KR101345305B1 - 자극 검출 소자 및 이를 이용한 엔코더 - Google Patents

자극 검출 소자 및 이를 이용한 엔코더 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자극 검출 소자 및 이를 이용한 엔코더(encoder)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제어 시스템에서 모터 회전 위치 판단을 위해 사용되는 자극 검출 신호(통상적으로 U, V, W 신호)를 생성하는 자극 검출 소자와, 저렴하여 보편적으로 널리 사용되는 A, B, Z상 신호가 출력되는 증분형 엔코더 또는 절대 위치각을 출력하는 절대형 엔코더 회로에 상기 자극 검출 소자를 부가한 엔코더를 구현하여, 서보 시스템 제어용 센서로 활용될 수 있도록 하려는 것이다.
또한 본 발명의 엔코더는, 회전 위치를 나타내는 각상의 엔코더 신호를 생성하는 엔코더 소자, 상기 엔코더 소자와 하기 자극 검출 소자에 각각 구현되어 상기 양 소자 간에 데이터를 송수신할 수 있도록 구비된 통신 수단, 및 모터 극 수 세팅 단자와 연결되어 모터 극수를 입력받고 엔코더 소자로부터 신호를 전달받아 자극 검출 신호를 생성하는 자극 검출 소자로 구성되는 점을 특징으로 한다.

Description

자극 검출 소자 및 이를 이용한 엔코더 {Commutation signal detecting device and an encoder using the same}
본 발명은 자극 검출 소자 및 이를 이용한 엔코더(encoder)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제어 시스템에서 모터 회전 위치 판단을 위해 사용되는 자극 검출 신호(통상적으로 U, V, W 신호)를 생성하는 자극 검출 소자와, 저렴하여 보편적으로 널리 사용되는 A, B, Z상 신호가 출력되는 증분형 엔코더 또는 절대 위치각을 출력하는 절대형 엔코더 회로에 상기 자극 검출 소자를 부가한 엔코더를 구현하여, 서보 시스템 제어용 센서로 활용될 수 있도록 하려는 것이다.
서보 제어 시스템에 있어서, 위치제어를 위해 회전하는 모터의 위치를 검출하는 장치를 엔코더(encoder)라 하고, 속도제어를 위해서는 속도센서로 속도를 측정하거나 또는 엔코더로부터 측정된 위치 정보를 이용하여 제어기 내부에서 속도를 산출하기도 한다. 이와 같이 엔코더는 로봇, 수치제어 공작기계 등을 비롯한 산업용 기기의 위치 또는 속도 제어하는 서보 시스템에 회전하는 모터의 위치를 센싱하여 제공하는 핵심 부품이다.
엔코더는 일반적으로 광학식, 자기식, 유도식으로 구분할 수 있지만, 본 발명과 연관된 엔코더는 방식에 관계없이 모든 엔코더에 적용이 되는 기술이라 할 수 있다.
이해를 돕기 위해 광학식 엔코더의 경우 예를 들면, 기본적인 구조는 발광소자에서 나오는 빛이 회전 격자를 통과하고 수광소자에서 회전 격자를 통과한 빛의 단속을 검출한다. 회전격자는 모터의 축에 관통 설치된 유리로 된 원판에 등간격으로 슬릿이 형성되어 있어서, 모터의 회전에 따라 회전격자가 회전하면서 빛의 단속이 일어나서 결과적으로 수광소자에서는 아날로그 형태의 신호가 나타난다.
한편, 광학식 엔코더는 증분형(incremental)과 절대형(absolute)으로 분류할 수 있는데, 도 1은 일반 위치 센서용으로 제어 시스템에서 사용되는 증분형 엔코더의 구조를 표시하고 있다.
도시된 바와 같이 증분형 엔코더는 서로 일정한 간격으로 이격되어 발생되는 A, B 출력과 모터 1회전에 한번씩 생성되는 Z 출력을 가진다. 즉 발광소자(1)로부터 투사된 광선은 회전디스크(2)의 슬릿(3)을 통과한 뒤 고정 슬릿판(4)의 A, B, Z 에 해당하는 각각의 슬릿(6, 7, 8)을 통과하여 A, B, Z의 수광소자(5)에서 검출된다. 고정 슬릿판(4)상의 A, B의 슬릿은 90도의 위상차를 갖도록 배치되어 있으며, 파형이 정비된 전기적 신호 출력도 90도 위상차를 갖는 구형파를 나타낸다. Z상은 엔코더의 1회전을 의미하는 구형파를 출력한다.
한편, 절대형 엔코더는 증분형과 동일한 구성 및 신호 발생 방식을 갖는다. 하지만 절대형 엔코더는 회전 디스크의 슬릿이 증분형 엔코더의 경우와는 다른게 배열되는데, 2진 부호열로 슬릿이 형성되어, 회전 디스크의 바깥 둘레를 최하위 비트로 하고 중심을 향하여 필요한 비트(행) 수만큼의 슬릿이 동심원상으로 배치되어 있다. 따라서 비트 수에 따른 수광소자가 존재하며 최종적으로 회전축의 위치를 2진 또는 2진화 10진수 등의 부호로 발생한다.
따라서 증분형 엔코더와 절대형 엔코더는 각기 다른 장단점을 가지게 되는데, 증분형 엔코더는 구조가 간단하고 가격이 싸며, 출력 신호를 전달하는 전선의 수도 적어서 신호전달이 간단하다. 하지만 증분형 엔코더의 출력펄스는 축의 회전위치의 절대치를 나타내지 않고, 축이 회전한 각도에 비례한 펄스 수가 얻어지는 것으로, 제어기는 엔코더 출력펄스를 카운터에 축적하여 회전량을 계수하고 결과적으로 이동량을 산출한다. 회전량이 연속적으로 계수되기 때문에 신호 전달 중의 잡음방지 대책을 가져야 한다. 또 전원이 끊어진 경우에는 다시 전원을 투입하여도 원래 위치의 표시는 불가능하게 된다.
반면에, 절대형 엔코더는 명칭 그래도 입력 축의 절대 위치를 검출할 수 있기 때문에 신호 전송 중에 발생하는 잡음 등에 의한 오차가 누적되지 않으며, 또 전원이 단절되어 재 투입되는 경우에도 증분형과 같이 원래의 위치를 잃어버리지 않고 정상적으로 올바른 현재 위치를 검출할 수 있다. 단점으로는 비트 수가 많아지면 출력 신호선의 수가 많아져서 구조상 소형화, 저가격화가 어렵다는 것을 들 수 있다.
이러한 엔코더를 센서로 채용하여 다양한 종류의 모터를 제어하는 시스템에 있어서, 모터의 기동시에 모터 자극의 위치를 판단해야 하는 경우가 있으며, 또한 모터 회전시 불규칙이 없이 회전하기 위해 자극 위치를 검출하여 그 위치에 맞는 전류를 흘려야 하는데, 앞에서 살펴본 바와 같이 일반적인 엔코더는 자극을 검출하는 검출 기능이 없이 제공되기 때문에, 모터 제어를 위해 모터 자석의 위치를 인식할 수 있는 신호가 부가적으로 필요하게 된다.
이러한 엔코더의 문제점을 해결하기 위해 KR 10-0170331(삼성전자, 선행기술 1), KR 10-0153641(효성중공업, 선행기술 2), 그리고 KR 10-0293380(강석희, 선행기술 3) 등의 다양한 선행기술이 출원 등록되었다. 하지만 선행기술 1의 경우에는 증분형 엔코더 칩에 자극검출신호 (U, V, W)가 출력되는 회로를 포함시켜, 상기 출력정보를 바탕으로 위치를 검출하는 방식으로, 복잡한 부가 회로의 채용으로 그 가격이 대단히 높은 편이다. 한편, 선행기술 2의 경우에는 특정의 논리회로를 사용하여 정방향시 및 역방향시의 Z상 신호를 생성하고, 정 역 신호의 카운트 값과 엔코더 펄스의 카운트 값으로 회전자의 위치를 판별하는 방식을 채용하고 있다. 그리고 선행기술 3의 경우에는 별도의 센서도그 및 센서를 설치하고 상기 센서도그의 각 구간 길이 및 각 구간의 Z상 펄스 수와 옵셋값을 이용하여 현재의 위치를 얻는 방식이다.
결과적으로 상기의 선행기술의 경우, 고가의 엔코더 칩을 사용하여 UVW신호를 얻거나, 별도의 복잡한 논리회로를 다수 채용하거나 또는 별도의 센서 및 센서도그를 사용하여 모터의 현재 위치를 얻는 방법을 구현하고 있으나, 종래에 다수 사용되는 엔코더에 비하여 상당히 고가이며 또한 다양한 논리용 하드웨어를 사용함으로써 그 구성도 복잡한 상태이다.
본 발명은 기존의 저가의 엔코더를 활용하여 서보 제어용 엔코더로서의 기능을 갖추기 위한 실용적인 장치를 제공하기 위해 출원된 것이다.
즉, 자극 검출용 소자를 구현하여 일반 산업용 센서로 널리 사용되는 일반적인 엔코더 회로에 상기 자극 검출용 소자를 부가하여, 서보 제어를 가능하게 하는 서보용 엔코더를 구현하는 목적을 가진 발명이다.
또한 본 발명은 자극 검출 소자에 이식되는 펌웨어를 이용하여 모터의 극수와 자극 검출용 신호가 상호 연동되도록 하여 다양한 종류의 모터 제어에 사용될 수 있도록 하려는 목적을 가진다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 모터의 회전위치를 검출하는 센서인 엔코더 소자로부터 회전위치 신호를 전달받아서 자극 검출용 신호를 생성하는 자극 검출 소자가 구비된다.
또한 엔코더는, 회전 위치를 나타내는 각상의 엔코더 신호를 생성하는 엔코더 소자; 상기 엔코더 소자와 하기 자극 검출 소자에 각각 구현되어 상기 양 소자 간에 데이터를 송수신할 수 있도록 구비된 통신 수단; 및 모터 극 수 세팅 단자와 연결되어 모터 극수를 입력받고 엔코더 소자로부터 신호를 전달받아, 자극 검출 신호를 생성하는 자극 검출 소자;로 구성되는 점을 특징으로 한다.
또한 상기 자극 검출 소자는 FPGA 칩, ASIC 칩, 또는 마이크로프로세서 칩 중에서 선택되어 사용되며, 상기 자극 검출 소자의 자극 검출 신호는 사용되는 모터의 극 수에 연동된다. 또한 상기 통신 수단은 직렬(serial) 통신 방식이 채용된 점을 특징으로 한다.
더 나아가서, 상기 자극 검출 소자는 극 수 세팅 단자로부터 모터의 극수를 입력받고, 통신수단을 통해 전달된 엔코더 펄스로부터 기계각을 연산하고, 상기 기계각과 상기 모터 극수로부터 전기각을 환산한 후, 상기 전기각을 이용하여 자극 검출 신호를 생성하는 수단을 포함하여 구성되는데, 기계각으로부터 환산되는 전기각은 [기계각 * 극수 / 2] mod 360 로 정의되는 점을 특징으로 한다.
결과적으로 상기 전기각으로부터 환산되는 자극 검출 신호는 특정의 전기각의 크기에 따라 각각 대응되는 U, V, 및 W 신호가 생성된다.
본 발명은 일반 산업용 제어 시스템에 널리 사용되는 위치센서인 저가형 엔코더에 자극 검출용 소자를 부가한 엔코더를 구현함으로써, 구조가 간단하고 저렴한 엔코더를 구현하는 효과를 가진다.
또한 본 발명은 사용하는 모터의 극 수를 자극 검출용 소자에 이식되는 펌웨어에 제공함으로써, 다양한 극 수를 갖는 모터에 호환적으로 사용할 수 있고, 다양한 종류에 적용할 수 있는 유연성 및 편리성을 극대화하는 효과도 가진다.
도 1은 서보 제어 시스템에 사용되는 광학식 엔코더의 구조도.
도 2는 본 발명에 따른 엔코더의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 자극 검출 소자에서 자극 검출 신호를 생성하는 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 자극 검출 소자에서 연산되는 기계각과 전기각의 관계를 보여주는 도면.
도 5는 전기각을 기준으로 연산되어 형성된 U, V, W 자극 검출 신호
상기의 언급된 문제점은 본 발명의 개선된 엔코더에 의해 해결된다. 이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거 상세히 기술하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 엔코더의 구성도이다.
도시된 바와 같이 모터의 회전위치를 검출하는 센서인 엔코더 소자(110)로부터 회전위치 신호를 전달 받아서 자극 검출용 신호를 생성하는 자극 검출 소자(130)가 구비되어 있다.
즉, 서보 제어 시스템에 사용되는 엔코더는 엔코더 소자(110), 통신수단(120) 및 자극 검출 소자(130)로 구성되어 진다.
상기 엔코더 소자(110)는 각각의 A상(151), B상(152), Z상(153)의 엔코더 펄스 신호를 생성한다. 상기의 엔코더 소자(110)는 반도체 칩으로 대량 생산되어 대다수의 엔코더에서 공통적으로 사용되고 있다.
한편, 상기 통신 수단(120)은 상기 엔코더 소자(110)와 하기 자극 검출 소자(130)에 각각 구현되어 상기 양 소자 간에 데이터를 송수신할 수 있도록 구비되는데, 상기 엔코더 소자(110)에서 생성된 절대 위치 값이 상기 통신 수단(120)을 통해 전송된다. 바람직하게는 상기 통신 수단(120)은 시리얼(serial) 통신 방식으로 통신하는 점을 특징으로 한다.
상기 자극 검출 소자(130)의 경우는 모터 극(pole) 수 세팅 단자(140)으로부터 데이터를 입력받을 있도록 직접 연결되고, 상기의 엔코더 소자(110)로부터 생성된 위치 정보를 통신수단(120)을 통해 전달받아, 최종적으로 자극 검출 신호 U(171), V(172), W(173)을 생성한다.
상기 자극 검출 소자(130)는 기존의 엔코더 소자(110)에 부가적으로 연결되는 하드웨어 소자로서, 자극 검출 신호를 생성하는 펌웨어(firmware)가 탑재된 FPGA 칩(chip) 또는 전용의 ASIC 칩을 사용할 수 있으며, 한편으로는 저가형의 마이크로프로세서의 내부 메모리에 자극 검출 신호 생성 알고리즘을 프로그래밍하여 사용할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 엔코더의 자극 검출 소자(130)에서 자극 검출 신호를 생성하는 순서도이다.
상기 자극 검출 소자가 수행하는 자극 검출 신호 생성 방법은 다음과 같이 요약될 수 있다. 즉, 극 수 세팅 단자로부터 모터의 극수를 입력받고, 통신수단을 통해 전달된 신호로부터 기계각을 연산하고, 상기 기계각과 상기 모터 극수로부터 전기각을 환산한 후, 상기 전기각을 이용하여 자극 검출 신호를 생성한다.
우선 전원이 투입되면 시스템 초기화가 진행되어 전역변수 또는 지역변수들이 리셋되어 탑재된 연산 수단이 구동될 준비를 한다(S210).
본 발명에 따른 엔코더 장치에는 모터 극(pole) 수 세팅 단자(140)가 구비되어 있는데, 이 단자를 스캔하여 해당 레지스터의 값을 읽어 들여 엔코더가 사용되는 모터의 극 수를 인식한다(S220).
다음 단계는 통신 포트(120)를 통해 입력된 엔코더 신호로부터 기계각을 인식한다(S230). 기계각은 통상 비반전 이진코드(Non Inverted Binary Code)의 형태를 가지며, 작게는 8비트에서 많게는 수십 비트까지의 정보로 표시가 가능하다.
도 4는 기계각과 전기각의 관계를 보여주는 도면으로, 기계각은 실제 기계상의 각도를 의미하는 것으로 1회전에 360도의 각도를 가지며, 전기각은 모터에 장착된 자석의 극 수에 따라 다르게 결정지어 진다.
즉, 8극 모터의 경우에는 8개의 자석(4쌍의 N/S 자석)이 설치되어 있는데, 이를 선형으로 펼치면 도 4에 보인 바와 같이 모터 1회전에 N극 및 S극이 360도 각도로 4번 반복되는 전기각이 형성되고, 모터 축 1회전에 의해 360도 회전하는 기계각이 각각 정의된다.
상기의 전기각과 기계각과의 관계를 수식으로 정리하면 다음과 같다.
2극 모터의 경우, 전기각과 기계각은 일치한다. 따라서 전기각 = 기계각.
4극 모터의 경우, 전기각 = [기계각 * 2] mod 360.
6극 모터의 경우, 전기각 = [기계각 * 3] mod 360.
8극 모터의 경우, 전기각 = [기계각 * 4] mod 360.
N극 모터의 경우, 전기각 = [기계각 * N/2] mod 360 으로 정의된다.
따라서 상기의 모터 극 수 세팅 단자(140)에서 읽어 들인 모터 극 수와, S230단계에서 연산된 기계각을 이용하여 전기각을 계산할 수 있다(S240).
최종단계는 상기에서 연산된 전기각을 이용하여 U(171), V(172), W(173) 신호를 생성한다(S250).
도 5는 연산된 전기각을 기준으로 연산되어 형성된 U, V, W 자극 검출 신호를 보이고 있는데, 상기 자극 검출 신호는 전단계에서 연산된 전기각을 다음의 판별 조건으로 연산하여 생성한다.
전기각이 (0~180)이면, U상--->High
전기각이 (!(0~180))이면, U상--->Low
전기각이 (120~300)이면, V상--->High
전기각이 (!(120~300))이면, V상--->Low
전기각이 (!(60~240))이면, W상--->High
전기각이 (60~240)이면, W상--->Low
따라서 U, V, W 신호는 상기 (S230) 내지(S250) 단계를 입력되는 기계각의 변화에 따라 반복함으로써 도 5에 도시된 연속적인 U, V, W 파형이 형성된다.
결과적으로 상기 전기각으로부터 환산되는 자극 검출 신호는 특정의 전기각의 크기에 따라 각각 대응되는 U, V, 및 W 신호가 생성되는 점을 알 수 있으며, 상기 자극 검출 소자의 자극 검출 신호는 사용되는 모터의 극 수에 연동되어 계산되는 점을 알 수 있다.
이상의 과정과 같이 종래의 엔코더에 U, V, W 신호를 생성하는 자극 검출 소자를 부가하여 기존의 저가형 엔코더를 활용하여 제어용 엔코더를 구현하는 점이 가능해 진다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 엔코더는 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
1: 발광소자 2:회전 디스크
3: 슬릿 4: 고정 슬릿판
5: 수광소자 6,7,8: 광 슬릿
110: 엔코더 소자 120: 통신 수단
130: 자극 검출 소자 140: 모터 극 수 세팅 단자

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제어 시스템에 사용되는 엔코더에 있어서,
    회전 위치를 나타내는 각 상의 엔코더 신호를 생성하는 엔코더 소자;
    상기 엔코더 소자와 하기 자극 검출 소자에 각각 연결되어 상기 양 소자 간에 데이터를 송수신할 수 있도록 구비된 직렬 통신 수단;
    모터 극 수 세팅 단자와 연결되어 모터 극수를 입력받고 상기 엔코더 소자로부터 절대위치 값 신호를 전달받아 자극 검출 신호를 생성하는 자극 검출 소자;
    로 구성되는 점을 특징으로 하는 엔코더.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자극 검출 소자는
    FPGA 칩, ASIC 칩, 또는 마이크로프로세서 칩 중에서 선택되어 사용되는 점을 특징으로 하는 엔코더.
  6. 삭제
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 자극 검출 소자는,
    상기 극 수 세팅 단자로부터 모터의 극수를 입력받고, 상기 통신 수단을 통해 전달된 신호로부터 기계각을 연산하고, 상기 기계각과 상기 모터 극수로부터 전기각을 환산한 후, 상기 전기각을 이용하여 자극 검출 신호를 생성하는 수단을 포함하여 구성되어 있는 점을 특징으로 하는 엔코더.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 기계각으로부터 환산되는 상기 전기각은
    전기각 = [기계각 * 극 수 / 2] mod 360
    로 정의되는 점을 특징으로 하는 엔코더.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 전기각으로부터 환산되는 자극 검출 신호는 특정의 전기각의 크기에 따라 각각 대응되는 U, V, 및 W 신호가 생성되는 점을 특징으로 하는 엔코더.
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