KR101540176B1 - 전동기 속도 검출장치 - Google Patents

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Abstract

전동기 속도 검출장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, 전동기의 회전에 따라 엔코더로부터 입력되는 2상의 정현파 신호를 증폭하는 증폭부; 2상의 정현파 신호를 디지털 데이터로 변환하는 제1변환부; 상기 2상의 정현파 신호를 구형파 신호로 변환하는 제2변환부; 상기 구형파 신호를 카운트하여 누적하는 카운터부; 및 상기 제1변환부로부터 수신한 디지털 데이터와, 상기 카운터부로부터 수신하는 누적된 카운터를 수신하여, 상기 전동기의 속도를 결정하는 속도 결정부를 포함한다.

Description

전동기 속도 검출장치{APPARATUS FOR DETECTING SPEED OF MOROR}
본 발명은 전동기 속도 검출장치에 관한 것이다.
일반적으로, 인버터에 의한 교류 전동기의 가변속 구동이 널리 사용되면서, 전동기의 정밀한 속도 제어가 요구되는 경우, 속도 검출센서를 전동기에 부착하여 전동기의 속도를 검출하고 있다.
이러한 속도 검출센서로는 증분형 엔코더(incremental encoder)가 많이 사용되고 있으며, 증분형 엔코더는 크게 구형파 신호를 출력하는 엔코더와 정현파 신호를 출력하는 엔코더로 나눌 수 있다.
이중, 정현파 신호를 출력하는 엔코더(이하, '정현파 엔코더'라 함)는, 전동기의 한 회전당 소정의 개수만큼의 서로 90도의 위상차를 갖는 2상의 정현파를 출력하며, 인버터에 제공되는 속도 검출장치에서 일정 시간마다 그 정현파를 측정하여 전동기의 속도를 검출하는 것이다.
그러나, 종래 정현파 엔코더를 이용하여 전동기의 속도를 검출하는 경우, 고주파 신호를 사용하므로, 전동기 속도가 증가하는 경우 검출되는 속도의 정확성이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 정현파 엔코더의 출력신호를 검출하여 전동기의 속도를 정확하게 검출하는 전동기 속도 검출장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예의 전동기 속도 검출장치는, 전동기의 회전에 따라 엔코더로부터 입력되는 2상의 정현파 신호를 증폭하는 증폭부; 2상의 정현파 신호를 디지털 데이터로 변환하는 제1변환부; 상기 2상의 정현파 신호를 구형파 신호로 변환하는 제2변환부; 상기 구형파 신호를 카운트하여 누적하는 카운터부; 및 상기 제1변환부로부터 수신한 디지털 데이터와, 상기 카운터부로부터 수신하는 누적된 카운터를 수신하여, 상기 전동기의 속도를 결정하는 속도 결정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1변환부는, 소정 비트수로 상기 2상의 정현파 신호를 디지털 데이터로 변환할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 속도 결정부는, 변환된 디지털 데이터를 이용하여, 한 펄스 내에서의 위치각을 결정하는 제1결정부; 상기 카운터부터 누적된 카운터와, 상기 한 펄스내에서의 위치각을 결합하여, 전동기 1회전에 대한 위치각을 결정하는 제2결정부; 및 전동기 위치의 변화량을 기반으로 상기 전동기 속도를 결정하는 제3결정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제3결정부는, 전동기 위치의 변화량을 시간 변화량으로 나누어, 상기 전동기 속도를 결정할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, sin 및 cos 신호를 각각 한주기 아크탄젠트 연산한 값과, 구형파 신호로 변환하여 카운터한 값에 의해 높은 분해능을 가지는 위치각을 생성할 수 있고, 이를 기반으로 정밀한 속도 연산이 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 정현파 엔코더로부터 출력되는 신호를 이용하여 전동기 속도를 검출하는 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 도 1의 출력신호를 설명하기 위한 파형도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전동기 속도 검출장치의 구성도이다.
도 4는 도 3의 출력신호를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 5는 도 4의 속도 결정부의 상세 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래 전동기 속도 검출장치를 설명한 후, 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 종래 정현파 엔코더로부터 출력되는 신호를 이용하여 전동기 속도를 검출하는 장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 2는 도 1의 장치에서 발생되는 신호를 설명하기 위한 파형도이다.
종래의 속도 검출장치는, 전동기(도시되지 않음)의 축에 취부되어 전동기가 1회전하는 경우 지정된 갯수만큼 서로 90도 위상차를 갖는 2상의 정현파 신호(sin, cos 신호)를 출력하는 엔코더(100)와, 엔코더(100)의 출력신호를 수신하여 전동기 회전속도를 결정하여 이를 인버터의 속도 제어장치로 제공하는 속도 검출장치(200)로 구성된다.
속도 검출장치(200)는, 정현파 엔코더(100)의 sin, cos 신호를 차동하여 증폭하는 차동증폭부(210)와, 차동증폭된 sin, cos 신호를 주파수 발생부(230)가 제공하는 고주파 신호와 결합하는 파형변환부(220)와, 파형변환된 sin, cos 신호를 펄스신호로 변환하는 컨버터(240)와, 펄스신호를 카운트하는 펄스 카운터(250)와, 펄스 카운터(250)에서 출력된 카운터의 변화량을 일정 시간마다 연산하여 속도를 검출하는 속도연산부(260)로 구성된다.
도 2를 참조로 하면, 2A는 전동기의 1회전을 의미하고, 2B, 2C는 엔코더(100)가 전동기의 회전(2A)에 의해 발생하는 sin 신호와 cos 신호를 나타낸다. sin 신호(2B)와 cos 신호(2C)는 90도의 위상차를 가지게 된다. 2D는 sin 신호(2B)와 cos 신호(2C)의 주기를 나타내고, 2E는 주파수 발생부(230)에서 생성한 고주파 신호를 나타낸다. 또한, 2F는 파형변환부(220)가 sin 신호(2B)와 cos 신호(2C)의 차동신호에 주파수 발생부(230)의 고주파 신호(2E)를 결합하여 생성한 신호이고, 2G는 컨버터(240)에 의해 변환된 펄스신호이다. 또한, 2H는 펄스신호(2G)를 펄스 카운터(250)에서 누적한 신호를 나타낸다.
도 1의 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전동기(도시되지 않음)의 축에 취부된 정현파 엔코더(100)는, 전동기의 회전에 의해 축의 위치가 변화한 만큼 정현파를 출력하는 위치센서로서, 전동기의 1회전당 출력 신호의 개수는 미리 설정되어 있으므로, 출력되는 정현파의 개수를 알면 회전 위치의 변화량을 알 수 있다.
정편파 엔코더(100)의 출력신호는 크기가 일정하지만 전동기가 회전하는 속도에 따라 주파수는 가변한다.
차동증폭부(210)는 정현파 엔코더(100)의 출력신호의 절연 및 레벨조정을 위한 것으로서, 2B 및 2C와 같이 엔코더(100)로부터 출력되는 신호를 차동하여, 미리 설정된 게인에 따라 증폭한다.
주파수 발생부(230)는 2E와 같이 일정 크기 및 일정 주파수의 신호를 발생하며, 이를 파형변환부(220)로 제공한다. 파형변환부(220)는 차동증폭된 신호에 고주파 신호를 결합하여 2F와 같이 출력한다. 이때, 두 신호를 결합하는 것은 차동신호의 분해능을 높이기 위해서이다.
예를 들어 sin 신호(2B) 및 cos 신호(2C)가 100Hz인 경우, 10kHz의 고주파 신호를 결합하면, 100Hz 신호 한주기 내에 100번의 정현파가 발생하게 된다. 즉, 원래 정현파 엔코더(100)의 출력신호의 개수는 전동기의 1회전당 지정되어 있지만, 정현파 엔코더(100)의 출력신호에 고주파를 결합하여 1회전시 발생하는 출력신호의 개수를 수배 이상 증가시킬 수 있다.
이렇게 파형변환부(220)는 차동증폭된 신호와 주파수 발생부(230)에서 발생된 고주파수 신호(2E)를 결합하여, 전동기의 1회전시 발생하는 신호의 개수를 증가시킨다.
컨버터(240)는 파형변환부(220)에서 결합된 정현파 신호(2F)를 구형파 신호(2G)로 변환하고, 펄스 카운터(250)는 구형파 신호(2G)가 낮은 레벨에서 높은 레벨로, 또는 높은 레벨에서 낮은 레벨로 변할때 마다 카운터를 누적한다.
이후, 속도연산부(260)는, 전동기의 회전에 의해 발생에 의해 카운트된 펄스(2H)를 이용하여 일정 시간마다 전동기의 속도를 연산한다. 이때 속도연산부(260)는 아래 수학식을 이용하여 전동기 속도를 연산한다.
Figure 112014024430024-pat00001
그러나, 위와 같은 종래의 속도 검출장치는, 파형변환부(220)가 처리할 수 있는 주파수 영역의 한계로 인해, 일정 속도 이상에서 검출한 속도의 변동이 커지는 문제점이 있다.
즉, 차동증폭된 신호는 전동기의 구동속도가 변화하는 경우, 크기는 일정하게 유지되지만 신호의 주파수가 변동하게 된다. 전동기가 일정 속도 이상으로 구동되면, 차동증폭된 신호의 주파수는 증가하고, 파형변환부(220)에서 처리할 수 있는 주파수 영역의 한계로 인해, 주파수 발생부(230)의 신호와 결합하여 변환되는 신호가 일부 발생하지 않는 문제가 발생한다. 이는, 도 2에서 2D에 해당하는 부분에서 특히 발생하게 된다.
파형변환부(220)의 출력신호(2F)가 정확하지 않은 경우, 컨버터(240)에서 변환되는 펄스 신호도 정확하게 않게 되고, 이를 펄스 카운터(250)가 카운트하는 경우에도 정확성이 떨어지므로, 결과적으로 속도 연산부(260)가 출력하는 전동기의 속도 연산이 부정확하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전동시 속도가 일정 속도 이상의 고속인 경우에도, 속도 검출을 정확하게 하기 위한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전동기 속도 검출장치의 구성도이고, 도 4는 도 3의 출력신호를 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전동기 속도 검출장치(2)는, 증폭부(10), 파형 변환부(20), 펄스 카운터부(30), 아날로그-디지털(Analog-Digital, AD) 컨버터부(40), 및 속도 결정부(50)를 포함할 수 있다.
본 발명의 속도 검출장치(2)는, 전동기(도시되지 않음)의 축에 취부되는 엔코더(1)로부터, 전동기가 1회전하는 경우 지정된 갯수만큼 서로 90도 위상차를 갖는 2상의 정현파 신호(sin, cos 신호)를 수신하여, 이를 이용하여 전동기의 회전속도를 결정할 수 있다.
증폭부(10)는 정현파 엔코더(1)로부터 출력되는 sin 신호 및 cos 신호의 레벨을 증폭하여 출력할 수 있다. 증폭부(10)는, 예를 들어 차동증폭기(differential amplifier)일 수 있다.
파형 변환부(20)는 증폭된 sin 신호 및 cos 신호 중 어느 하나를 구형파로 변환하고, 펄스 카운터부(30)는 파형 변환부(20)로부터 변환된 구형파 신호를 카운트할 수 있다.
또한, AD 컨버터부(40)는 증폭된 sin 신호 및 cos 신호를 디지털 데이터로 변환할 수 있다. AD 컨버터부(40)는, 예를 들어 소정 비트수로 sin 신호 및 cos 신호를 디지털 데이터로 변환하는 것으로서, AD 컨버터부(40)의 비트수가 커질수록 속도 검출장치(2)의 분해능이 높아질 수 있다.
속도 결정부(50)는 AD 컨버터부(40) 및 펄스 카운터부(30)의 출력을 수신하여 전동기의 속도를 결정할 수 있다.
도 4를 참조로 하면, 4A는 전동기가 1회전 하는 경우 엔코더(1)가 출력하는 신호의 개수를 나타내고, 4B 및 4C는 각각 엔코더(1)의 출력인 sin 신호 및 cos 신호를 나타낸다. 또한 4D는 sin 신호(4B) 및 cos 신호(4C)의 한 주기를 나타내고, 4E는 sin 신호(4B) 및 cos 신호(4C)를 아크탄젠트(arctan) 연산하여 생성된 구형파 한주기의 위치각을 나타낸다.
또한, 4F는 증폭부(10)에 의해 증폭된 신호를 파형 변환부(20)가 구형파로 변환한 것을 나타내는 것이며, 4G는 구형파 신호(4F)를 펄스 카운터부(30)가 누적한 카운터를 나타내는 것이다.
또한, 4H는 펄스 카운터부(30)에서 누적한 카운터(4G)와 구형파 한주기의 위치각(4E)의 결합에 의해 생성된 전동기의 위치각을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 속도 결정부가 전동기의 속도를 결정하는 것을 설명하기 위한, 속도 결정부(50)의 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 속도 결정부(50)는, 아크탄젠트 연산부(51), 위치각 연산부(52) 및 속도 검출부(53)를 포함할 수 있다.
아크탄젠트 연산부(51)는, AD 컨버터부(40)로부터 수신한 sin 데이터 및 cos 데이터를 이용하여 엔코더(1)의 한 펄스 내에서의 위치각을 결정한다.
즉,
Figure 112014024430024-pat00002
이므로, 아크탄젠트 연산에 의해 θ를 결정할 수 있다. 이 연산 결과가 도 4에서 4E에 해당한다.
위치각 연산부(52)는, 아크탄젠트 연산부(51)로부터 수신한, 한 펄스 내에서의 위치각(4E)과, 펄스 카운터부(30)로부터 수신한 누적 신호(4G)를 결합하여, 위치각(4H)을 결정할 수 있다.
속도 검출부(53)는, 위치각 연산부(52)에서 연산한 위치각(4H)을 기준으로, 일정 시간마다의 위치 변화량과 시간 변화량의 비를 연산하여, 전동기의 회전속도를 검출할 수 있다.
이하, 전체적인 도 3의 속도 검출장치(2)의 동작을 설명하기로 한다.
먼저, 전동기의 축에 취부된 엔코더(1)는, 전동기의 회전에 의해 축의 위치가 변화한 만큼 정현파를 출력하는 위치센서로서, 전동기의 1회전당(4A) 출력 신호의 개수는 미리 설정되어 있으므로, 출력되는 정현파의 개수를 알면 회전 위치의 변화량을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예의 속도 검출장치(2)의 증폭부(10)는, 엔코더(1)로부터 출력되는 sin 신호 및 cos 신호를 절연 및 증폭하여 출력(4B, 4C)할 수 있다. 증폭부(10)의 게인은 사용자의 설정에 따라 변경될 수 있다.
이후, 본 발명에 의해 엔코더(1)로부터 수신되어 증폭된 sin 및 cos 신호(4B, 4C)는 위치각 생성을 위해 두가지 신호처리가 수행된다.
먼저, sin 및 cos 신호(4B, 4C)를 디지털 데이터로 변환하고, 아크탄젠트를 수행하면 펄스 한주기 내에서 위치각(4E)을 알 수 있고, sin 및 cos 신호(4B, 4C)를 구형파(4F)로 변환하여 펄스 카운터를 수행하면, 전동기 1회전에 대한 위치각(4H)을 생성할 수 있다. 즉, 펄스 카운터로 누적된 위치각(4G)에 아크탄젠트에 의한 한 주기 위치각 변동(4E)을 합산하면, 전동기 1회전에 대한 위치각(4H)을 확인할 수 있다.
이후, 이 위치각을 기준으로 하여, 일정 시간마다 전동기 위치의 변화량을 연산하여 전동기의 속도를 검출할 수 있다.
이와 같이 본 발명은, sin 및 cos 신호를 각각 한주기 아크탄젠트 연산한 값과, 구형파 신호로 변환하여 카운터한 값에 의해 높은 분해능을 가지는 위치각을 생성할 수 있고, 이를 기반으로 정밀한 속도 연산이 가능하다.
즉, 본 발명의 속도 검출장치는, 종래 속도 검출장치에서 발생하던 일정 속도 이상에서 속도 검출의 변동이 커지는 현상을 제거할 수 있으며, 높은 분해능의 위치각에 의해 정밀한 속도제어가 가능하다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 증폭부 20: 파형 변환부
30: 펄스 카운터부 40: A/D 컨버터부
50: 속도 결정부

Claims (4)

  1. 전동기의 회전에 따라 엔코더로부터 입력되는 2상의 정현파 신호를 증폭하는 증폭부;
    2상의 정현파 신호를 디지털 데이터로 변환하는 제1변환부;
    상기 2상의 정현파 신호를 구형파 신호로 변환하는 제2변환부;
    상기 구형파 신호를 카운트하여 누적하는 카운터부; 및
    상기 제1변환부로부터 수신한 디지털 데이터와, 상기 카운터부로부터 수신하는 누적된 카운터를 수신하여, 상기 전동기의 속도를 결정하는 속도 결정부를 포함하며,
    상기 속도 결정부는
    상기 제1 변환부로부터 수신된 상기 디지털 데이터의 sin 및 cos 신호를 각각 한주기 아크탄젠트 연산하여 상기 엔코더의 한 펄스 내에서의 위치각을 결정하는 제1 결정부;
    상기 카운터부로부터 누적된 카운터와, 상기 한 펄스내에서의 위치각을 결합하여, 전동기 1회전에 대한 위치각을 결정하는 제2결정부; 및
    상기 제2 결정부에 의해 결정된 상기 위치각을 기준으로 일정 시간마다의 위치 변화량과 시간 변화량의 비를 연산하여 상기 전동기 속도를 결정하는 제3결정부를 포함하는 전동기 속도 검출장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1변환부는,
    소정 비트수로 상기 2상의 정현파 신호를 디지털 데이터로 변환하는 전동기 속도 검출장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제3결정부는,
    전동기 위치의 변화량을 시간 변화량으로 나누어, 상기 전동기 속도를 결정하는 전동기 속도 검출장치.
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