KR101228733B1 - 선회 장치 위치 감지 시스템 및 방법 - Google Patents

선회 장치 위치 감지 시스템 및 방법 Download PDF

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마크 이. 라크로아
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팀켄 유에스 엘엘씨
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Abstract

본원 발명은 모터의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템이다. 시스템은 제1 및 제2 다중극 자성 링과, 제1 및 제2 처리 유닛과, 적어도 하나의 외부 센서를 포함한다. 제1 다중극 자성 링은 모터 주위에 동심으로 위치설정되고, 복수의 극 쌍을 갖는다. 제2 다중극 자성 링은 제1 다중극 자성 링 주위에 동심으로 위치설정되고, 적어도 하나의 극 쌍을 갖는다. 제1 처리 유닛은 제1 다중극 자성 링의 극 쌍 중 하나에 관하여 각위치를 판단하기 위해 제1 다중극 자성 링 근처에 위치설정된다. 센서는 제2 다중극 자성 링의 극 쌍의 상태를 나타내도록 처리 유닛의 외부에 있고 제2 다중극 자성 링 위에 위치설정된다. 제2 처리 유닛은 각위치 및 상태를 기초로 하여 모터의 절대 위치를 생성한다.
절대 위치, 다중극 자성 링, 처리 유닛, 외부 센서, 각위치

Description

선회 장치 위치 감지 시스템 및 방법 {TURNING DEVICE POSITION SENSING SYSTEM AND METHOD}
본 출원은 본 명세서에 전체 내용이 참고 문헌으로 합체되는 2006년 4월 10일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/791,359호와, 2006년 6월 22일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/805,527호에 관하여 우선권을 주장한다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 감지 시스템 및 방법, 특히 감지 시스템 제어부에 관한 것이다.
많은 모터 적용예에서, 모터의 위치가 감지된다. 모터 위치가 일단 감지되면, 이에 따라 이들 모터를 작동시키도록 전력이 인가될 수 있다. 다른 적용예에서는 다른 모터 위상 감지 요구 조건을 갖는다. 예를 들어, 팀켄 컴퍼니(Timken Company)의 MPS160은 대상 자석의 절대 위치를 판단하는데 사용될 수 있다. 그러나, MPS160과 같은 칩은 단지 각각 북(N)극/남(S)극 쌍 내에 대상의 절대 위치를 판단하는데 단지 통상적으로 사용될 수 있다. 이들 극 쌍은 소정의 성능 구성에서 6mm 폭까지 이를 수 있다. 또한, 일 회전의 1/3, 1/4, 및 1/5을 커버하기 위해, 매우 큰 단일 절대 위치 센서 칩이 요구될 수도 있다. 큰 단일 절대 위치 센서는 공간 제약을 갖는 많은 적용예에는 적용하기 어려울 수 있다.
모터의 위치를 감지하는데 사용될 수 있는, 집합적으로 모터 센서라 불리는 몇몇의 주문형 반도체(application-specific-integrated-circuits, "ASIC's")가 있다. 예를 들어, 팀켄의 MPS32XF는 광역 자극 폭으로부터 고해상도 신호를 발생시킨다. 이 모터 센서는 프로그래밍 가능하고, 모터 센서에는 홀(Hall) 센서 어레이가 구비된다.
소정의 조향 휠 적용예에서, 예를 들어, 조향 칼럼을 정확하게 제어 또는 가동시키기 위해서, 조향 휠 또는 칼럼의 다중 선회 동안의 절대 조향 칼럼 위치가 필요하다. 절대 조향 칼럼 위치를 판단하기 위해, 감지 장치가 제공됨으로써, 소정의 제어기는 선회 카운터의 출력과 일 회전 동안의 조향 휠의 위치 신호를 결합할 것이다. 그러나, 선회 카운터를 실시하는 것은 비용이 많이 들고, 감지 장치의 복잡성을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 모터의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 제1 및 제2 다중극 자성 링과, 제1 및 제2 처리 유닛과, 적어도 하나의 외부 센서를 포함한다. 제1 다중극 자성 링은 모터 주위에 동심으로 위치설정되고 복수의 극 쌍을 갖는다. 제2 다중극 자성 링은 제1 다중극 자성 링 주위에 동심으로 위치설정되고 적어도 하나의 극 쌍을 갖는다. 제1 처리 유닛은 제1 다중극 자성 링의 극 쌍 중 하나에 관하여 각위치를 판단하도록 제1 다중극 자성 링 근처에 위치설정된다. 적어도 하나의 센서는 제2 다중극 자성 링의 적어도 하나의 극 쌍의 상태를 나타내도록 처리 유닛의 외부에 그리고 제2 다중 극성 링 위에 위치설정된다. 제2 처리 유닛은 각위치 및 상태를 기초로 하여 모터의 절대 위치를 생성한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 감지 시스템을 제공한다. 감지 시스템은 제1 및 제2 다중극 자성 링과, 제1 및 제2 처리 유닛과, 제1 및 제2 센서를 포함한다. 제1 다중극 자성 링은 선회 장치 주위에 동심으로 위치설정되고, 선회 장치와 함께 회전하는 복수의 극 쌍을 갖는다. 제2 다중극 자성 링은 제1 다중극 자성 링 주위에 위치설정되고, 적어도 하나의 극 쌍을 갖고, 제1 다중극 자성 링 및 선회 장치와 함께 회전하도록 구성된다. 제1 처리 유닛은 제1 다중극 자성 링의 극 쌍 중 하나를 기초로 하여 선회 장치의 각위치를 판단하도록 제1 다중극 자성 링 근처에 위치설정된다. 제1 센서는 제2 다중극 자성 링의 적어도 하나의 극 쌍에서의 제1 상태를 나타내도록 제1 처리 유닛의 외부에 그리고 제2 다중극 자성 링에 인접하여 위치설정된다. 제2 센서는 제2 다중극 자성 링의 적어도 하나의 극 쌍의 제2 상태를 나타내도록 제1 처리 유닛의 외부에 그리고 제2 다중극 자성 링에 인접하여 위치설정되고 제1 센서로부터 이격된다. 제2 처리 유닛은 각위치와 제1 및 제2 상태를 기초로 하여 선회 장치의 절대 위치를 생성한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 선회 장치 주위에 동심으로 위치설정되는 제1 다중극 자성 링과, 제1 다중극 자성 링 주위에 동심으로 위치설정되는 제2 다중극 자성 링과, 제1 다중극 자성 링 위에 위치설정되는 처리 유닛과, 처리 유닛 근처에 그리고 제2 다중극 자성 링 위에 위치설정되는 적어도 하나의 센서를 갖는 선회 장치의 절대 위치를 판단하는 방법을 제공한다. 방법은 처리 유닛으로 제1 다중극 자성 링의 로컬 극 위치를 판단하는 단계와, 적어도 하나의 센서로부터 제2 다중극 자성 링의 적어도 하나의 상태를 판단하는 단계와, 적어도 하나의 상태와 로컬 극 위치로부터 선회 장치의 절대 위치를 판단하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양은 상세한 설명 및 참조 도면을 숙고함으로써 명백해질 것이다.
도1은 모터를 위한 제1 예시적인 절대 위치 감지 시스템을 도시한다.
도2는 도1의 자극 쌍에 대한 복수의 홀 센서 출력을 도시한다.
도3은 모터를 위한 제2 예시적인 절대 위치 감지 시스템을 도시한다.
도4는 도3의 자극 쌍에 대한 일 세트의 홀 센서 출력을 도시한다.
도5는 도1 및 도3의 감지 시스템으로 합체될 수 있는 홀 센서 어레이 배열체를 도시한다.
도6은 도5의 홀 센서 어레이의 개략적인 홀 센서 구성을 도시한다.
도7은 도5의 홀 센서 어레이의 이중 최대 기간 홀 센서 구성을 도시한다.
도8은 차량의 조향 시스템을 도시한다.
도9는 도8의 조향 시스템의 개략도를 도시한다.
도10은 복수의 예시적인 기준 펄스 패턴을 도시한다.
본 발명의 실시예를 자세히 설명하기에 앞서, 본 출원의 본 발명은 이하 상 세한 설명에 설명되고 이하 도면에 도시되는 구성요소의 구성 및 배열의 상세한 설명에 제한되지 않음이 이해될 것이다. 본 발명은 다른 실시예가 가능하고, 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용되는 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고, 제한적인 것으로 간주되지 말아야 한다는 것이 이해될 것이다. 본 명세서에서 "구비하는", "포함하는" 또는 "갖는" 및 그 변형예의 사용은 추가의 아이템뿐만 아니라 이후에 열거되는 아이템 및 그 균등물을 포함하도록 의도된다. 특정되거나 이와 달리 제한되지 않는 한, 용어 "장착된", "연결된", "지지된" 및 "결합된" 및 그 변형예는 폭넓게 사용되고 직간접적으로 장착, 연결, 지지 및 결합되는 것을 포함하도록 사용된다. 또한, "연결된" 및 "결합된"은 물리적 또는 기계적 연결 또는 결합에 제한되지 않는다.
본 발명의 당업자에게는 명백한 바와 같이, 도면에 도시된 시스템은 실제 시스템과 유사할 수도 있는 모델이다. 상술된 바와 같이, 설명된 많은 모듈 및 논리 구조는 마이크로 프로세서 또는 유사한 장치에 의해 수행되는 소프트웨어로 실시될 수 있고 또는 예를 들어 주문형 반도체("ASICs")를 포함하는 다양한 구성요소를 사용하는 하드웨어로 실시될 수 있다. "처리 유닛"과 같은 용어는 하드웨어 및/또는 소프트웨어 양자 모두를 포함하고 지칭할 수 있다. 또한, 명세서 전체적으로, 대문자 용어가 사용된다. 이러한 용어는 통상의 실시예와 일치시키는데 사용되고, 코드화된 예 및 도면을 설명과 관련시키는 것을 돕는다. 그러나, 특정 의미가 부여되지는 않고, 대문자의 사용으로 인해 간단하게 추측할 수 있다. 따라서, 청구 범위는 특정 예 또는 용어 또는 임의의 특정 하드웨어 또는 소프트웨어 기구 또는 소프트웨어 또는 하드웨어의 조합에 제한적이지 않아야 한다.
상술된 바와 같이, MPS160 칩과 같은 감지 ASICs는 단지 하나의 북극/남극 쌍 내에 대상 자석의 절대 위치를 판단할 수 있지만, 그러나 이들 극 쌍은 특정 고성능 구성의 6mm까지의 폭에 이를 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 모터 위치 감지 제어기를 위한 각각의 모터 위상에 관하여 모터의 절대 위치를 판단하는 방법을 제공한다. 방법은 전체 홀 스트링에 대한 위치를 나타내는 정확하지 않은 정보와 북극/남극 쌍에 대해 정확하고 특정적인 절대 위치 정보를 조합하는 단계를 포함한다. 따라서, 홀 스트링을 가로지르는 절대 위치는 정확하게 판단될 수 있다.
일 실시예에서, 방법은 2개 이상의 극 쌍에 관하여 절대 위치 신호를 발생시키도록 모터 위치 감지 시스템에 하나 이상의 디지털 홀 센서를 부착하는 단계를 포함한다. 방법은 모터 위치 감지 제어기를 통해 부착된 센서로부터 신호 출력을 경로설정하고, 데이터 링크를 통해 신호 출력을 릴레이하는 단계를 또한 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 각각의 모터 위상에 관하여 모터의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 디지털 홀 센서와, 모터 위치 감지 제어기와, 데이터 링크를 포함한다. 디지털 홀 센서는 2개 이상의 극 쌍에 관하여 절대 위치 신호를 발생시키도록 모터 위치 감지 제어기에 부착된다. 부착된 센서는 모터 위치 감지 시스템을 통해 신호 출력을 경로설정하고 데이터 링크를 통해 출력을 릴레이시킨다.
대상 자극의 폭에 관하여 모터 센서의 효율적인 극 폭을 적절하게 매치시키 도록 팀켄의 MPS32XF 또는 다른 적절한 센서가 홀 센서 어레이의 양 단부 상의 홀 셀의 기능을 억제시키도록 프로그래밍될 수 있다. 홀 센서 어레이에 사용된 홀 센서의 개수는 적용예에 따라 변경된다. 예를 들어, 모든 홀 센서는 대상 자극 폭이 홀 센서에 의해 제공된 총 극 폭과 매치될 때 이용된다. 그러나, 가끔은 대상 자극 폭이 홀 센서에 의해 제공된 총 폭과 매치되지 않는다. 예를 들어, 홀 센서 어레이의 홀 센서의 단지 일 부분이 사용될 때 소수의 극이 매치된다. 이러한 경우, 감소된 신호 강도가 홀 센서 어레이에 의해 발생되기 때문에 감소된 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, "SNR")가 있게 된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 대상 자석의 극 폭과 홀 센서 어레이의 극 폭을 매치시키는 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명의 실시예는 어레이 또는 단지 어레이의 일 부분의 모든 감지 요소를 갖는 감지 제어기를 작동시킨다. 예를 들어, MPS32XF 센서는 16 홀 센서 요소를 갖는다. 소정의 실시예에서, MPS32XF 센서는 16 홀 요소를 사용할 수 있고, 어레이의 단부 상의 홀 요소를 기능억제시킴으로써 12 또는 8까지 홀 요소의 개수를 감소시킬 수 있다. 홀 어레이의 단지 일 부분이 사용되는 작은 극의 경우, 홀 어레이에 의해 발생되는 보다 작은 신호가 있기 때문에 감소된 SNR이 있게 된다.
일 특정 실시예에서, 본 발명은 2, 3, 4 또는 5개의 극 쌍에 관하여 절대 위치 신호를 발생시키도록 MPS160 또는 유사한 칩에 하나, 둘, 또는 세 개의 디지털 홀 센서를 부착시키는 단계를 포함하는 방법이다. 이들 외부 센서들로부터의 신호는 ASIC를 통해 경로설정될 수 있고, 직렬 데이터 링크를 통해 외부 시스템에 제공 될 수 있다. 이 센서 및 자석 구성은 많은 모터 적용예의 요구조건을 충족시킬 수 있다.
예를 들어, 도1은 전기자, 샤프트 또는 로터(108) 및 고정자(112)를 갖는 모터(104)에 대한 예시적인 제1 절대 위치 감지 시스템(100)을 도시한다. 도시된 실시예에서, 고정자(112)는 네 개의 자성 세그먼트 또는 원호(116)를 갖는다. 각각의 세그먼트(116)는 자극 쌍을 내장하고, 1회전(360˚)의 1/4인 약 90˚의 원호를 점유한다. 이와 같이, 도시된 모터(104)는 4극 모터이다.
제1 감지 시스템(100)은 12개의 자극 쌍을 포함하는 제1 다중극 자성 링 또는 고해상도 트랙(120)을 포함한다. 세그먼트(116) 중 하나의 고해상도 트랙(120) 만이 도시됨을 알아야 한다. 이와 같이, 도2는 단지 세 개의 자극 쌍을 도시한다. 고해상도 트랙(120)은 로터(108)에 대해 동심으로 위치설정된다. 제2 다중극 자성 링 또는 저해상도 트랙(124)은 고해상도 트랙(120)을 동심으로 포함한다. 도시된 실시예에서, 저해상도 트랙(124)은 네 개의 자극 쌍을 포함한다. 다른 실시예에서, 고해상도 트랙(120)은 더 많은 또는 더 적은 자극 쌍을 가질 수 있다. 유사하게는, 다른 실시예에서 저해상도 트랙(124)은 더 많은 자극 쌍을 가질 수 있다.
또한, 제1 감지 시스템(100)은 고정자(112), 고해상도 트랙(120) 및 저해상도 트랙(124) 위에 위치설정되는 처리 유닛(128)을 포함한다. 예시적인 처리 유닛은 고해상도 트랙(120)의 극 쌍 중 하나에 관하여 160개의 각위치 중 하나를 나타내는 신호와, 중심 위치를 나타내는 기준 펄스 신호를 생성할 수 있는 팀켄 센서 MPS160이다. 소정의 실시예에서, 처리 유닛(128)은 처리 유닛(128)의 외부에 있는 구성요소와 경계를 짓기 위한 인터페이스(132)를 포함한다. 다른 실시예에서, 인터페이스(132)는 처리 유닛(128)의 외부에 있다. 처리 유닛(128)은 처리 유닛(128) 아래에 극 쌍의 각위치를 나타내는 출력을 생성하도록 내부 센서 어레이(136)를 또한 포함한다. 내부 센서 어레이(136)는 홀 효과 센서와 같은 감지 요소의 스트링을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 제1 감지 시스템(100)은 저해상도 트랙(124) 위에 위치설정되는 제1 외부 센서(140)를 또한 포함한다. 도시된 실시예에서, 제1 외부 센서(140)는 홀 효과 센서이다. 또한, 제1 감지 시스템(100)은 저해상도 트랙(124) 위에 위치설정되는 제2 외부 센서(144)를 또한 포함한다. 특히, 제2 외부 센서(144)는 제1 외부 센서(140)로부터 약 90˚ 또는 그 미만으로 위치설정된다. 도시된 실시예에서, 제2 외부 센서(144)는 또한 홀 효과 센서이다.
일반적으로, 특정 용도로 사용되는 고해상도 트랙(120)에 사용되는 극 쌍의 개수는 필요한 외부 센서의 개수가 결정한다. 도시된 실시예에서는, 식별될 세 개의 극 쌍이 있기 때문에, 저해상도 극 쌍의 개수는 하나이고, 세 개의 극 쌍 중 단지 하나가 특정 외부 센서를 활성화시킬 것이므로, 단지 총 두 개의 외부 센서가 필요하다. 두 개의 외부 센서는 일반적으로 총 네 개의 논리적으로 독특한 조합을 제공할 것이다. 예를 들어, 제1 외부 센서(140)의 출력이 비활성 상태이고 제2 외부 센서(144)의 출력이 비활성 상태일 때, 제1 및 제2 외부 센서(140, 144)는 비활성 상태이고, 또는 그 양자 모두가 OFF 상태이다. 유사하게는, 제1 외부 센서(140)의 출력이 비활성 상태이고, 제2 외부 센서(144)의 출력이 활성 상태일 때, 제1 외부 센서(140)는 OFF 상태인 반면, 제2 외부 센서(144)는 ON 상태이다. 다른 예를 들면, 고해상도 트랙(120)에 사용된 극 쌍의 개수가 저해상도 트랙(124)에 사용된 극 쌍의 개수의 5배이면, 총 세 개의 외부 센서가 필요할 것이다. 소정의 실시예에서, 자석 정렬과 같은 공차 문제로 인해 소정 개수의 외부 센서와 함께 추가의 센서가 또한 사용될 것이다.
제2 처리 유닛(148)은 인터페이스(132)를 통해 제1 및 제2 외부 센서(140, 144) 및 처리 유닛(128) 각각으로부터 상태 신호 및 각신호를 나타내는 데이터 또는 정보를 수신한다. 소정의 실시예에서, 데이터 또는 정보는 직렬 데이터 인터페이스를 통해 직렬 데이터 신호의 형태로 수신된다. 그 후, 제2 처리 유닛(148)은 이후에 상세히 설명되는 바와 같이 수신된 데이터 또는 정보를 처리하고, 모터(104)의 절대 위치를 생성한다.
도2는 도1의 고해상도 극 쌍(120)에 대한 복수의 외부 센서 출력(200)을 도시한다. 특히, 대응 극 쌍(208) 중 하나에 기인한 제1 외부 센서(140)의 출력은 파형(204)으로 도시되는 반면, 제1 외부 센서(140)로부터 약 90˚에 위치설정되는 제2 외부 센서(144)의 출력은 파형(210)으로 도시된다. 예를 들어, 제1 외부 센서(140)가 낮고 제2 외부 센서(144)가 낮을 때, 제2 처리 유닛(148)은 극 쌍(N1,S1)인 대상 극 쌍을 나타내는 신호를 생성한다.
작동시, 처리 유닛(128)으로부터의 데이터는 제2 처리 유닛(148)에서 수신된다. 데이터는 모터(104)의 하나의 북극-남극 쌍에 관하여 로컬 절대 위치 정보를 내장한다. 또한, 데이터는 처리되지 않은 기준 펄스("Rp") 신호의 상태와 외부 홀 센서(140, 144) 각각의 상태를 내장한다. 두 개의 외부 홀 센서(140, 144)와 모터 세그먼트(116) 당 세 개의 고해상도 극 쌍(120)을 갖는, 도2에 도시된 예로부터의 데이터가 판독되면, 제2 처리 유닛(148) 또는 사용자는, 절대 위치 판독이 대응 세그먼트(116)의 고해상도 제1, 제2, 제3 북극/남극 쌍(120)으로부터의 것인지 여부를 판단하도록 두 개의 외부 홀 센서(140, 144)로부터의 정보를 사용할 수 있다. 이는 두 개의 외부 홀 센서(140, 144)가 네 개의 상태를 발생시키고, 사용자 또는 제2 처리 유닛(148)은, 세 개의 고해상도 극 쌍(120) 중 하나가 절대 위치 데이터에 있다고 보고되는 것을 단지 적절히 식별할 필요만 있기 때문에 가능하다. 예를 들어, 팀켄의 MPS160는 고해상도 극 쌍 중 하나의 각위치를 나타내도록 1에서 160 사이의 숫자를 생성할 수 있다. 이와 같이, MPS160이 12개의 고해상도 극 쌍을 갖는 4극 모터에 사용될 때, MPS160는 대응 고해상도 극 쌍에서 약 45˚를 나타내는 80의 각위치를 생성한다. 따라서, 각위치가 대응 세그먼트의 제2 고해상도 극 쌍으로부터 유래한다고 제2 처리 유닛(148)이 판단하면, 절대 위치는 약 80의 각위치 및 제2 극 쌍으로부터 얻어질 수 있다(각각의 극 쌍이 160개의 위치를 생성할 수 있음). 이러한 경우에, 절대 위치가 80과 160의 합인 240이라고 제2 처리 유닛(148)이 판단할 것이다.
도3은 전기자, 샤프트 또는 로터(308) 및 고정자(312)를 갖는 모터(304)에 대한 예시적인 제2 절대 위치 감지 시스템(300)을 도시한다. 도시된 실시예에서, 고정자(312)는 네 개의 자성 세그먼트 또는 원호(316)를 갖고, 따라서 모터(304)는 4극 모터이다. 제2 감지 시스템(300)은 8개의 자극 쌍을 포함하는 제1 다중극 자 성 링 또는 고해상도 트랙(320)을 포함한다. 세그먼트(316) 중 단지 하나의 고해상도 트랙(320)이 도시됨을 알아야 한다. 이와 같이, 도3은 단지 두 개의 자극 쌍을 도시한다. 고해상도 트랙(320)은 로터(308)에 대하여 동심으로 위치설정된다. 네 개의 극 쌍을 갖는 제2 다중극 자성 링 또는 저해상도 트랙(324)은 고해상도 트랙(320)을 동심으로 포함한다.
제2 감지 시스템(300)은 고정자(312), 고해상도 트랙(320) 및 저해상도 트랙(324) 위에 위치설정되는 처리 유닛(328)을 포함한다. 도1의 처리 유닛(128)과 유사하게, 처리 유닛(328)은 처리 유닛(328)의 외부에 있는 구성요소와 경계짓기 위한 선택적인 인터페이스(332)와, 처리 유닛(328) 아래에 극 쌍의 각위치를 나타내는 출력을 생성하기 위해 내부 센서 어레이(336)를 또한 포함한다. 또한, 제2 감지 시스템(300)은 저해상도 트랙(324) 위에 위치설정되는 외부 센서(340)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 외부 센서(340)는 홀 효과 센서이다.
상술된 바와 같이, 특정 용도로 사용되는 고해상도 트랙(320)에 사용되는 극 쌍의 개수는 필요한 외부 센서의 개수를 일반적으로 결정한다. 도시된 실시예에서는, 식별될 두 개의 극 쌍이 있고 두 개의 극 쌍 중 단지 하나가 외부 센서(340)를 활성화시킬 것이기 때문에, 따라서 단지 하나의 외부 센서만이 필요하다. 특히, 하나의 외부 센서는 일반적으로 총 두 개의 논리적으로 독특한 조합을 제공할 것이다. 예를 들어, 외부 센서(340)의 출력이 비활성 상태일 때, 외부 센서(340)는 OFF 상태이다. 반대로, 외부 센서(340)의 출력이 활성 상태일 때, 외부 센서(340)는 ON 상태이다.
그 후, 제2 처리 유닛(348)은 인터페이스(332)를 통해 각각 처리 유닛(328)으로부터의 기준 펄스 신호와 외부 센서(340)로부터의 각신호 및 상태를 나타내는 데이터 또는 정보를 수신한다. 상술된 바와 같이, 데이터 또는 정보는 직렬 데이터 인터페이스를 통해 직렬 데이터 신호의 형태로 수신될 수 있다. 그 후, 제2 처리 유닛(348)은 수신된 데이터 또는 정보를 처리하고 이후에 설명되는, 모터(104)의 절대 위치를 생성한다.
도4는 도3의 고해상도 극 쌍(320)에 대한 외부 센서(340)에 의해 생성되는 출력 파형(400)을 도시한다. 자석 정밀도 및 정렬과 관련된 공차 문제로 인해, 처리 유닛(328)으로부터의 기준 펄스 신호가 절대 위치를 판단하기 위해 제2 처리 유닛(348)에 또한 사용된다. 이러한 경우, 기준 펄스 파형(404)이 또한 도시된다.
특히, 모터 세그먼트(316) 당 두 개의 고해상도 극 쌍(320)인 경우, 처리 유닛(328)으로부터의 내부 기준 펄스 신호가 외부 홀 센서(340)의 전이부와 정렬되면, 단지 외부 홀 센서(340)를 사용함으로써 고해상도 극 쌍(320)의 적절한 식별이 달성될 수 있다. 이러한 경우, 외부 홀 센서(340)는 고해상도 트랙(320)의 하나 걸러 하나의 북에서 남극 전이부에 있어 ON 상태에 있을 것이다. 이러한 경우, 제2 처리 유닛(348)은 로컬 절대 각위치를 판독하고, 그 후 고해상도 극 쌍(120)이 기준 펄스 신호 및 외부 홀 센서 신호(400)를 판독함으로써 처리 유닛(328)에 의해 판독되는지를 판단한다.
도5는 도1 및 도3의 감지 시스템(100, 300)에 합체될 수 있는 홀 센서 어레이 배열체(500)를 도시한다. 특히, 배열체(500)는 폭(W)을 갖는 총 홀 센서(504) 를 도시한다. 그러나, 소정의 실시예에서는, 단지 배열체(500)의 일 부분, 예를 들어 25 퍼센트가 사용된다. 도6은 배열체(500)의 단지 일 부분이 사용되는 일 예를 도시한다. 이러한 경우에, 배열체(500)에 의해 생성된 신호는 낮은 신호 대 잡음비("SNR")를 가질 것이다. 예를 들어, 센서(504)가 사인 또는 코사인과 같은 직각 위상 신호(quadrature signal)를 생성하기 때문에, 25 퍼센트 감소는 그 원래 길이의 약 반 정도까지 배열체(500)를 효과적으로 감소시킨다. 예를 들어, 도6에 도시된 바와 같이, 사인 신호를 위한 센서(508)의 내부 세트가 사용되는 반면, 센서(512)의 외부 세트는 사용되지 않는다. 코사인 신호를 위한 센서(516)의 내부 세트가 사용되는 반면, 센서(520)의 외부 세트는 사용되지 않는다.
생성된 센서 신호의 SNR을 증가시켜서, 배열체가 홀 센서 어레이로부터 사용가능한 신호를 발생시키는 것을 허용하도록, 홀 센서(504)의 잔여 부분의 출력은 이하와 같이 중복된다. 도7은 도5의 홀 센서 어레이 배열체(500)의 이중 최대 기간 홀 센서 구성(700)을 도시한다. 특히, 704로 도시된 바와 같이 사인 신호의 경우, 내부 센서(508)의 출력은 외부 센서(512)에서 반영된다. 708로 도시된 바와 같이 코사인 신호의 경우, 내부 센서(516)의 신호는 외부 센서(520)에서 역전된다.
본 명세서에 설명된 실시예는 다양한 장점을 갖는다. 예를 들어, 증가된 신호 강도는 종래의 설계에서의 두 배 개수의 홀 센서로부터의 신호를 사용함으로써 달성될 수 있다. 이는, 약한 자성 대상 또는 표준 자석 및 센서 사이의 더 큰 공기 갭을 또한 허용할 수 있다. 동일한 공기 갭이 사용되면, 신호는 정확도를 위해 이로운 더 나은 신호 대 잡음비를 가질 것이다. 개별 홀의 게인 오류 또는 임의의 오프셋의 효과가 감소됨에 따라, 두 배 개수의 홀을 사용하는 것은 더 일관된 신호를 발생시킬 수 있다. 두 배 개수의 홀을 사용하는 것은 더 높은 SNR을 또한 발생시킨다.
예를 들어, 본 발명의 실시예는 운송 환경에 적용가능하다. 도8은 조향 휠 감지 시스템(804)을 갖고 화살표(808)로 나타낸 방향으로 선회하는 자동차(800)의 개략적인 평면도를 도시한다. 자동차(800)는 네 개의 휠(812A, 812B, 812C, 812D)을 갖는다. 조향 휠 감지 시스템(804)은 운전자가 고정 위치에 대한 조향 칼럼(816)을 얼마나 많은 회전수로 회전시켰는지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 소정의 실시예에서, 조향 휠 감지 시스템(804)은 조향 휠 또는 칼럼(816)의 3, 4, 5 선회에 걸쳐 절대 조향 칼럼 위치를 판단할 수 있다. 도시된 실시예에서, 자동차(800)는 s1의 속도로 휠(812A)을, s2의 속도로 휠(812B)을 회전시킴으로써 방향(808)으로 주행한다. 일반적으로, 선회시, s1의 속도와 s2의 속도는 다르고, 따라서 휠(812A, 812B)의 속도 차동이 존재한다.
종래의 선회 카운터를 사용하는 대신에, 도9는 상술된 바와 같이 로컬 절대 위치와 속도 차동을 조합하는 본 발명의 일 실시예에 따른 도8의 조향 감지 시스템(804)의 단면도를 도시한다. 특히, 도9는 조향 감지 시스템(804)이 조향 칼럼(816)을 둘러싸는 것을 도시한다. 조향 감지 시스템(804)의 소정의 구성요소는 조향 칼럼(816)과 함께 회전하도록 구성된다. 예를 들어, 조향 감지 시스템(804)은 제1 다중극 자성 링 또는 고해상도 트랙(820)과, 고해상도 트랙(820)을 동심으 로 둘러싸는 다중극 자성 링 또는 저해상도 트랙(824)을 포함한다.
또한, 조향 감지 시스템(804)은 고해상도 트랙(820) 및 저해상도 트랙(824) 위에 위치설정되는 처리 유닛(828)을 또한 포함한다. 소정의 실시예에서, 처리 유닛(828)은 처리 유닛(828)의 외부에 있는 구성요소와 경계짓기 위한 인터페이스(832)를 포함한다. 처리 유닛(828)은 처리 유닛(828) 아래에 고해상도 극 쌍의 각위치를 나타내는 출력을 생성하도록 내부 센서 어레이(836)를 또한 포함한다. 조향 감지 시스템(804)은 저해상도 트랙(824) 위에 위치설정되는 제1 외부 센서(840)와, 저해상도 트랙(824) 위에 또한 위치설정되는 제2 외부 센서(844)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 예시적인 고해상도 트랙은 12개의 극 쌍을 갖는 반면, 예시적인 저해상도 트랙(824)은 네 개의 극 쌍을 갖는다. 이러한 경우, 제2 외부 센서(844)는 제1 외부 센서(840)로부터 약 90˚ 또는 그 미만으로 위치설정된다.
상술된 실시예와 유사하게, 예를 들어, 각각의 회전 세그먼트 내에 절대 위치(외부 센서로 판단됨)와, 전방 휠(812A, 812B)로부터의 속도 차동 속도 신호를 조합함으로써, 조향 휠(816)의 수번의 선회 동안에 완전한 절대 위치를 판단하도록, 조향 감지 시스템(804)은 제2 처리 유닛(848)을 사용한다. 특히, 전방 휠(812A, 812B)로부터 판단된 차동 속도는, 조향 휠(816)이 존재하는 모든 가능한 90˚세그먼트 또는 섹션을 격리시키는데 사용된다. 각각의 선회가 네 개의 90˚ 섹션으로 구성되는 3 선회 잠금부 대 잠금부 시스템 또는 4 선회 잠금부 대 잠금부 시스템과 같은 통상의 조향 시스템에 있어, 조향 휠(816)은 따라서 12개 내지 16개 의 상이한 90˚ 섹션 내에 있을 수 있다. 단지 전방 휠(812A, 812B)만이 본 명세서에 도시되었지만, 후방 휠(812C, 812D)의 속도 및 방향이 다른 실시예에 또한 사용될 수 있다.
소정의 실시예에서, 휠(812A, 812B) 사이의 속도(s1, s2)의 비는 조향 휠(816)의 위치에 비례하여 변한다. 도1의 모터(104)에 대하여 상술된 바와 같이, 조향 감지 시스템(804)은 처리 유닛(828)에 의해 생성된 기준 펄스 신호의 독특한 조합을 사용함으로써 조향 휠(816)(또는 관련 조향 칼럼)의 절대 위치를 식별한다.
예를 들어, 상술된 바와 같이, 조향 감지 시스템(804)은 일반적으로 회전을 다수번 반복하는 조향 칼럼(816)의 절대 위치를 생성하도록, 처리 유닛(828)에 의해 검출된 로컬 각위치와, 외부 센서(840, 844)에 의해 검출 또는 식별된 세그먼트 정보와, 복수의 휠 센서에 의해 검출된 차동 속도 정보를 사용한다. 특히, 조향 감지 시스템(804)은 다중 선회 잠금부 대 잠금부 조향 시스템의 세그먼트(816) 중 하나를 식별하도록 전방 휠(812A, 812B)로부터 차동 속도 정보를 사용한다. 각각의 세그먼트(816)에 대해 처리 유닛(828)으로부터 생성된 독특한 기준 펄스를 추가함으로써, 세그먼트의 반 이상에 대해 조향 칼럼을 선회시키지 않고도 일 회전 내의 완전한 절대 위치가 판단될 수 있다. 예를 들어, 4 개의 세그먼트 조향 휠(816) 및 기준 펄스 구성에 있어, 특정 세그먼트를 나타내는 기준 펄스는 네 개의 세그먼트 각각을 위해 일 회전 내에 생성된다. 이와 같이, 각각의 회전 내의 완전한 절대 위치는 최대 45˚만큼 조향 휠(816)을 선회시킴으로써 판단될 수 있 다. 즉, 일단 조향 휠(816)이 약 45˚ 선회되면, 조향 휠(816)은 다른 사분원으로 교차되고, 기준 펄스가 생성된다.
또한, 약 30˚만큼 조향 휠(816)을 회전시킨 후에, 전방 휠(812A, 812B)로부터의 차동 신호가 이후에 설명되는 세그먼트(816) 각각의 기준 펄스로 식별될 수 있다. 예를 들어, 전방 휠(812A, 812B)로부터 검출된 속도의 해상도가 너무 부정확하거나 충분히 정밀하지 않으면, 또는 전방 휠(812A, 812B) 중 하나가 모래 위를 미끄러지면, 조향 휠(816)이 선회되는 동안 처리 유닛(828)은 기준 펄스를 생성할 수 있다. 이와 같이, 제2 처리 유닛(828)이 상기 또는 유사한 조건으로 인해 휠(812A, 812B)의 위치에 관하여 불확실성을 가지면, 각각의 세그먼트(816)로부터의 기준 펄스는 세그먼트(816)를 식별하도록 사용될 수 있다.
도10은 4개의 사분원 실시예의 복수의 예시적인 기준 펄스 패턴(1000)을 도시한다. 예를 들어, 극 쌍의 북극에서 남극으로의 변화가 있을 때, C 기준 펄스는 대응 사분원에서 생성된다. 유사하게는, 극 쌍의 남극에서 북극으로의 변화가 있을 때, D 기준 펄스가 대응 사분원에서 생성된다. 이와 달리, 극 변화가 없을 때는 O 기준 펄스가 생성된다. 도10에 도시된 바와 같이, 제1 사분원(1004)에는 변화가 없다. 제2 사분원(1008)에는 북극에서 남극으로의 변화가 있다. 유사하게는, 제3 사분원(1012)에서는 북극에서 남극으로의, 그리고 남극에서 북극으로의 양자 모두의 변화가 있는 반면, 제4 사분원(1016)에서는 단지 남극에서 북극으로의 변화만 있다.
본 발명의 다양한 특징 및 장점이 이하 청구범위에 기재되어 있다.

Claims (23)

  1. 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템이며,
    선회 장치에 대하여 동심으로 위치설정되고 복수의 극 쌍을 갖는 제1 다중극 자성 링과,
    제1 다중극 자성 링에 대하여 동심으로 위치설정되고 적어도 하나의 극 쌍을 갖는 제2 다중극 자성 링과,
    제1 다중극 자성 링 근처에 위치설정되고 제1 다중극 자성 링의 극 쌍 중 하나에 관하여 각위치를 판단하도록 구성되는 제1 처리 유닛과,
    제1 처리 유닛의 외부에, 그리고 제2 다중극 자성 링에 인접하여 위치설정되고 제1 다중극 자성 링 중 어느 극 쌍에서 각위치가 검출되었는지를 식별하기 위하여 제2 다중극 자성 링의 적어도 하나의 극 쌍의 상태를 나타내도록 구성되는 적어도 하나의 센서와,
    적어도 하나의 센서로부터의 상태와 제1 처리 유닛으로부터의 각위치를 수신하고, 각위치 및 상태를 기초로 하여 제1 다중극 자성 링의 극 쌍 중 하나에 관하여 선회 장치의 절대 위치를 판단하도록 구성되는 제2 처리 유닛을 포함하는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 처리 유닛은 제1 다중극 자성 링으로부터 기준 펄스를 생성하도록 또한 구성되는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 제2 처리 유닛은 기준 펄스, 각위치 및 상태를 기초로 하여제1 다중극 자성 링의 극 쌍 중 하나에 관하여 선회 장치의 절대 위치를 생성하도록 또한 구성되는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 제2 다중극 자성 링의 적어도 하나의 극 쌍은 원호 길이를 갖는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 적어도 하나의 센서는 제1 및 제2 센서를 포함하고, 제1 센서는 제2 센서로부터 원호 길이만큼 이격되는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 선회 장치는 모터를 포함하는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 절대 위치는 일 회전의 일 부분 상에 있는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 선회 장치는 복수의 대응 회전 속도를 갖는 복수의 휠 및 조향 휠과 관련되고, 제2 처리 유닛은 조향 휠이 절대 위치와 휠 속도비로부터 만든 회전수를 판단하도록 또한 구성되는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 감지 시스템.
  9. 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 방법이며, 선회 장치는 선회 장치에 대하여 동심으로 위치설정되고 복수의 극 쌍을 갖는 제1 다중극 자성 링과, 제1 다중극 자성 링에 대하여 동심으로 위치설정되는 제2 다중극 자성 링과, 제1 다중극 자성 링 위에 위치설정되는 처리 유닛과, 처리 유닛의 외부에 그리고 제2 다중극 자성 링 위에 위치설정되는 적어도 하나의 센서를 포함하고,
    처리 유닛으로 제1 다중극 자성 링의 극 쌍 중 하나 내의 각위치를 판단하는 단계와,
    적어도 하나의 센서로부터 제1 다중극 자성 링 중 어느 극 쌍에서 각위치가 판단되었는지를 식별하기 위해서 제2 다중극 자성 링의 적어도 하나의 상태를 판단하는 단계와,
    적어도 하나의 상태 및 각위치로부터 선회 장치의 절대 위치를 판단하는 단계를 포함하는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서, 선회 장치는 조향 휠을 포함하고, 적어도 하나의 상태와 각위치로부터 조향 휠의 절대 위치를 판단하는 단계는,
    복수의 휠 속도를 판단하는 단계와,
    적어도 하나의 휠 속도비를 판단하는 단계를 포함하는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 방법.
  11. 제9항에 있어서, 제1 다중극 자성 링으로부터 기준 펄스를 생성하는 단계를 더 포함하는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 방법.
  12. 제9항에 있어서, 적어도 하나의 센서는 제1 및 제2 센서를 포함하고, 제1 센서는 제2 센서로부터 이격되는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 방법.
  13. 제9항에 있어서, 적어도 하나의 상태는 제1 및 제2 상태를 포함하고, 제1 및 제2 상태 각각은 ON 상태 및 OFF 상태를 갖는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서, ON 상태 및 OFF 상태의 복조합을 판단하는 단계와,
    복조합을 기초로 하여 제1 다중극 자성 링의 극 쌍 중 하나를 식별하는 단계를 더 포함하는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 방법.
  15. 제9항에 있어서, 절대 위치는 일 회전의 일 부분 상에 있는, 선회 장치의 절대 위치를 판단하기 위한 방법.
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