KR101696291B1 - 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 사용한 속도 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 출원은 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 이용한 속도 측정방법에 관한 것으로엔코더 두 상의 상승 및 하강 펄스를 연속하여 4펄스 단위로 그룹화하는 제1단계와, 엔코더의 Ppr과 속도 제어의 주파수 대역을 고려하여 평균을 취할 범위를 정하는 제2단계, 제2단계에서 정한 범위만큼 펄스가 들어올 때마다 펄스 단위로 제1단계의 방식으로 만든 그룹을 이동하며 평균을 취하여 속도를 구하는 제3단계 및, 시지연 때문에 더 이상 세분화 할 수 없는 저속 영역에서 펄스가 들어오지 않을 때 전 단계의 측정 속도와 펄스간 시간을 측정하는 카운터의 오버플로우를 이용하여 속도를 추정하는 4단계를 포함한다. 따라서 개시된 기술은 마그네틱 엔코더의 낮은 분해능과 엔코더상의 부정확함으로 인해 발생하는 속도 오차를 기존의 MT측정 방법에 무빙 윈도우 개념을 추가하여 개선하고, 이를 통해 저속 및 고속에서 차량의 승차감을 높이고 안정적인 주행이 가능하도록 할 수 있다.

Description

산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 사용한 속도 측정 방법{SPEED MEASUREMENT ALGORITHM FOR LOW-RESOLUTION MAGNETIC ENCODER OF INDUSTRIAL ELECTRIC VEHICLES}

본 발명은 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 사용한 속도 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저속 및 고속에서 차량의 승차감을 높이고 안정적인 주행이 가능하도록 하는 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 사용한 속도 측정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 증분형 엔코더로부터 속도를 측정하는 방식에는 M방식, T방식, M/T방식이 있다. M방식의 기본 원리는 일정한 샘플링 시간마다 발생되는 엔코더 펄스의 개수를 세어 전동기의 회전 속도를 측정하는 것으로 이 방식은 구현이 간단하고 측정 시간이 일정하다는 장점이 있으나 1회전당 펄스 수(Pulse Per Revolution, Ppr)가 작을수록 속도 측정의 해상도가 나빠진다는 단점이 있다. 이 경우 특히 저속 시 속도 제어 특성이 매우 나빠진다. T방식의 기본 원리는 엔코더 펄스와 펄스 사이의 시간 간격을 측정하여 회전 속도를 계산하는 것으로 이 방식은 저속에서 정밀한 속도를 측정할 수 있으며 측정에 따른 시간 지연이 적다는 장점이 있으나, 실제 구현 시 나눗셈이 필요하고 속도 측정 시간이 속도에 따라 가변 되는 문제점이 있다. 이 두 방식을 조합한 M/T방식이 현재 산업계에서 널리 사용되고 있는데 기본 원리는 카운터를 이용하여 이산화 된 m1과 m2를 얻고, 마이크로 프로세서를 이용한 연산에 의하여 속도를 측정하는 것이다. 이 방식은 고속에서 좋은 특성을 보이는 M방식과 저속에 유리한 T방식을 결합했기 때문에 일반적인 속도 범위에서 좋은 특성을 갖는다.

도 1에 도시한 바와 같이 특정 시간 Td는 주어진 샘플링 시간 Tc이후에 처음으로 발생되는 엔코더 펄스에 동기 되어 결정 되고 측정 속도 Nf(rpm)는 측정 시간과 그 동안의 회전자가 움직인 X(rad)에 의해 [수학식 1]과 같이 주어진다. 1회전당 펄스 수 Ppr의 엔코더가 Td시간 동안에 m1의 펄스를 발생한다면 각 변위 X(rad)는 [수학식 2]와 같이 구해진다. 또한, 측정 시간 Td=Tc+?T는 주파수 Fc(Hz)의 클럭 펄스로 이산화 되는데, 그 값이 m2라면 Td는 [수학식 3]과 같이 구해진다. 이상의 식에서 측정 속도 Nf(rpm)는 [수학식 4]를 이용하여 구할 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

[수학식 4]

그러나, M/T방식을 이용하더라도 엔코더의 상이 부정확하고 Ppr이 작다면 여전히 속도 측정의 오차는 존재하게 되고 특히 저속에서는 그 정도가 커 제어가 불안정 하게 된다.

기존의 많은 산업용 전기 차량의 추진 제어 방식은 속도 정보를 보조로 사용하는 슬립을 이용한 V/F제어가 대부분이어서 이러한 엔코더의 문제점이 부각되지 않았다. 하지만 전압과 전류의 효율적인 제어를 위해 벡터제어방식을 택하게 되면 속도 정보는 제어 성능에 아주 중요한 요인이 된다. 산업용 전기 차량에는 외부 진동에 강인한 자기식 엔코더를 사용하게 되는데 일반적으로 자기식 엔코더는 Ppr이 수백 이하로 벡터제어를 하기에 적합한 속도 측정이 어렵다. 이로 인해 산업용 차량의 전 속도 영역에서 제어 성능이 나빠지고 효율이 나빠지게 되며 특히 저속영역에서는 제어가 극히 불안해져 차체가 흔들리는 현상까지 발생하게 된다.

본 출원은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 M/T방식을 기본으로 하고 부정확한 엔코더 상과 낮은 Ppr을 극복할 수 있는 속도 측정 방법을 적용하여 저 분해능 자기식 엔코더로 산업용 전기 차량의 추진 전동기를 효율적으로 벡터제어 하는데 그 목적이 있다.

실시예들 중에서, 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 사용한 속도 측정 방법은 엔코더의 두 상의 상승 및 하강 펄스를 연속하여 4펄스 단위로 그룹화하는 제1 단계, 상기 엔코더의 Ppr과 속도 제어의 제어 주파수 대역을 고려하여 평균을 취할 범위를 결정하는 제2 단계, 상기 제2 단계에서 정한 범위만큼 펄스가 들어올 때마다 펄스 단위로 상기 제1단계의 방식으로 만든 그룹을 이동하며 평균을 취하여 속도를 구하는 제3 단계 및 시지연 때문에 더 이상 세분화할 수 없는 저속 영역에서 펄스가 하나도 들어오지 않을 때 전 단계의 상기 측정 속도와 상기 펄스간 시간을 측정하는 카운터의 오버플로우를 이용하여 속도를 추정하는 제4 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 제1항에 있어서, 상기 제1 단계는, 엔코더를 4체배 하여 사용할 때 두 상의 위상차가 정확히 90도가 아니고 한 상의 진폭 또한 정확히 50%가 아니므로 이를 보완하기 위하여 각 상의 상승 및 하강 펄스를 포함하는 4펄스 단위의 그룹을 지을 수 있다.

일 실시예에서, 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 단계와 상기 제3 단계는, 4체배 하더라도 분해능이 낮아 측정한 속도의 평균을 구하는 범위를 시지연을 고려하여 정하는 단계, 상기 펄스가 들어올 때마다 상기 펄스 단위로 상기 제1 단계의 그룹을 이동하며 단위 속도를 측정하고 평균을 취하여 속도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 제1항에 있어서, 상기 제4단계는, 상기 제2단계에서 시지연 때문에 더 이상 세분화할 수 없는 저속 영역에서 펄스가 들어오지 않을 때 전 단계의 상기 측정 속도와 상기 펄스간 시간을 측정하는 카운터의 오버플로우를 이용하여 속도를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 출원의 개시된 기술 마그네틱 엔코더의 낮은 분해능과 엔코더상의 부정확함으로 인해 발생하는 속도 오차를 기존의 MT측정 방법에 무빙 윈도우 개념을 추가하여 개선하고, 이를 통해 저속 및 고속에서 차량의 승차감을 높이고 안정적인 주행이 가능하도록 할 수 있다.

도 1은 종래의 M/T방식을 나타내는 도면이다.
도 2는 자기식 엔코더의 부정확한 폭과 상 간격을 보완하기 위해 펄스를 그룹 짓는 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 출원에 따른 저 분해능 자기식 엔코더를 이용한 속도 측정 방법의 단계를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 출원에 따른 저 분해능 자기식 엔코더를 이용한 속도 측정 방법의 흐름을 나타내는 도면이다.

개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 개시된 기술에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도 3과 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 이용한 속도 측정 방법은, 연속하는 엔코더 두상의 펄스를 차례로 4펄스 단위로 그룹화 하는 제1단계(S100)와, 엔코더의 Ppr과 속도 제어의 주파수 대역을 고려하여 평균을 취할 범위를 결정하는 제2단계(S200), 펄스가 들어올 때 마다 제1단계의 그룹을 펄스 단위로 이동시키며 평균을 구해 속도를 구하는 제3단계(S300) 및, 저속 영역에서 펄스가 들어오지 않을 때 전 단계 속도와 펄스간 카운터 오버플로우를 이용하여 속도를 추정하는 제4단계(S400)를 포함한다.

먼저, 도 3에 도시한 바와 같이 제1단계(S100)는 연속해서 들어오는 엔코더의 펄스를 그룹화하게 된다.

상세히 설명하면, 상기 제1단계(S100)에서는 펄스가 발생하면(S1) 이전 펄스 이후 카운트한 펄스 수를 크기4의 환형 버퍼에 입력(S2)한다. 새로 구성된 환형버퍼를 이용하여 4펄스 간격의 M/T방식을 이용한 단위 속도를 계산(S5)하고 속도의 방향에 따라 부호를 결정한다(S6)(S7). 제3단계(S300)에서 평균을 낼 때 사용하기 위해 계산한 단위 속도를 적분해 둔다(S8).

다음으로, 제2단계(S200)는 엔코더 Ppr과 속도 제어의 주파수 대역을 고려하여 평균을 취할 범위를 결정하는 것이다.

일반적으로 4체배한 Ppr이 수백 이하라면 Ppr에만 의존하여 속도 계산을 할 경우 제어가 불가능 해지고 이전 값과의 평균을 통해 해상도를 10배 늘려도 저속에서는 제어가 불안하게 된다. 그렇다고 평균을 취할 범위를 더 넓게 하여 해상도를 100배로 늘리면 속도 계산은 되나 심한 시지연으로 인해 역시 제어가 불가능해진다.이는 도 4의 흐름 이 전에 시뮬레이션과 실험을 통하여 미리 결정 해야 한다. 여기서 결정한 평균의 범위가 (S19)의 일정 크기의 환형 버퍼에 해당한다.

다음으로, 제3단계(S300)는 펄스가 들어올 때 마다 제1단계의 그룹을 펄스 단위로 이동시키며 평균을 구해 최종 제어용 속도를 구하는 것이다.

상세히 설명하면, 상기 제3단계(S300)는 미리 정해둔 시간이 흐르면(S15) 그 사이에 펄스가 발생했는지 판단하고(S16) 이전의 미리 정해둔 시간(이전의 S15) 동안 발생한 단위 속도들의 평균을 구한다(S18). 이 때 만약 펄스가 한번도 발생하지 않았다면 이전 속도(S14 또는 S21)를 사용하여 다시 한번 단위 속도들의 평균을 구한다(S18).

그리고, 단위 속도의 평균을 상기 제2단계에서 미리 정한 일정 크기의 환형 버퍼에 입력하여(S19) 최종 제어에 사용될 속도를 계산해 낸다(S20).

마지막으로, 상기 제4단계(S400)는 저속 영역에서 펄스가 들어오지 않을 때 전 단계 속도와 펄스간 카운터 오버플로우를 이용하여 속도를 추정하는 것이다.

상기 제3단계(S300)에서 펄스가 발생하지 않을 경우 이전 속도(S14)를 사용할 수 있다고 기술 하였는데, 이는 펄스간 시간을 측정하는 클럭수가 오버플로우 했을 때(S9) 미리 구해 둔다.

펄스 간 클럭수가 오버플로우되면 우선 오버플로우 횟수를 증가 시키고(S10)제어할 최소 속도에 따라 정한 연속한 오버플로우의 횟수를 기준으로 분기(S11)한다. 즉, 엔코더 Ppr과 상기 제2단계에서 정한 평균의 범위에 의해 측정 가능 최소 속도가 정해지고, 마지막 4단계에서는 그 이하의 속도를 추정하게 된다.

오버플로우 횟수가 미리 정한 기준을 초과하지 않은 경우 펄스 그룹의 크기4의 환형 버퍼에 횟수를 고려한 클럭 수를 입력한다(S13). 이를 이용하여 4펄스 기준의 M/T방식의 속도를 계산하여 제3단계에서 사용할 수 있는 이전 속도를 구해 둔다(S14). 오버플로우 횟수가 기준을 초과하면 추정 가능한 최소 속도라 판단하는 것으로써 펄스 그룹의 크기4인 환형 버퍼에 모두 최대 클럭 수를 입력하고 이전 속도를 0으로 만든다(S12).

이와 같이 설명된, 제1단계(S100)부터 제4단계(S400)까지의 과정은 반복적으로 실시된다.

결과적으로, 본 발명은 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 이용하여 M/T방식으로 속도를 측정할 때 속도의 해상도를 높이기 위해 4체배할 때 발생하는 엔코더 상의 부정확함을 그룹화를 통하여 보완하고 속도 제어의 주파수 영역이 허용하는 범위에서 평균을 취하는 방식으로 속도의 해상도를 더 높이며 그 이하의 저속영역은 상간 시간을 측정하는 카운터의 오버플로우 횟수를 이용하여 속도를 추정하는 것에 관한 것이며, 이를 이용해 산업 차량의 추진 장치 전동기가 안정적으로 제어되어 제어 효율이 증가되고 승차감이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 이용한 속도 측정 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 출원의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

S100 : 제1 단계 S200 : 제2 단계
S300 : 제3 단계 S400 : 제4 단계

Claims (4)

1. 엔코더의 두 상의 상승 및 하강 펄스를 연속하여 4펄스 단위로 그룹화하는 제1 단계;
   상기 엔코더의 Ppr과 속도 제어의 제어 주파수 대역을 고려하여 평균을 취할 범위를 결정하는 제2 단계;
   상기 제2 단계에서 정한 범위만큼 펄스가 들어올 때마다 펄스 단위로 상기 제1단계의 방식으로 만든 그룹을 이동하며 평균을 취하여 속도를 구하는 제3 단계; 및
   시지연 때문에 더 이상 세분화할 수 없는 저속 영역에서 펄스가 하나도 들어오지 않을 때 전 단계의 측정 속도와 상기 펄스간 시간을 측정하는 카운터의 오버플로우를 이용하여 속도를 추정하는 제4 단계를 포함하는 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 사용한 속도 측정 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 단계는
   상기 엔코더를 4체배 하여 사용할 때 두 상의 위상차가 정확히 90도가 아니고 한 상의 진폭 또한 정확히 50%가 아니므로 이를 보완하기 위하여 각 상의 상승 및 하강 펄스를 포함하는 4펄스 단위의 그룹을 짓는 것을 특징으로 하는 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 사용한 속도 측정 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 단계와 상기 제3 단계는
   4체배 하더라도 분해능이 낮아 측정한 속도의 평균을 구하는 범위를 시지연을 고려하여 정하는 단계;
   상기 펄스가 들어올 때마다 상기 펄스 단위로 상기 제1단계의 그룹을 이동하며 단위 속도를 측정하고 평균을 취하여 속도를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 사용한 속도 측정 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제4 단계는
   상기 제2 단계에서 시지연 때문에 더 이상 세분화 할 수 없는 저속 영역에서 펄스가 들어오지 않을 때 전 단계의 측정 속도와 상기 펄스간 시간을 측정하는 카운터의 오버플로우를 이용하여 속도를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 전기 차량의 저 분해능 자기식 엔코더를 사용한 속도 측정 방법.

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