KR101456882B1 - 버니어 방식 광학 엔코더의 비트 오차 보정을 위한 디지털 옵토-일렉트리컬 펄스 적용 방법 - Google Patents

버니어 방식 광학 엔코더의 비트 오차 보정을 위한 디지털 옵토-일렉트리컬 펄스 적용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학 로터리 엔코더(optical rotary encoder)에서의 절대 회전 각도 감지를 위한 방법에 관한 것으로, 상세하게는 버니어(Vernier) 방식에서의 상위 비트 생성 시 오차를 보정할 수 있는 디지털 펄스를 생성하기 위한 신호 트랙을 구비하는 광학 엔코더에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 엔코더는, 절대 위치 회전각 정보를 생성하는 버니어 방식의 광학식 로터리 엔코더로서, 가장 빠른 주기의 정현파 신호를 생성하는 마스터 트랙과, 마스터 트랙의 주기에 일정 값을 감소시킨 주기의 정현파 신호를 생성하는 버니어 트랙과, 상기 마스터 트랙의 정현파 신호 주기에 비례하는 주기를 갖는 디지털 펄스 신호를 생성하는 디지털 트랙을 포함한다.

Description

버니어 방식 광학 엔코더의 비트 오차 보정을 위한 디지털 옵토-일렉트리컬 펄스 적용 방법 {DIGITAL OPTO-ELECTRICAL PULSE APPLICATION METHOD FOR CORRECTING BIT ERROR OF VERNIER-TYPE OPTICAL ENCODER}
본 발명은 광학 로터리 엔코더(optical rotary encoder)에서의 절대 회전 각도 감지를 위한 방법에 관한 것으로, 상세하게는 버니어(Vernier) 방식에서의 상위 비트 생성 시 오차를 보정할 수 있는 디지털 펄스를 생성하기 위한 신호 트랙을 구비하는 광학 엔코더에 관한 것이다. 상기 추가되는 신호 트랙은 일반적인 버니어 방식의 광학 엔코더의 아날로그 신호 트랙에 비해 그 높이를 줄일 수 있어서 소형 엔코더 제작이 가능해지며, 이 트랙에서 생성되는 신호를 이용하여 엔코더 각도 측정에서의 상위 비트에 발생하는 노이즈 내성을 향상시킬 수 있어 신뢰성 높은 엔코더의 구현이 가능해 진다.
모터의 회전 각도를 측정하고 제어하기 위하여 모터 회전축에 부착하여 회전각을 감지하는 엔코더 중 절대각도를 측정하기 위한 방식은 그레이(gray) 코드, 바이너리(binary) 코드, 엠(M) 코드, 수도랜덤(Pseudorandom) 코드, 버니어 방식 등이 있다.
이 중 버니어 방식은 주기가 다른 신호의 위상차 정보를 이용하여 절대각도를 파악하는 방식으로, 이론적으로는 2개의 정현파 신호를 생성하는 2개의 트랙만으로 구성이 가능하지만, 실제로는 상위 비트 오차 방지를 위한 트랙이 추가된 3개 이상의 트랙으로 구현된다.
도 1은 기존의 3-트랙 버니어 방식 광학 로터리 엔코더의 코드 디스크 구성을 도시한 개념도이다.
도 1에서, 3개의 아날로그 트랙(50, 52, 54)은 마스터 트랙(50)과 버니어 트랙(52), 세그먼트 트랙(54)으로 구분될 수 있다. 마스터 트랙(50)은 가장 빠른 주기의 정현파 신호를 생성하며, 버니어 트랙(52)과 세그먼트 트랙(54)은 마스터 트랙(50)의 주기에 일정 값들을 감소시킨 주기의 정현파 신호를 생성한다.
버니어 방식에서 구현 가능한 최대 해상도는 각각의 정현파 신호를 디지털 컨버전하는 해상도 및 각각의 정현파 신호의 위상 오차 수준에 의하여 결정된다.
버니어 방식에 대하여 좀더 자세히 살펴보면, 엔코더가 1회전시 생성할 상위 비트 정보의 해상도에 대응하는 주기를 가지는 정현파 신호를 생성하는 마스터 트랙과 상기 마스터 트랙의 주기보다 1만큼 작은 주기를 가지는 정현파 신호를 생성하는 버니어 트랙이 존재하며, 이 두 트랙 신호의 위상차를 이용하여 상위 비트(bit) 신호를 생성한다. 엔코더가 1회전 할 때 회전 각도에 대하여 두 트랙의 위상차는 0부터 2파이(pi)까지 선형적으로 변화하기 때문에 위상차를 측정하여 디지털화 하면 상위 비트 신호가 생성된다. 또한 상위 비트 신호가 1 LSB 변하는 동안 마스터 트랙의 정현파 신호는 0부터 2파이(pi)까지 변화하고 이를 디지털화 하여 상위 1 LSB 에 대응하는 하위 비트 신호를 생성할 수 있다.
상기 상위 비트 신호는 그레이 코드나 바이너리 코드 등의 다 트랙 절대 위치 생성 방식에서와는 달리 노이즈에 의하여 비트 오차가 발생할 확률이 높다. 따라서 상기 마스터 트랙의 주기보다 M(M=2^N, N은 1보다는 크고 상기 하위 비트 신호의 비트수 보다 작은 정수)만큼 작은 주기를 가지는 정현파 신호를 생성하는 세그먼트 트랙을 추가하여 상기 상위 비트 신호를 보정한다.
본 발명에서 제안하는 방법은 상위 비트 오차를 보정하기 위해 아날로그 정현파 신호를 생성하는 세그먼트 트랙을 추가하는 대신, 마스터 트랙에 대응하는 디지털 펄스 신호를 생성하는 보조적인 디지털 트랙을 추가하는 것을 특징으로 한다. 정현파 생성을 위한 신호 트랙은 노이즈에 민감하기 때문에 일정 이상의 신호 레벨(level) 확보를 위해 트랙의 높이를 증가시켜야 하는 문제가 있는 반면, 디지털 펄스 신호 생성을 위한 신호 트랙은 비교적 낮은 높이로도 노이즈에 강인한 특성을 보이는 장점이 있다. 여기서, 트랙의 높이를 줄인다는 것은 트랙 패턴의 디스크 중심방향의 길이가 줄어든다는 것을 의미한다. 아날로그 트랙을 디지털 트랙으로 대체하여 전체 엔코더 디스크의 크기가 줄어들게 된다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 3-트랙 버니어 방식 고분해능 광학 엔코더의 코드 디스크 패턴과 수광부 패턴에서 세그먼트 트랙을 제거하고, 대신 낮은 높이를 가지는 디지털 펄스 신호 생성 트랙을 추가하여 상위 비트 오차를 보정하는 것을 목적으로 한다. 여기서, 트랙의 높이가 낮다는 것은 트랙 패턴의 디스크 중심방향의 길이가 작다는 것을 의미한다. 상기 디지털 펄스 신호 생성 트랙을 적용할 경우 코드 디스크의 너비를 감소시키면서도 상위 비트 노이즈 내성을 확보할 수 있어 소형 버니어 방식 절대 위치 엔코더의 구현이 가능하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 펄스 신호 생성 트랙 배치 방법은, 코드 디스크에 마스터 트랙의 신호의 주기에 비례하는 주기를 갖도록 슬릿(slit)을 배치하고, 위와 같이 배치된 코드 디스크를 통과하는 발광부의 광을 감지하기 위한 수광부 어레이(array)가 포함된 수광 소자로 구성된다.
버니어 방식으로 구한 상위 비트 정보의 2 비트 이상의 오류를 보정하기 위하여 기본 디지털 펄스 신호 생성 트랙의 주기의 2n 배(n은 자연수)의 주기를 갖는 디지털 펄스 신호 생성 트랙들이 추가될 수 있다. 또한 DOP(Digital Opto-electrical Pulse) 신호의 레벨이 변하는 구간을 정확히 측정하기 위해 위상이 180도 차이 나는 추가적인 DOP 신호를 생성하여 두 신호를 대비함으로써 새로운 DOP 신호를 생성하는 방법을 적용할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 디지털 펄스 신호를 이용하면 2개의 트랙을 가진 버니어 방식 엔코더의 상위 비트 노이즈 내성을 강화시킬 수 있어, 소형 버니어 방식 절대 위치 엔코더의 구현을 가능하게 한다.
도 1은 기존의 3-트랙 버니어 방식 광학 로터리 엔코더의 코드 디스크 구성을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 로터리 엔코더의 구성을 도시한 개념도.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 로터리 엔코더의 코드 디스크 구성을 도시한 개념도.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 DOP 생성을 위한 코드 디스크 슬릿 패턴 배치를 도시한 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어지는 디지털 펄스 신호와 절대 각도 신호의 관계를 나타내는 개념도.
도 6은 마스터 트랙의 정현파 신호 주기의 2배 주기를 갖는 디지털 펄스 신호를 생성하여 상위 비트 데이터의 1 비트 오차 보정을 설명하기 위한 도면.
도 7은 마스터 트랙의 정현파 신호 주기의 4배 주기를 갖는 디지털 펄스 신호를 추가로 생성하여 상위 비트 데이터의 2 비트 오차 보정을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 코드 디스크 슬릿, 이에 대응하는 수광 소자 어레이 배치 및 DOP 신호의 출력 파형을 나타내는 개념도.
도 9는 추가적인 180도 위상의 DOP 생성을 위한 코드 디스크 슬릿, 이에 대응하는 수광 소자 어레이 배치 및 DOP 신호의 출력 파형을 나타내는 개념도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 DOP를 이용한 버니어 방식의 절대 위치 회전각 감지 엔코더에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 로터리 엔코더의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2에서, 코드 디스크(20)가 모터 회전축(10)을 중심으로 회전하게 되면, 발광부(30)에서 출력된 빛이 코드 디스크(20)의 패턴 트랙들을 통과하여 수광부(40)로 입력되며, 수광부(40)는 각각의 트랙을 통과된 빛을 전기적 신호로 변환한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 코드 디스크(20)의 구성을 도시한 개념도이다. 도 3a는 1개의 디지털 트랙(60)을 갖는 코드 디스크의 예를 나타내며, 도 3b는 2개의 디지털 트랙(62)을 갖는 코드 디스크의 예를 나타낸다.
도 3a 및 3b에서, 도 1의 3-트랙 버니어 방식 광학 로터리 엔코더의 코드 디스크의 세그먼트 트랙(54)가 생략되고 디지털 트랙(60 또는 62)이 추가되었다. 도 3a 및 3b의 2개의 아날로그 트랙(50, 52)은 마스터 트랙(50)과 버니어 트랙(52)으로 구분될 수 있다. 마스터 트랙(50)은 가장 빠른 주기의 정현파 신호를 생성하며, 버니어 트랙(52)은 마스터 트랙(50)의 주기에 일정 값을 감소시킨 주기의 정현파 신호를 생성한다. 추가되는 디지털 트랙은 1개 또는 1개 이상의 트랙을 가질 수 있다. 도 3a 및 3b에서 추가된 디지털 트랙(60 또는 62)은 아날로그 트랙(50, 52)에 비해 높이를 줄인 것을 특징으로 한다.
도 4a 및 4b는 도 3a 및 3b에서 도시한 코드 디스크 패턴 중 DOP 신호 생성을 위한 디지털 패턴의 상세한 구성 방법을 도시한 개념도이다. 도 4a는 1개의 디지털 트랙을 갖는 코드 디스크 패턴의 구성 예를 나타내며, 도 4b는 2개의 디지털 트랙을 갖는 코드 디스크 패턴의 구성 예를 나타낸다.
코드 디스크(20) 상에서 DOP 신호를 생성하기 위한 슬릿 패턴(60 또는 62)은 마스터 트랙(50)의 슬릿 패턴 너비에 비례하는 너비를 갖도록 구성한다. 도 4a 및 4b에서는, 예시를 위하여 마스터 트랙의 슬릿 패턴 너비의 2배 너비를 갖는 1개의 디지털 트랙 슬릿과, 각각 마스터 트랙의 슬릿 패턴 너비의 2배, 4배의 너비를 갖는 2개의 디지털 트랙 슬릿을 도시하였다. 상기 슬릿 패턴은 코드 디스크(20)의 원주를 따라 배치되며 본 개념도에서는 편의를 위해 원형의 배치를 직선 형태로 바꾸어 도시하였다.
도 5는 버니어 방식의 절대 각도 생성 방법에서 마스터 트랙과 버니어 트랙에서 획득한 정현파의 위상차를 이용하여 생성한 상위 비트 신호와 마스터 트랙에서 획득한 정현파의 위상 변화를 이용하여 생성한 하위 비트 신호, 그리고 상위 비트 신호의 오차를 보정하기 위한 디지털 펄스 신호의 예를 도시한다. 본 도면에서는 예시를 위하여 마스터 트랙의 슬릿 패턴 너비의 2배 너비를 갖는 슬릿을 사용하여 1비트의 DOP 신호를 사용하는 경우를 도시한다.
도 5에서, 3개의 그래프의 각각의 x축은 디스크의 회전 각도를 나타내며, 단위는 라디안(radian)이다. 또한, 첫번째와 두번째 그래프의 y축은 LSB를 나타내며, 세번째 그래프의 y축은 DOP 신호의 0 과 1의 디지털 값으로 단위는 없다.
도 5에서, 전체 절대 각도 데이터 중 상위 비트 데이터는 총 10 비트, 하위 비트 데이터는 총 11 비트의 신호로 구성되어 상위 비트 데이터가 1비트 변하는 동안 하위 비트 데이터가 0에서 2047까지 변하는 것을 나타낸다. 또한 본 도면은 상위 비트 신호에 최대 1비트 오차가 발생하는 경우를 가정한 것으로 1비트의 DOP 신호를 사용하는 경우를 도시하고 있다.
도 6은 마스터 트랙의 정현파 신호 주기의 2배 주기를 갖는 디지털 펄스 신호를 생성하여 상위 비트 데이터의 1 비트 오차 보정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서 가정하는 상위 비트 데이터의 1 비트 오차는, 도시한 절대 각도의 상위 비트 데이터 그래프에서 실제 상위 비트 데이터의 값이 변화하는 선을 기준으로 왼쪽 절반 영역에서는 +1, 오른쪽 절반 영역에서는 -1으로 발생 가능하다고 가정한다.
도 6에서, 연산 장치(미도시)는 마스터 트랙(50) 및 버니어 트랙(52)의 정현파 신호의 위상차이를 이용하여 버니어 방식으로 상위 비트 절대 각도 정보를 생성한다. 이어서, 상기 연산 장치는 마스터 트랙(50)과 버니어 트랙(52)의 신호를 이용하여 변환된 상위 비트 데이터, 하위 비트 데이터 및 디지털 펄스 신호의 값을 입력받아, 상기 상위 비트 데이터의 1 비트 오차를 디지털 펄스 신호로 보정한다.
구체적으로, 도 6의 A 부분은 상위 비트가 3으로 측정되었을 경우, 1 비트 오차를 가정하였을 때, 3으로 측정될 수 있는 가능한 4개의 영역을 나타낸다.
도 6의 두번째 그래프와 세번째 그래프에서, 하위 비트 신호는 0 1 값이 반복되고 있으며, DOP 신호는 0 1 1 0 값이 반복되고 있는 상태를 나타내며, DOP 신호의 주기가 하위 비트 신호 주기의 2배임을 의미한다.
도 6의 B 부분에서, 절대 각도 상위 비트 데이터가 3으로 측정되었을 때, 1개의 DOP 신호와 하위 비트 데이터에서 추출한 1비트 신호를 확인하면 (1 1), (0 1), (1 0), (0 0)의 4개의 조합 중 1개로 결정되므로, 상위 비트 데이터의 측정값이 상기 4개의 조합 중 어느 하나를 만족하지 못할 때, 상위 비트 데이터 측정값의 오류를 확인하여 보정할 수 있다.
도 7은 마스터 트랙의 정현파 신호 주기의 4배 주기를 갖는 디지털 펄스 신호를 생성하여 상위 비트 데이터의 2 비트 오차 보정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서 가정하는 상위 비트 데이터의 2 비트 오차는, 도시한 절대 각도의 상위 비트 데이터 그래프에서 실제 상위 비트 데이터의 값이 변화하는 선을 기준으로 왼쪽 절반 영역에서는 (-1, +1, +2 중에 한 값), 오른쪽 절반 영역에서는 (-2, -1, +1 중의 한 값)으로 발생 가능하다고 가정한다.
도 7의 C 부분은 상위 비트가 3으로 측정되었을 경우, 2 비트 오차를 가정하였을 때, 3으로 측정될 수 있는 가능한 8개의 영역을 나타낸다.
도 7의 두번째, 세번째, 네번째 그래프에서, 하위 비트 신호는 0 1 값이 반복되고 있으며, DOP 신호 1은 0 1 1 0 값이 반복되고 있고, DOP 신호 2는 1 1 1 1 0 0 0 0 값이 반복되는 상태를 나타내며, DOP 신호의 주기가 하위 비트 신호 주기의 4배임을 의미한다.
도 7의 D 부분에서, 절대 각도 상위 비트 데이터가 3으로 측정되었을 때, 2개의 DOP 신호와 하위 비트 데이터에서 추출한 1비트 신호를 확인하면 (1 0 1), (0 0 0), (1 1 0), (0 1 0), (1 0 0), (0 0 1), (1 1 1), (0 1 1)의 8개의 조합 중 1개로 결정되므로, 상위 비트 데이터의 측정값이 상기 8개의 조합 중 어느 하나를 만족하지 못할 때, 상위 비트 데이터 측정값의 오류를 확인하여 보정할 수 있다.
도 6 및 도 7에서, 각각 마스터 트랙의 정현파 신호 주기의 2배와 4배 주기를 갖는 디지털 펄스 신호를 생성하여 상위 비트 데이터의 오차를 보정하는 방법을 설명하였다. 이를 확장하여 일반화하면, 본 발명의 광학 엔코더에서, 마스터 트랙의 정현파 신호 주기의 2배를 갖는 디지털 펄스 신호의 주기를 다시 1 배부터 2n-1 배씩 늘린 디지털 펄스 신호들을 생성하여, 상위 비트 데이터의 n 비트 오차를 디지털 펄스 신호들로 보정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 코드 디스크 슬릿, 이에 대응하는 수광 소자 어레이 배치 및 DOP 신호의 출력 파형을 나타내며, 도 9는 추가적인 180도 위상의 DOP 생성을 위한 코드 디스크 슬릿, 이에 대응하는 수광 소자 어레이 배치 및 DOP 신호의 출력 파형을 나타내는 개념도이다.
우선, 도 8을 참조하면, DOP 신호를 생성하는 수광부가 실제로는 이상적이지 않기 때문에 도 5의 DOP 신호와는 다르게 레벨이 바뀌는 구간의 기울기가 존재하며 디지털화 된 값이 모호해 지는 구간이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 도 9에 도시한 바와 같이 추가적인 180도 위상의 DOP를 생성하고, 두 개의 DOP 신호를 비교기를 이용하여 대비하여 모호성을 줄인 새로운 DOP 신호를 생성할 수 있다.
구체적으로, 비교기는 디지털 펄스 신호 및 역상의 디지털 펄스 신호를 대비하여, 디지털 펄스 신호의 라이징 엣지(rising edge)와 폴링 엣지(falling edge)의 기울기를 높인 새로운 디지털 펄스 신호를 생성한다. 여기서, 기울기는 E 영역에서의 기울기를 의미하며 디지털 펄스 신호의 과도 상태(transient state)를 예리(sharp)하게 만드는 것을 의미한다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 모터 회전 축
20: 코드 디스크
30: 발광부
40: 수광부
50: 마스터 트랙
52: 버니어 트랙
54: 세그먼트 트랙
60: 디지털 트랙
62: 디지털 트랙

Claims (4)

  1. 절대 위치 회전각 정보를 생성하는 버니어 방식의 광학식 로터리 엔코더로서,
    모터 회전축을 중심으로 회전하는 코드 디스크를 포함하되, 상기 코드 디스크는,
    상기 코드 디스크에 포함된 트랙 중 가장 빠른 주기의 정현파 신호를 생성하는 마스터 트랙과,
    상기 마스터 트랙의 주기에 일정 값을 감소시킨 주기의 정현파 신호를 생성하는 버니어 트랙과,
    상기 마스터 트랙의 정현파 신호 주기에 비례하는 주기를 갖는 디지털 펄스 신호를 생성하는 디지털 트랙을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 엔코더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마스터 트랙 및 상기 버니어 트랙의 정현파 신호의 위상차이를 이용하여 버니어 방식으로 상위 비트 절대 각도 정보를 생성하고,
    상기 마스터 트랙과 상기 버니어 트랙의 신호를 이용하여 변환된 상위 비트 데이터, 하위 비트 데이터 및 디지털 펄스 신호의 값을 입력받아, 상기 상위 비트 데이터의 1 비트 오차를 상기 디지털 펄스 신호로 보정하는 연산 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 엔코더.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 디지털 펄스 신호의 주기를 1 배부터 2n-1 배씩 늘린 디지털 펄스 신호들을 생성하여, 상기 상위 비트 데이터의 n 비트 오차를 상기 디지털 펄스 신호들로 보정하는 것을 특징으로 하는 광학 엔코더.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 디지털 펄스 신호를 생성하는데 있어서 상기 디지털 펄스 신호의 위상과 180도 차이 나는 역상의 신호를 추가로 생성하여 상기 디지털 펄스 신호 및 역상의 디지털 펄스 신호를 비교기로 대비하여 상기 디지털 펄스 신호의 라이징 엣지(rising edge)와 폴링 엣지(falling edge)의 기울기를 높인 새로운 디지털 펄스 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광학 엔코더.
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