KR100871874B1 - 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템에 관한 것으로서, 입력되는 각속도량에 따른 질량체의 변위신호를 검출하는 감지축 출력부 및 상기 질량체의 변위를 조정하는 감지축 구동부를 포함하는 각속도계; 상기 감지축 출력부로부터 검출된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 전하증폭기; 상기 전하증폭기로부터 전압신호로서 출력되는 변위신호를 바탕으로 질량체의 속도신호를 출력하는 미분기; 상기 미분기로부터 출력된 속도신호와 동일한 위상, 주파수 및 단일 이득을 갖는 정현파 신호를 출력하는 단위이득 기준주파수 출력기; 상기 미분기로부터 출력된 속도신호를 반파 정류하는 정류기; 상기 정류기로부터 반파 정류된 신호를 포락선 신호로 출력하는 저주파 통과필터; 상기 각속도계에 인가된 각속도량에 관계없이 일정한 크기의 감지축 진동을 유도하는 기준 신호를 생성하는 기준 값 입력기; 상기 저주파 통과필터로부터 출력된 포락선 신호와 상기 기준 값 입력기로부터 출력된 기준 신호를 이용하여, 상기 각속도계가 일정한 진폭으로 진동하기 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 단위이득 기준주파수 출력기로부터 출력되는 정현파 신호와 상기 제어기로부터 출력된 제어신호의 곱셈연산을 수행한 후, 연산된 전압신호를 상기 감지축 구동부로 인가하는 아날로그 곱셈기; 를 포함한다.

각속도계, MEMS, 자동이득제어루프, 힘평형 제어

Description

자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템{System for controlling the force rebalance using automatic gain controlling loop}

본 발명은 일반적인 각속도계의 센서 성능을 향상시키기 위한 전기적 궤환(feedback) 제어에 관한 기술로서, 특히 MEMS(Microelectromechanical system) 각속도계와 같은 소형, 저전력 시스템의 설계에 적합한 자동이득제어루프(automatic gain control loop)를 이용하여 힘평형 제어(force rebalance loop)를 구현하는 시스템에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 각속도계는 회전 좌표계에 존재하는 관성 물리량인 각속도를 측정하기 위한 계측센서로서, 기계식 자이로스코프나 회전계내에서 빛의 경로차를 검출하는 광학식 자이로스코프가 그 대표적인 예이다.

현재 MEMS 기술을 활용한 소형, 저전력의 마이크로 자이로스코프가 제작되고 있으며, 이들을 활용하는 다양한 응용분야가 나타나고 있다. 항공기, 우주선, 미사일, 잠수함, 선박 등에 이용되는 관성항법시스템 분야에 적용될 뿐만 아니라, 차체 자세 안정화, rollover 검출, 자동차 항법, 사고 기록, 충돌 회피, 하중 레벨링 및 서스펜션 제어 등의 자동차 분야, 컴퓨터 입력기기, 게임 제어기, 가상현실 입력도 구, 스포츠 유틸리티 센서, 캠코더, 가정용 로봇 등의 소비전자분야, 자율주행 및 유도로봇, 유압설비 자세제어 등의 산업전자분야, 그리고 항공전자, 안테나 방향각 제어, 무인항공기, 소형기 자동착륙장치 등의 소형 비행체 시스템 분야로 확대되는 추세이다. 근래에는 일반 제어용 각속도 측정을 위한 레이트급 또는 전술급 각속도계가 반도체 구조 제작 공정을 활용한 마이크로 자이로스코프 형태로 제작되고 있으며, 이러한 마이크로 자이로스코프 형태의 각속도계는 공정의 특성상 소형, 저전력 및 대량 생산의 특징으로 갖는다.

진동형 각속도계는 회전 좌표계에서 각속도 입력축과 수직한 평면상에 진동하는 질량체에 유도되는 코리올리력(Coriolis force)을 검출하는 방식을 취하는 것을 특징으로 한다. 이때, 각속도계는 코리올리력에 의해 유도되는 변위신호를 검출함으로써, 코리올리력에 비례하는 입력 각속도 크기를 계산할 수 있다.

도 1 은 일반적인 각속도계의 동작 원리를 설명하기 위한 일예시도로서, 도시된 바와 같이, 질량체(10)는 X축 방향의 동역학에 따라 진동하며, Z축으로 인가되는 입력각속도에 따라 질량체와 각속도량의 2배수에 해당하는 코리올리력을 유발하고 이에 따른 Y축 변위신호를 검출함으로써 입력되는 각속도를 계산하게 된다. 이때, 구동 변위 및 검출 변위는 각각 질량체와 각속도계의 프레임워크(20)간에 질량체를 지지하는 구동축 스프링(30) 및 감지축 스프링(40)의 탄성계수에 의해 진동폭이 결정된다.

한편, 상기의 각속도계 동작 원리에 있어 개루프 검출 방식은 센서의 동적영역이 제한되며 입출력간의 비선형성이 증폭될 수 있으며, 진공환경 등 높은 주파수 선택도를 필요로 하는 환경일 경우 대역폭이 매우 제한되는 단점이 있으나, 이는 센서의 변위신호를 일정한 평형상태로 유지시켜주는 폐루프 방식의 힘평형 제어방식을 응용함으로써 개선 가능하다.

상술한 바와 같은 폐루프 방식 힘평형 제어는 복잡한 강인제어 혹은 적응제어의 알고리즘을 적용함으로써 각속도계의 힘평형 제어를 구현한다.

그러나, 이는 마이크로프로세서 등 복잡한 주변회로를 필요로 하는 바, 소형, 저가의 효율적인 센서 제작에 어려움이 따르며, 입력 각속도에 의해 유발된 검출축의 변위신호를 완전히 억제하는 방식을 취함으로써 매우 높은 제어 이득을 필요로 하므로 회로적인 구현을 어렵게 하거나, 힘평형 제어 오차를 유발하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 질량체의 속도신호를 제어하는 자동이득제어루프를 이용함으로써, 진동형 각속도계의 힘평형 피드백 제어를 수행할 수 있는 시스템을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 입력되는 각속도량에 따른 질량체의 변위신호를 검출하는 감지축 출력부 및 상기 질량체의 변위를 조정하는 감지축 구동부를 포함하는 각속도계; 상기 감지축 출력부로부터 검출된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 전하증폭기; 상기 전하증폭기로부터 전압신호로서 출력되는 변위신호를 바탕으로 질량체의 속도신호를 출력하는 미분기; 상기 미분기로부터 출력된 속도신호와 동일한 위상, 주파수 및 단일 이득을 갖는 정현파 신호를 출력하는 단위이득 기준주파수 출력기; 상기 미분기로부터 출력된 속도신호를 반파 정류하는 정류기; 상기 정류기로부터 반파 정류된 신호를 포락선 신호로 출력하는 저주파 통과필터; 상기 각속도계에 인가된 각속도량에 관계없이 일정한 크기의 감지축 진동을 유도하는 기준 신호를 생성하는 기준 값 입력기; 상기 저주파 통과필터로부터 출력된 포락선 신호와 상기 기준 값 입력기로부터 출력된 기준 신호를 이용하여, 상기 각속도계가 일정한 진폭으로 진동하기 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 단위이득 기준주파수 출력기로부터 출력되는 정현파 신호와 상기 제어기로부터 출력된 제어신호의 곱셈연산을 수행한 후, 연산된 전압신호를 상기 감지축 구동부로 인가하는 아날로그 곱셈기; 를 포함한다.

또한, 상기 단위이득 기준주파수 출력기는, op-amp를 활용한 증폭기로 구성되어 입력신호를 높은 이득률로 증폭하는 이득부; 입력신호와 동일한 위상을 갖는 구형파 신호를 출력하는 리미터; 및 각속도계의 공진주파수에 해당하는 주파수를 중심 주파수로 갖는 대역통과필터; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제어기는, 상기 저주파 통과필터로부터 출력된 포락선 신호와 기준 값 입력기로부터 생성된 기준 신호간의 차이 값에 대해 적분연산을 수행하는 적분부; 상기 차이 값에 대해 이득 값을 곱해주는 비례이득부; 및 상기 적분 연산된 적분 값에 대해 이득 값을 곱해주는 적분이득부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 복잡하고 잡음에 민감한 종래의 디지털 회로를 간단한 아날로그 회로로서 구현할 수 있는 바, 마이크로 각속도계에 적용 가능할 뿐 아니라, 범용 진동형 각속도계 또는 관성센서, 압력센서, 온도센서 등의 다양한 센서 등에 확장 가능한 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따른 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템을 다양한 센서에 적용함으로써, 센서의 동적영역, 대역폭, 선형성 등의 성능 향상을 도모할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐를 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2 는 본 발명에 따른 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템(100)(이하, '힘평형 시스템'이라 함)을 개념적으로 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이, 각속도계(110), 전하증폭기(120), 미분기(130), 단위이득 기준주파수 출력기(140), 정류기(150), 저주파 통과필터(160), 기준 값 입력기(170), 제어기(180) 및 곱셈기(190)를 포함한다.

각속도계(110)는 입력되는 각속도량에 따른 질량체의 변위신호를 검출하는 감지축 출력부(111) 및 곱셈기로부터 연산된 각속도계 제어신호를 바탕으로 질량체의 변위 신호를 조정하는 감지축 구동부(112)를 포함한다.

전하증폭기(120)는 상기 감지축 출력부(111)로부터 검출된 변위신호를 전압신호로서 출력하는 기능을 수행한다.

구체적으로, 상기 감지축 출력부(111)와 연결되어, 질량체와 감지축 출력부 전극 사이의 전기용량(capacitance) 변화에 따른 전하량 변화를 전압신호로 변환하여 출력한다. 따라서, 전하증폭기(120)의 출력전압 신호는 입력 각속도량에 비례하는 변위신호의 함수로 검출된다.

미분기(130)는 전하증폭기(120)로부터 전압신호로서 출력되는 변위신호를 미분 연산함으로써, 질량체의 속도신호를 출력하는 기능을 수행한다. 이때, 미분기(130)로부터 출력된 질량체의 속도신호는 두 개의 독립적인 피드백 루프로 인가되는 바, 단위이득 기준주파수 출력기(140)와 정류기(150)로 각각 인가된다.

먼저, 단위이득 기준주파수 출력기(140)는 미분기(130)로부터 출력된 속도신호와 동일한 주파수, 위상 및 단위 이득을 갖는 정현파 신호를 출력하는 기능을 수행하는 바, 도 3 에 도시된 바와 같이, op-amp를 활용한 증폭기로 구성되어 입력 신호를 높은 이득률로 증폭하는 이득부(141)와, 입력신호와 동일한 위상을 갖는 구 형파 신호를 출력하는 리미터(142) 및 각속도계의 공진주파수에 해당하는 주파수를 중심 주파수로 갖는 대역통과필터(143)로 구성된다.

즉, 단위이득 기준주파수 출력기(140)는 상대적으로 작은 잡음률(signal to noise ratio: SNR)을 갖는 질량체의 속도신호에 대해서도 동일한 공진주파수를 갖는 구형파를 생성할 수 있도록 한다. 본 발명에서는 상기 리미터(142)를 적절한 slew rate를 갖는 op-amp를 활용한 비교기(comparator)로서 설정하겠으나, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아닌 바, 잡음신호의 크기에 따라 슈미트트리거(schmit trigger) 등으로 설정변경 가능하다.

또한, 정류기(150)는 미분기(130)로부터 출력된 속도신호를 반파 정류하는 기능을 수행하며, 저주파 통과필터(160)는 정류기(150)로부터 반파 정류된 신호를 포락선(envelope) 신호로 출력하는 기능을 수행한다.

기준 값 입력기(170)는 각속도계에 인가된 각속도량에 관계없이 일정한 크기의 감지축 진동을 유도하는 기준 신호를 생성하는 기능을 수행하며, 제어기(180)는 저주파 통과필터(160)로부터 출력된 포락선 신호, 그리고 기준 값 입력기(170)로부터 생성된 기준 신호를 이용하여 상기 각속도계가 일정한 진폭으로 진동하기 위한 제어신호를 출력하는 기능을 수행한다.

도 4 는 제어기(180)를 개념적으로 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이, 저주파 통과필터(160)로부터 출력된 포락선 신호와 기준 값 입력기(170)로부터 생성된 기준 신호간의 차이 값에 대해 적분연산을 수행하는 적분부(181), 상기 차이 값과 적분 연산된 적분 값에 대해 각각 이득 값을 곱해주는 비례이득부(182) 및 적 분이득부(183)를 포함한다.

즉, 저주파 통과필터(160)로부터 출력된 포락선 신호와 기준 값 입력기(170)로부터 생성된 기준 신호간의 차를 비례이득을 곱한 전압 값과 적분 후, 적분이득을 곱한 전압 값을 더하게 된다.

곱셈기(190)는 단위이득 기준주파수 출력기(140)로부터 출력되는 정현파 신호와 제어기(180)로부터 출력된 제어신호의 곱셈 연산을 수행한 후, 연산된 전압신호를 각속도계(110)의 감지축 구동부(111)로 인가한다.

정리하면, 감지축 구동부로 인가된 전압신호는 코리올리력에 의해 변동된 질량체의 진동폭을 일정하게 유지시키는 힘평형 피드백 제어를 수행하게 된다.

한편, 도 5 은 본 발명에 따른 힘평형 제어시스템을 이용한 각속도 입력에 따른 제어신호(진동신호)를 출력한 그래프로서, 도시된 바와 같이 0.05초에 10deg/sec의 각속도가 입력될 때, 제어기를 통해 출력되는 제어신호는 10msec의 상승시간 특성을 갖고 입력 각속도 신호를 추종함을 알 수 있다.

도 6 은 본 발명에 따른 힘평형 제어시스템을 이용한 각속도 입력에 따른 각속도 신호(변위신호)를 출력한 그래프로서, 도시된 바와 같이 0.05초에 10deg/sec의 크기의 각속도가 입력될 때, 동일한 진폭을 유지함을 알 수 있으며, 약 20msec 이내로 정상상태로 수렴 속도를 나타내고 있다.

도 7 은 본 발명에 따른 힘평형 제어시스템에 적용되는 각속도계를 이용하여 각속도의 입력신호와 출력신호를 나타내는 그래프로서, a는 약 100deg/sec, 1Hz의 정현파 각속도 입력신호를 나타내며, a'는 이에 따른 출력신호로서 각속도의 입력에도 신호의 왜곡없이 동일한 파형을 출력하는 것을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사항을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1 은 일반적인 각속도계의 동작 원리를 설명하기 위한 일예시도.

도 2 는 본 발명에 따른 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템의 구성도.

도 3 은 본 발명에 따른 단위이득 기준주파수 출력기에 관한 세부 구성도.

도 4 는 본 발명에 따른 제어기에 관한 세부 구성도.

도 5 는 본 발명에 따른 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템을 이용한 각속도 입력에 따른 제어신호를 출력한 그래프.

도 6 은 본 발명에 따른 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템을 이용한 각속도 입력에 따른 각속도 신호를 출력한 그래프.

도 7 은 본 발명에 따른 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템에 적용되는 각속도계를 이용하여 각속도의 입력신호와 출력신호를 나타내는 그래프.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110: 각속도계 120: 전하증폭기

130: 미분기 140: 단위이득 기준주파수 출력기

150: 정류기 160: 저주파 통과필터

170: 기준 값 입력기 180: 제어기

190: 곱셈기

Claims (4)

1. 입력되는 각속도량에 따른 질량체의 변위신호를 검출하는 감지축 출력부 및 상기 질량체의 변위를 조정하는 감지축 구동부를 포함하는 각속도계;

   상기 감지축 출력부로부터 검출된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 전하증폭기;

   상기 전하증폭기로부터 전압신호로서 출력되는 변위신호를 바탕으로 질량체의 속도신호를 출력하는 미분기;

   상기 미분기로부터 출력된 속도신호와 동일한 위상, 주파수 및 단일 이득을 갖는 정현파 신호를 출력하는 단위이득 기준주파수 출력기;

   상기 미분기로부터 출력된 속도신호를 반파 정류하는 정류기;

   상기 정류기로부터 반파 정류된 신호를 포락선 신호로 출력하는 저주파 통과필터;

   상기 각속도계에 인가된 각속도량에 관계없이 일정한 크기의 감지축 진동을 유도하는 기준 신호를 생성하는 기준 값 입력기;

   상기 저주파 통과필터로부터 출력된 포락선 신호와 상기 기준 값 입력기로부터 출력된 기준 신호를 이용하여, 상기 각속도계가 일정한 진폭으로 진동하기 위한 제어신호를 출력하는 제어기; 및

   상기 단위이득 기준주파수 출력기로부터 출력되는 정현파 신호와 상기 제어기로부터 출력된 제어신호의 곱셈연산을 수행한 후, 연산된 전압신호를 상기 감지 축 구동부로 인가하는 아날로그 곱셈기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 미분기로부터 출력된 속도신호는, 상기 단위이득 기준주파수 출력기와 정류기로 각각 인가되는 것을 특징으로 하는 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 단위이득 기준주파수 출력기는,

   op-amp를 활용한 증폭기로 구성되어 입력신호를 높은 이득률로 증폭하는 이득부;

   입력신호와 동일한 위상을 갖는 구형파 신호를 출력하는 리미터; 및

   각속도계의 공진주파수에 해당하는 주파수를 중심 주파수로 갖는 대역통과필터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어기는,

   상기 저주파 통과필터로부터 출력된 포락선 신호와 기준 값 입력기로부터 생성된 기준 신호간의 차이 값에 대해 적분연산을 수행하는 적분부;

   상기 차이 값에 대해 이득 값을 곱해주는 비례이득부; 및

   상기 적분 연산된 적분 값에 대해 이득 값을 곱해주는 적분이득부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동이득 제어루프를 이용한 힘평형 제어시스템.

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