KR101414209B1 - 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로에 관한 것으로서, 분해능을 향상시켜 크랭크 샤프트의 회전각을 정밀하게 감지할 수 있도록 하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적 달성을 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 엔진의 크랭크 샤프트에 부착되는 앵글 엔코더에 적용되는 것으로, 상기 앵글 엔코더의 발광부로부터 방출되는 빛을 비교 검출하여 상기 크랭크 샤프트의 회전수와 각도를 전압신호로 출력하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로에 있어서, 상기 발광부로부터 방출되는 빛을 복수개의 채널을 통해 감지하여 전기적인 신호로 변환환 후 상기 채널과 대응하는 수의 출력핀으로 신호를 출력하는 감지부와; 상기 감지부로부터 출력되는 신호들 중 기선택된 2개의 신호를 입력받아 비교 및 출력하는 복수개의 비교기와, 상기 비교기의 입력핀 노드와 상기 감지부의 출력핀 노드가 접하는 접속점과 연결되어 상기 감지부로부터 입력되는 각각의 신호 세기를 개별 조정하는 가변저항을 포함하는 비교검출부와; 상기 비교기로부터 출력되는 신호를 입력받아 증폭시켜 외부 출력단자에 전송하는 출력부; 및 상기 감지부와 비교검출부 및 출력부의 내부 회로를 구동시키기 위한 정전압을 제공하는 전원부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

앵글 엔코더의 회전각 감지 회로{Circuit For Rotating Angle Sensing Of Encoder}
본 발명은 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 크랭크 샤프트에 부착되는 앵글 엔코더의 감지신호를 비교 분석하여 상기 크랭크 샤프트의 회전수와 각도를 전압신호로 실시간 출력하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로에 관한 것이다.
일반적으로 선박용 디젤엔진은 크게 실린더, 피스톤, 크랭크 샤프트 등으로 구성된다. 특히, 크랭크 샤프트는 메인 베어링 셀과 함께 베드 플레이트에 조립되어 피스톤의 상하 운동을 커넥팅 로드와 연결하여 회전운동으로 바꾸어 주는 역할을 하며 엔진 가격의 10% 이상을 차지하는 고가의 제품이다.
상기와 같은 크랭크 샤프트는 정보처리기술의 발달과 더불어 전자식 제어를 하게 되었으며, 이를 위해 앵글 엔코더를 상기 크랭크 샤프트에 부착하여 회전수와 각도를 실시간으로 감지함으로써 감지신호를 출력하여 엔진제어시스템으로 전송하게 된다. 이에 따라 엔진제어시스템은 앵글 엔코더로부터 감지신호를 전달받아 배기 사이클 및 흡입 사이클의 타이밍을 이상적으로 제어하게 된다.
상기한 앵글 엔코더는 주로 광학식이 널리 사용되고 있으며 일반적으로 발광부와 슬릿 및 수광부로 포함한다. 이러한 구성으로 이루어지는 앵글 엔코더는 발광부에서 방출된 빛이 슬릿을 통과하여 수광부로 입력되는지의 여부를 감지하고 마이크로프로세서의 연산처리를 통해 회전수를 검출하게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 앵글 엔코더는 분해능의 제한으로 인해 정확한 위상 검출이 어려워 엔진의 최적 운전에 한계가 있으며, 마이크로프로세서에 의한 연산방식은 엔코더의 분해능뿐만 아니라 마이크로프로세서의 샘플링 주기에 의해 제약을 받게 되는 문제점이 있다. 즉, 마이크로프로세서를 통해 아날로그신호를 디지털신호로 변환함에 따라 분해능의 한계로 인해 정밀한 회전각 감지가 어려운 문제점이 있다.
KR 10-2011-0121602 A KR 10-1141175 B1 KR 10-1160521 B1
앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 분해능을 향상시켜 크랭크 샤프트의 회전각을 정밀하게 감지할 수 있도록 하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로를 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 엔진의 크랭크 샤프트에 부착되는 앵글 엔코더에 적용되는 것으로, 상기 앵글 엔코더의 발광부로부터 방출되는 빛을 비교 검출하여 상기 크랭크 샤프트의 회전수와 각도를 전압신호로 출력하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로에 있어서, 상기 발광부로부터 방출되는 빛을 복수개의 채널을 통해 감지하여 전기적인 신호로 변환환 후 상기 채널과 대응하는 수의 출력핀으로 신호를 출력하는 감지부와; 상기 감지부로부터 출력되는 신호들 중 기선택된 2개의 신호를 입력받아 비교 및 출력하는 복수개의 비교기와, 상기 비교기의 입력핀 노드와 상기 감지부의 출력핀 노드가 접하는 접속점과 연결되어 상기 감지부로부터 입력되는 각각의 신호 세기를 개별 조정하는 가변저항을 포함하는 비교검출부와; 상기 비교기로부터 출력되는 신호를 입력받아 증폭시켜 외부 출력단자에 전송하는 출력부; 및 상기 감지부와 비교검출부 및 출력부의 내부 회로를 구동시키기 위한 정전압을 제공하는 전원부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로에 의해 달성된다.
여기서, 상기 비교검출부는, 초기 전원 인가시 상기 비교검출부에 입력되는 신호를 기설정된 신호로 초기화시키는 리셋유닛을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 비교검출부는 상기 감지부의 신호를 입력받아 VCC 전압신호로 변환하여 출력하고, 상기 출력부는 상기 비교검출부로부터 VCC 전압신호를 입력받아 Vdc 전압신호로 변환하여 출력한다.
한편, 상기 전원부는, 전원 입력단에 연결되어 외부의 이상전압으로부터 내부 소자를 보호하는 서지흡수기를 포함할 수 있다. 이때, 상기 전원부는, 상기 서지흡수기와 병렬 연결되어 노이즈 차단을 위한 감쇄필터회로를 형성하는 복수개의 콘덴서를 더 포함할 수 있다.
상기한 실시예에 따른 본 발명에 의하면, 분해능 향상에 따른 위상 검출을 용이하게 하여 엔진을 최적으로 운전할 수 있으며, 마이크로프로세서의 샘플링 주기에 제약받지않고 분해능을 크게 향상시켜 크랭크 샤프트의 회전각을 정밀하게 감지할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로를 도시하는 회로도이다.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로를 도시하는 회로도이다.
도3 및 도4는 본 발명의 작동 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로는, 엔진의 크랭크 샤프트에 부착되는 앵글 엔코더에 적용되는 것을 전제로 하며, 상기 앵글 엔코더의 발광부로부터 방출되는 빛을 비교 검출하여 상기 크랭크 샤프트의 회전수와 각도를 전압신호로 출력한다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로를 도시하는 회로도이다.
도1의 실시예에 따른 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로는, 크게 감지부(200), 비교검출부(400), 출력부(600), 및 전원부(800)를 포함한다.
먼저, 상기 감지부(200)는, 상기 발광부로부터 방출되는 빛을 복수개의 채널을 통해 감지하여 전기적인 신호로 변환환 후 상기 채널과 대응하는 수의 출력핀으로 신호를 출력한다.
여기서, 상기 발광부에서 방출되는 빛은 통상적인 엔코더의 구조인 슬릿과 마스크를 거쳐 감지부(200)에 입력되나, 엔코더의 구조에 따라 일부 구성이 제외되거나 추가될 수 있음은 물론이다.
상기 감지부(200)에 입력된 빛은 출력핀 A1, A2, B1, B2, C1, D1, E1, F1을 통해 후술할 비교검출부(400)로 전송한다.
다음으로, 상기 비교검출부(400)는, 상기 감지부(200)로부터 출력되는 신호들 중 기선택된 2개의 신호를 입력받아 비교 및 출력하는 복수개의 비교기(U5A,U5B,U5C,U5D)와, 상기 비교기(U5A,U5B,U5C,U5D)의 입력핀 노드와 상기 감지부(200)의 출력핀 노드가 접하는 접속점과 연결되어 상기 감지부(200)로부터 입력되는 각각의 신호 세기를 개별 조정하는 가변저항(VR1~VR8)을 포함한다. 이러한 비교검출부(400)는 상기 감지부(200)의 신호를 입력받아 VCC 전압신호로 변환하여 출력한다.
여기서, 상기 비교기(U5A,U5B,U5C,U5D)의 (+)핀에 연결되는 가변저항 VR1, VR3, VR5, VR7에는 제너다이오드 U3이 연결되어 기준 전압원으로 사용되고, 상기 비교기(U5A,U5B,U5C,U5D)의 (-)핀에 연결되는 가변저항 VR2, VR4, VR6, VR8에는 제너다이오드 U4가 연결되어 기준 전압원으로 사용된다.
한편, 상기 비교검출부(400)는 출력핀이 콘덴서 C1과 병렬 연결되어 가변저항들과 접속하는 리셋유닛(U2)을 더 포함할 수 있으며, 이러한 리셋유닛(U2)은 초기 전원 인가시 상기 비교검출부(400)에 입력되는 신호를 기설정된 신호로 초기화시킨다.
다음으로, 상기 출력부(600)는, 상기 비교기(U5A,U5B,U5C,U5D)로부터 출력되는 신호를 입력받아 증폭시켜 외부 출력단자에 전송한다. 이러한 출력부(600)는 상기 비교검출부(400)로부터 VCC 전압신호를 입력받아 Vdc 전압신호로 변환하여 출력한다.
여기서, 상기 출력부(600)는 복수개의 출력핀(Q1~Q4)이 형성되어 이와 대응하는 수의 외부 출력단자에 신호를 전송하는데, 본 실시예에서는 외부 출력단자가 Q1_OUTPUT, Q2_OUTPUT, MM_OUTPUT, MS_OUTPUT으로 배치된다. 이때, 상기 Q1_OUTPUT의 하이(HIGH) 출력 각 타이밍은 가변저항 VR1로 조정하고, 로우(HIGH) 출력 타이밍은 가변저항 VR2로 조정한다. 상기 Q2_OUTPUT의 하이 출력 각 타이밍은 가변저항 VR3으로 조정하고, 로우 출력 타이밍은 가변저항 VR4로 조정한다. 상기 MM_OUTPUT의 하이 출력 각 타이밍은 가변저항 VR5로 조정하고, 로우 출력 타이밍은 가변저항 VR6으로 조정한다. 상기 MS_OUTPUT의 하이 출력 각 타이밍은 가변저항 VR7로 조정하고, 로우 출력 타이밍은 가변저항 VR8로 조정한다.
다음으로, 상기 전원부(800)는, 상기 감지부(200)와 비교검출부(400) 및 출력부(800)의 내부 회로를 구동시키기 위한 정전압을 제공한다.
여기서, 상기 전원부(800)는 서지흡수기(SM1)를 포함할 수 있으며, 이러한 서지흡수기(SM1)는 전원부(800)의 입력단에 연결되어 외부의 이상전압으로부터 내부 소자를 보호한다. 이때, 상기 전원부(800)는 상기 서지흡수기(SM1)와 병렬 연결되는 복수개의 콘덴서(C6,C7,C8)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 콘덴서(C6,C7,C8)는 감쇄필터회로를 형성하여 노이즈를 차단하는 역할을 한다.
한편, 상기 서지흡수기(SM1)와 상기 감쇄필터회로 사이에 연결되는 다이오드 D1은 역방향 전원을 Vdc_IN과 0Vdc_IN에 인가했을 때 내부 회로의 소자를 보호하는 역할을 한다.
그리고, 상기 전원부에서 도시된 레귤레이터 유닛 U7은 정전압 공급 모듈로서 안정된 전원을 내부 회로에 공급하는 역할을 하고, 발광다이오드 LD1은 저항 R15에 의해 밝기가 조정되어 발광부의 광원이 된다.
도2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로를 도시하는 회로도이다.
도2의 실시예에 따른 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로는 앵글 엔코더의 회전 방향이 반대일 때 상술한 도1의 회로와 동일한 신호가 나오게 되는 것으로, 실질적인 회로구성은 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상술한 실시예를 바탕으로 본 발명의 작동원리를 도3 및 도4를 참조하여 설명한다. 정밀한 제어를 위해 앵글 엔코더를 흡입, 압축, 연소, 배출의 사이클에 맞도록 360도 1회전을 4등분으로 하여 90도씩 분배한다. 이것을 반시계 방향으로 1상한(PHASE), 2상한, 3상한, 4상한으로 구분한다면 각 상한마다 90도 위상각을 가지는 2개의 관통홀을 90등분하여 그 신호를 논리회로 AND, EXCLUSIVE OR, EXCLUSIVE NOR 회로로 신호를 4등분 하므로 각 상한마다 각도 감지 분해능을 360등분하여 1회전 360도를 1440등분한다. 또한 4가지의 각 신호(Q1, Q2, MM, MS)가 정확하게 90도의 위상각이 되도록 가변저항을 통해 세밀하게 조정한다.
지금까지 설명한 본 발명의 실시예에 따른 앵글 엔코더의 회전각 감지를 위한 회로설계에 의하면, 분해능 향상에 따른 위상 검출을 용이하게 하여 엔진을 최적으로 운전할 수 있으며, 마이크로프로세서의 샘플링 주기에 제약받지않고 분해능을 크게 향상시켜 크랭크 샤프트의 회전각을 정밀하게 감지할 수 있는 효과가 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
200, 300: 감지부 400: 비교검출부
600: 출력부 800: 전원부

Claims (5)

  1. 엔진의 크랭크 샤프트에 부착되는 앵글 엔코더에 적용되는 것으로, 상기 앵글 엔코더의 발광부로부터 방출되는 빛을 비교 검출하여 상기 크랭크 샤프트의 회전수와 각도를 전압신호로 출력하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로에 있어서,
    상기 발광부로부터 방출되는 빛을 복수개의 채널을 통해 감지하여 전기적인 신호로 변환환 후 상기 채널과 대응하는 수의 출력핀으로 신호를 출력하는 감지부;
    상기 감지부로부터 출력되는 신호들 중 기선택된 2개의 신호를 입력받아 비교 및 출력하는 복수개의 비교기와, 상기 비교기의 입력핀 노드와 상기 감지부의 출력핀 노드가 접하는 접속점과 연결되어 상기 감지부로부터 입력되는 각각의 신호 세기를 개별 조정하는 가변저항을 포함하는 비교검출부;
    상기 비교기로부터 출력되는 신호를 입력받아 증폭시켜 외부 출력단자에 전송하는 출력부; 및
    상기 감지부와 비교검출부 및 출력부의 내부 회로를 구동시키기 위한 정전압을 제공하는 전원부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비교검출부는, 초기 전원 인가시 상기 비교검출부에 입력되는 신호를 기설정된 신호로 초기화시키는 리셋유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비교검출부는 상기 감지부의 신호를 입력받아 VCC 전압신호로 변환하여 출력하고,
    상기 출력부는 상기 비교검출부로부터 VCC 전압신호를 입력받아 Vdc 전압신호로 변환하여 출력하는 것을 특징으로 하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전원부는, 전원 입력단에 연결되어 외부의 이상전압으로부터 내부 소자를 보호하는 서지흡수기를 포함하는 것을 특징으로 하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전원부는, 상기 서지흡수기와 병렬 연결되어 노이즈 차단을 위한 감쇄필터회로를 형성하는 복수개의 콘덴서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 앵글 엔코더의 회전각 감지 회로.
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