KR100541409B1 - 자이로 구동 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 루프의 소정 위치에 배치되며, 픽-오프부가 기 설정된 값을 초과하는 외란의 크기에 대응하여 출력한 신호가 신호처리부를 통해 입력되면, 토커를 구동하는 신호를 토크 드라이버로 출력하는 정밀 리미터부와, 상기 정밀 리미터부의 일측과 출력라인이 연결되며, 상기 픽-오프부가 외란의 각속도 크기에 대응하여 출력한 신호가 상기 신호처리부로부터 입력되면, 상기 토커를 구동하는 신호를 상기 토크 드라이버로 출력하는 리벨런싱부와, 일측이 상기 신호처리부와 연결되고 타측이 상기 정밀 리미터부 및 리벨런싱부의 타측과 각각 연결되는 이중 전송 라인으로 구성되며, 사용자의 요청에 의해 입력되는 스위칭 신호에 의하여 상기 신호처리부를 상기 정밀 리미터부 및 상기 리벨런싱부와 선택적으로 스위칭하는 스위치부를 포함함을 특징으로 한다.

자이로, 모드 변환

Description

자이로 구동 회로{GYRO DRIVING CIRCUIT}

도 1은 조준경 안정화 장치에 내장되는 자이로의 구조를 간단히 나타낸 도.

도 2a는 자이로가 내장된 조준경 안정화 장치의 외란의 입력에 따른 조준선 안정화 동작의 예를 간략하게 도시한 도.

도 2b는 자이로가 내장된 조준경 안정화 장치의 핸들 입력 신호에 따른 조준경 구동 동작의 예를 간략하게 도시한 도.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자이로 구동 회로의 블록 구성도.

본 발명은 자이로(Gyro) 구동 회로에 관한 것으로, 특히 기준 모드 자이로를 이용하여 각속도 모드 자이로의 구동을 제어할 수 있는 자이로 구동 회로에 관한 것이다.

일반적으로 관성평면에서 외란(즉, 흔들림)을 감지하여 보상하는 안정화 시스템에서 영상 안정화를 위해 각속도 센서로서 자이로스코프(Gyroscope, 이하 자이 로라 함.)를 이용한다. 즉, 고속으로 회전하는 팽이는 원래의 위치를 유지하려 하는 관성 공간을 형성하는데 이러한 관성 공간에서 움직임 각속도를 감지하는 것이 자이로 센서의 원리이다.

상기 영상 안정화 시스템에서 영상 안정화를 만족하기 위해서는 각속도 외란에 대해 자이로 출력 값의 선형성이 보장되어야 하고, 매우 큰 외란(예컨대, 50°/sec)에 대해서도 자이로가 정상적 각속도 센서로서 기능을 수행하여야 한다.

하지만, 안정화 시스템 중 하나인 조준경 안정화 장치는 기준 모드 동조 자이로(DTG: Dynamically Tuned Gyroscope)를 내장하여 조준경에 입력되는 외란에 대응하여 조준경 사용자의 조준경 시선과 표적이 일치되도록 하고 있다. 각속도 모드(Rate Mode)에서 자이로가 안정화 장치의 베이스에 위치하여 각속도 센서로서 기능을 수행하는 것과는 달리, 기준 모드(Reference Mode)에서 자이로는 상기 조준경 안정화 장치의 김벌 축에 위치하여 조준경의 조준선 안정화 및 조준경 구동의 원천신호로서의 역할을 한다. 즉, 조준경 안정화 시스템은 성능이 좋은 자체 김벌 모터(도시하지 않음)를 구비하고 있어 외란에 대한 자이로 에러 출력 신호만큼 김벌 모터를 구동하여 조준경 시선의 안정화를 이루며, 상기 김벌 모터가 구동됨으로써 조준경 시스템 김벌에 장착된 자이로 또한 자이로 내부에 기구적 스토퍼(Stopper)에 도 1에 도시한 로터(122)가 부딪히는 것을 방지할 수 있다.

반면에 영상 안정화 시스템은 자체 김벌 모터를 구비하지 않으며, 외란에 대한 자이로 에러 출력 신호에 해당하는 만큼 흔들리는 영상만을 보상해 준다. 이와 같은 영상 안정화 시스템에서 기준 모드 자이로를 사용할 경우 로터(122)가 자이로 내부에 기구적 스토퍼(Stopper)에 부딪혀 자이로 수명 단축 및 자이로 에러 출력 신호에 대한 신뢰도가 떨어져 영상 안정화를 이루는데 문제가 발생된다.

도 1은 조준경 안정화 장치(도시하지 않음)에 내장되는 자이로의 구조를 간단히 나타낸 도이다.

도 1을 참조하면 자이로는 토커(Torquer)(110), 김벌(Gimbal)(120), 로터(Rotor)(122), 플렉서(Flexure)(124), 스핀 모터(130) 및 픽-오프부(140)를 포함한다.

토커(110)는 스핀 모터(130)의 축을 기울이는 동작을 수행한다.

김벌(120)은 로터(122)와 플렉서(124)를 포함하여 구성된다. 로터(122)는 자이로 내의 관성 공간을 형성하기 위해 고속으로 회전한다.

플렉서(124)는 일반적으로 스프링 성분을 포함한 물질로 구성되며, 고속 회전 시 탄성계수는 0이 되고 회전의 속도가 느려질수록 탄성계수는 점점 올라가게 된다.

스핀 모터(130)는 로터(122)가 관성 공간을 형성하기 위해 고속으로 회전하기 위한 회전 동력을 생산한다.

픽-오프부(140)는 조준경에 외란이 입력되어 그 외란이 조준경 안정화 장치에 내장된 자이로의 케이스에 입력되면 케이스의 움직인 변위를 감지하여 그 크기만큼 신호(즉, 출력 전압)를 출력한다. 이 신호는 조준경 안정화 장치의 김벌에 장착된 모터를 구동하는 신호가 된다.

한편, 조준경에 입력되는 외란에 대한 조준경 안정화 장치의 조준선의 안정 화 과정은 다음과 같다.

상기 조준경에 입력되는 외란이 상기 조준경 안정화 장치에 내장된 자이로의 케이스(Case)에 입력되면, 픽-오프부(140)가 자이로의 케이스가 움직인 변위를 체크하여 그 크기에 해당하는 출력 신호(즉, 출력 전압)를 발생시킨다. 상기 출력 신호는 자이로 에러 출력 신호이다. 상기 조준경 안정화 장치는 이 출력 신호를 이용하여 조준경의 김벌(도시하지 않음)에 장착된 모터(도시하지 않음)를 상기 출력 신호의 값이 0이 될 때까지(즉, 자이로 케이스의 움직인 변위가 0이 될 때까지) 외란 입력의 반대방향으로 구동시켜 상기 조준경의 조준선 안정화를 이루게 된다. 상기와 같은 과정을 도 2a에 간략하게 도시하였다.

그리고 조준경 안정화 장치는 기준 모드 자이로를 이용하여 사용자가 원하는 방향으로 상기 조준경을 움직일 수 있다. 조준경 안정화 장치는 사용자에 요청에 의거하여 핸들(Handle) 신호가 입력되면 자이로의 토커(110)를 구동시킨다. 토커(110)의 구동으로 인해 스핀 모터(130)의 축이 기울어진다. 스핀 모터(130)의 축이 기울어지는 것을 감지한 픽-오프부(140)가 출력 신호를 발생하면, 상기 조준경 안정화 장치는 이 신호를 이용하여 조준경의 김벌에 장착된 모터를 구동시켜 조준경을 사용자가 원하는 방향으로 움직일 수 있게 된다. 상기와 같은 과정을 도 2b에 간략하게 도시하였다.

그런데 기준 모드 자이로 구동 회로를 사용하는 조준경 안정화 장치에 외란 각속도가 연속적으로 입력되고, 상기 외란 각속도에 대해 조준경 김벌 모터가 실시간으로 자이로 에러 출력 신호를 보상하지 못하면 자이로의 로터(122)가 자이로 내 의 기구적 스토퍼(Stopper)와 자주 충돌하여 자이로의 수명 및 신뢰도가 떨어지게 되는 문제점이 발생되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 상기 조준경 안정화 장치는 성능이 우수한 조준경 김벌 모터를 사용해야 하고, 외란의 입력에 대응하여 픽 오프부(140)가 출력한 신호의 값이 기 설정된 값(예컨대, 0.3°/sec의 외란 입력에 대한 3.4V의 출력 값)을 초과하면 토커(110)를 구동하여 리밸런싱(Rebalancing)되고, 나머지 값에 대해서는 토커(110)를 구동하지 않는 정밀 리미터 회로를 이용한다.

반면 영상 안정화 장치는 안정화 시스템의 김벌을 구동하는 모터 및 기구적인 메커니즘이 없기 때문에 기준 모드 자이로를 사용할 수 없다. 따라서 외란에 대한 영상 안정화 보상을 하기 위해서는 각속도(Rate) 모드 전용 자이로를 사용해야 하며, 각속도 모드 전용 자이로를 구동하기 위한 자이로 구동 회로의 기판을 새로 설계해야 하고 그에 따른 추가적인 비용도 부담해야하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 기존의 기준 모드 자이로 구동 회로를 이용하여 기준 모드 자이로 및 각속도 모드 자이로를 구동할 수 있는 자이로 구동 회로를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 모터의 축을 기울이는 토커 및 외란 의 각속도를 감지하여 그 크기에 따른 신호를 출력하는 픽-오프부를 구비하는 동조 자이로와, 상기 토커의 동작을 제어하는 토크 드라이버와 상기 픽-오프부에서 출력된 신호의 에러를 처리하는 신호처리부를 구비하고, 상기 신호처리부에서 출력된 신호가 상기 토크 드라이버로 입력되는 루프를 형성하는 자이로 구동회로에 있어서, 상기 루프의 소정 위치에 배치되며, 상기 픽-오프부가 기 설정된 값을 초과하는 외란의 크기에 대응하여 출력한 신호가 상기 신호처리부를 통해 입력되면, 상기 토커를 구동하는 신호를 상기 토크 드라이버로 출력하는 정밀 리미터부와, 상기 정밀 리미터부의 일측과 출력라인이 연결되며, 상기 픽-오프부가 외란의 각속도 크기에 대응하여 출력한 신호가 상기 신호처리부로부터 입력되면, 상기 토커를 구동하는 신호를 상기 토크 드라이버로 출력하는 리벨런싱부와, 일측이 상기 신호처리부와 연결되고 타측이 상기 정밀 리미터부 및 리벨런싱부의 타측과 각각 연결되는 이중 전송 라인으로 구성되며, 사용자의 요청에 의해 입력되는 스위칭 신호에 의하여 상기 신호처리부를 상기 정밀 리미터부 및 상기 리벨런싱부와 선택적으로 스위칭하는 스위치부를 포함함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 자이로 구동 회로의 블록 구성도이다.

도시된 자이로 구동 회로는 동조 자이로(100), 신호처리부(200), 스위치부(300), 정밀 리미터부(400), 리벨런싱부(500) 및 토크 드라이버(600)를 포함한다. 또한 자이로 구동 회로는 신호처리부(200)에서 출력된 신호가 토크 드라이버(700)로 입력되는 루프를 형성한다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 동조 자이로(100)는 스핀 모터(130)의 축을 기울이는 토커(110), 자이로 내의 관성 공간을 형성하기 위해 고속으로 회전하는 로터(122), 로터(122)가 관성 공간을 형성하기 위해 고속으로 회전하기 위한 회전 동력을 생산하는 스핀 모터(130) 및 외란의 각속도를 감지하여 그 크기에 따른 신호를 출력하는 픽-오프부(140)를 포함한다.

동조 자이로(100)는 조준경에 입력되는 외란 각속도에 의하여 동조 자이로(100)의 케이스가 움직이면 픽 오프부(140)가 입력되는 외란 각속도를 실시간으로 감지하여 그 크기에 따른 출력 신호를 발생시킨다.

신호처리부(200)는 제1 신호처리부(220)와 제2 신호처리부(240)로 구성되며 동조 자이로(100)의 픽-오프부(140)에서 출력되는 신호의 에러를 처리한다.

제1 신호처리부(220)는 도시하지는 않았으나 하이패스필터(HPF: High Pass Filter), 복조기(Demodulator) 및 1차 로우패스필터(LPF: Low Pass Filter)로 구성된다.

제1 신호처리부(220)는 하이패스 필터에 상기 픽-오프부(140)에서 출력되는 신호를 통과시켜 직류 오프셋(Offset)을 제거한다. 직류 오프셋이 제거된 신호는 복조기를 거쳐 교류 사인(Sine)파에서 직류로 복조되고, 복조된 신호는 1차 로우패스필터를 거쳐 평활신호로 출력된다. 이 때 출력된 평활신호는 상기 자이로 구동 회로가 기준 모드에서 구동중이면 정밀 리미터부(400)로 입력된 후, 토크 드라이브(600)로 피드백 된다. 상기 정밀 리미터부(400)로 입력되는 평활신호는 그 값이 기 설정된 값(즉, 3.4V)을 초과하면, 토크 드라이버(600)로 피드백 되어 리밸런싱 루프를 형성하기 위한 토커(110) 구동신호가 된다.

상기 평활신호는 자이로 구동 회로가 각속도 모드이면 리벨런싱부(500)를 거쳐 토크 드라이버(600)로 피드백 되어 외란으로 인해 발생한 로터(122)와 자이로 케이스의 변위차를 실시간으로 보상하는 역할을 한다. 즉, 각속도 모드일 때는 기준 모드일 때처럼 리밸런싱부(500)에 입력되는 평활신호의 값이 기 설정된 값을 초과하지 않아도 자이로 토커(110)를 구동하여 로터(122)와 자이로 케이스의 변위차를 실시간으로 보상하는 리밸런싱 루프를 형성할 수 있다.

제2 신호처리부(240)는 도시하지는 않았으나 2차 로우패스 필터와 이득을 조절하는 게인(Gain)단으로 구성되며, 제1 신호처리부(220)에서 출력된 신호를 입력받아 자이로에 입력된 외란 각속도에 대한 자이로 에러 출력 신호(즉, 에러 출력 전압)를 출력한다.

스위치부(300)는 일측이 신호처리부(200)와 연결되고 타측이 정밀 리미터부(400) 및 리벨런싱부(500)의 타측과 각각 연결되는 이중 전송 라인으로 구성된다.

스위치부(300)는 사용자의 요청에 의해 입력되는 스위칭 신호에 의하여 신호처리부(200)를 정밀 리미터부(400) 및 리벨런싱부(500)와 선택적으로 스위칭한다.

스위치부(300)는 상기 스위칭 신호가 상기 자이로 구동 회로를 기준 모드로 사용하기 위한 기준 모드 제어신호이면 정밀 리미터부(400)와 스위칭 되고, 상기 자이로 구동 회로를 각속도 모드로 사용하기 위한 각속도 모드 제어신호이면 리벨런싱부(500)와 스위칭 된다.

정밀 리미터부(400)는 상기 루프의 소정 위치에 배치되며, 상기 자이로 구동 회로가 기준 모드로 사용될 때 동작한다. 정밀 리미터부(400)는 자이로 케이스에 외란이 입력되어 픽-오프부(140)가 케이스의 움직인 변위를 감지하여 출력한 신호가 신호처리부(200)를 통해 입력되면, 그 신호의 출력 전압을 체크한다. 정밀 리미터부(400)는 상기 신호의 출력전압이 기 설정된 값(일반적으로 0.3°/sec의 외란 입력에 대한 3.4V 출력 값)을 초과하면 리벨런싱 루프를 형성하기 위해 토커(10)를 구동하는 신호를 토크 드라이버(600)로 출력한다. 이는 자이로의 로터(122)가 큰 외란 입력에 의해 떨어지거나 자이로 내부에 있는 기구적 스토퍼와 충돌하여 손상되는 것을 방지하기 위함이다. 하지만 정밀 리미터부(400)는 상기 신호의 출력전압 값이 기 설정된 값 이하이면 토크 드라이버(600)로 출력하는 신호의 값이 0이기 때문에 리밸런싱 루프를 형성하지 못하므로 자이로 케이스의 변위차를 실시간으로 보상하지는 못하게 된다. 한편, 제2 신호처리부(240)에서 출력되는 자이로 에러 출력 신호는 조준경 김벌에 장착된 모터를 구동하는 신호가 된다.

리밸런싱부(500)는 정밀 리미터부(400)의 일측과 출력 라인이 연결되며, 상기 자이로 구동 회로가 각속도 모드로 사용 시 픽-오프부(140)가 동조 자이로(100)에 입력된 외란의 각속도의 크기에 따라 출력한 신호를 신호처리부(200)로부터 입력받는다. 이 때 픽-오프부(140)가 외란의 각속도 크기에 따라 출력한 신호의 값은 상기 외란의 각속도 크기에 선형적으로 대응된다.

리벨런싱부(500)는 입력된 신호를 리벨런싱 루프를 통해 토크 드라이버(600)로 출력하여 토크 드라이버(600)가 토커(110)를 구동시키도록 한다.

토크 드라이버(600)는 동조 자이로 토커(110)의 동작을 제어하여 토커(110)가 스핀 모터(130)의 축을 움직여 외란으로 인해 발생한 로터(122)와 자이로 케이스의 변위차를 실시간으로 보상하는 역할을 한다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 기존의 기준 모드 자이로 구동회로를 이용하여 기준 모드 자이로와 각속도 모드 자이로를 선택적으로 구동할 수 있다. 또한 각속도 모드 자이로 전용 구동기판의 설계비용 및 제작비용이 절감되고, 자이로 로터가 스토퍼에 부딪히는 것을 방지하여 자이로의 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 모터의 축을 기울이는 토커(Torquer) 및 외란의 각속도를 감지하여 그 크기에 따른 신호를 출력하는 픽-오프(Pick-Off)부를 구비하는 동조 자이로와, 상기 토커의 동작을 제어하는 토크 드라이버와 상기 픽-오프부에서 출력된 신호의 에러를 처리하는 신호처리부를 구비하고, 상기 신호처리부에서 출력된 신호가 상기 토크 드라이버로 입력되는 루프를 형성하는 자이로 구동회로에 있어서,

   상기 루프의 소정 위치에 배치되며, 상기 픽-오프부가 기 설정된 값을 초과하는 외란의 크기에 대응하여 출력한 신호가 상기 신호처리부를 통해 입력되면, 상기 토커를 구동하는 신호를 상기 토크 드라이버로 출력하는 정밀 리미터부와,

   상기 정밀 리미터부의 일측과 출력라인이 연결되며, 상기 픽-오프부가 외란의 각속도 크기에 대응하여 출력한 신호가 상기 신호처리부로부터 입력되면, 상기 토커를 구동하는 신호를 상기 토크 드라이버로 출력하는 리벨런싱부와,

   일측이 상기 신호처리부와 연결되고 타측이 상기 정밀 리미터부 및 리벨런싱부의 타측과 각각 연결되는 이중 전송 라인으로 구성되며, 사용자의 요청에 의해 입력되는 스위칭 신호에 의하여 상기 신호처리부를 상기 정밀 리미터부 및 상기 리벨런싱부와 선택적으로 스위칭하는 스위치부를 포함함을 특징으로 하는 자이로 구동회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 신호는

   상기 자이로 구동 회로를 기준 모드로 사용하기 위한 기준 모드 제어신호 및 상기 자이로 구동 회로를 각속도 모드로 사용하기 위한 각속도 모드 제어신호 중 어느 하나임을 특징으로 하는 자이로 구동회로.

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