KR100969590B1 - 엔진 속도 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

엔진 속도 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

엔진 속도 측정 장치 및 그 방법을 제공한다. 엔진 속도 측정 장치는 엔진의 회전수를 이용하여 생성된 정현파 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부와, 디지털 신호로 변환된 정현파 신호의 데이터 값에 대해 소정 연산 과정을 통해 각도를 구하고, 정현파 신호를 통해 생성된 펄스 신호에 대한 소정 샘플링 시간 동안의 펄스 개수 및 정현파 신호에 대한 각도의 변화 값을 이용하여 정현파 신호의 각도 변화량을 측정하는 각도 변화량 측정부 및 샘플링 시간 동안의 각도 변화량을 통해 엔진 속도를 측정하는 속도 측정부를 포함한다.
엔진 속도, 링기어, 펄스 신호, 정현파 신호

Description

엔진 속도 측정 장치 및 그 방법{Apparatus and method for measuring engine speed}
　본 발명은 엔진 속도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 링기어치에 인접하여 장착된 검출 센서에서 나오는 정현파 신호와 상기 정현파 신호로 생성한 펄스를 이용해 엔진 속도의 빠르기와 관계없이 정확한 엔진 속도를 측정하는 엔진 속도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래 엔진의 크랭크 샤프트와 같은 회전부분의 속도를 측정하기 위한 시스템들이 제안되어져 왔다. 통상의 회전 속도계는 엔진의 플라이휠 링기어치(齒)에 인접하여 장착된 마그네틱 센서에서 발생하는 정현파 신호를 펄스로 만들고, 이 펄스를 일정 시간간격으로 카운트하고, 카운트 값을 시간으로 나누어 엔진 속도를 측정한다. 링기어 상에는 많은 수의 치가 있지 않기 때문에 엔진이 일정 속도로 운전되고 있더라도 카운트되는 펄스의 개수가 달라져 측정 속도의 오차로 나타나게 된다.
도 1은 종래 엔진 속도 측정을 위한 M 방식을 설명하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 정현파 신호를 펄스 생성부를 이용해 펄스 신호(1)로 변환한 후, 한 샘플링 시간(2) 동안의 개수를 카운트하여 엔진의 순간속도 를 연산한다. 이러한 방식을 M 방식이라고 한다. 도 1에서, 등속 운전 중에서도 한 샘플링 시간(2) 동안 펄스 개수가 1개씩 차이가 난다. 또한, 카운트 값이 같다고 하더라도 실제로는 3.xx의 카운트 값이거나 2.xx의 카운트 값이지만, 분해능이 떨어지기 때문에 정수로만 표현이 가능하며, 이로 인해 속도 연산 후에도 한 펄스에 해당하는 속도 맥동이 나타난다. 따라서, 실제 속도와 다른 속도 값을 산출하게 되고, 특히 저속에서는 속도 측정이 불가능하게 된다. 샘플링 시간(2)을 충분히 길게 하게 되면 측정되는 속도 맥동은 줄어들지만 긴 샘플링 시간(2) 동안의 평균적인 속도만 알 수 있어, 순간적인 속도와는 차이가 생기게 되며, 순간적인 엔진 속도와는 오차가 생기게 된다.
이와 같이, 엔진 속도의 오류 판독으로 인해 그 결과 엔진 제어기(ECU)에서 가장 중요한 변수 인자인 엔진 속도를 기초로 한 모든 제어들에 있어서 틀린 결과를 산출하게 된다.
따라서, 엔진 속도의 빠르기와 관계없이 높은 정밀도를 가진 엔진 속도를 측정할 필요성이 제기된다.
본 발명은 엔진 속도측정 장치 및 그 방법을 제공하여, 링기어치에 인접하여 장착된 검출 센서에서 나오는 정현파 신호와 상기 정현파 신호로 생성한 펄스를 이용해 엔진 속도의 빠르기와 관계없이 정확한 엔진 속도를 측정하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 엔진 속도 측정 장치는 엔진의 회전수를 이용하여 생성된 정현파 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부와, 디지털 신호로 변환된 정현파 신호의 데이터 값에 대해 소정 연산 과정을 통해 각도를 구하고, 정현파 신호를 통해 생성된 펄스 신호에 대한 소정 샘플링 시간 동안의 펄스 개수 및 정현파 신호에 대한 각도의 변화 값을 이용하여 정현파 신호의 각도 변화량을 측정하는 각도 변화량 측정부 및 샘플링 시간 동안의 각도 변화량을 통해 엔진 속도를 측정하는 속도 측정부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 엔진 속도 측정 방법은 엔진의 회전수를 이용하여 생성된 정현파 신호를 디지털 신호로 변환하는 (a) 단계와, 디지털 신호로 변환된 정현파 신호의 데이터 값에 대해 소정 연산 과정을 통해 각도를 구하는 (b) 단계와, 정현파 신호를 통해 생성된 펄스 신호에 대한 소정 샘플링 시간 동안의 펄스 개수 및 정현파 신호에 대한 각도의 변화 값을 이용하여 정현파 신호의 각도 변화량을 측정하는 (c) 단계 및 샘플링 시간 동안의 각도 변화량을 이용하여 엔진 속도를 측정하는 (d) 단계를 포함한다.
본 발명의 엔진 속도측정 장치 및 그 방법에 따르면, 정현파 신호와 상기 정현파 신호로 생성한 펄스를 이용해 엔진 속도의 빠르기와 관계없이 정확한 엔진 속도를 측정할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 속도 측정 장치의 블록도이다.
엔진 속도 측정 장치(200)는 회전수 검출 센서부(210), 신호 변환부(220), 펄스 생성부(230), 각도 변화량 측정부(240) 및 속도 측정부(250)를 포함하며, 구체적으로 엔진의 크랭크 샤프트와 같은 회전 부분의 속도를 측정하기 위해 이용될 수 있다.
회전수 검출 센서부(210)는 링기어의 치(이하, 링기어치라고도 함)가 회전하면서 자석과 링기어치 사이의 릴럭턴스의 변화에 의한 유기 전압으로 정현파 신호를 생성한다. 즉, 회전수 검출 센서부(210)는 엔진 회전수에 대한 검출 센서로서 엔진의 회전수를 이용하여 정현파 신호를 생성 및 측정하게 된다.
그리고, 신호 변환부(220)는 상기 (아날로그) 정현파 신호를 디지털 신호로 변환한다. 신호 변환부(220)는 아날로그 정현파 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter)일 수 있으며, 이를 통해 상기 회전수 검출 센서부(210)를 통해 생성된 정현파 신호를 디지털 신호로 변환하게 된다.
펄스 생성부(230)는 정현파 신호와 정현파 신호의 최대크기의 절반에 해당하는 신호(
Figure 112008021506477-pat00001
)를 입력으로 하여 두 신호의 크기를 비교하고, 정현파 신호가 정현파 신호의 최대크기의 절반에 해당하는 신호 보다 클 경우는 하이(High), 정현파 신호가 정현파 신호의 최대크기의 절반에 해당하는 신호 보다 작을 경우에는 로우(Low) 신호를 출력으로 발생시켜 펄스 신호를 생성한다.
그리고, 각도 변화량 측정부(240)는 펄스 생성부(230)를 통해 생성된 펄스 신호에 대한 소정 샘플링 시간 동안의 펄스 개수를 구한다. 또한, 디지털 신호로 변환된 정현파 신호의 데이터 값에 대해 소정 연산 과정을 통해 각도(신호)를 구하고, 지난 샘플링 시간에서의 각도와 현재 샘플링 시간에서의 각도와의 차를 계산하여 정현파 신호의 각도 변화를 구한다. 각도 변화량 측정부(240)는 상기 펄스 개수와 상기 각도 변화를 이용하여 링기어의 각(도) 변화량을 계산(측정)한다.
속도 측정부(250)는 각도 변화량 측정부(240)를 통해 구해진 링기어의 각도 변화량을 통해 최종적으로 엔진 속도(즉, 링기어의 회전수)를 측정한다. 즉, 샘플링 시간은 엔진의 순간 속도를 연산하는 주기로서, 매 샘플링 시간에 따라 링기어의 각도 변화량이 계산되므로, 속도 측정부(250)는 해당 값을 샘플링 시간으로 나누어 링기어의 회전 속도를 계산하게 된다. 이하, 도 3 및 도 4를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 신호를 소정 연산하여 정현파 신호에서 각도 신호를 구하는 방법을 도시한다.
일반적인 M방식을 이용한 엔진 속도 측정의 경우 마이크로 컨트롤러를 이용해 펄스 개수를 일정 주기(샘플링 시간) 마다 측정하여 속도를 연산한다. 본 발명의 실시예에서는, 펄스 개수 뿐만 아니라 정현파 신호(304)를 신호 변환부(220)를 통해 한 주기에 두 번씩 디지털 신호로 변환하여 측정한다. 측정된 정현파 신호의 데이터의 차를 구하면 차의 부호(302)에 따라 양인 구간과 음인 구간으로 나눌 수 있는 데, 이는 일정시간 동안의 정현파 신호(304)의 변화량(기울기)을 구하는 과정이다. 즉, 1사분면과 4사분면의 경우 두 번째 변환된 값과 첫 번째 변환된 값의 차가 양(+)이고 2사분면과 3사분면은 음(-)이 된다.
또한, 디지털로 변환된 정현파 신호(306)가
Figure 112008021506477-pat00002
연산 과정을 거치면, -90~90의 각(도)을 얻을 수 있는데 1사분면과 2사분면은 0~90의 각이 한 주기에 한 번씩 중복되어 나타나고, 3사분면과 4사분면은 0~-90의 각이 한 번씩 중복되어 나타난다. 따라서, 앞서 판별한 정현파 기울기의 부호와
Figure 112008021506477-pat00003
연산을 통해 구한 각도를 이용하면, 1사분면, 2사분면, 3사분면, 4사분면의 4구역으로 구분할 수 있다. 이와 같이, 정현파 신호(304) 한 주기 동안의 각도 신호(306)를 구할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 신호를 이용해 생성한 펄스 신호와 각도 신호를 이용해 한 샘플링 시간동안 링기어치의 각도 변화량을 정밀하게 측정하는 방법을 나타낸다.
이어서 구체적으로 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 정현파 신호와 펄스 생성부(230)를 통해 정현파 신호로부터 생성된 펄스 신호(305)와, 상기 도 3을 통 해 구해진 정현파 신호의 각도 신호(306)를 이용하여, 한 샘플링 시간(2) 동안의 링기어치의 각도 변화량이 측정될 수 있다. 즉, 한 샘플링 시간(2) 동안의 펄스 개수 및 지난 샘플링 시간(10)에서의 각도와 현재 샘플링 시간(20)에서의 각도 차를 이용한 정현파 신호의 각도 변화의 값을 통해, 종래의 펄스 개수만으로 계산할 수 없없던, 정확한 링기어치의 각도 변화량을 알 수 있다. 바람직하게는 링기어의 각(도) 변화량은 수식 1과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112008021506477-pat00004
[수식 1]
상기 수식 1에 있어서, 괄호 속의 좌측 분수(
Figure 112008021506477-pat00005
)는 펄스 개수에 의한 각도 변화량을 나타내고, 우측 분수(
Figure 112008021506477-pat00006
)는 정현파 신호의 각도 신호(306)에 의한 각도 변화량을 나타낸다. 상기 N은 엔진 의 순간 속도를 연산하는 주기인 Ts 동안의 펄스 개수를 의미한다.
Figure 112008021506477-pat00007
[수식 2]
또한, 상기 수식 2에 있어서, 상기 샘플링 시간 동안의 링기어의 각도 변화량을 통해 정확한 엔진 속도(RPM)가 측정될 수 있다. 종래에는, 펄스 신호만 사용하여 속도를 계산할 경우, 한 샘플링 시간 당 펄스 수가 속도 계산에서의 분해능이 되지만, 본 발명의 실시예의 각도 변화량 측정부(240)에서 얻어진 각도 파형(306) 을 속도 연산에 반영하게 되면 분해능은 (1회전당 펄스 수) * 각도 변화량 측정부(240)의 분해능)이 되어 정확한 속도 연산이 가능하다. 예를 들어, 12 비트의 각도 변화량 측정부(240)를 사용할 경우 4096 배만큼 분해능이 높아지게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 속도 측정 방법의 순서도이다.
회전수 검출 센서부(210)가 링기어치가 회전하면서 자석과 링기어치 사이의 릴럭턴스의 변화에 의한 유기 전압을 통해 정현파 신호를 생성한다(S501).
다음으로, 신호 변환부(220)가 상기 정현파 신호를 디지털 신호로 변환한다(S511).
다음으로, 펄스 생성부(230)가 정현파 신호를 통해 펄스 신호를 생성한다(S521). 여기서, 펄스 생성부(230)는 정현파 신호와 정현파 신호의 최대 크기의 절반에 해당하는 신호를 입력으로 하여 두 신호의 크기 비교를 통해 펄스 신호를 생성할 수 있다.
다음으로, 각도 변화량 측정부(240)는 펄스 개수 및 정현파 신호의 각도 변화를 구한다(S531). 즉, 각도 변화량 측정부(240)는 펄스 생성부(230)를 통해 얻어진 펄스 신호를 통해 펄스 개수를 구하고, 디지털 신호로 변환된 정현파 신호의 데이터 값에 대해 소정 연산 과정을 통해 각도(신호)를 구하고, 지난 샘플링 시간에서의 각도와 현재 샘플링 시간에서의 각도와의 차를 계산하여 정현파 신호의 각도 변화를 계산할 수 있다.
또한, 각도 변화량 측정부(240)는 펄스 개수와 각도 변화를 이용하여 링기어의 각(도) 변화량을 계산한다(S541).
다음으로, 속도 측정부(250)는 각도 변화량 측정부(240)를 통해 구해진 링기어의 각도 변화량을 통해 최종적으로 엔진 속도를 측정한다(S551).
도 2에서 도시된 각각의 구성요소는 일종의 '모듈'로 구성될 수 있다. 상기 '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 종래 엔진 속도 측정을 위한 M 방식을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 속도 측정 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 신호에서 각도 신호를 구하는 방법을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 신호를 이용해 생성한 펄스 신호와 각도 신호를 이용해 한 샘플링 시간동안 링기어치의 각도 변화량을 정밀하게 측정하는 방법을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 속도 측정 방법의 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
210: 회전수 검출 센서부
220: 신호 변환부
230: 펄스 생성부
240: 각도 변화량 측정부
250: 속도 측정부

Claims (7)

  1. 엔진의 회전수를 이용하여 생성된 정현파 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부;
    디지털 신호로 변환된 상기 정현파 신호의 데이터 값에 대해 소정 연산 과정을 통해 각도를 구하고, 상기 정현파 신호를 통해 생성된 펄스 신호에 대한 소정 샘플링 시간 동안의 펄스 개수 및 상기 정현파 신호에 대한 상기 각도의 변화 값을 이용하여 상기 정현파 신호의 각도 변화량을 측정하는 각도 변화량 측정부; 및
    상기 샘플링 시간 동안의 상기 각도 변화량을 통해 엔진 속도를 측정하는 속도 측정부를 포함하는, 엔진 속도 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 각도 변화량은
    Figure 112010020862429-pat00008
    수식으로 계산되고, 상기 수식에서 N은 엔진의 순간 속도를 연산하는 주기인 Ts 동안의 상기 펄스 개수를 의미하는, 엔진 속도 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 엔진 속도는
    Figure 112010020862429-pat00009
    수식으로 계산되는, 엔진 속도 측정 장치.
  4. 엔진의 회전수를 이용하여 생성된 정현파 신호를 디지털 신호로 변환하는 (a) 단계;
    디지털 신호로 변환된 상기 정현파 신호의 데이터 값에 대해 소정 연산 과정을 통해 각도를 구하는 (b) 단계;
    상기 정현파 신호를 통해 생성된 펄스 신호에 대한 소정 샘플링 시간 동안의 펄스 개수 및 상기 정현파 신호에 대한 상기 각도의 변화 값을 이용하여 상기 정현파 신호의 각도 변화량을 측정하는 (c) 단계; 및
    상기 샘플링 시간 동안의 상기 각도 변화량을 이용하여 엔진 속도를 측정하는 (d) 단계를 포함하는, 엔진 속도 측정 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 각도는 상기 정현파 신호의 데이터 값에 대해
    Figure 112008021506477-pat00010
    연산을 수행하여 구해진, 엔진 속도 측정 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 각도 변화량은
    Figure 112010020862429-pat00011
    수식으로 계산되고, 상기 수식에서 N은 엔진의 순간 속도를 연산하는 주기인 Ts 동안의 상기 펄스 개수를 의미하는, 엔진 속도 측정 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 엔진 속도는
    Figure 112010020862429-pat00012
    수식으로 계산되는, 엔진 속도 측정 방법.
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