KR100803061B1 - 휠스피드센서 및 그 감지방법 - Google Patents

휠스피드센서 및 그 감지방법 Download PDF

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김철호
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Abstract

본 발명은 휠스피드센서 및 그 감지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 돌기의 면적이 연속으로 달라지는 연속식 톤휠의 회전을 감지하고 미분처리하여 저속 감지 및 정역 회전 방향을 감지할 수 있는 휠스피드센서와 그 감지방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 휠스피드센서는 자동차 바퀴 회전축(10)의 외주면에 원형의 링(22)이 고정되고, 상기 링(22)의 외주면을 따라 면적이 연속적으로 넓어지거나 좁아지도록 돌기(24)가 돌출 형성되는 연속식 톤휠(20)과, 상기 연속식 톤휠(20)과 이격을 두고 위치된 상태에서 연속식 톤휠(20)에 돌출 형성된 돌기(24)와의 사이에서 자장을 발생하는 마그네트(40)와, 상기 연속식 톤휠(20)과 에어갭을 두고 설치되어 연속식 톤휠(20)이 회전하는 경우에 돌기(24)의 달라지는 면적에 의해 1회전시 연속적으로 변화하는 자장 세기를 측정하고 이 자장 세기를 이용하여 회전각도를 검출하며, 상기 자장 세기를 미분한 값으로 회전방향과, 회전속도를 검출하는 자장 센서(30)를 포함한다.
휠스피드센서, 저속감지, 연속식 톤휠, 에어갭 보정

Description

휠스피드센서 및 그 감지방법{Wheel Speed Sensor and Sensing Method thereof}
도 1a와 도 1b는 종래 휠스피드센서의 구조도,
도 2는 본 발명에 따른 휠스피드센서의 구조도,
도 3a와 도 3b는 도 2에 나타낸 연속식 톤휠의 사시도,
도 4는 도 2에 나타낸 자장센서의 내부 구조도,
도 5a와 도 5b는 도 3에 나타낸 연속식 톤휠의 정역 회전시 감지되는 자장 세기의 파형과 미분시 파형
도 6은 본 발명에 따른 휠스피드센서의 감지방법을 나타내는 순서도,
도 7a 내지 도 7c는 도 6에 나타낸 연속식 톤휠의 에어갭 보정에 따른 자장 세기의 파형,
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 바퀴 회전축 20: 연속식 톤휠
22: 링 24: 돌기
26: 막음재 30: 자장센서
31: 자기저항 센서 32: 가변 증폭기
33: A/D 컨버터 34: 미분기
35: 마이컴 40: 마그네트
본 발명은 휠스피드센서 및 그 감지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 돌기의 면적이 연속으로 달라지는 연속식 톤휠의 회전을 감지하고 미분처리하여 저속 감지 및 정역 회전 방향을 감지할 수 있는 휠스피드센서와 그 감지방법에 관한 것이다.
일반적으로, 주행중 자동차를 감속시키거나 정지시키는 상태를 유지하기 위한 장치가 주브레이크인데, 상기 자동차에 이용되는 주브레이크는 마찰브레이크가 주브레이크로 사용되어 왔으며, 이것은 주행중의 운동에너지를 기계적인 마찰 장치에 의하여 열에너지로 바꾸어 그 마찰열을 대기중으로 방출하여 제동을 하는 방식이다.
이러한, 차량용 주브레이크에 있어서 급제동시 또는 미끄러운 노면에서 제동을 할 때 브레이크 유압을 컨트롤하여 조종성을 확보하고 또한 정지거리를 단축하여 제동성능을 향상시키기 위한 장치가 있는데 이를 흔히 에비에스(ABS)라고 하며, 이러한 ABS는 제어를 위한 ECU로부터의 신호에 따라 휠실린더에 공급되는 유압을 제어하는 유압 모듈레이터(Hydraulic unit), 그리고 바퀴의 회전상태를 검출하는 장치로 크게 구성되어 있다.
여기서 상기 바퀴의 회전상태를 검출하는 장치를 일반적으로 휠스피드센서라 지칭하며, 이러한 휠스피드센서는 바퀴의 내측인 드럼 내측의 소정부위에 설치되어 주행시 바퀴의 회전상태를 검출한다.
이하 도면을 참조하여 종래 패시브(Passive) 타입 휠스피드센서에 대하여 설명하기로 한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 종래 패시브 타입 휠스피드센서는 자속이 변화하면 전류가 변화한다는 사실을 이용한 것으로 휠속 검출용 돌기(4)가 전방에 구비된 센서부(8)는 내부에 마그네트(6)와 전극이 구비되고, 전극에는 코일(5)이 감기게 된다.
상기와 같은 센서부(8)에 의하여 회전하는 바퀴 회전축(1)의 원주면을 따라 형성된 돌기(2)와 홈(3) 형상으로 된 톤휠(7)의 회전정도를 측정하게 된다.
즉, 톤휠(7)의 돌기(2)가 휠속 검출용 돌기(4)로 가까워지게 되면, 자속이 늘어나고 돌기(2)가 휠속 검출용 돌기(4)와 멀어지면 자속이 적어지게 되므로 바퀴 회전축(1)의 회전에 따라서 이러한 상태가 반복되면 코일(5)에 유기되는 전류도 증가와 감소를 반복하게 되어 센서부(8)는 정현파를 출력하게 된다.
상기와 같이 휠스피드센서의 측정값을 입력받게 되면, 제어부에서는 이를 계산하여 자동차용 휠의 회전속도 및 원주속도를 측정하게 된다.
도 1a와 같은 패시브 타입 휠스피드센서는 마그네트(6)와 톤휠(7) 사이의 자장 변화를 코일(5)을 이용하여 읽음으로써 속도에 따라 출력되는 전압값이 수mV~수십V까지 발생하여 신호처리회로가 복잡한 문제점이 있었다.
도 1b와 같은 액티브 타입 휠스피드센서는 종래 패시브 타입 휠스피드센서에 서 상기 센서부(8)로 마그네트(6)와 홀센서(9)를 구비하여 마그네트(6)와 톤휠(7) 사이의 자장변화를 홀센서(9)를 이용하여 측정하는 방식으로 종래 패시브 타입 휠스피드센서보다는 신호처리회로가 간단하다.
그러나 종래 휠스피드센서는 패시브나 액티브 타입에 관계없이 톤휠(7)에 다수 형성된 돌기(2))와 마그네트(6) 사이의 자장 변화를 감지하는 방식으로 펄스를 출력함으로써 저속구간(예를 들어 5kph 이하)에서 차량의 움직임을 검출하기가 매우 어렵다.
왜냐하면, 5kph 이하의 속도를 감지하기 위해서는 ABS나 ESP(Electronic Stability Program: 차체자세 제어장치) 유닛이 장시간 동안 펄스를 발생하는지 검출해야 하기 때문이다.
그리고 종래 휠스피드센서는 휠의 정역 회전을 구분하지 못하여 차량의 전후진을 검출할 수 없었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 돌기의 면적이 연속으로 달라지는 연속식 톤휠의 회전을 감지하고 미분처리함으로써 저속 구간에서 휠 속도를 감지할 수 있고 정역 회전 방향을 구분하여 차량의 전후진을 검출할 수 있는 휠스피드센서 및 그 감지방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 휠스피드센서는, 자동차 바퀴 회전축의 외주면에 원형의 링이 고정되고, 상기 링의 외주면을 따라 면적이 연속적 으로 넓어지거나 좁아지도록 돌기가 돌출 형성되는 연속식 톤휠과, 상기 연속식 톤휠과 이격을 두고 위치된 상태에서 연속식 톤휠에 돌출 형성된 돌기와의 사이에서 자장을 발생하는 마그네트와, 상기 연속식 톤휠과 에어갭을 두고 설치되어 연속식 톤휠이 회전하는 경우에 돌기의 달라지는 면적에 의해 1회전시 연속적으로 변화하는 자장 세기를 측정하고 이 자장 세기를 이용하여 회전각도를 검출하며, 상기 자장 세기를 미분한 값으로 회전방향과, 회전속도를 검출하는 자장 센서를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 휠스피드센서의 감지방법은, 연속식 톤휠이 1회전시 자장 세기가 연속적으로 변화하도록 면적이 달라지는 돌기를 돌출 형성하여 자장 세기를 측정하는 자장센서와 상기 연속식 톤휠의 위치에 따른 에어갭 보정을 수행하는 단계와, 회전하는 연속식 톤휠과 마그네트 사이의 자장 세기를 측정하는 단계와, 상기 자장 세기를 에어갭 보정을 수행하면서 결정된 증폭도로 증폭한 후 디지털로 변환하여 연속식 톤휠의 회전각도를 검출하는 단계와, 상기 디지털로 변환한 자장 세기를 미분하여 연속식 톤휠의 정역 회전방향과 회전속도를 검출하는 단계를 포함한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 휠스피드센서의 구조도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 톤휠의 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 휠스피드센서는 바퀴 회전축(10)과, 연속식 톤휠(20)과 자장센서(30) 및 마그네트(40)를 포함하여 구성된다.
센서부가 자장센서(30) 및 마그네트(40)로 이루어지고, 상기 자장센서(30)와 일정거리 이격된 위치에 연속식 톤휠(20)이 바퀴 회전축(10)에 설치되어 연동한다.
이때, 연속식 톤휠(20)은 원형의 링(22) 외주면에 면적이 연속적으로 넓어지거나 좁아지는 돌기(24)가 돌출 형성되되, 최대 면적을 갖는 돌기 부분과 최소 면적을 갖는 돌기 부분이 접하는 지점이 1회전 기준점(24a)이 된다.
본 발명에서 상기 돌기(24) 면적의 가변은 돌기(24)의 폭을 조절함으로써 이루어져, 1회전 기준점(24a)은 최대 폭과 최소 폭의 돌기(24)가 만나는 지점이 된다.
그리고 상기 돌기(24)가 형성되지 않은 링(22)의 상부 공간에는 연질 특히, 비자성의 플라스틱 재료를 가지고 오버 몰딩(over molding)하여 공간을 메우는 막음재(26)를 형성함으로써 연속식 톤휠(20)이 회전할 때 편심이 발생하지 않게 할 수도 있다.
상기 자장센서(30)는 마그네트(40)와 연속식 톤휠(20) 사이의 자장 세기를 측정하고 증폭 및 디지털로 변환하여 연속식 톤휠(20)의 회전각도를 검출하고, 상기 디지털값을 미분하여 연속식 톤휠(20)의 회전방향 및 회전속도를 검출한다.
상기한 자장센서(30)는 다수의 구성요소가 집적된 하나의 칩으로, 자기저항(MR) 센서(31), 가변 증폭기(32), A/D 컨버터(33), 미분기(34), 마이컴(35)을 포함하여 구성할 수 있다.
상기 자기저항 센서(31)는 자기저항 물질로 만들어진 판독소자(read element)의 저항 변화를 통해 소자에 의해 감지되는 자속(magnetic flux)의 양과 방향의 함수로서 자장 세기를 감지한다.
가변 증폭기(32)는 상기 자기저항 센서(31)를 통해 출력되는 작은 전압의 신호를 일정 레벨로 증폭하되, 마이컴(35)에 의해 증폭도가 결정되고, A/D 컨버터(33)는 가변 증폭기(32)를 통해 출력되는 아날로그 신호를 소정 주파수로 샘플링하여 그에 해당하는 디지털 데이터로 변환한다.
미분기(34)는 상기 A/D 컨버터(33)를 통과한 디지털 데이터의 자장 세기를 미분하여 마이컴(35)에 출력한다.
상기 마이컴(35)은 A/D 컨버터(33)를 통과한 디지털 데이터의 자장 세기로 연속식 톤휠(20)의 회전각도를 검출하고, 자장 세기를 미분한 값으로 회전속도와 회전방향을 검출한다.
그리고 상기 마이컴(35)은 연속식 톤휠(20)의 위치에 따른 에어갭 보정이 행해지지 않은 초기에 자장 변화치가 1회전 기준점(24a)의 자장 변화치에 해당하는 경우에(즉, 자장 변화치가 최대인 경우에) 적정 에어갭에서의 자장 세기와 자장 변화치가 최대인 경우에서의 자장 세기를 비교하여 상기 가변 증폭기(32)의 증폭도를 결정하고, 상기 가변 증폭기(32)에 결정된 증폭도로 증폭하도록 제어 신호를 출력함으로써 에어갭을 보정한다.
즉, 상기 마이컴(35)은 상기 바퀴 회전축(10)에서 일정거리 이격된 위치에 연속식 톤휠(20)이 장착된 상태에서 별도로 연속식 톤휠(20)의 위치를 변경하지 않고 그 장착된 위치에서 적정 에어갭의 자장 세기를 얻을 수 있도록 증폭도를 결정하고 가변 증폭기(32)를 제어함으로써 연속식 톤휠(20)의 에어갭을 보정하는 것이 다.
여기서 미설명부호 36은 통신신호 생성부, 37은 전원부이다.
도 5a와 도 5b는 도 3에 나타낸 연속식 톤휠의 정역 회전시 감지되는 자장 세기의 파형과 미분시 파형이다.
도 3에서 돌기(24) 면적이 연속적으로 달라지게 형성된 상태에서, 연속식 톤휠(20)을 실선(시계) 방향으로 회전시키면서 돌기(24) 면적이 증대되는 방향으로 회전하기 때문에 도 5a의 ⓐ 그래프와 같이 자장 세기가 서서히 증가하다가 1회전한 후 1회전 기준점(24a)에서 자장 세기가 갑자기 줄어들게 되고, 이러한 ⓐ 그래프를 갖는 자장 세기를 미분하면, 1회전하기 전까지는 도 5b의 ⓐ 그래프와 같이 +값을 갖게 된다.
반대로 연속식 톤휠(20)을 반시계 방향으로 회전시키면 돌기(24) 면적이 갑자기 증대된 상태에서 감소하는 방향으로 회전하기 때문에 도 5a의 ⓑ 그래프와 같이 자장 세기가 서서히 감소하다가 1회전한 후 1회전 기준점(24a)에서 갑자기 증가하게 되고 이러한 ⓑ 그래프를 갖는 자장 세기를 미분하면, 1회전하기 전까지는 도 5b의 ⓑ 그래프와 같이 -값을 갖게 된다.
이와 같이 자장 세기의 미분값이 (+)일 경우 시계 방향으로 회전하고, 자장 세기의 미분값이 (-)일 경우 반시계 방향으로 회전하는 것을 알 수 있어 연속식 톤휠(30)의 정역 회전을 검출할 수 있는 것이다.
또한, 도 5a와 같이 연속식 톤휠(20)에 돌출 형성된 돌기(24)의 면적에 의해 달라지는 자장 세기를 이용하여 연속식 톤휠(20)의 회전각도를 검출할 수 있는 것 이다.
도 6은 본 발명에 따른 휠스피드센서의 감지방법을 나타내는 순서도이고, 도 7a 내지 도 7c는 도 6에 나타낸 연속식 톤휠의 에어갭 보정에 따른 자장 세기의 파형이다.
자장센서(30)에 전원이 인가되면(S602), 마이컴(35)은 이 자장센서(30)의 에어갭 보정이 이전에 수행되었는지 판단하여(S604) 에어갭 보정이 수행되지 않았으면, 자기저항 센서(31)를 이용하여 회전하는 연속식 톤휠(20)과 마그네트(40) 사이의 자장 세기를 한다(S606).
이 자장 세기는 가변 증폭기(32)에 의해 일정 크기로 증폭되고, A/D 컨버터(33)를 통해 디지털 데이터로 변환되어 마이컴(35)에 입력된 후, 마이컴(35)에서 자장 세기를 이용하여 자장 세기 변화치를 구하고 자장 세기의 변화치가 1회전 기준점에서 자장 세기의 변화치에 해당하는지 판단한다(S608).
즉, 자장 세기의 변화치가 최대인지 판단하여, 최대인 경우에 그때의 자장 세기를 적정 에어갭 상태에서의 자장 세기와 비교하여 가변 증폭기(32)의 증폭도를 결정하고, 이에 따라 가변 증폭기(32)에서 결정된 증폭도로 증폭하도록 제어함으로써(S610), 에어갭 보정을 완료한다.
도 7a 및 도 7b의 비교에서 알 수 있는 바와 같이, 연속식 톤휠(20)의 회전에 따라 측정되는 자장 세기는 자장센서(30)와 연속식 톤휠(20)의 에어갭에 따라 달라진다.
초기 상태에서는 보정이 이루어지지 않으나 1회전 기준점(24a)에 연속식 톤 휠(20)이 도달하게 되었을 때 자장 세기 미분값은 자장 세기의 급격한 경사(slope) 때문에 큰 값의 변화를 나타낸다.
상기 자장 세기 미분값이 크게 변할 때의 자장 세기를 읽어 적정 에어갭에서 나타내야 하는 자장 세기와 비교하여 가변 증폭기의 증폭도를 결정하고 제어한다.
만약 현 위치의 에어갭이 적정 에어갭의 위치보다 멀리 떨어져 있는 경우에 측정한 자장 세기는 적정 에어갭의 자장 세기보다 작고, 이때 도 7c에서와 같이 증폭도를 올려 물리적인 조정 작업없이 에어갭 보정을 수행하게 된다.
이와 같은 방법으로 에어갭 보정이 완료되면, 자장 세기를 측정하고(S612), 상기 에어갭을 보정하면서 결정된 증폭도로 증폭한 후 디지털로 변환하여 마이컴(35)에 입력되면 마이컴(35)에서 연속식 톤휠(20)의 회전각도를 검출한다(S614).
또한, 디지털로 변환한 자장 세기를 미분한 값이 마이컴(35)에 입력되면 마이컴(35)에서 연속식 톤휠(20)의 정역 회전 방향과 회전속도를 검출한다.
이와 같이 검출된 연속식 톤휠(20)의 회전각도, 회전방향, 회전속도는 통신을 통해 ECU에 전송되고(S618) 이러한 과정은 전원이 오프될 때까지 반복 수행된다(S620).
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래 패시브 방식이나 액티브 방식의 휠스피드센서보다 높은 정밀도를 갖는 회전각도나 3kph 이하의 정밀한 회전속도를 측정할 수 있어 정확한 휠의 위치를 파악할 수 있는 정밀한 주행기록계(odometer)나 기타 시스템을 위한 휠속을 제공할 수 있다.
또한, 휠의 회전 방향을 감지할 수 있어 변속기나 기타 시스템에서 차량의 실제 변위를 검출할 수 있으며, 자체적으로 에어갭 보정 기능이 있어 자장센서, 구동휠의 조립산포에 의한 이상 동작을 방지할 수 있다.

Claims (8)

  1. 자동차 바퀴 회전축(10)의 외주면에 원형의 링(22)이 고정되고, 상기 링(22)의 외주면을 따라 면적이 연속적으로 넓어지거나 좁아지도록 돌기(24)가 돌출 형성되는 연속식 톤휠(20)과,
    상기 연속식 톤휠(20)과 이격을 두고 위치된 상태에서 연속식 톤휠(20)에 돌출 형성된 돌기(24)와의 사이에서 자장을 발생하는 마그네트(40)와,
    상기 연속식 톤휠(20)과 에어갭을 두고 설치되어 연속식 톤휠(20)이 회전하는 경우에 돌기(24)의 달라지는 면적에 의해 1회전시 연속적으로 변화하는 자장 세기를 측정하고 이 자장 세기를 이용하여 회전각도를 검출하며, 상기 자장 세기를 미분한 값으로 회전방향과, 회전속도를 검출하는 자장 센서(30)를 포함하는 휠스피드센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌기(24)의 좌우 폭을 조절함으로써 돌기(24)의 면적을 달라지게 하는 것을 특징으로 하는 휠스피드센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 돌기(24)의 최대폭과 최소폭이 만나는 지점이 연속식 톤휠(20)의 1회전 기준점(24a)이 되는 것을 특징으로 하는 휠스피드센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌기(24)가 형성되지 않은 링(22)의 상부 공간에는 비자성 재료를 가지고 공간을 메우는 막음재(26)를 형성하여 연속식 톤휠(20)이 회전할 때 편심이 발생하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 휠스피드센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자장센서(30)는 집적된 하나의 칩으로,
    자기저항 물질로 만들어진 판독소자의 저항 변화를 통해 소자에 의해 감지되는 자속의 양과 방향의 함수로서 자장 세기를 측정하는 자기저항 센서(31)와,
    상기 자기저항 센서(31)를 통해 출력되는 작은 전압의 신호를 일정 레벨로 증폭하되, 증폭도가 가변되는 가변 증폭기(32)와,
    상기 가변 증폭기(32)를 통해 출력되는 아날로그 신호를 소정 주파수로 샘플링하여 그에 해당하는 디지털 데이터로 변환하는 A/D 컨버터(33)와,
    상기 디지털 데이터로 변환된 자장 세기를 미분하는 미분기(34)와,
    상기 자장센서(30)와 연속식 톤휠(20)의 위치에 따른 에어갭 보정을 수행하고, 디지털 데이터로 변화된 자장 세기로 연속식 톤휠의 회전각도를 검출하며, 미분된 자장 세기값으로 회전방향과 회전속도를 검출하는 마이컴(35)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휠스피드센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 마이컴(35)은 자장 세기의 변화치가 최대인 경우에, 적정 에어갭의 자장 세기와 자장 변화치가 최대인 경우의 자장 세기를 비교하여, 상기 가변 증폭기(32)의 증폭도를 결정하고, 상기 가변 증폭기(32)에 결정된 증폭도로 증폭하도록 제어 신호를 출력함으로써 에어갭을 보정하는 것을 특징으로 하는 휠스피드센서.
  7. 연속식 톤휠이 1회전시 자장 세기가 연속적으로 변화하도록 면적이 달라지는 돌기를 돌출 형성하여 자장 세기를 측정하는 자장센서와 상기 연속식 톤휠의 위치에 따른 에어갭 보정을 수행하는 단계와,
    회전하는 연속식 톤휠과 마그네트 사이의 자장 세기를 측정하는 단계와,
    상기 자장 세기를 에어갭 보정을 수행하면서 결정된 증폭도로 증폭한 후 디지털로 변환하여 연속식 톤휠의 회전각도를 검출하는 단계와,
    상기 디지털로 변환한 자장 세기를 미분하여 연속식 톤휠의 정역 회전방향과 회전속도를 검출하는 단계를 포함하는 휠스피드센서의 감지방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 에어갭을 보정하는 단계는,
    회전하는 연속식 톤휠과 마그네트 사이의 자장 세기를 측정하는 단계와,
    상기 자장 세기를 증폭한 후 디지털로 변환하여 자장 세기 변화치를 구하고, 자장 세기의 변화치가 1회전 기준점에서 자장 세기의 변화치에 해당하는지(자장 세 기의 변화치가 최대인지) 판단하는 단계와,
    상기 자장 세기의 변화치가 최대인 경우에 그때의 자장 세기를 적정 에어갭 상태에서의 자장 세기와 비교하여 증폭도를 결정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휠스피드센서의 감지방법.
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