상기 모터(9)의 운동을 압솔루트 엔코더(8)에 전하는 커플링(10), 모터(9)와 동기하여 회전하는 유리원판(11), 유리원판(11)상에 존재하는 분해능 6비트용 슬릿(slit)(12), 증분펄스용 슬릿(13), 포토센서부(50)의 발광원(14), 전원(51)에서 발광원(14)으로의 전력을 조정하는 저항기(16), 포토센서부(50)에서 검출된 복원시의 분해능 6비트 및 증분펄스를 출력위치데이터로 변환하는 연산회로(18), 서보증폭기(30), 연산회로(18)로부터의 출력위치 데이터와 주제어기등의 외부장치로부터의 지령위치데이터를 사용하여 피드백 제어를 하는 CPU(31), CPU(31)에서 제어지령을 증폭하여 모터에 동력을 공급하는 증폭회로(32)로 구성된다.
이와 같이 구성된 앱솔루트 엔코더의 동작을 도 4내지 도 5를 참조하여 살펴보되, 도 5에서 b1은, 압솔루트엔코더 1회전으로 2카운트되는 복원시의 분해능의 최상위비트, b2는 압솔루트 엔코더 1회전에 4카운트되는 복원시 분해능의 제2비트, b6는 압솔루트 엔코더 1회전에 64카운트되는 복원시의 분해능의 최하위비트, 도면의 확대된 부분에 나타난 신호(b6)에 의하면, A 및 B는 최하위비트의 에지이며, i는 압솔루트 엔코더 1회전으로 최대 분해능에서 카운트되는 증분펄스이다.
먼저, 압솔루트 엔코더(8)의 전원(51)이 투입되는 동시에 발광원(14) 및 센서(17)가 기동하기 시작한다.
센서(17)는 복원시의 분해능 6비트용 슬릿(12)을 통과하는 것을 검지하여 6비트의 데이터를 인식하나, 증분펄스용 슬릿(13)에서는 펄스의 변화는 인식하지 않는다.
6비트 데이터를 받은 연산회로에서는 6비트의 분해능으로 출력위치데이터를 설정한다.
스텝 101의 D점에서 위치가 검출되면 b1에서 b6의 6비트 데이터가 인식된다.
연산회로(18)에서는 A점에서 C점까지의 범위중 임의의 위치만이 인식되므로, A점과 C점간의 중앙위치 E점은 출력위치데이터(스텝 102)로서 설정된다.
이 출력위치데이터가 D 점과 E점간의 펄스오차를 포함하고 있으므로, 상기 출력위치데이터가 절대위치검출시스템의 복원치에 상당한다.
모터(9)가 정방향으로 회전하고, 압솔루트 엔코더가 B점에 도달하는 데까지의 구간에서 연산회로(18)는 E점의 위치데이터에 증분펄스(i)의 카운트수를 가산하여 출력위치데이터로서 결과치를 설정한다(스텝 103∼105).
따라서, 현시점에서도 D점과 E점간의 오차를 포함하고 있는 6비트분해능위치를 출력한다고 말할 수 있다.
그리고, B점을 통과시, 연산회로(18)는 에지위치에 상당하는 소정의 치를 출력데이터로서 재설정한다(스텝 104, 109)하는데, 이 시점에서 출력위치데이터는 최대분해능레벨의 것으로 되어 D점과 E점간의 오차는 없어진다.
이후는 스텝 110에서 스텝 111에 따라, B점의 위치데이터에 증분펄스(i)의 카운트수의 가산에 의해 출력위치데이터는 갱신 출력하게 된다.
또, 다음은 모터(9)가 역방향으로 회전할 경우의 설명이다.
스텝 101 및 스텝 102는 정방향과 동일한 방법으로 이루어진다.
연산회로(18)는 E점의 위치데이터에서 증분펄스(i)의 카운트수를 감산하고 출력위치데이터로 설정한다(스텝 106에서 스텝 108).
A점을 통과시, 연산회로(18)는 에지위치에 상당하는 소정치를 출력위치 데이터로서 재설정한다(스텝 107, 109).
이후, 스텝 112 및 스텝 113에 따라, E점의 위치데이터에서 증분펄스(i)의 카운트수를 감산하여 출력위치데이터가 갱신출력된다.
서보증폭기(30)는 위치데이터를 압솔루트 엔코더(8)의 피드백치로 취한다.
CPU(31)에서 피드백치와 지령위치데이터간의 차를 계산하고, 지령위치데이터에 추종되도록 피드백치를 제어하는 제어지령을 만들고, 증폭회로(32)에서 전력으로 변환 증폭하여 모터(9)에 동력을 공급한다.
종전의 압솔루트 엔코더는 이상과 같이 구성되어 있으므로, 압솔루트 엔코더의 전원투입 후, 최대의 분해능에서의 현재위치는 복원시 분해능의 최하위비트의 최초에지에 재설정된다. 즉, 현재위치의 정도는 다음의 절대위치데이터에 직접 영향을 미치고 있다.
압솔루트 엔코더를 사용하는 구동시스템에서는 모터가 고속으로 회전될 때 전원공급이 개시되며, 에지통과사의 속도가 증가하면, 시간오차만큼 지연되어 에지검출된다. 즉, 시간오차만큼 이동된 펄스수가 절대위치오차로서 누적된다.
또한, 에지통과시의 속도가 증가하면, 절대위치의 오차는 파형이 원파형에서 지연되므로 증가된다.
따라서, 종전의 압솔루트 엔코더는 다음과 같은 문제가 있다.
압솔루트 엔코더의 전원이 투입될 때, 모터(9)가 고속으로 회전하면, 절대위치에 위치변위가 일어나고, 속도가 크면 클수록 오차의 량이 커진다.
그리고, 아날로그 형태의 신호를 디지털형태의 신호로 변환하므로 인해 고정밀 위치측정을 위한 분해능은 한계가 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 아날로그 형태의 체배방법으로 고분할하여 위치측정에 대한 정밀도를 높이고, 1회이상의 다회전 상태에서도 절대 위치의 검출이 가능한 엔코더 체배방법을 실현하는 데 그 목적이 있다.
더욱이, 본 발명은 아날로그형태의 SIN 및 COS 신호를 기초로, Look-up table 형태로 구성된 체배 Table값 과 그 값에 의한 체배방법을 이용하여, 종래에 측정될 수 없는 고정밀 위치를 제공하므로써 산업기기의 고정밀 위치(속도)제어가 가능하도록 하고 있다.
그리고, 엔코더 신호처리를 위한 별도의 회로추가없이 A/D, ROM, RAM 및 외부통신회로가 내장된 One-chip MCU, 전원회로, 기타 보조회로만을 채용하여 고체배 되어진 신호를 제공토록 구성하므로써, 정밀도 향상, 엔코더 장치의 소형화 및 제작비용의 저감에 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 검출대상체내에 장착된 엔코더로부터 출력되는 2상(A상 : Sin상, B상 : Cos상)의 신호를 기초로 마이컴에서 한주기 내의 0 ~ 45°구간값을 수학식 1을 이용하여 구하고, 상기 수학식 1에 의하여 산출된 비선형적인 값을 마이컴에서 일정한 값으로 선형화하여 룩업테이블(이하 L.U.T라 함)을 형성하여 구비된 메모리에 기록하는 룩업테이블 구성방법을 제공한다.
그리고, 상기 룩업테이블 구성방법에 의하여 형성된 룩업테이블은 A상 및 B상신호의 교차지점 혹은 π/4의 정수배가 되는 지점에서 45°이동된 지점사이의 구간에서 함께 사용한다.
또한, 본 발명에 의한 체배방법은 상기 룩업테이블 구성방법을 통해서 구성된 L.U.T값을 기초로 A/D변환기에 의해 디지털화되어진 2N구간의 A상 및 B상신호를 2N/2등분 하여 엔코더 회전각도를 산출하는데, 상기 회전각도 산출은 사분면의 위치에 따라 위상신호 Q1 ~ Q4를 변화시켜 발생시키고, 1 사분면에 의해 등분된 위치값을 상기 L.U.T값을 기준으로 2,3,4 사분면에 반복하여 4N구간으로 등분하여 산출한다.
또한, 본 발명의 엔코더 위치 검출 방법은 엔코더에 전원 투입시, 메모리에 기록된 이전의 엔코더 위치값을 기초로 현재 위치한 엔코더의 위치신호값을 사용하여 사분면의 위치 상신호(P, Q 값)를 산출하고 산출된 위치 상신호값을 이용하여 이미 마련된 L.U.T.값을 A상 및 B상에 기초하여 엔코더의 위치각도를 산출하며, 과거의 위치 상신호값과 비교하여 방향을 판별하고 방향 판별값에 기초하여 엔코더 위치값을 연산한다.
그리고, 전원 OFF 시점에서, 일정시간내에 현재의 위치값 및 관련 정보값을 메모리(기억장치, EEPROM 상당)에 기억시키고 종료하게 하므로써 1회전이 아닌 2회전이상의 엔코더 위치값도 측정할 수 있는 것이 가능하게 된다.
또한, 검출된 엔코더의 위치값은 ASIC화 되어진 직렬통신(serial communication) 방식의 송수신 회로에 의해 외부장치(AC/DC Servo motor driver, 각종 Controller, PC interface 회로등)로 연결된다.
그리고, 상기 엔코더 주변의 온도를 온도측정회로를 통해서 측정하여 주워진 온도 보상 그래프에 의해 구성된 보상 Table 값을 기초로 수학식 2와 같은 형태로 온도변화에 따라 A상 및 B상의 신호 크기값은 일정한 출력값으로 조정된다.
상기 수학식 1에서 sinθ는 엔코더 A상 신호를 나타내고, cosθ는 엔코더 B상 신호를 나타내며, n은 A/D변환기의 변환 bit를 나타낸다.
상기 수학식 2에서 C는 측정온도 25℃의 엔코더부 A상(혹은 B상)신호크기를 나타내고, T는 엔코더부 측정온도, α는 온도 보상 그래프의 기울기, β는 온도 보상 그래프의 절편을 나타낸다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 하기에서 첨부된 도면을 참조하여 살펴본다.
도 6은 본 발명에 의해 구성되어진 다회전 고체배 절대치 엔코더의 주요구성을 나타내는 블록도로써, 광학적으로 SIN (이하 A상) 및 COS(이하 B상) 형태의 신호를 발생시키는 엔코더(202)와, 상기 엔코더(202)로부터 출력되는 미소한 형태의 신호를 일정상태의 크기 범위로 증폭하는 차동신호 증폭부(204) 및 신호 변환 회로(206), 신호측정 주변의 온도변화를 감지하기 위한 온도측정회로(208)와, 상기 신호 변환 회로(206)와 온도측정회로(208)로부터 출력된 신호를 디지털로 변환하여 위치를 연산하는 MCU(210)와, 절대위치 판단회로(222)와 절대위치 기억회로(224) 및 입출력 통신회로(226)로 구성된다.
한편, 상기 MCU(210)에는 A/D변환회로(211)와, 온도보상테이블용 메모리(212), A/D변환회로(211)와 온도보상테이블용 메모리(212)로부터 출력되는 신호를 래치하여 변환하는 신호 래치 및 변환회로(213), 위치 벡터 테이블 즉, 룩업 테이블용 메모리(214)와, 상기 룩업 테이블에 기록된 정보를 독출하여 체배를 수행하는 신호체배회로(215), 상기 체배된 신호와 절대위치 판단회로(222)로부터 출력된 절대위치를 기준으로 위치를 연산하는 신호연산 처리회로(216)와 자료가 기억되는 기억회로(217)를 포함하다.
여기서, 도 7은 1회전시의 엔코더의 A상 및 B상의 신호를 출력한 것으로 신호변환 회로(207)는 상기 A상 및 B상의 신호를 도 7에 나타난 바와 같이 C상 및 D상과 같은 형태로도 변환이 가능하다.
그리고, 온도측정회로(208)는 NTC등의 저항변화 및 반도체 형태의 센서로 구비가 가능하다.
상기 A/D변환회로(211)로 입력되어 변환된 신호는 매순간 취득(sampling)되도록 One-chip형태의 MCU(210)로 처리되며, 이때, 매 순간 Latch되어진 신호값은 도 7과 같은 형태의 A상 및 B상으로, 0을 중심으로 양수 및 음수형태로 변환된다.
여기서, A상 및 B상은 도 14에서 주워진 온도 보상 그래프에 의해 구해진 보상 Table값을 기초로 하여, 온도에 따른 실험적 계수인 α,β로 이루어진 수학식 2에 따라 온도변화에 관계없이 A상 및 B상의 신호 크기값은 일정하게 조정된다.
즉, 도 14와 같이 온도변화에 따라 변화하는 A상 및 B상 신호값이 수학식 2에 의해 일정한 출력값으로 조정되어지게 되며, 이로인해 온도변화에 따른 안정한 출력값을 얻는 것이 가능하게 된다.
한편, 1회전(0~360°)하는 경우, A상 및 B상의 신호는 X축을 A상, Y축을 B상으로 할 경우, 도9와 같이 반시계방향으로 회전하는 A상 및 B상의 출력신호가 4구역의 사분면을 가지게 됨을 알 수 있다.
도 7을 참조하면 90°간격으로 B-A, A-D, D-C, C-B순으로, X모양을 이루며 일정한 크기의 출력이 반복되고, 도 9에서와 같이 엔코더의 1회전에 따른 출력신호의 그래프는 1사분면의 상태를 3회 반복하는 형태로 됨을 알 수 있으므로, 1사분면에서 이용한 방법과 동일한 방법으로 각 사분면에서의 각도를 구할 수 있다.
도 8은 0 ~ 45°구간의 1사분면의 값을 수학식 1을 이용하여 산출한 결과 값을 나타내고 있다. 그러나, 수학식 1에서 분모가 0되는 구간에서는 수학식 1의 계산이 불가능하고 더욱이, 산출된 결과값은 비선형적임을 알 수 있다.
이에 본 발명에서는 90°간격으로 발생하는 분모가 0이되는 지점은 프로그램상의 조건문에 의해 사전에 위치를 지정하며, 이를 제외한 위치에서는 수학식 1에 의해 산출된 값을 도 8에서의 L.U.T와 같이 일정크기의 선형화된 Table로 구성하므로써 수학식 1에 의한 계산과정을 단순화시키고 동시에 빠른속도로 결과를 얻을 수 있도록 구성하였다.
또한, 1사분면의 45 ~ 90°범위의 L.U.T.(Look-Up Table)로 구성된 값들은 동일 사분면내에서 0~45°범위의 값들을 π/4만큼의 선형 이동에 의해 산출하는 것이 가능하므로, A상 및 B상신호의 교차지점 혹은 π/4의 정수배가 되는 지점에서 함께 사용하므로써 보다 효율적인 계산이 가능하도록 하였다.
도 8을 참조하면 0~45°사이의 tanθ의 A/D변환값이며, 마찬가지로 45~90°사이의 tan(θ-π/4)의 A/D변환값을 이용함으로써, 0~45°의 룩업테이블을 이용하여 45~90°에서의 위치환산이 가능하다.
따라서, 본 발명에 의한 체배방법은 A/D변환회로에 의해 디지털화되어진 256(사용된 10bit A/D변환은 0-5V기준으로 0-1023을 나타내며, 엔코더의 유용한 출력크기 변화값 1.25V에 해당하는 A/D변환값은 256 = 1.25*1024/5이 됨)구간의 A상 및 B상신호를 수학식 1에 의해 구성된 L.U.T값을 기초로 128(매 45°구간, 8bit/2 = 128)등분 하므로써 엔코더 회전각도를 산출할 수 있다.
즉, 도 10과 같이 엔코더가 360°회전할 경우, A상(①) 및 B상(②)의 신호에 의해 도 9의 사분면의 위치에 따라 변화하는 위상신호 Q1 ~ Q4에 따라 1 사분면에 의해 등분된 위치값을 도 13의 ③신호와 같이 반복하여 , 128(π/4) × 8 혹은 256(π/2) × 4 = 1024 구간으로 등분 되어지므로써, 종래의 아날로그 회로에 의한 디지털 체배 기술에 의해 90°구간만을 검출하게 되는 각도 분해능을 아날로그 체배 기술을 이용하여 256배 더욱 더 정밀하게 구획되어 분해능을 향상시킬 수 있는 것이 가능하게 된다.
따라서, 본 발명에 의해 구성된 체배방법을 이용할 경우, 종래에 사용되고 있는 디지털 방식의 고분해능 엔코더의 1회전당 8192의 A상 및 B상 신호는 기계적 구성의 변화없이 회로적인 체배만으로 8192 × 1024 = 9,402,368(각 A, B상의 아날로그 출력치의 범위 : 1.25V 기준)의 분해능을 가질 수 있게 된다.
한편, 도 12는 시계 혹은 반시계방향으로 회전하는 경우의 A상 및 B상 신호값의 크기에 대한 우선순위를 기초로 방향과 그 시점에서의 체배한 내부 신호값의 출력 형태를 나타내고 있으며, 도 13은 각 사분면에서 산출된 신호를 합산하여 산출한 증분치값을 나타내고 있다.
도 10은 앞서 설명한 바와 같이, 각 사분면에서 산출된 신호값을 기초로 고분할하여 위치값을 얻기 위한 상세 신호흐름도를 나타내고 있다.
도 10에서 A_INT는 각도 계산시 상위치에 따른 초기값, PH는 90도 간격으로의 상위치, P,Q는 체배를 위한 상위치에 따른 출력, ANG_MD는 한 상내 0-45°, 45-90°두 경우에 대한 보조 위치값, D는 룩업테이블 인덱스, ANG는 한상내의 위치(0-255), ANG_T는 총 회전한 위치, DR은 방향을 나타내는 계수이다.
엔코더에 전원 투입시, 이전의 엔코더 위치값을 기초로 현재 위치한 엔코더의 위치신호값을 사용하여 사분면의 위치 상신호(P, Q 값)를 산출하고 산출된 위치 상신호값을 이용하여 이미 마련된 L.U.T.값을 A상 및 B상에 기초하여 엔코더의 위치각도를 산출하며, 과거의 위치 상신호값과 비교하여 방향을 판별하고 방향 판별값(방향계수)에 기초하여 엔코더 위치값을 연산하게되는 과정을 반복수행하게 된다.상기에서 엔코더의 위치각도 산출은 도 10에 나타내는 바와 같이 우선, A상 및 B상신호가 위치하는 사분면의 위치에 따라 초기값을 2N/4씩 증가시키는 제 1과정과, A상신호가 B상신호보다 크거나 같은지를 판단하여, A상신호가 B상신호보다 작을경우에는 해당 룩업테이블의 값을 불러오고, A상신호가 B상신호보다 크거나 같을 경우에는 A상신호가 B상신호보다 작을 경우와 대응되는 룩업테이블 값에 2N/8을 더하되, n은 A/D변환기의 변환비트인 제 2과정과, 상기 제 1내지 2과정의 값을 합산하여 위치를 산출하는 제 3과정으로 구성된다.그리고 방향 판별값은 도 10에 나타내는 바와 같이 사분면값이 순환할경우 그 회전수를 회전방향에 따라 카운터하고, 이와 같이 카운터된 방향 판별값과 2n을 곱한값에 상기과정에서 연산된 엔코더의 위치각도값을 방향에 따라 더하거나 감하여 얻으며, 상기 n은 A/D변환기의 변환비트이다.
또한, 전원 OFF 시점에서, 일정시간내에 현재의 위치값 및 관련 정보값을 MEMORY(기억장치, EEPROM 상당)에 기억시키고 종료하게 하므로써 1회전이 아닌 2회전이상의 엔코더 위치값도 측정할 수 있는 것이 가능하게 된다.
그리고, 본 발명에 의해 검출된 엔코더의 위치값은 ASIC화 되어진 직렬통신(serial communication) 방식의 송수신 회로에 의해 외부장치로 연결되며 이러한 연결과정을 이용하여 외부의 AC/DC Servo motor driver, 각종 Controller, PC interface 회로등에 제공되도록 용이하게 구성하는 것이 가능하게 된다.
상기와 같이, 본 발명에 의해 발명된 다회전 고체배 엔코더는 광학적인 체배방법을 사용하지 않고 전기적인 신호값만을 이용하여 1주기내의 신호값을 기초로, 미리 구비된 L.U.T (Look-Up Table)에 의해 신호를 단순하게 연산하므로써 SIN 및 COS 형태로 변화하는 A상 및 B상의 신호를 체배할 수 있게 된다.
따라서, 종래에는 불가능한 고분해능의 위치측정이 가능하고 복잡한 연산과정을 Table화 시켜둠으로써 연산량이 간소화 되고 이에따라 동작속도도 빠르게 처리되며 별도의 신호처리 H/W 구성이 필요없게 된다. 그러므로 종래보다 한층 높은 정밀도를 갖는 고분해능의 다회전형 절대치 엔코더의 실현이 가능하다.
또한, 본 발명에 의해 검출된 엔코더의 위치값은 ASIC화 되어진 직렬통신(serial communication) 방식의 송수신 회로에 의해 외부장치로 연결되며 이러한 연결과정을 이용하여 외부의 AC/DC Servo motor driver, 각종 Controller, PC interface 회로등에 제공되도록 용이하게 구성하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 종래의 절대치 엔코더 장치의 주요구성 블럭선도
도 2는 도 1의 위치검출방법에 있어서 신호정형화 및 계수방법에 관한 도면
도 3은 종래의 절대위치검출을 위한 시스템 구성도
도 4는 도 3의 위치검출방법에 있어서 현재위치를 나타내는 순서도
도 5는 도 3의 위치검출방법에 따른 타이밍 챠트
도 6은 본 발명에 따른 다회전 절대치 엔코더의 주요구성 블럭선도
도 7은 2상의 Sin 및 Cos 신호와 각 신호의 변환출력 선도
도 8은 도 7에 의해 산출된 변환신호의 Look-up Table내의 출력값 특성선도
도 9는 엔코더 신호의 1회전출력에 따른 각 사분면 구성도 배치도
도 10은 엔코더 신호의 고분할 체배방법의 상세 동작 흐름도
도 11은 도 9에의해 산출된 신호값을 이용한 각 사분면의 체배신호 출력선도
도 12는 도 11에 의해 변환된 각 회전방향별 체배신호의 출력선도
도 13은 도 12에 의해 산출된 각 회전방향별 체배신호의 조합된 출력선도
도 14는 본 발명에 의해 산출된 체배신호의 온도별 출력신호 변환선도
도 15는 본 발명에 의해 산출된 엔코더신호의 온도변화별 출력신호 보상선도
도 16은 본 발명의 다른 실시예로, 엔코더 입력신호의 위상검출 신호선도

Claims (7)

  1. 검출대상체내에 장착되어 광학적으로 SIN (이하 A상) 및 COS(이하 B상) 형태의 신호를 발생시키는 엔코더와, 상기 엔코더로부터 출력되는 미소한 형태의 신호를 일정상태의 크기 범위로 증폭하는 차동신호 증폭부 및 신호 변환 회로, 상기 신호 변환 회로로부터 출력된 신호를 디지털로 변환하여 위치를 연산하는 MCU와, 절대위치 판단회로와 절대위치 기억회로 및 입출력 통신회로로 구성되는 엔코더를 사용하고,
    상기 엔코더로부터 출력되는 2상의 신호를 마이컴을 구성하는 A/D변환회로를 통해서 디지털신호로 변환하는 과정과,
    상기한 바와 같이 변환된 디지털신호를 마이컴이 수학식 을 이용하여 0 ~ 45°구간의 값을 구하는 과정과,
    상기 수학식에 의하여 산출된 비선형적인 값을 마이컴에서 일정한 값으로 선형화하여 룩업테이블(이하 L.U.T라 함)을 형성하는 과정과,
    상기한 룩업테이블(이하 L.U.T라 함)을 마이컴이 자체에 구비된 메모리에 기록하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하되, 상기 수학식에서 sinθ는 엔코더 A상 신호를 나타내고, cosθ는 엔코더 B상 신호를 나타내며, n은 A/D변환기의 변환 bit를 나타내는 룩업테이블 구성방법.
  2. 1항에 있어서, 상기 룩업테이블 구성방법에 의하여 형성된 0 ~ 45°구간의 룩업테이블은 엔코더로부터 출력된 신호가 A상 및 B상신호의 교차지점 혹은 π/4의 정수배가 되는 지점으로 구획된 매구간마다 상기 마이컴이 기 설정된 룩업테이블값을 기준으로 해당 구간에 대응되는 값으로 변환하여 사용하는 것을 특징으로 하는 룩업테이블 구성방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 마이컴을 구성하는 메모리에는 온도변화에 따라 변화하는 신호출력강도의 그래프에 의해 구성된 온도 보상 테이블값이 기록되고,
    상기 마이컴은 검출대상체내에 장착된 엔코더로부터 출력되는 2상의 신호를 A/D변환회로를 통해서 디지털신호로 변환한 후,
    마이컴을 구성하는 신호 래치 및 변환회로에서 상기 온도 보상 테이블값을 이용하여 수학식 에따라 온도변화에 따른 A상 및 B상의 신호 크기값을 일정한 출력값으로 조정한 뒤,
    0 ~ 45°구간의 값을 구하는 것을 특징으로 하되, 상기 수학식에서 C는 측정온도 25℃의 엔코더부 A상(혹은 B상)신호크기를 나타내고, T는 엔코더부 측정온도, α는 상기 그래프의 기울기, β는 상기 그래프의 절편을 나타내는 룩업테이블 구성방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3항의 어느 하나의 항에 따르는 룩업테이블 구성방법을 통해서 구성되어 메모리에 기록된 L.U.T값을 기초로 마이컴을 구성하는 신호체배회로는 A/D변환기에 의해 디지털화되어진 2N 구간의 A상 및 B상신호를 상기 룩업테이블값을 기초로 매 45°, 즉 8개 구간으로 나누어 해당 구간에서의 엔코더 회전각도를 산출하는데, 상기 회전각도 산출과정을 살펴보면,
    A상 및 B상신호가 위치하는 사분면의 위치에 따라 초기값을 2N/4씩 증가시키는 제 1과정과,
    A상신호가 B상신호보다 크거나 같은지를 판단하여, A상신호가 B상신호보다 작을경우에는 해당 룩업테이블의 값을 불러오고, A상신호가 B상신호보다 크거나 같을 경우에는 A상신호가 B상신호보다 작을 경우와 대응되는 룩업테이블 값에 2N/8을 더하되, n은 A/D변환기의 변환비트인 제 2과정과,
    상기 제 1내지 2과정의 값을 합산하여 위치를 산출하는 제 3과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 룩업테이블 구성방법을 이용한 체배방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항중의 어느 하나의 항에 따르는 룩업테이블 구성방법과 제 4항의 체배방법을 이용하여,
    엔코더에 전원 투입시, 절대위치 판단회로는 절대위치 기억회로에 기록된 이전의 엔코더 위치값을 읽어들여 이 값을 기초로 현재 위치한 엔코더의 위치신호값을 사용하여 엔코더의 위치에 해당하는 사분면의 위치 상신호(P, Q 값)를 산출하고,
    상기 마이컴을 구성하는 신호연산처리회로는 산출된 위치 상신호값을 이용하여 메모리에 이미 마련된 L.U.T.값중에서 그에 대응되는 값을 독출하여 청구항 4의 체배방법에 따라 엔코더의 위치각도를 산출하며,
    상기 신호연산처리회로는 과거의 위치 상신호값과 엔코더로부터 출력되는 상신호값을 비교하여 방향을 판별하고 방향 판별값에 기초하여 상기에서 계산된 엔코더의 위치각도값과 연산하여 총회전한 위치값을 찾되, 이 과정에서 상기 방향 판별값은 사분면값이 순환할경우 그 회전수를 회전방향에 따라 카운터하고, 이와 같이 카운터된 방향 판별값과 2n을 곱한값에 상기과정에서 연산된 엔코더의 위치각도값을 방향에 따라 더하거나 감하여 얻으며, 상기 n은 A/D변환기의 변환비트인 것을 특징으로 하는 엔코더 위치 검출 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 전원 OFF 시점에서, 상기 마이컴은 일정시간내에 현재의 위치값 및 관련 정보값을 메모리(기억장치, EEPROM 상당)에 기억시키고 종료하게 하는 것을 특징으로 하는 엔코더 위치 검출 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 검출된 엔코더의 위치값은 입출력 통신회로 즉 ASIC화 되어진 직렬통신(serial communication) 방식의 송수신 회로에 의해 마이컴이 연결된 외부장치(AC/DC Servo motor driver, 각종 Controller, PC interface 회로등)로 전송하는 것을 특징으로 하는 엔코더 위치 검출 방법.
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