KR100929163B1 - 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 및 그신호처리방법 - Google Patents

내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 및 그신호처리방법 Download PDF

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Abstract

공통형 잡음을 제거하므로 전자파 적합성 특성 등이 우수하며 정확한 출력값을 얻을 수 있도록, 가산기에서 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 서로 더하고, 감산기에서 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 감산하고, 제1승산기에서 가산기에서 얻어진 값과 감산기에서 얻어진 값을 곱하고, 제2승산기에서 감산기에서 얻어진 값을 제곱하고, 제산기에서 제1승산기에서 얻어진 값을 제2승산기에서 얻어진 값으로 나누는 과정을 포함하는 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 신호처리방법을 제공한다.
앵글센서, 인덕턴스, 공통형 잡음, 승산기, 비례적, 제산기, 감산기, 가산기, 여자코일, 수신코일

Description

내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 및 그 신호처리방법 {Inductive Angle Sensor for Improving Common Mode Noise Rejection and Signal Processing Method of The Same}
본 발명은 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 및 그 신호처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공통형 잡음을 효과적으로 제거하여 전자파 적합성(EMC) 특성이 향상되며 기판의 수가 감소되어 제조원가가 절감되는 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 및 그 신호처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 핸들이나 연료 게이지, 각종 기계장치의 경우 회전각에 대한 정확한 값을 측정하는 것이 정확한 제어를 행할 수 있으므로 중요하다. 따라서 회전체의 회전각을 측정하기 위하여 앵글센서를 설치하여 사용한다.
상기 앵글센서로는 빛의 발광 및 수광을 이용하는 방식과 코일의 인덕턴스를 이용하는 방식 등이 있다.
종래 인덕턴스방식 앵글센서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 둥근 링형상으로 권선된 여자코일(2) 위에 반원형 커플러(4)를 사이에 두고 한쌍의 수신코일(6), (8)을 배치하여 구성된다.
상기에서 제1수신코일(6)은 커플러(4)가 회전함에 따라 차동신호가 변화하므로, 이를 이용하여 회전각에 대한 정보를 얻기 위한 것이다. 또, 제2수신코일(8)은 커플러(4)와의 거리변화에 따라 차동신호가 변화하므로, 이를 이용하여 커플러(4)와 센서기판 사이의 거리 정보를 얻기 위한 것이다.
그리고 종래 인덕턴스방식 앵글센서의 경우에는 2개의 수신코일(6), (8)을 사용하므로, 최소한 2개 이상의 기판을 필요로 하며, 구조가 전체적으로 복잡하다는 문제가 있다.
또한 종래 인덕턴스방식 앵글센서의 경우 도 2에 나타낸 바와 같이, 신호처리기(10)를 연결하여 한쌍의 수신코일(6), (8)로부터 얻어진 정보(신호)를 처리하여 필요로 하는 정보를 추출하고 있다.
상기 신호처리기(10)를 통한 신호의 처리과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 여자코일(2)에 연결된 발진기(1)에서 다음의 수학식 1과 같은 발진전압(Vosc)을 인가하면, 제1수신코일(6) 및 제2수신코일(8)에서는 각각 다음의 수학식 2 및 수학식 3과 같은 제1수신전압(Ax) 및 제2수신전압(Bx)이 얻어진다.
Figure 112008020085917-pat00001
Figure 112008020085917-pat00002
Figure 112008020085917-pat00003
상기 수학식 1 내지 수학식 3에 있어서, Vm, A, B는 각각 상수를 나타낸다.
상기 수학식 2 및 수학식 3에 있어서, n(t)는 공통형 잡음(common mode noise)이다(noise->n(t)).
상기 신호처리기(10)의 제1승산기(12)에서는 제1수신코일(6)의 제1전압(Ax)과 제2수신코일(8)의 제2전압(Bx)을 곱한 신호(Ax·Bx)를 출력하며, 다음의 수학식 4와 같이 나타내어진다.
Figure 112008020085917-pat00004
삼각함수 공식에 의하면, sin2(wt)는 다음의 수학식 5와 같이 나타내어지므로, 상기 수학식 4는 다음의 수학식 6과 같이 나타내어진다.
Figure 112008020085917-pat00005
Figure 112008020085917-pat00006
상기 수학식 6과 같이 얻어지는 신호가 제1저역통과필터(14)를 통과하면, cos(2wt) 및 sin(wt) 성분이 모두 제거되므로, 상기 수학식 6은 다음의 수학식 7과 같이 나타내어진다.
Figure 112008020085917-pat00007
상기 수학식 7에 있어서, N은 일반적으로 0이 아니며(N≠0), N=GLPF(n2(t))로 나타내어지며, GLPF는 저역통과필터(LPF)의 전달함수를 나타낸다.
마찬가지로 상기 신호처리기(10)의 제2승산기(13)에서는 제2수신코일(8)의 제2전압(Ax)을 제곱한 신호(Bx·Bx)를 출력하며, 상기 제1승산기(12)의 신호와 같은 과정을 거치고, 제2저역통과필터(15)를 통과하면 cos(2wt) 및 sin(wt) 성분 모두 제거되고 다음의 수학식 8과 같이 나타내어진다.
Figure 112008020085917-pat00008
그리고 상기 신호처리기(10)의 제산기(16)에서는 제1승산기(12)에서 얻어진 값을 제2승산기(13)에서 얻어진 값으로 나누어 출력하며, 다음의 수학식 9와 같이 나타내어진다.
Figure 112008020085917-pat00009
상기 신호처리기(10)에서는 상기 수학식 9와 같이 얻어진 값에 제3승산기(18)에서 기준전압(Vref)을 곱하여 최종 출력값(Vout)을 얻는다.
따라서 종래 인덕턴스방식 앵글센서의 경우에는 상기와 같이 신호처리기(10)에서 비례적(ratio-metric)을 사용해도 공통형 잡음은 제거되지 않기 때문에 전자파 적합성(EMC) 특성 등의 내잡음성이 나쁘다.
그리고 제1수신코일(6)은 커플러(4)가 회전함에 따라 차동신호가 변화하는 구조인 반면에, 제2수신코일(8)은 커플러(4)의 회전과는 상관없이 커플러(4)와의 거리변화에 따라 차동신호가 변화하는 구조이므로, 제1수신코일(6)과 제2수신코일(8)의 형상과 동작 방식이 서로 다르다. 또한, 여자코일(2)에서 발생하는 전압의 변화나 유기되는 잡음에 대해서도 제1수신코일(6)과 제2수신코일(8)은 같은 방향으로 변화하지 않으므로, 비례적(ratio-metric) 방법에 의하여 제산기(16)를 사용하여도 전압의 변화나 잡음이 제거되지 않는다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 둥근 링형상의 여자코일 위에 중앙선을 중심으로 반원링형상의 한쌍의 수신코일을 양쪽에 대칭으로 설치하는 새로운 구조를 제안하여 구조가 간단하고 기판의 수를 감소하여 제조원가를 절감하는 것이 가능한 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서를 제공하는 데 있다.
또 본 발명의 다른 목적은 신호처리기를 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 가산 및 감산한 다음 이를 승산 및 제산하는 것에 의하여 공통형 잡음(common mode noise)을 제거하는 것이 가능하도록 구성하여 전자파 적합성(EMC) 특성 등이 우수한 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서를 제공하기 위한 것이다.
그리고 본 발명의 또 다른 목적은 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 가산 및 감산한 다음 이를 승산 및 제산하는 것에 의하여 공통형 잡음(common mode noise)을 제거하므로 전자파 적합성(EMC) 특성 등이 우수하며 정확한 출력값을 얻을 수 있는 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 신호처리방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 제안하는 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서는 둥근 링형상으로 형성되며 발진기에 연결되는 여자코일과, 상기 여자코일로부터 일정한 간격을 두고 설치되며 반원형상으로 형성되는 커플러(coupler)와, 상기 커플러와 여 자코일 사이에 설치되고 중앙선을 중심으로 반원링형상이 양쪽에 대칭으로 위치하는 한쌍의 수신코일과, 상기 한쌍의 수신코일과 연결되고 상기 수신코일로부터 얻어지는 신호를 가산 및 감산하고 이를 승산 및 제산하여 출력하는 신호처리기를 포함하여 이루어진다.
상기 한쌍의 수신코일은 각각 하나의 선로로 이루어지며, 한쪽 단자로부터 반원을 그리며 형성된 다음 지름방향으로 직선을 이루며 형성된다.
상기 신호처리기는 상기 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 더하는 가산기와, 상기 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 감산하는 감산기와, 상기 가산기로부터 얻어진 값과 감산기로부터 얻어진 값을 승산하는 제1승산기와, 상기 감산기로부터 얻어진 값을 제곱하는 제2승산기와, 상기 제1승산기로부터 얻어진 값을 제2승산기로부터 얻어진 값으로 나누는 제산기를 포함하여 이루어진다.
상기 제1승산기와 제2승산기에는 저역통과필터가 각각 연결된다.
그리고 본 발명의 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 신호처리방법은 가산기에서 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 서로 더하고, 감산기에서 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 감산하고, 제1승산기에서 가산기에서 얻어진 값과 감산기에서 얻어진 값을 곱하고, 제2승산기에서 감산기에서 얻어진 값을 제곱하고, 제산기에서 제1승산기에서 얻어진 값을 제2승산기에서 얻어진 값으로 나누는 과정을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서에 의하면, 한쌍 의 수신코일을 각각 반원링형상으로 형성하여 동일 평면에 설치하므로, 구조가 간단해지고 기판의 수가 감소하며 제조원가가 절감된다.
그리고 본 발명에 따른 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 및 그 신호처리방법에 의하면, 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 가산기에서 가산하고 감산기에서 감산한 다음, 제1승산기에서 가산기의 값과 감산기의 값을 곱하고, 제2승산기에서 감산기의 값을 제곱한 뒤, 제산기에서 제1승산기의 값을 제2승산기의 값으로 나누는 비례적(ratio-metric) 방법에 의하여 공통형 잡음을 모두 제거하는 것이 가능하므로, 전자파 적합성(EMC) 특성이 매우 우수해지며, 정확한 측정값을 얻은 것이 가능하다.
다음으로 본 발명에 따른 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 및 그 신호처리방법의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서의 일실시예는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 여자코일(22)과, 한쌍의 수신코일(26), (28)과, 커플러(24), 신호처리기(30)를 포함하여 이루어진다.
상기 여자코일(22)은 둥근 링형상으로 형성된다. 상기 여자코일(22)은 원형링형상으로 선로를 다수회 감는 것으로 형성된다.
상기 한쌍의 수신코일(26), (28)은 상기 여자코일(22)로부터 일정한 간격을 두고 설치된다.
상기 한쌍의 수신코일(26), (28)은 각각 하나의 선로로 이루어진다.
상기 한쌍의 수신코일(26), (28)은 각각 중앙선을 중심으로 반원링형상이 양쪽에 대칭으로 위치하는 형상으로 배치된다. 예를 들면 제1수신코일(26)은 왼쪽으로 반원이 위치하며 중앙쪽에 직선이 위치하도록 배치하고, 제2수신코일(28)은 오른쪽으로 반원이 위치하면 중앙쪽에 직선이 위치하도록 배치한다.
상기 한쌍의 수신코일(26), (28)은 한쪽으로부터 반원을 그리며 형성된 다음, 지름방향으로 직선으로 형성된다.
상기 커플러(24)는 상기 여자코일(22)과의 사이에 수신코일(26), (28)을 사이에 두고 배치된다.
상기 커플러(24)는 반원형으로 형성된다.
상기 커플러(24)의 여자코일(22) 절반의 크기에 대응하는 반원형으로 형성한다.
상기 여자코일(22)에는 발진기(21)가 연결된다.
상기 신호처리기(30)는 상기 한쌍의 수신코일(26), (28)과 연결되어 상기 수신코일(26), (28)로부터 얻어지는 신호를 처리한다.
상기 신호처리기(30)는 가산기(32), 감산기(33), 제1승산기(34), 제2승산기(35), 제산기(38) 등을 포함하여 이루어진다.
상기 가산기(32)는 상기 제1수신코일(26) 및 제2수신코일(28)로부터 얻어진 신호를 더하여 출력한다.
상기 감산기(33)는 상기 제1수신코일(26)로부터 얻어진 신호에서 상기 제2수신코일(28)로부터 얻어진 신호를 감산하여 출력한다.
상기 제1승산기(34)는 상기 가산기(32)로부터 얻어진 값과 감산기(33)로부터 얻어진 값을 곱하여 출력한다.
상기 제2승산기(35)는 상기 감산기(33)로부터 얻어진 값을 제곱하여 출력한다.
상기 제1승산기(34) 및 제2승산기(35)에는 각각 저역통과필터(LPF)(36), (37)가 연결된다.
상기 제1승산기(34)와 저역통과필터(36)는 정류회로로서 기능한다.
상기 제산기(38)는 상기 제1승산기(34)로부터 얻어진 값을 제2승산기(35)로부터 얻어진 값으로 나누어 출력한다.
그리고 상기 신호처리기(30)는 상기 제산기(38)로부터 출력되는 값에 기준전압(Vref)을 곱하여 출력전압(Vout)으로 출력하는 제3승산기(39)를 더 포함하는 것도 가능하다.
다음으로 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서의 일실시예를 적용하여 상기 한쌍의 수신코일(26), (28)로부터 얻어지는 신호를 처리하는 과정을 설명한다.
먼저 상기 여자코일(22)에 발진기(21)를 통하여 발진전압(Vsoc)을 인가하면, 상기 제1수신코일(26) 및 제2수신코일(28)로부터 다음의 수학식 10 및 수학식 11과 같은 제1수신전압(Cx) 및 제2수신전압(Dx)이 얻어진다.
Figure 112008020085917-pat00010
Figure 112008020085917-pat00011
상기 수학식 10 및 수학식 11에서 C, D는 상수를 나타낸다.
상기 제1수신코일(26)과 제2수신코일(28)은 서로 180°의 위상차를 가지고 있으므로, 얻어지는 제1수신전압(Cx)과 제2수신전압(Dx)도 180°의 위상차를 가지며, 제2수신전압은(Dx)는 상기 수학식 11과 같이 변환할 수 있다.
상기 수학식 10 및 수학식 11에서 n(t)는 공통형 잡음(common mode noise)을 나타낸다.
상기 가산기(32)에서는 상기 제1수신전압(Cx)과 제2수신전압(Dx)을 더하여 출력하며, 그 값은 다음의 수학식 12와 같다.
Figure 112008020085917-pat00012
상기 감산기(33)에서는 상기 제1수신전압(Cx)으로부터 제2수신전압(Dx)을 감산하여 출력하며, 그 값은 다음의 수학식 13과 같다.
Figure 112008020085917-pat00013
상기 제1승산기(34)에서는 상기 가산기(32)에서 가산한 값(수학식 12)과 상기 감산기(33)에서 감산한 값(수학식 13)을 서로 곱하여 출력하며, 그 값은 다음의 수학식 14와 같다.
Figure 112008020085917-pat00014
상기 수학식 14에 있어서 sin2(wt)는 삼각함수 공식에 의하여 상기 수학식 5와 같이 나타내어지므로, 상기 수학식 14는 다음의 수학식 15와 같이 나타내어진다.
Figure 112008020085917-pat00015
상기 제1승산기(34)에 저역통과필터(36)를 연결하면, 상기 수학식 15에 있어서 cos(2wt) 및 sin(wt) 성분이 모두 제거되므로, 상기 수학식 15는 다음의 수학식 16과 같이 나타내어진다.
Figure 112008020085917-pat00016
마찬가지로 상기 제2승산기(35)에서 상기 감산기(33)에서 얻어진 값을 제공하고, 저역통과필터(37)를 통과시키면, 다음의 수학식 17과 같은 값이 출력된다.
Figure 112008020085917-pat00017
상기 수학식 16 및 수학식 17에서 확인되는 바와 같이, 동기되지 않은 노이즈(잡음)인 공통형 잡음은 정류회로에서 모두 제거되어 비례적(ratio-metric) 출력에 영향을 미치지 않게 된다.
상기 제산기(38)에서는 제1승산기(34)쪽에서 얻어진 값을 제2승산기(35)쪽에서 얻어진 값으로 나누어 출력하며, 그 값은 다음의 수학식 18과 같이 나타내어진다.
Figure 112008020085917-pat00018
상기 수학식 18에 있어서, 제1수신코일(26)과 제2수신코일(28)의 극성에 의하여 C, D는 서로 같은 양이며 서로 반대로 증감하므로, (C-D) 항은 각도정보를 나타내며, (C+D)항은 일정(C+D=상수)하게 된다.
따라서 (C-D)/(C+D)는 비례적(ratio-metric) 출력값이 된다.
상기 제3승산기(39)에서는 비례적 출력값에 기준전압(Vref)을 곱하여 최종 출력값(Vout)을 출력한다.
상기와 같은 과정을 거쳐서 신호를 처리하게 되면, 인덕턴스방식 앵글센서의 단점 중 하나인 코일 자체의 안테나 역할 때문에 설계가 완벽하지 않으면 전자파 적합성(EMC) 특성이 나빠지는 점을 개선하는 것이 가능하다. 또한, 공통형 잡음이 신호처리되는 과정에서 모두 상쇄되어 제거되고, 전자파 적합성에서 발생할 수 있는 잡음(노이즈)는 거의 대부분인 공통형 잡음이므로 이를 상쇄하는 것에 의하여 전자파 적합성 특성이 매우 향상된다.
상기에서는 본 발명에 따른 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 및 그 신호처리방법의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
도 1은 종래 인덕턴스방식 앵글센서를 나타내는 사시도이다.
도 2는 종래 인덕턴스방식 앵글센서에 있어서 신호처리기의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서의 일실시예에 있어서 신호처리기의 구성을 나타내는 블럭도이다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 둥근 링형상으로 형성되며 발진기에 연결되는 여자코일과, 상기 여자코일로부터 일정한 간격을 두고 설치되며 반원형상으로 형성되는 커플러와, 상기 커플러와 여자코일 사이에 설치되고 중앙선을 중심으로 반원링형상이 양쪽에 대칭으로 위치하는 한쌍의 수신코일과, 상기 한쌍의 수신코일과 연결되고 상기 수신코일로부터 얻어지는 신호를 가산 및 감산하고 이를 승산 및 제산하여 출력하는 신호처리기를 포함하고,
    상기 신호처리기는 상기 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 서로 더하는 가산기와, 상기 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호 중 하나의 수신코일로부터 얻어진 신호에서 다른 하나의 수신코일로부터 얻어진 신호를 감산하는 감산기와, 상기 가산기로부터 얻어진 값과 감산기로부터 얻어진 값을 승산하며 저역통과필터가 연결 설치되는 제1승산기와, 상기 감산기로부터 얻어진 값을 제곱하며 저역통과필터가 연결 설치되는 제2승산기와, 상기 제1승산기로부터 얻어진 값을 제2승산기로부터 얻어진 값으로 나누는 제산기를 포함하는 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서.
  3. 청구항 2에 기재된 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서를 통하여 얻어진 신호를 처리하는 인덕턴스방식 앵글센서 신호처리방법에 있어서,
    상기 신호처리기의 가산기에서 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호를 서로 더하고, 감산기에서 한쌍의 수신코일로부터 얻어진 신호 중 하나의 수신코일로부터 얻어진 신호에서 다른 하나의 수신코일로부터 얻어진 신호를 감산하고, 제1승산기에서 가산기에서 얻어진 값과 감산기에서 얻어진 값을 곱하고, 제2승산기에서 감산기에서 얻어진 값을 제곱하고, 제산기에서 제1승산기에서 얻어진 값을 제2승산기에서 얻어진 값으로 나누는 과정을 포함하는 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 신호처리방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1승산기에서는 가산기에서 얻어진 값과 감산기에서 얻어진 값을 곱한다음 저역통과필터를 통과시켜 필터링을 행하고,
    상기 제2승산기에서는 감산기에서 얻어진 값을 제곱한 다음 저역통과필터를 통과시켜 필터링을 행하는 내잡음성을 향상시킨 인덕턴스방식 앵글센서 신호처리방법.
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