KR100805298B1 - 증분형 엔코더의 회전 디스크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 8/6 구조를 갖는 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 및 가변속 제어가 가능한 증분형 엔코더의 회전 디스크에 관한 것으로, a, b, c, d 상을 갖는 8/6(고정자 극수/회전자 극수) 구조의 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동을 위한 증분형 엔코더의 회전 디스크에 있어서, 기계각 30°의 슬릿이 기계각 60° 주기로 회전 디스크 상에 반복 형성되어 a상의 권선을 여자시키는 하이 레벨 신호를 발생하기 위한 제 1 코드 패턴(code pattern)(Ea); 제 1 코드 패턴(Ea)과 기계각 15°의 위상차를 갖는 다른 소정 위치에서 기계각 30°의 슬릿이 기계각 60° 주기로 반복 형성되어 b상의 권선을 여자시키는 하이 레벨 신호를 발생하기 위한 제 2 코드 패턴(Eb); 회전 디스크가 1회전할 때마다 1개의 기준펄스 신호가 발생되도록 회전 디스크의 다른 소정 위치에 형성되는 기준펄스 신호용 코드 패턴(PZ)을 포함하는 증분형 엔코더의 회전 디스크를 제공함으로써, 8/6 구조를 갖는 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 및 가변속 제어를 수행할 수 있으며, 홀(hole) 소자를 사용하는 종래에 비해 보다 더 저렴한 제조 비용으로 8/6 구조의 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동할 수 있는 증분형 엔코더를 제작할 수 있는 효과가 있다.

Description

증분형 엔코더의 회전 디스크{ROTARY DISK SLIT OF INCREMENTAL ENCODER}

도 1은 8/6 구조를 갖는 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면을 도시한 도면.

도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 위치에 따른 권선의 자기 인덕턴스와 발생 토크 및 엔코더 출력신호를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 회전 디스크 슬릿의 구조를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 권선 12 : 고정자

13 : 회전자

본 발명은 증분형 엔코더(Incremental Encoder)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 8/6 구조(고정자 극수/회전자 극수)의 4상 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor)를 구동하기 위한 증분형 엔코더의 회전 디스크에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 모터는 소정의 공간 내에서 일정한 각도로 배열된 다수의 돌극으로 이루어진 고정자와 이 고정자와 일정한 간격을 두고 배치되어 회전축을 중심으로 회전하는 회전자, 회전자의 위치를 검출하기 위한 위치검출수단 및 위치검출신호에 의거하여 각 상의 여자신호를 발생시킴으로써 각 상의 권선에 전원을 공급하는 제어수단 등을 포함하여 구성된다.

이러한 스위치드 릴럭턴스 모터에서는 통상적으로 상술한 회전자의 위치 검출 및 속도 등을 검출하기 위한 수단으로서 증분형 엔코더를 사용하는데, 이 증분형 엔코더는 구조가 간단하고 가격이 저렴하며 출력전선의 갯수도 적어서 신호 전달이 용이하기 때문에 영구자석을 사용하는 브러쉬리스(Brushless) DC 모터나 AC 서보 모터 등에서도 널리 사용된다.

이와 관련하여, 종래의 일반적인 증분형 엔코더는 통상적으로 6개의 출력신호를 갖는다. 즉, 종래의 증분형 엔코더에서는 발광소자로부터 발생한 광신호가 회전 디스크의 A, B 슬릿을 통과하여 발생하는 A형 신호와 B형 신호, 그리고 회전 디스크의 1회전마다 1개의 펄스를 발생하는 Z형 기준펄스 신호 및 회전자 자극의 절 대위치 검출용으로 사용되는 각각의 U, V, W 신호를 갖는다. 여기서, A형 신호와 B형 신호는 전기각 90도의 위상차를 갖으며 U, V, W 자극 위치검출 신호는 모터의 극수에 맞춰 전기각으로 120도씩 순차적으로 어긋난 위상차를 갖는다. 이러한 종래의 일반적인 증분형 엔코더에 대한 일 예가 일본 특허공개 특개평05-115197호에 상세히 게재되어 있다.

그러나, 상술한 바와 같은 종래의 일반적인 증분형 엔코더는 6/4(고정자 극수/회전자 극수) 구조를 갖는 3상 스위치드 릴럭턴스 모터에서 초기 구동 및 가변속 제어가 가능하지만, 8/6 구조의 4상 스위치드 릴럭턴스 모터에 적용할 경우에는 회전자의 절대위치 검출이 불가능하기 때문에 그로 인한 초기 구동이 불가능한 문제점이 있다.

그리고, 이러한 문제점으로 인해 종래에는 8/6 구조의 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동을 위해서 홀(hole) 소자를 사용하여 회전자의 위치를 검출하였으나, 이 경우에는 회전자의 정회전 및 역회전 구동을 위해 8개의 검출용 센서가 필요하게 되고 그로 인해 모터의 제조 원가가 과다 상승하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명은 8/6 구조를 갖는 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 및 가변속 제어가 가능한 새로운 구조를 갖는 증분형 엔코더의 회전 디스크를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면,

a, b, c, d 상을 갖는 8/6(고정자 극수/회전자 극수) 구조의 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동을 위한 증분형 엔코더의 회전 디스크에 있어서, 기계각 30°의 슬릿이 기계각 60° 주기로 회전 디스크 상에 반복 형성되어 상기 a상의 권선을 여자시키는 하이 레벨 신호를 발생하기 위한 제 1 코드 패턴(code pattern)(Ea); 상기 제 1 코드 패턴(Ea)과 기계각 15°의 위상차를 갖는 다른 소정 위치에서 기계각 30°의 슬릿이 기계각 60°주기로 반복 형성되어 상기 b상의 권선을 여자시키는 하이 레벨 신호를 발생하기 위한 제 2 코드 패턴(Eb); 상기 회전 디스크가 1회전할 때마다 1개의 기준펄스 신호가 발생되도록 상기 회전 디스크의 다른 소정 위치에 형성되는 기준펄스 신호용 코드 패턴(PZ)을 포함하는 증분형 엔코더의 회전 디스크를 제공한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 증분형 엔코더 회전 디스크는 종래의 증분형 엔코더에서 구비되는 광학 수단 및 구동 수단 등을 변경하지 않고 그대로 적용 가능하다. 따라서, 이하에서는 본 발명에 따른 새로운 슬릿(또는 마스크 패턴) 구조를 갖는 증분형 엔코더의 회전 디스크에 대해서 상세히 설명하며, 이 분야에 통상에 지식을 가진 자는 본 발명에 따른 구조의 회전 디스크를 이용하여 8/6 구조를 갖는 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동이 가능한 증분형 엔코더를 용이하게 구현할 수 있을 것이다.

도 1은 8/6 구조를 갖는 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면을 도시한 도면으로서, 복수개의 권선(11)과 각각 8개의 돌극을 갖는 고정자(12) 및 6개의 돌극을 갖는 회전자(13)를 포함한다.

동도면에서, 고정자(12)는 한 쌍의 권선(11)을 포함하는 4개의 상(a, b, c, d)을 가지며, a상의 두 극이 회전자 극과 완전 비정렬 위치(Fully unaligned position)에 있을 때를 0°로 한다. 여기서, a상의 두 극에 감겨있는 권선은 집중권으로서 서로 직렬로 연결한다.

이러한 구조의 스위치드 릴럭턴스 모터는 동도면에 도시된 바와 같이 고정자(12)와 회전자(13)가 각각 돌출된 다수의 극을 갖는 이중 돌극형 구조 (Doubly Salient Pole Structure)를 가지고 있기 때문에 각 상 권선(11)의 자기 인덕턴스는 고정자(12)에 대한 회전자(13)의 상대적인 위치에 따라 변화하게 된다.

도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 8/6 구조의 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서 회전자(13) 위치에 따른 권선(11)의 자기 인덕턴스와 발생 토크 및 초기 구동을 위해 필요한 엔코더 출력신호를 예시적으로 도시한 도면이다.

먼저, 도 2a는 회전자(13)의 위치에 따른 a, b, c, d상 각 권선(11)의 자기 인덕턴스 변화를 나타낸 도면으로서, 동도면에 도시된 바와 같이 a, b, c, d상 각각의 자기 인덕턴스는 순차적으로 15°(기계각) 만큼의 위상차를 갖으며, 60°(기계각)의 주기를 갖기 때문에 회전자(13)가 1회전(360°)할 때 동일한 자기 인덕턴스 변화가 6회 반복된다. 즉, 8/6 구조의 스위치드 릴럭턴스 모터에서는 회전자 (13)의 극수가 6개이므로 도 2a에 도시된 바와 같이 각 상의 자기 인덕턴스는 기계 각 60° 주기를 가지며 서로 기계각 15°의 위상차를 갖게 된다.

도 2b는 상술한 도 2a에 도시된 자기 인덕턴스 변화에 대응하여 a, b, c, d 각 상의 권선(11)에 일정한 전류가 인가했을 때 각 상 권선(11)에서 발생되는 토크 변화를 도시한 도면이다.

도 2b를 참조하여 설명하면, 스위치드 리럭턴스 모터의 토크는 상술한 각 상의 자기 인덕턴스 변화량에 비례하여 발생하게 되는데, 만일 정방향(CW) 토크를 발생시키기 위해서는 자기 인덕턴스 변화량이 양인 영역에서 해당 상을 여자시켜야 하고, 역방향(CCW) 토크를 발생시키기 위해서는 자기 인덕턴스 변화량이 음인 영역에서 해당 상을 여자시켜야 한다.

도 2c는 상술한 도 2a 및 도 2b에 도시된 상호 연관 관계, 즉 각 권선(11)의 자기 인덕턴스 변화에 따른 토크의 변화 관계를 도식적으로 나타낸 도면으로서, 각각의 a, b, c, d 상에서 발생하는 양/음 토크 특성으로부터 회전자(13)를 CW 또는 CCW 방향으로 회전시키기 위해 여자되어야할 각각의 상을 회전자(13)의 위치별로 도시하고 있다.

여기서, 실선으로 표시된 부분은 양(CW)의 토크 발생 구간을 의미하며, 점선으로 표시된 부분은 음(CCW)의 토크 발생 구간을 의미한다. 회전자(13)의 기계각이 0∼15°일 경우를 예로 설명하면, 회전자(13)를 CW 방향으로 회전시키기 위해서는 d상과 a상을 여자시켜야 하며, 회전자(13)를 CCW 방향으로 회전시키기 위해서는 b상과 c상을 여자시켜야 한다.

도 2c에 도시된 내용을 간략히 정리하여 보면 표 1과 같다.

회전자 위치(기계각) 구 분	0°∼15°	15°∼30°	30°∼45°	45°∼60°
CW회전을 위해 여자되는 상	d상, a상	a상, b상	b상, c상	c상, d상
CCW회전을 위해 여자되는 상	b상, c상	c상, d상	d상, a상	a상, b상

따라서, 표 1에 도시된 상관 관계를 기반으로 하여 8/6 구조를 갖는 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동을 위해 필요한 증분형 엔코더의 신호 관계를 산출할 수 있는데, 이를 도 2d에 도시하였다. 즉, 도 2d는 도 2c를 신호 파형 형태로 도시한 도면으로서, 하이 레벨 신호에서 각 상의 권선(11)을 여자시키면 CW 방향의 토크가 발생되고, 로우 레벨의 신호에서 각 상의 권선(11)을 여자시키면 CCW 방향의 토크가 발생함을 의미한다.

한편, 도 2d에 도시된 신호 파형으로부터 a상과 c상, b상과 d상에서 요구되는 엔코더의 신호가 서로 상반되는 관계가 있음을 알 수 있으며, 따라서 a상과 b상 신호만 알면 c상과 d상은 각각 자동으로 산출할 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동을 위해서는 a상과 b상 신호만으로도 충분하다.

상술한 도 2a 내지 도 2d를 근거로 하여 8/6 구조의 스위치드 릴럭턴스 모터에 대한 초기 구동이 가능한 엔코더의 회전 디스크 슬릿 구조를 착안할 수 있는데, 도 3은 이에 따른 새로운 구조의 회전 디스크 슬릿을 도시한 도면이다.

먼저, 도 3에 도시된 본 발명에 따른 회전 디스크는 상술한 a, b, c, d상 중에서 a상 권선을 여자시키기 위한 코드 패턴(code pattern)(Ea)과 b상 권선을 여자시키기 위한 코드 패턴(Eb) 만을 포함하는데, 이는 상술한 바와 같이 a상과 c상, b상과 d상에서 요구되는 엔코더의 출력 신호가 서로 상반 관계에 있으므로 a상과 b 상 신호를 이용하여 c상과 d상은 각각 자동으로 산출할 수 있기 때문이다.

그리고, 동도면에 도시된 코드 패턴(PA, PB)은 종래의 증분형 엔코더에서 같이 A형, B형 신호 발생을 위한 코드 패턴이며, 코드 패턴(PZ)은 Z형 기준펄스 신호를 발생하기 위한 코드 패턴이다.

동도면을 참조하여 상세히 설명하면, a상과 b상 권선을 각각 여자시키기 위한 코드 패턴 Ea 및 Eb는 전술한 도 2a 내지 도 2d에 의거하여 30°(기계각)에 해당하는 슬릿이 각각 60°(기계각) 주기를 갖고 원주 위에서 반복되도록 형성하되, 동도면에 도시된 바와 같이 각각의 코드 패턴 Ea와 Eb가 서로 15°(기계각)의 위상차를 갖도록 형성한다. 즉, 도 2c에 도시된 바와 같이 b상 출력신호는 a상 출력신호와 15°(기계각)의 위상차를 갖기 때문에 Eb는 Ea와 15°(기계각)의 위상차를 갖는 형태의 코드 패턴으로 형성한다.

그리고, 각각의 코드 패턴 Ea 및 Eb가 형성된 30°구간을 광신호가 통과하게 되면, 증분형 엔코더로부터 출력되는 논리신호'1'이 되며, 코드 패턴이 형성되지 않은 나머지 30°(기계각) 구간에서는 논리신호 '0'이 발생된다.

따라서, 이러한 구조의 회전 디스크가 장착된 증분형 엔코더에서 회전자(13)가 CW 방향으로 회전할 경우에는 EaEb = 10-11-01-00-10-11- … 의 순서로 논리신호가 발생하고 CCW 방향으로 회전할 경우에는 EaEb = 10-00-01-11-10-00- … 의 순서로 논리신호가 발생하게 된다.

한편, 도 3에 도시된 Z상 기준펄스 신호를 발생하기 위한 코드 패턴(PZ)은 동도면에 도시된 바와 같이 CCW 방향을 기준으로 EaEb = 11로부터 EaEb = 01로 변 화하는 시점에서 기준펄스 신호를 발생하도록 슬릿을 형성한다.

그리고, 증분형 엔코더의 조립 과정에서 상술한 a상 권선에 소정의 전류를 인가하면 이에 대응하는 회전자(13)의 해당 두 극은 자기 인덕턴스가 최대가 되는 위치(Fully aligned position)로 이동하여 회전자(13)가 고정되어 움직임이 없는 상태가 되는데, 이 때 Z상 기준펄스가 발생하도록 코드 패턴 PZ를 위치시켜 엔코더를 조립해 주면 회전자(13) 및 회전 디스크 상호간의 위치가 정렬된다.

결과적으로, 도 2a 내지 도 2d에 도시된 내용을 기반으로 하여 도 3에 도시된 바와 같은 구조의 회전 디스크를 제작하고 이 회전 디스크를 증분형 엔코더에 장착함으로써 이용하여 회전자(13)의 절대 위치 검출 및 그 검출된 위치에 따라 적절한 상 권선(11)을 여자시킬 수 있게 된다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같은 8/6 구조의 스위치드 릴럭턴스 모터에 대한 초기 구동 및 가변속 제어가 가능하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 상술한 구조의 회전 디스크 슬릿을 이용하여 8/6 구조를 갖는 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 초기 구동 및 가변속 제어를 수행할 수 있는 효과가 있으며, 홀(hole) 소자를 사용하는 종래의 증분형 엔코더에 비해 보다 더 저렴한 제조비용의 증분형 엔코더를 제작할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. a, b, c, d 상을 갖는 8/6(고정자 극수/회전자 극수) 구조의 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동을 위한 증분형 엔코더의 회전 디스크에 있어서,

   기계각 30°의 슬릿이 기계각 60°주기로 회전 디스크 상에 반복 형성되어 상기 a상의 권선을 여자시키는 하이 레벨 신호를 발생하기 위한 제 1 코드 패턴(code pattern)(Ea);

   상기 제 1 코드 패턴(Ea)과 기계각 15°의 위상차를 갖는 다른 소정 위치에서 기계각 30°의 슬릿이 기계각 60° 주기로 반복 형성되어 상기 b상의 권선을 여자시키는 하이 레벨 신호를 발생하기 위한 제 2 코드 패턴(Eb);

   상기 회전 디스크가 1회전할 때마다 1개의 기준펄스 신호가 발생되도록 상기 회전 디스크의 다른 소정 위치에 형성되는 기준펄스 신호용 코드 패턴(PZ)을 포함하는 증분형 엔코더의 회전 디스크.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기준펄스 신호용 코드 패턴(PZ)은,

   상기 회전 디스크가 양의 토크를 발생하는 방향으로 회전함에 있어서 상기 제 2 코드 패턴에 의해 발생되는 신호는 하이 레벨 신호로 유지되고 상기 제 1 코드 패턴에 의해 발생되는 신호가 하이 레벨 신호로부터 로우 레벨 신호로 전환되는 시점에서 상기 기준펄스 신호를 발생할 수 있는 소정 위치에 형성되는 것을 특징으 로 하는 증분형 엔코더의 회전 디스크.

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