KR101006338B1 - 회전 운동 또는 회전 각의 검출시 틸팅각을 결정하고보상하는 방법 및 회로 장치 - Google Patents

회전 운동 또는 회전 각의 검출시 틸팅각을 결정하고보상하는 방법 및 회로 장치 Download PDF

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Abstract

센서 장치에 의해 다수의 위상 트랙들(2, 3, 4, 5)을 스캐닝함으로써 얻어진 위상 값들이 평가되는, 운동하는 기계적 부재에서의 회전각 또는 회전 운동을 검출하기 위한 방법이 제안된다. 부재의 운동 방향에 대해 수직으로 기울어진 센서 장치의 경사 위치로서의 틸팅각(γ) 및 이로써 야기된 측정 오차(△αi)가 보상 팩터(Q,q)에 의해 결정 및 평가되고, 상기 보상 팩터가 하기 방법 단계에 의해 검출된다. 모든 위상 트랙들(2, 3, 4, 5)의 위상 측정값들(αi)은 정수 엔트리를 갖는 m ×N-행렬(M)에 의해 m 신호들(S)로 변형되고, 상기 신호들(S) 중, 정수가 아닌 부분(s)이 식(6), s = S-round(S)에 의해, 절대 각 위치에 의존하지 않는 신호로서 평가되고, 교정 팩터(k)가 다차원 위상 평가 및 설정된 주기 수에 의존하는 벡터(C)에 의해 결정되고 상기 값(k 및 s)으로부터 보상 팩터(Q)가 검출된다.
위상 트랙, 센서 장치, 회전각, 틸팅각, 측정 오차, 보상, 교정

Description

회전 운동 또는 회전 각의 검출시 틸팅각을 결정하고 보상하는 방법 및 회로 장치{METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR RECORDING AND COMPENSATING A TILT ANGLE WHEN DETECTING A ROTATION MOVEMENT OR ANGLE}
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른, 센서 장치를 이용하여 특히 샤프트 또는 축의, 회전각 또는 회전 운동을 검출하는 경우, 틸팅각을 결정하고 보상하는 회로 장치 및 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 스티어링 휠이 회전하는 동안 차량의 스티어링 휠의 축에 작용하는 토크를 결정하기 위해서는, 스티어링 휠의 2 개의 회전 방향에서 매우 작은 각도 변화가 측정되어야 한다. 여기에, 광학적으로, 자기적으로, 또는 그외 방법으로 회전에 의해 생성되어 적합한 수단들에 의해 검출되는 신호들을 평가함으로써, 각 위치를 평가하는 각 트랜스미터가 사용될 수 있다. 측정의 정확도를 높이기 위해, 그리고 특히 회전 샤프트에서의 토션에 기초한 토크를 측정하기 위해 일반적으로 주기적으로 나타나는 다수의 측정값들이 평가되므로, 여기에는 많은 위상 측정값들이 나타나고, 그 값들로부터 측정하려는 값, 예컨대 회전각 또는 각 차이가 결정된다.
상기 위상 측정값들을 평가하기 위해, 2개보다 더 많은 위상 신호들이 제공되는 경우에는, 예컨대 DE 101 42 449 A1에 기재된 방법이 제안된다. 여기서는 측정된 위상 값들이 선형 변환 방법에 의해 산술적으로 변환되고, 설정된 가중에 의해 평가된다. 따라서 다의적이거나 경우에 따라 간섭을 받은 N개의 위상 측정값들로부터 아주 정확하고 안정적이고 일의적인 위상 측정값을 얻는 방법이 공지되어 있다. 상기 방법은, 예컨대 N개의 병렬 트랙들이 실린더 상에 장착된 광학 각 센서에 사용된다. 예컨대 광학인 경우, 명(밝음)-암(어두움)-전이의 ni개의 주기들에 의해 표시되는 위상 정보의 ni개의 주기들이 N개의 트랙들의 각각의 트랙 상에 놓인다(i=1...N). 예컨대 자기적 또는 용량적 원리와 같은 다른 센서 원리도 가능하다. 또한, 예컨대 거리 센서인 경우 센서의 트랙들이 실린더 대신 하나의 평면상에 장착될 수도 있다.
상술된, 실린더의 외주 상에 장착된, 축방향으로 상하로 배치된 N개의 병렬 트랙들을 가진 광학 각 센서의 경우, 센서 헤드 또는 판독기가 상기 장치의 축 방향으로 센서 트랙들에 대한 경사 위치를 갖는다. 상기 경사 위치의 각은 DE 102 47 319 A1에 설명되듯이 틸팅각이라고 하고, 이것은 한편 계산된 회전각의 에러를 야기하고, 또한 무엇보다 평가 방법의 안정성을 감소시킨다. 상기 경사 위치의 특정 값에서부터는 틸팅각의 보상 없이 평가가 불가능하다.
DE 102 47 321 A1에는, 예컨대, 유사한 센서 장치의 오프셋을 조정하는 방법의 경우, 조립시 고정적으로 발생되는 틸팅값이 보상될 수 있는 것이 공지된다. 틸팅각이 예컨대 열적 또는 기계적 영향에 의해, 작동하는 동안 또는 전체 수명에 걸쳐 변한다면, 틸팅각을 결정하고 경우에 따라 보상하는 것이 필요하다.
DE 102 47 319 A1에는, 언급했듯이, 상기 틸팅각을 보상하는 방법이 공지되는데, 틸팅각을 결정하기 위해, 최소 제곱법에 따라 틸팅각을 결정하는 방법이 사용된다. 상기 방법은 많은 바람직한 특성들을 갖지만, 비교적 작은 틸딩각에서만 사용될 수 있다.
그 자체만을 보면, 회전 실린더 상의 2개의 외부 트랙들의 위상 코드들을 동일하게 선택하는 것도 일반적이다. 틸팅각은 검출된 관련 위상 신호들을 비교하므로써 직접 결정될 수 있다; 여기서는 중간 트랙들로부터의 정보들은 사용되지 않는다. 그러나, 틸팅각 결정에만 사용되는, 추가 코드 트랙에 의한 비용 상승이 필요하다는 것이 단점이다. 또한 상기 방법은 비교적 작은 틸팅각들에만 사용될 수 있으므로 비교적 큰 틸팅각을 가진 전술한 센서 장치를 적용하는 다수의 경우에 틸팅각 결정을 위한 상기 공지된 방법이 사용될 수 없다.
도입부에 제시된, 운동하는 기계 부재에서의 회전 운동 또는 회전각을 검출하는 방법에 의해, 부재의 운동 방향에 대해 수직으로 상하로 조립되어 트랙들에 각각 할당 배치된 센서를 이용하여, 서로 상하로 배치된 다수의 위상 트랙들을 스캐닝함으로써 발생하는 위상 값들이 평가될 수 있다. 위상 값들은 예컨대 N개의 위상 측정값들로부터의 벡터를 N-1차원 공간으로 선형 변환시킴으로써, 산술적으로 변환될 수 있다.
본 발명에 의해, 바람직하게는 부재의 이동 방향에 대해 수직으로 기울어진 센서 장치의 경사 위치로서 틸팅각을 검출하고, 상기 틸팅각에 의해 야기된 측정 오차를 보상 팩터에 의해 보상하는 것이 하기 방법 단계로 실시될 수 있다.
모든 위상 트랙들의 위상 측정 값들은 각각 정수 엔트리를 갖는 소위 m ×N-행렬에 의해 실시예의 설명에 제시된 식(4)에 따라 m 신호로 변환된다. 유사한 행렬 연산은 도입부에서 언급된 DE 101 42 449 A1에서 상세하게 설명되어 있다. 상기 신호들 중에서 정수가 아닌 성분(s)은 식(6)에 따라 라운딩(rounding) 및 뺄셈에 의해 결정된다.
이렇게 결정된 신호들(s)은 DE 101 42 449 A1에 따라 사용되는 신호들에 상응하게 위상 신호와 동일한 특성을 갖는다. 본 발명에 따라, 보정 팩터(k)는 다른 다차원 위상 평가 및 미리 주어진 주기 수에 의존하는 벡터(c)에 의해 결정된다. k 및 s에 대한 값으로부터 보상 값(Q 또는 q ＊ d0)이 결정된다. 실제에서는 신호들(s)이 종종 심하게 간섭된다; 상기 신호들이 각 위치에 의존하지 않기 때문에, 상기 신호들이 다수의 측정에 의해 평균화될 수 있다. 평균화를 위해, 예컨대 상기 DE 1012 47 321 A1에 공지된 반복 평균화 방법이 사용될 수 있고, 산술적 평균은 식(6)에 따른 비선형 연산에 의해 실제 평균값과 편차를 가질 수 있다.
그러나 보상값은 바람직하게는 식(10)으로부터 최소 제곱법에 따라서도 검출될 수 있다.
또한 보상값으로부터 식(1)에 따라 계통적 측정 오차가 검출될 수 있고, 보상은 위상 측정값으로부터 측정 오차를 뺌으로써 이루어진다.
바람직하게는 본 발명에 의해, 비틀림(틸팅각)이 큰 경우에도 결정이 신뢰할 수 있게 이루어질 수 있는, 상기에 언급된 센서 장치에서의 틸팅각 결정이 가능해진다; 전형적으로 DE 102 47 319 A1에 공지된 방법에서보다 팩터 5 내지 10만큼 더 크다. 결정된 틸팅각은 매우 정확하고, 장치는 위상 측정 값들이 간섭되는 경우에도 매우 신뢰할 수 있게 동작한다.
본 발명에 따른 방법 및 제안된 회로 장치는, 제공되는 전체 정보, 특히 내부 위상 트랜스미터 트랙들의 위상 측정값들을 틸팅각의 일의적이고 정확한 결정을 위해 사용한다. 정확도와 안정성을 더 높이기 위해, 더 많은 측정에 대한 평균화가 이루어질 수 있다. 이것은, 위상 측정값들이 변환 단계에 의해, 각각의 센서의 절대 각 위치에 의존하지 않는 신호들로 바뀜으로써 달성된다.
오차의 보상 및 조정은 도입부에 언급된 DE 102 47 319 A1에서 기술된 바와 같이, 순수 산술적으로 이루어질 수 있다; 따라서, 센서 장치에서의 어떤 기계적 조치가 필요 없다. 가능 틸팅각의 범위를 감소시키기 위한, 생산 및 조립에서의 까다롭고 고비용인 기계적 조치 및 특별 절차가 절감되므로, 비용도 절약될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 센서 장치의 실시예가 도면을 참고로 설명된다.
도 1은 샤프트에 장착된 실린더 상의 광학 위상 트랙들의 기본적인 배치를 나타내고,
도 2는 광학 센서의 설정- 및 실제-위치를 상세하게 나타낸, 서로 상하로 배 치된 4 개의 위상 트랙들의 전개도이고, 및
도 3은 방법을 실시하기 위한 회로 장치의 실시예의 블록 회로도이다.
도 1에는 회전 부재로서의 축(1)이 개략적으로 도시되고, 상기 회전 부재의 회전각(Φ)은, 화살표 7에 따른 일 회전 동안, 센서 실린더(6) 상의 광학 트랜스미터인 명-암-필드들로 구성된 위상 트랙들(2, 3, 4 및 5)로부터 적합하게 마주 놓인 광학 센서 장치를 이용해서 검출될 수 있다. 상기 광학 센서 장치는 도입부에 종래 기술로서 언급된 DE 101 42 449 A1에 공지되어 있다.
본 발명에 따른 방법의 설명은 센서 장치의 신호들의 다차원 위상 평가에 의해 이루어지고, 도 2에는 위상 트랜스미터 트랙들(2 내지 5)이 전개도로서 도시된다. 센서 실린더(6)의 일 회전마다 개별 위상 트랙들(2 내지 5)에서 광학 신호 트랜스미터들이 n1, n2, n3, n4주기들을 지나갈 것이다.
도시되지 않은 센서 장치의 판독 헤드의 설정-위치(8)는 도 2에 파선으로 도시되고, 실제-위치인 실제의 조립 위치는 실선 9로서 도시되어 있다. 틸팅각(γ)은 여기에서 하부 위상 트랜스미터 트랙(5)으로부터 간격(d4)으로 이격된 조립 위치의 하부 회전점(D)으로부터의 센서 헤드의 경사 위치로서 나타나고, 위상 트랜스미터 트랙들(5 내지 2) 간의 다른 간격들은 d0으로 표시된다.
판독 헤드는 위상 트랜스미터 트랙들(2 내지 5) 각각에서 도 3에 따른 회로 장치를 이용하여 평가하려는, 명-/암-전이들 간의 위상각(α)을 측정하고, 센서 실린더(6)가 i번째의 트랙(n=1....i)에서 하나의 주기, 즉 흑-백 쌍만큼 회전하는 경우, 상응하는 위상각(α)이 0 내지 2π의 범위를 지나간다. 그러나, 본 방법의 하기 설명에서는 표준화된 위상각이 고려된다. 즉, 표준화된 위상각은 0 내지 2π의 범위 대신, 0 내지 1 범위를 지나간다.
위상 트랜스미터 트랙들(2 내지 5)의 주기적이고 따라서 다의적인 위상각들로부터, 도입부에 언급된 종래 기술 DE 101 42 449 A1에서 설명된 알고리즘을 이용하여 실린더 위상 트랜스미터 또는 센서의 일의적인 각 위치, 또는 선형 거리 트랜스미터의 경우 각각의 위치가 검출될 수 있다.
예컨대 판독 헤드가 공지된 회전점인 지점(D)을 가진 틸팅각(γ)을 가진다면, 이로써 야기된, 위상각(αi)의 측정 오차(△αi)에 대해 하기 식이 성립한다:
△αi = q ＊ di ＊ ni mod1 (1)
상기 식에서, di는 회전점(D)과 i번째 트랙과의 간격을 나타낸다. 즉, 회전점(D)과 트랙(4)과의 간격은 d4이다.
하기에서는 본 방법이 4 개의 위상 트랙들(2 내지 5)에 대해 설명되지만, 다른 개수의 트랙에도 쉽게 적용될 수 있다. 도 2에 도시된 장치에는 하기 식이 성립한다:
Figure 112007066642421-pct00001
이제, 팩터 q가 위상각(α)들의 측정값들로부터 결정될 수 있다; 상기 팩터는 틸팅각(γ) 및 센서 기하학에 의존한다. 위상 트랜스미터 트랙들(2 내지 5)의 캐리어인 반경(R)을 가진 실린더의 경우에는 예컨대 하기 식이 성립한다 :
Figure 112007066642421-pct00002
그러나, 본 발명에 따른 방법은 측정값들(αi)로부터 팩터(q)를 결정하는 것을 목표로 한다. 그러므로 식(1)에 따라 계통적 측정 오차(△αi)가 결정되고, 측정된 값들로부터 계산될 수 있다. 이를 위해, 도 3에는 회로 장치를 구현하기 위해 필요한 개별 방법 단계들을 가진 블록 회로도가 도시된다.
방법의 제 1 단계에서 측정값들(αi)이 도 3의 블록(10)에 따른 행렬 연산(M)을 이용하여 m 신호들(S)로 변환된다.
Figure 112007066642421-pct00003
상기 식에서 행렬(M)은 정수 엔트리 및 하기 특성을 갖는 소위 m ×N-행렬이다:
Figure 112007066642421-pct00004
상술된 DE 101 42 449 A1에 따라, 그 자체는 이미 공지된 제 1 단계는 행렬 곱 (B ＊ A)의 계산, 즉 다의적인 각 값들(αi)의 벡터를 행렬 A 와, 그리고 후속해서 행렬 B와 곱함으로써 실린더(6)의 일의적인 각을 계산하는 것이다. 행렬(M)은 행렬 곱(B ＊ A) 의 부분을 포함할 수 있다.
식(4)에 따른 신호들(S) 중에서 정수가 아닌 성분(s), 즉
s = S - round(S) (6)
이 도 3의 블록 11에 따라 고려된다. 신호들(s)에는 하기식이 성립한다:
s = C ＊ q ＊ d0 - k (7)
상기 식에서 k는 항상 정수 엔트리를 갖는 벡터(C), 즉
Figure 112007066642421-pct00005
와 정수의 공지되지 않은 벡터이다. 이로써, 식(7)에 따른 신호들(s)은 광학 센서의 절대 각 위치에 의존하지 않는다.
하기에는 미리 주어진 주기 수를 가진 예시의 수가 제시된다. 주기수, 즉
Figure 112007066642421-pct00006
에는, 하기 행렬(M)이 사용될 수 있다:
Figure 112007066642421-pct00007
상기 식에서 m=3 이고, 벡터 C는 하기와 같다.
Figure 112007066642421-pct00008
식(7)으로부터, 신호들(s)은 주기 수(C)를 갖는 위상 신호들과 정확히 동일한 특성을 갖는다. 즉, 검색된 값(q)을 결정하기 위해, 예컨대 DE 101 42 449 A1에 공지된 방법을 위상 신호를 측정하는데 사용할 수 있다. 이것은 식(7)에서 정수의 벡터(k)를 제공한다.
이로써, 식(7)은 틸팅각(γ)에 의해 야기된 오차를 위한 보상 값으로서 검색된 값(Q)에 대한 m 식들을 나타낸다.
Q = q ＊ d0 (9)
검색된 값(Q)에 대한 상술된 m 식들로부터, 최소 제곱법에 의해 Q에 대한 최적 값이 결정될 수 있다:
Figure 112007066642421-pct00009
상기 식에서 si, ki 및 Ci는 벡터들(si, ki 및 Ci는)의 성분들을 나타낸다.
식(10)에 따른 값(Q)은 틸팅각 오차를 보상하는데 사용될 수 있고, 틸팅각(γ) 자체가 요구되는 경우, 식(3)에 의해 계산될 수 있다. 그러나, 일반적으로 식(9)으로부터 곱 (Q = q ＊ d0)을 아는 것으로 충분하다. 또한, 종종 값(Q)에 대해, 일의성 범위(-0.5 내지 0.5)의 작은 부분만이 고려되는 것으로도 충분하므로, s(식(7))에 대한 값들로부터 값(k)을 결정하는 것이 간단해질 수 있다.
도 3으로부터는, 블록(12)에서 값(Q)을 계산하기 위해, 값(k)을 결정하기 위한 블록(13)에 따른 다차원(m-차원) 위상 평가 및 식(6)에 따른 s에 대한 값들이 사용되는 것을 알 수 있다.
많은 적용의 경우에서, 신호들(s)이 종종 심하게 간섭된다. 상기 신호들이 신호 실린더(6)(도 1)의 각 위치에 의존하지 않기 때문에, 상기 신호들은 특히 다수의 측정에 의해 평균화될 수 있다. 평균화를 위해, 여기에서는 예컨대 블록 14에 따라, 이미 공지된 반복 평균화 방법이 사용될 수 있고, 산술적 평균은 식(6)에 따른 비선형 연산에 의해 실제 평균값의 편차를 가질 수 있다.

Claims (5)

  1. 운동하는 기계 부재에서의 회전각 또는 회전 운동을 검출하기 위한 방법으로서,
    - 센서 장치에 의해 다수의 위상 트랙들(2, 3, 4, 5)을 스캐닝함으로써 발생한 위상 측정 값들을 평가하는 단계, 및
    - 부재의 운동 방향에 대해 수직으로 기울어진 센서 장치의 경사 위치로서 틸팅각(γ)을 결정하고 상기 틸팅각에 의해 야기된 측정 오차(△αi)를 보상 팩터(Q,q)에 의해 보상하는 단계를 포함하고,
    상기 보상 팩터는,
    - 모든 상기 위상 트랙들(2, 3, 4, 5)의 위상 측정값들(αi)을 정수 엔트리를 갖는 m ×N-행렬(M)에 의해 m 신호들(S)로, 즉 하기 식(4)에 따라 변환하는 단계,
    Figure 112009076519810-pct00010
    - 상기 신호들(S) 중, 정수가 아닌 성분(s)을 식 s = S-round(S)에 의해, 절대 각 위치에 의존하지 않는 신호로서 평가하는 단계,
    - 보정 팩터(k)를 다차원 위상 평가, 및 미리 주어진 주기 수에 의존하는 벡터(C)에 의해 결정하고, 상기 값들(k 및 s)로부터 보상 값(Q)을 결정하는 단계에 의해 결정되는 회전각 또는 회전 운동을 검출하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보상 값(Q,q)이 하기 식(10)으로부터,
    Figure 112009076519810-pct00011
    최소 제곱법에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 회전각 또는 회전 운동을 검출하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 신호들(s)이 평균화되는 것을 특징으로 하는 회전각 또는 회전 운동을 검출하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보상 값(Q,q)으로부터 계통적 측정 오차(△αi)가 식(1) △αi = q ＊ di ＊ ni에 따라 검출되고, 상기 식에서 di는 상기 틸팅각(γ)의 회전점(D)과 트랙간의 간격이고, 보상은 상기 위상 측정값(αi)으로부터 상기 측정 오차(△αi)를 뺌으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전각 또는 회전 운동을 검출하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법을 실시하기 위한 회로 장치에 있어서,
    틸팅각(γ)을 결정하고 보상하기 위해, 상기 센서 장치는 상기 위상 트랜스미터 트랙들(2 내지 5)을 구비한 회전 신호 실린더(6)에 대해 마주보게 배치되고, 상기 센서 장치는 위상 신호 평가를 위한 블록들(10, 11, 12, 13, 14)에 의해, 상기 위상 트랜지스터 트랙들(2 내지 5)의 측정된 상기 위상 측정값들(αi)로부터 팅틸각 오차에 대한 보상 신호(Q)를 결정할 수 있는 것을 특징으로 하는 회전각 또는 회전 운동을 검출하기 위한 회로 장치.
KR1020077021064A 2005-03-14 2006-01-18 회전 운동 또는 회전 각의 검출시 틸팅각을 결정하고보상하는 방법 및 회로 장치 KR101006338B1 (ko)

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