KR101158812B1 - 변위 센서 및 이를 이용한 자기 베어링 시스템 - Google Patents

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Abstract

변위 센서 및 이를 이용한 자기베어링 시스템에 있어서 변위 센서는, 적어도 하나의 코일을 포함하는 제1 코일부, 1 코일부의 코일의 일측과 차동 접속되어 있는 적어도 하나의 코일을 포함하는 제2 코일부, 동일한 구동 주파수를 가지는 제1 전원 전압 및 제2 전원 전압을 공급하는 센서 구동 수단 및 제1 코일부 및 제2 코일부에서 생성된 차동 신호로부터 변위 정보를 추출하는 검출 회로를 포함한다.

Description

변위 센서 및 이를 이용한 자기 베어링 시스템{DISPLACEMENT SENSOR AND MAGNETIC BEARING SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 센서 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변위 센서 및 이를 이용한 자기 베어링 시스템에 관한 것이다.
변위 측정 목적물의 변위를 감지하고 신호화 하는 것을 변위 센서라고 하며, 이 중 상기 목적물의 위치 변화에 따른 상호 인턱턴스의 변화에 따른 차동 신호를 이용하는 것을 인덕티브 변위 센서라고 한다. 일반적으로 인덕티브 변위 센서는 변위 측정 목적물에 위치의 변화가 있는 경우에 그에 따른 상호 인덕턴스 변화를 일으키는 일단이 코일들, 구동 전압을 공급하는 센서 구동 수단, 상기 상호 인덕턴스의 변화에 따른 차동 신호를 출력시키는 차동 회로 및 상기 차동 회로로부터 얻어지는 차동 신호로부터 진폭 정보를 검출하는 검출 회로를 포함한다.
회전체에 직접 접촉하지 않으면서 자력을 이용하여 회전체를 지지하는 자기 베어링은 일반 산업 제품, 공업 제품 많이 채용되고 있다. 자기 베어링의 구현 기술에 따라 회전체를 당기는 흡입 방향 또는 수직 방향으로 불안정한 성질을 가진다. 이러한 불안정한 요소를 해소 하고 자기 베어링의 성공적인 실현을 위해서, 회전체의 변위를 감지하여 그에 따라 전류를 조절하여 회전체가 일정 위치에서 지지될 수 있도록 하는 제어 기술 중요하다. 즉, 회전체의 위치의 변화를 감지하는 변위 센서의 성능에 따라 자기 베어링의 정밀도와 정확도가 변하게 되므로, 자기 베어링의 정밀도와 정확도를 향상시키기 위해 변위 센서의 센서 대역폭을 향상시킬 수 있는 기술이 필요하다.
상기 자기 베어링의 회전체의 위치의 변화를 감지하기 위한 변위 센서로서 회전체의 위치의 변화에 따라 발생하는 상호 인덕턴스의 변화의 감지를 통해 회전체의 변위를 측정하는 인덕티브 변위 센서가 자기베어링의 회전체 제어에 주로 활용되었다. 종래의 인덕티브 변위 센서는 각 코일에 동일한 전원을 공급하여 어느 한 코일에서 생성되는 전기신호와 상기 코일과 대비되는 코일에서 생성되는 신호와의 차이를 별도의 차동 회로를 통하여 얻음으로서 변위 센서 하나당 최소 하나의 차동 회로를 구현해야 하는 문제점이 있다.
반파 혹은 정파 정류를 통한 변위 검출 회로를 이용한 종래의 인덕티브 변위 센서는 검출 회로의 성질상 변위 신호 검출과정에서 필연적으로 구동 주파수의 고조파(harmonics) 성분의 리플(ripple)이 발생한다. 이를 제거하기 위해 낮은 차단 주파수를 갖는 저역 통과 필터를 사용하게 됨으로써, 출력되는 변위 신호의 주파수는 구동 주파수보다 낮은 주파수를 갖게 된다. 이러한 출력 변위 신호의 낮은 주파수는 변위 센서의 정확도 및 정밀도를 저하시키는 문제점이 있었다. 더불어, 이와 같은 종래의 인덕티브 변위 센서의 문제점은 자기 베어링 제어의 정확도와 정밀도를 저하시킨다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 정밀도를 높일 수 있는 변위 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 상기 변위 센서를 포함하는 자기 베어링 시스템을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 효과는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센서는 제1 코일부, 제2 코일부, 센서 구동 수단 및 검출 회로를 포함한다. 상기 제1 코일부는 적어도 하나의 제1 코일을 포함한다. 상기 제2 코일부는 상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측과 차동 접속되어 있는 적어도 하나의 제2 코일을 포함한다. 상기 센서 구동 수단은 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에 동일한 구동 주파수를 가지는 제1 전원 전압 및 제2 전원 전압을 각각 공급한다. 상기 검출 회로는 변위 측정 목적물의 위치 변화에 따른 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 적어도 하나의 제2 코일의 인덕턴스의 변화로 인해 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 차동 신호로부터 변위 정보를 추출한다.
실시예에 있어서, 상기 검출 회로는 동기화부 및 샘플앤홀드 회로를 포함할 수 있다. 상기 동기화부는 상기 구동 주파수를 가지는 타이밍 신호를 생성한다. 상기 샘플앤홀드 회로는 상기 동기화부로부터 입력 받은 타이밍 신호에 기초하여 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 출력 신호를 샘플링하고 홀드하여 진폭 정보를 생성한다.
실시예에 있어서, 상기 검출 회로는 대역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 더 포함 할 수 있다. 상기 대역 통과 필터는 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 차동 신호의 저주파 및 고주파 성분을 제거한다. 상기 저역 통과 필터는 상기 샘플앤홀드 회로의 출력신호의 고주파 성분을 제거한다.
실시예에 있어서, 상기 저역 통과 필터의 차단 주파수는 상기 구동 주파수 보다 높을 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 제2 코일부의 상기 적어도 하나의 제2 코일은 변위 측정 목적물을 중심으로 대향할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측과 상기 제2 코일부의 상기 적어도 하나의 제2 코일의 일측이 차동 접속되어 있고, 상기 제1 전원 전압 및 상기 제2 전원 전압의 위상차는 180도일 수 있다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베이링 시스템은, 회전체, 상기 회전체를 회전시키는 모터, 적어도 하나의 자기 베어링 및 적어도 하나의 변위 센서를 포함한다. 상기 적어도 하나의 자기 베어링은 상기 모터에 의하여 회전하는 상기 회전체를 지지한다. 상기 적어도 하나의 변위 센서는 상기 회전체의 변위를 검출한다. 상기 적어도 하나의 변위 센서는 제1 코일부, 제2 코일부, 센서 구동 수단 및 검출 회로를 포함한다. 상기 제1 코일부는 적어도 하나의 제1 코일을 포함한다. 상기 제2 코일부는 상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측과 차동 접속되어 있는 적어도 하나의 제2 코일을 포함한다. 상기 센서 구동 수단은 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에 동일한 구동 주파수를 가지는 제1 전원 전압 및 제2 전원 전압을 각각 공급한다. 상기 검출 회로는 변위 측정 목적물의 위치 변화에 따른 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 적어도 하나의 제2 코일의 인덕턴스의 변화로 인해 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 차동 신호로부터 변위 정보를 추출한다
상기 자기 베어링 시스템의 실시예에 있어서, 상기 검출 회로는 동기화부 및 샘플앤홀드 회로를 포함할 수 있다. 상기 동기화부는 상기 구동 주파수를 가지는 타이밍 신호를 생성한다. 상기 샘플앤홀드 회로는 상기 동기화부로부터 입력 받은 타이밍 신호에 기초하여 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 출력 신호를 샘플링하고 홀드하여 진폭 정보를 생성한다.
상기 자기 베어링 시스템의 실시예에 있어서, 상기 검출 회로는 대역 통과 필터 및 저역 통과 필터를 더 포함 할 수 있다. 상기 대역 통과 필터는 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 차동 신호의 저주파 및 고주파 성분을 제거한다. 상기 저역 통과 필터는 상기 샘플앤홀드 회로의 출력신호의 고주파 성분을 제거한다.
상기 자기 베어링 시스템의 실시예에 있어서, 상기 저역 통과 필터의 차단 주파수는 상기 구동 주파수 보다 높을 수 있다.
상기 자기 베어링 시스템의 실시예에 있어서, 상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 제2 코일부의 상기 적어도 하나의 제2 코일은 변위 측정 목적물을 중심으로 대향할 수 있다.
상기 자기 베어링 시스템의 실시예에 있어서, 상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측과 상기 제2 코일부의 상기 적어도 하나의 제2 코일의 일측이 차동 접속되어 있고, 상기 제1 전원 전압 및 상기 제2 전원 전압의 위상차는 180도일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 변위 센서의 출력 신호의 주파수 특성을 좋게 함으로써, 고속의 회전체에 대한 변위 센서의 정확도와 정밀도를 높일 수 있다. 또한 고속 회전체에 대한 자기 베어링의 제어의 정확도 및 정밀도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센서의 블록도이다.
도 2는 도 1의 변위 센서에 포함된 검출회로의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 변위 센서에 포함된 센서 구동 수단의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이디얼 변위 센서를 나타내는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑시얼 변위 센서를 나타내는 회로도이다.
도 6a은 도1의 제1 코일부 및 제2 코일부의 출력 신호인 차동 신호의 일례를 나타낸 파형도이다.
도 6b은 도3의 동기화부의 출력 신호인 타이밍 신호의 일례를 나타낸 파형도이다.
도 6c은 도1의 검출 회로의 출력 신호인 변위 신호의 일례를 나타낸 파형도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 시스템을 나타내는 사시도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센서를 나타내는 블럭도다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센서(10)는 제1 코일부(210), 제2 코일부(220), 센서 구동 수단(100) 및 검출 회로(300)를 포함한다. 제1 코일부(210)는 적어도 하나의 제1 코일을 포함한다. 제2 코일부(220)는 제1 코일부(210)의 상기 적어도 하나의 코일의 일측과 차동 접속되어 있는 적어도 하나의 제2 코일을 포함한다. 센서 구동 수단(100)은 제2 코일부(220), 제1 코일부(210) 및 제2 코일부(220)에 동일한 구동 주파수를 가지는 제1 전원 전압(V1) 및 제2 전원 전압(V2)을 각각 공급한다. 검출 회로(300)는 변위 측정 목적물의 위치 변화에 따른 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 적어도 하나의 제2 코일의 인덕턴스의 변화로 인해 제1 코일부(210) 및 제2 코일부(220)에서 생성된 차동 신호(Vo)로부터 변위 정보를 추출한다.
상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측은 센서 구동 수단(100)이 공급하는 교류 전압(V1)과 연결되어 있고, 상기 적어도 하나의 제2 코일의 일측은 센서 구동 수단(100)이 공급하는 교류 전압(V1)과 연결되어 있다. 상기 적어도 하나의 제1 코일의 타측과 상기 적어도 하나의 제2 코일의 타측은 서로 차동 접속 되어 있다.
도 2는 도1의 변위 센서에 포함된 센서 구동 수단의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 센서 구동 수단(100)은 도 1에 도시된 제1 코일부(210) 및 제2 코일부(220)에 동일한 주파수를 가지고 다른 위상을 가지는 전원 전압을 전달 할 수 있다. 예를 들면, 동일한 구동 주파수를 가지는 교류 전압이 제1 및 제2 코일부(210, 220)에 입력 될 수 있다. 상기 구동 주파수는 1KHz 보다 크고 100KHz보다 작은 값을 가질 수 있고, 그 교류 파형은 정현파, 구형파, 삼각파, 톱니파 등의 형태를 가질 수 있다. 센서 구동 수단(100)이 공급하는 제1 전압(V1)과 제2 전압(V2)의 진폭은 동일한 크기를 가질 수 있다.
제1 코일부(210)의 상기 적어도 하나의 제1 코일은 제2 코일부(220)의 상기 적어도 하나의 제2 코일과 차동 접속될 수 있다. 상기 제1 코일부(210)의 상기 적어도 하나의 제1 코일과 제2 코일부(220)의 상기 적어도 하나의 제2 코일이 차동 접속된 접속부에서 변위 측정목적물의 변위에 따른 차동 신호(Vo)가 발생할 수 있다. 차동 신호(Vo)는 검출회로(330)에 입력되어 처리 과정을 거침으로써 직류형태의 변위 신호(Vd)로 변환 될 수 있다. 검출회로(330)의 특성에 따라 변위 신호(Vd)의 주파수 특성을 달라질 수 있다.
검출 회로(300)는 동기화부(310) 및 샘플앤홀드 회로(320)을 포함할 수 있다. 동기화부(310)은 상기 구동 주파수를 가지는 타이밍 신호(Vp)를 생성한다. 샘플앤홀드 회로(320)은 동기화부(310)로부터 입력 받은 타이밍 신호(Vp)에 기초하여 제1 코일부(210) 및 제2 코일부(220)에서 생성된 차동 신호(Vd)를 샘플링하고 홀드하여 진폭 정보를 생성한다.
제1 코일부(210)와 제2 코일부(220)가 포함하는 코일의 개수에 따라 차동 신호(Vd)의 개수는 달라진다. 본 발명의 실시예에 따르면 차동 신호(Vd)의 개수는 2개 이상일 수 있다. 따라서 검출회로(300)는 각 차동 신호(Vd)를 처리하기 위한 복수의 샘플앤홀드 회로(320)를 포함할 수 있다. 제2 코일부(220)은 제1 코일부(210)가 포함하는 상기 제1 코일과 동일한 수의 상기 제2 코일을 포함할 수 있다. 동기화부(310)은 동기신호(Vp)를 생성하기 위한 주파수 정보 또는 동기정보를 센서 구동 수단(100)으로부터 입력 받을 수 있다. 또는, 동기화부(310)는 주파수 정보 또는 동기정보를 센서 구동 수단(100)에 전달 할 수 있다.
도 3는 도 1의 변위 센서에 포함된 센서 구동 수단의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3를 참조하면, 도 1의 변위 센서(10)는 대역 통과 필터(330) 및 저역 통과 필터(340)를 더 포함할 수 있다. 대역 통과 필터(330)는 제1 코일부(210) 및 제2 코일부(220)에서 생성된 차동 신호(Vd)의 저주파 및 고주파 성분을 제거한다. 저역 통과 필터(340)은 대역 통과 필터(330) 및 샘플앤홀드 회로(320)의 출력신호의 고주파 성분을 제거한다.
검출 회로(300)가 대역 통과 필터(330) 또는 저역 통과 필터(340)를 더 포함하는 경우에 동기화부(310)은 신호가 대역 통과 필터(330) 또는 저역 통과 필터(340)를 통과하는 시간을 고려하여 타이밍 신호(Vp)를 생성할 할 수 있다. 동기화부(310)는 샘플앤홀드 회로(320)가 차동 신호 (Vo)가 극대일 때 차동 신호(Vo)를 샘플링하고 홀드하여 변위 신호(Vd)를 생성하도록 타이밍 신호(Vp)를 생성할 수 있다. 동기화부(119)는 샘플앤홀드 회로(117)가 출력 전압(Vo1, Vo2)의 피크 전압 시점이 아닌 다른 시점에서 출력 전압(Vo1, Vo2)을 샘플링하고 홀드하여 감지 신호(VS1, VS2)를 생성하도록 타이밍 신호를 생성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대역 통과 필터(330)의 하위 차단주파수는 제1 및 제2 코일부(210, 220)에 가해지는 전원 전압의 구동 주파수 보다 낮을 수 있고, 상위 차단주파수는 상기 구동 주파수의 2배보다 낮을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대역 통과 필터(330) 또는 저역 통과 필터(340)는 차동 신호(Vo) 또는 샘플앤홀드 회로(320)의 출력신호의 상기 구동 주파수 성분의 위상을 동일하게 유지 시킬 수 있다.
저역 통과 필터(340)의 차단 주파수는 상기 구동 주파수 보다 높은 값을 가질 수 있다.
저역 통과 필터(340)의 차단 주파수는 제1 및 제2 코일부(210,220)에 가해지는 전원 전압의 구동 주파수 보다 높고, 상기 구동 주파수의 2배 보다 낮을 수 있다.
제1 코일부(210)의 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 제2 코일부(220)의 상기 적어도 하나의 제2 코일은 변위 측정 목적물을 중심으로 대향할 수 있다.
제1 코일부(210)의 상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측과 제2 코일부(220)의 상기 적어도 하나의 제2 코일의 일측이 차동 접속되어 있고, 제1 전원 전압(110) 및 상기 제2 전원 전압(120)의 위상차는 180도일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이디얼 변위 센서(20a)를 나타내는 회로도이다.
도 4를 참조하면, 제1 코일부(210a)는 2개의 제1 코일(212a, 214a)를 포함할 수 있고, 제2 코일부(220a)는 2개의 제2 코일(222a, 224a)를 포함할 수 있다. 레이디얼 변위 센서(20a)의 변위 측정 목적물은 도면과 수직방향의 축을 중심으로 회전하는 회전체(22a)이며, 변위 측정을 효율성을 위하여 제1 코일(212a)와 제2 코일(222a)가 대향하는 방향과, 제1코일(214a)와 제2 코일(224a)가 대향하는 방향이 수직을 이루도록 제1 코일(212a, 214a)과 제2 코일(222a, 224a)이 배치될 수 있다. 이 경우, 차동 신호(Vo)는 총 2개(Vo1, Vo2)이며, 상기 언급한 바와 같이, 검출회로(300)는 총 2개의 샘플앤홀드 회로(320)을 포함할 수 있다. 더불어, 검출회로(300)의 출력 신호인 변위 신호(Vd)는 총 2개(Vd1, Vd2)이다. 이와 같은 레이디얼 변위 센서(20a)를 이용하면 변위 측정 목적물인 회전체(22)의 도 4상의 x축 방향의 변위와 y축 방향의 변위를 측정할 수 있다.
회전체(22a)가 회전축으로부터 벗어나게 되면 회전체(22a)와 제1 코일(212a, 214a) 및 제2 코일(222a, 224a) 사이의 위치 관계에 따라 코일들에 의해 형성되는 자기장이 지나가는 공간의 자기저항이 변화하게 된다. 따라서, 제1 코일(212a, 214a) 및 제2 코일(222a, 224a)의 인덕턴스가 변하게 된다. 위와 같은 인덕턴스의 변화는 제1 코일(212a, 214a) 및 제2 코일(222a, 224a)의 출력 신호인 차동 신호(Vo1, Vo2)의 변화를 야기하므로 회전체(22a)의 변위를 감지할 수 있다.
제1 코일(212a)과 제2 코일(222a)이 차동 결합되어 있고, 제1 코일(214a) 및 제2 코일(224a)이 차동 접속되어 있는 경우, 회전체(22a)의 변위에 따른 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일들의 전압 신호는 각각 서로 반대의 극성을 갖도록 형성되므로 코일들이 서로 접속된 곳에서 차동 신호(Vo1, Vo1)를 별도의 차동 회로를 사용하지 않고 구할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑시얼 변위 센서(20b)를 나타내는 회로도이다.
도 5를 참조하면, 제1 코일부는 1개의 제1 코일(212b)를 포함할 수 있고, 제2 코일부(220a)는 1개의 제2 코일(222b)를 포함할 수 있다. 엑시얼 변위 센서(20b)의 변위 측정 목적물은 도면과 수평방향의 축인 z축을 중심으로 회전하는 회전판(22b) 또는 이와 회전축을 공유하며 결속되어 있는 회전기둥(24b) 이며, 회전판(22b)의 z축 방향으로 상하에 제1 코일(212b) 및 제2 코일(222b)를 배치 할 수 있다. 이와 같은 엑시얼 변위 센서(20b)를 이용하면 변위 측정 목적물인 회전판(22a) 또는 회전기둥(24b)의 도 4상의 z축 방향의 변위를 측정할 수 있다.
도 6a는 도1의 제1 코일부(210) 및 제2 코일부(220)의 출력 신호인 차동 신호(Vo)를 나타내는 파형도이다.
도 6a를 참조하면, 차동 신호(Vo)의 주파수는 상기 구동 주파수와 동일하고, 파형의 진폭은 변위 측정 목적물인 회전체의 변위에 비례한다. 예를 들어 변위의 정도가 감소하면 도 6a의 그림과 같이 두 번째 피크의 절대값은 첫 번째 피크의 절대값에 비해 작아질 수 있다.
도 6b는 도3의 동기화부(310)의 출력 신호인 타이밍 신호(Vo)를 나타내는 파형도이다.
도 6b를 참조하면, 타이밍 신호(Vp)의 주파수는 상기 구동 주파수와 동일하고, 위상이 차동 신호(Vo)와 동일하므로, 타이밍 신호(Vp)는 차동 신호(Vo)가 극대일 때 일정한 크기의 임펄스를 가지는 임펄스 열 신호가 된다. 이상적인 임펄스 열 신호는 구현이 불가능 하므로, 임펄스 열 신호는 실제적으로 좁은 폭을 가지는 구형 펄스열이 될 수 있다.
도 6c는 도1의 검출회로(300)의 출력 신호인 변위 신호(Vd)를 나타내는 파형도이다.
도 6c를 참조하면, 변위 신호(Vd)는 샘플앤홀드 회로(320)에 의하여 타이밍 신호(Vp)에 기초하여 차동 신호(Vo)의 값을 샘플하고 샘플한 값(Va1)으로 다음 샘플시까지 유지하도록 홀드하여 생성된다. 예를 들어, 첫 번째 샘플한 값(Va1)으로 변위 신호의 출력이 유지되고 있다가, 도 6a의 파형도와 같이 변위의 정도가 시간의 지남에 따라 감소하면 두 번째 샘플한 값(Va2)는 첫 번째 샘플한 값(Va1)보다 작을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 시스템(40)을 나타내는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 모터(430)에 의하여 회전하는 회전체(410, 420)를 지지하는 총 2개의 레이디얼 베어링(450a, 450b)에 의하여 x축 및 y축 방향으로 지지되고, 총 1개의 엑시얼 베어링(470)에 의하여 z축 방향으로 지지된다. 각각의 자기 베어링의 제어를 위해 회전기둥(410) 또는 회전판(420)의 변위 정보가 필요하며, 이는 총 3개의 변위 센서(440a, 440b, 460)를 통해서 얻을 수 있다. 레이디얼 베어링(450a, 450b)은 회전기둥(410)이 x축 또는 y축 방향으로 병진 운동 하지 않도록 회전기둥을(410) 지지 및 제어한다. 엑시얼 베어링(470)은 회전기둥(410)에 결속된 회전판(420)을 z축 방향으로 병진운동 하지 않도록 지지 및 제어한다. 이와 같은 지지 및 제어를 통해 회전기둥(410) 및 이와 결속된 회전판(420)은 x축 또는 y축을 축으로 하는 회전운동이 일어나지 않도록 지지 및 제어 될 수 있다.
일 실시예에서, 자기 베이링 시스템(40)은, 회전체(410, 420), 회전체(410, 420)를 회전시키는 모터(430), 적어도 하나의 자기 베어링(450a, 450b, 470) 및 적어도 하나의 변위 센서(440a, 440b, 460)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 자기 베어링(450a, 450b, 470)은 모터(430)에 의하여 회전하는 회전체(410, 420)를 지지한다. 적어도 하나의 변위 센서(440a, 440b, 460)는 회전체(410, 420)의 변위를 검출한다. 적어도 하나의 변위 센서(440a, 440b, 460)는 제1 코일부(210), 제2 코일부(220), 센서 구동 수단(100) 및 검출 회로(300)를 포함한다. 제1 코일부(210)는 적어도 하나의 제1 코일을 포함한다. 제2 코일부(220)는 제1 코일부(210)의 상기 적어도 하나의 코일의 일측과 차동 접속되어 있는 적어도 하나의 제2 코일을 포함한다. 센서 구동 수단(100)은 제2 코일부(220), 제1 코일부(210) 및 제2 코일부(220)에 동일한 구동 주파수를 가지는 제1 전원 전압(V1) 및 제2 전원 전압(V2)을 각각 공급한다. 검출 회로(300)는 변위 측정 목적물의 위치 변화에 따른 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 적어도 하나의 제2 코일의 인덕턴스의 변화로 인해 제1 코일부(210) 및 제2 코일부(220)에서 생성된 차동 신호(Vo)로부터 변위 정보를 추출한다.
일 실시예에서, 자기베어링(450a, 450b, 470)은 자기 흡인식, 자기 반발식, 유도식, 마이너스 효과를 이용한 방식 등을 채용할 수 있다. 자기 베어링을 통한 회전체의 지지 및 제어를 위해서, 자기 베어링이 포함하는 전자석에 공급되는 전류의 세기를 조절할 수 있다. 자기 베어링 시스템은 복수개의 변위 센서와 복수개의 자기 베어링을 포함할 수 있고, 배치 순서가 바뀔 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 시스템이 포함하는 변위 센서는 도 1 내지 도 6을 참조한 변위 센서(10)에 대한 설명과 유사하므로 중복되는 설명은 생략한다.
이하에서는 다시 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 방법에서는 적어도 하나의 제1 코일을 포함하는 제1 코일부(210)와 상기 적어도 하나의 제1 코일과 차동 접속 되어 있는 적어도 하나의 제2 코일을 포함하는 제2 코일부(220)에 동일한 구동 주파수를 가지는 제1 전원 전압 및 제2 전원 전압이 공급된다. 상기 제1 전원 전압 및 상기 제2 전원 전압은 센서 구동 수단(100)으로부터 제1 코일부(210) 및 제2 코일부(220)에 공급될 수 있다. 변위 측정 목적물의 위치 변화에 따른 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 적어도 하나의 제2 코일의 인덕턴스 변화로 인해 상기 제1 코일부(210) 및 상기 제2 코일부(220)에서 생성된 차동신호(Vo)로부터 변위 정보가 추출된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정 방법은 도 1 내지 도 3을 참조한 변위 센서(10)에 대한 설명과 유사하므로 중복되는 설명은 생략한다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 변위 센서는, 변위 측정 목적물의 변위를 전기적 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 코일들을 차동 접속시켜 전기적 구성을 간단히 할 수 있고, 상기 코일들로부터 생성된 차동 신호로부터 변위정보를 검출하기 위해서 샘플앤홀드 회로를 이용함으로써 코일부에 가하는 교류 전압의 구동 주파수와 동일한 수준의 주파수 특성을 유지하여 고속의 회전체에 대해서 센서의 정확도와 정밀도를 높일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 베어링 장치는, 상기 실시예들에 따른 변위 센서를 활용함으로써 전기적 구조가 간결해지고, 고속 회전체에 대한 자기 베어링의 제어의 정확도 및 정밀도를 높일 수 있다.
본 발명은 임의의 변위 센서 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 본 발명은 자기 베어링, 미소변위의 검출, 고속 회전자의 진동 검출, 금속 두께 측정 등 다양한 목적물의 변위 검출에 유용하게 이용될 수 있다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
10: 변위 센서 20a: 레이디얼 변위 센서
20b: 엑시얼 변위센서 40: 자기 베어링 시스템
22a, 24b: 회전기둥 22b: 회전판
100: 센서 구동 수단 110: 제1 전압 전원
120: 제2 전압 전원
210, 210a, 210b: 제1 코일부 212a, 214a, 212b: 제1 코일
220, 220a, 220b: 제2 코일부 222a, 224a, 222b: 제2 코일
300: 검출회로 310: 동기화부
320: 샘플앤홀드 회로 330: 대역 통과 필터
340: 저역 통과 필터
410: 회전기둥 420: 회전판
430: 모터 440a, 440b, 460: 변위 센서
450a, 450b, 470: 자기 베어링

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 제1 코일을 포함하는 제1 코일부;
    상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측과 차동 접속되어 있는 적어도 하나의 제2 코일을 포함하는 제2 코일부;
    상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에 동일한 구동 주파수를 가지는 제1 전원 전압 및 제2 전원 전압을 각각 공급하는 센서 구동 수단; 및
    변위 측정 목적물의 위치 변화에 따른 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 적어도 하나의 제2 코일의 인덕턴스의 변화로 인해 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 차동 신호로부터 변위 정보를 추출하는 검출 회로를 포함하고,
    상기 검출 회로는,
    상기 구동 주파수를 가지는 타이밍 신호를 생성하는 동기화부; 및
    상기 동기화부로부터 입력 받은 타이밍 신호에 기초하여 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 출력 신호를 샘플링하고 홀드하여 진폭 정보를 생성하는 샘플앤홀드 회로를 포함하는 변위 센서.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 검출 회로는,
    상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 차동 신호의 저주파 및 고주파 성분을 제거하는 대역 통과 필터; 및
    상기 샘플앤홀드 회로의 출력신호의 고주파 성분을 제거하는 저역 통과 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 저역 통과 필터의 차단 주파수는 상기 구동 주파수 보다 높은 것을 특징으로 하는 변위 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 제2 코일부의 상기 적어도 하나의 제2 코일은 변위 측정 목적물을 중심으로 대향하는 것을 특징으로 하는 변위 센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측과 상기 제2 코일부의 상기 적어도 하나의 제2 코일의 일측이 차동 접속되어 있고,
    상기 제1 전원 전압 및 상기 제2 전원 전압의 위상차는 180도인 것을 특징으로 하는 변위 센서.
  7. 회전체;
    상기 회전체를 회전시키는 모터;
    상기 모터에 의하여 회전하는 상기 회전체를 지지하는 적어도 하나의 자기 베어링; 및
    상기 회전체의 변위를 검출하는 적어도 하나의 변위 센서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 변위 센서는
    적어도 하나의 제1 코일을 포함하는 제1 코일부;
    상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측과 차동 접속되어 있는 적어도 하나의 제2 코일을 포함하는 제2 코일부;
    상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에 동일한 구동 주파수를 가지는 제1 전원 전압 및 제2 전원 전압을 각각 공급하는 센서 구동 수단; 및
    변위 측정 목적물의 위치 변화에 따른 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 적어도 하나의 제2 코일의 인덕턴스의 변화로 인해 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 차동 신호로부터 변위 정보를 추출하는 검출 회로를 포함하고,
    상기 검출 회로는,
    상기 구동 주파수를 가지는 타이밍 신호를 생성하는 동기화부; 및
    상기 동기화부로부터 입력 받은 타이밍 신호에 기초하여 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 출력 신호를 샘플링하고 홀드하여 진폭 정보를 생성하는 샘플앤홀드 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 시스템.
  8. 삭제
  9. 제7 항에 있어서, 상기 검출 회로는,
    상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 차동 신호의 저주파 및 고주파 성분을 제거하는 대역 통과 필터; 및
    상기 샘플앤홀드 회로의 출력신호의 고주파 성분을 제거하는 저역 통과 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 저역 통과 필터의 차단 주파수는 상기 구동 주파수 보다 높은 것을 특징으로 하는 자기 베어링 시스템.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 제2 코일부의 상기 적어도 하나의 제2 코일은 변위 측정 목적물을 중심으로 대향하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 시스템.
  12. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 코일부의 상기 적어도 하나의 제1 코일의 일측과 상기 제2 코일부의 상기 적어도 하나의 제2 코일의 일측이 차동 접속되어 있고,
    상기 제1 전원 전압 및 상기 제2 전원 전압은 그 위상이 서로 정반대인의 위상차는 180도인 것을 특징으로 하는 자기 베어링 시스템.
  13. 적어도 하나의 제1 코일을 포함하는 제1 코일부와 상기 적어도 하나의 제1 코일과 차동 접속 되어 있는 적어도 하나의 제2 코일을 포함하는 제2 코일부에 동일한 구동 주파수를 가지는 제1 전원 전압 및 제2 전원 전압을 각각 공급하는 단계; 및
    변위 측정 목적물의 위치 변화에 따른 상기 적어도 하나의 제1 코일과 상기 적어도 하나의 제2 코일의 인덕턴스 변화로 인해 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 차동신호로부터 변위 정보를 추출하는 단계를 포함하고,
    상기 변위 정보를 추출하는 단계는,
    상기 구동 주파수를 가지는 타이밍 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 타이밍 신호에 기초하여 상기 제1 코일부 및 상기 제2 코일부에서 생성된 출력 신호를 샘플링하고 홀드하여 진폭 정보를 생성하는 단계를 포함하는 변위 측정 방법.
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