KR101944139B1 - 각속도 또는 속도 및 움직임의 방향을 결정하는 디바이스 - Google Patents

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Abstract

움직임 검출 디바이스는 단일 인코더 및 단일 정지된 센서 엘리먼트로 이루어지며, 가동 부분 상에 배열되는 인코더는 비대칭 패턴을 나타낸다. 가동 부분의 각속도 또는 속도 및 움직임의 방향은 에지 경사도 또는 상승 시간 또는 하강 시간을 측정함으로써, 구체적으로 기본 모드의 위상에 대한 고조파의 위상 관계 및 주파수를 분석하거나, 또는 직사각형 펄스들의 시퀀스의 비대칭들을 평가함으로써 센서 신호로부터 결정된다.

Description

각속도 또는 속도 및 움직임의 방향을 결정하는 디바이스{DEVICE FOR DETERMINING THE ANGULAR VELOCITY OR VELOCITY AND THE DIRECTION OF MOTION}
본 발명은 가동 부분 (moving part) 의 각속도 또는 속도를 측정하고 그 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스에 관한 것으로, 그 디바이스는 정지된 상태로 배치되거나 배치될 수 있는 센서, 및 가동 부분 상에 배치될 수 있거나 배치되고 센서와 함께 인코더 형태 (encoder form) 를 추종하는 신호를 발생시키는 인코더를 가지며, 여기서 인코더는 각속도/속도 측정에 필요한 주파수 측정을 위해 주기적인 패턴을 재생하는 구조를 갖는다.
많은 머신들 및 플랜트들에 대한 기술에서 요구되는 회전 속도 (revolution rate) 의 측정은 각속도의 측정과 물리적으로 등가이다. 샤프트의 원주 (circumference) 에 주기적인 패턴을 적용함으로써 샤프트들의 회전 속도를 측정하는 것이 일반적으로 알려져 있으며, 그 주기적인 패턴은 "인코더", 예를 들어, 톱니형 휠 (toothed wheel) 로 알려져 있으며, 이는 샤프트에 인접하여 고정 배치된 센서에 의해 감지된다. 센서는 치부 (tooth) 와 치부 갭 (tooth gap) 또는 예를 들어, 자기장 방향 또는 광학 투과도와 같은 다른 주기적으로 변화하는 속성들 사이를 분간하는 것이 가능하다. 센서는 감지된 패턴과 동일한 주기성을 갖는 출력 신호를 후속하여 발생시킨다.
이러한 센서는 이용가능한 신호 프로세싱에 의존하여 상이한 신호들을 출력한다. 이들은 대체로, 주로 센서의 1 차 센서 엘리먼트에 의해 직접 발생되는 사인파 (sinusoidal) 신호들, 또는 주로 비교기들에 의하여 다운스트림 신호 프로세싱에 의해 발생되는 구형파 (square wave) 신호들일 수도 있다.
게다가, 센서에 의해 관찰되는 움직임의 방향 검출이 필요하다면, 다른 인코더 및 센서 엘리먼트를 포함하는 개별의 추가적인 시스템의 사용이 알려져 있으며, 그 개별의 추가적인 시스템은 동일한 구조에 대해 패턴의 주기적인 길이의 4 분의 1 만큼 시프트된다. 방향 검출은 2 개의 시스템들 간의 신호들의 위상 시프트에 기초하며, 그 위상 시프트는 항상 크기 (magnitude) 가 그 주기적인 길이의 4 분의 1 이지만 방향에 의존하여 리딩 (leading) 과 트레일링 (trailing) 사이에서 변화한다.
대안적으로, 2 개의 신호들 간의 방향-민감형 위상 시프트는, 동일한 인코더와 상호작용하지만 적합한 위상 시프트를 야기하는 움직임의 방향에서의 분리 (separation) 를 갖는 2 개의 센서 엘리먼트들에 의해 발생될 수 있다. 이 설계는 제 2 인코더를 절약하기 때문에 바람직하다. 특히, 2 개의 센서 엘리먼트들의 작은 분리가 있다면, 예를 들어, 공통 하우징 내에, 그리고 반도체 엘리먼트들이 심지어 모놀리식으로 통합될 수도 있는 경우에 그 센서 엘리먼트들이 통합될 수 있다는 것이 추가적으로 바람직하다.
제시된 기법은 선형 움직임들의 속도 측정을 위해 동일한 방식으로 이용되며, 여기서는 환형 대신에 선형 인코더들이 사용된다.
여기서 사용된 용어 "센서" 는, 인코더와 함께 신호를 발생시키는 실제 센서 엘리먼트, 및 연관된 신호 프로세싱/평가 유닛을 포함한다.
2 개의 센서 엘리먼트들을 가진 센서를 포함하는 상기 설명된 타입의 디바이스가 알려져 있다. 따라서, 이러한 디바이스는 제 2 센서 엘리먼트 및 연관된 신호 경로 (증폭기, 필터 등) 로 이루어지는 추가적인 시스템을 포함한다. 그 추가적인 시스템은 연관된 비용을 야기한다. 또한, 센서 엘리먼트들의 고정된 분리의 선택은, 상이한 주기적인 길이들을 가진 인코더들의 사용이 제한되기 때문에 바람직하지 않다. 사실, 위상 시프트는 패턴의 주기적인 길이의 4 분의 1 이 될 필요가 없고, 그 위상 시프트는 움직임의 방향들의 결정과 관련하여 가장 높은 신호 크기를 초래한다. 작은 값들의 경우에, 위상 시프트의 측정들에 대한 요건들이 증가된다. 그러나, 각각의 인코더 또는 각각의 애플리케이션에 적당한 센서 엘리먼트들의 분리를 제공하는 것은 그 시스템들 각각에 대한 작은 수의 아이템들의 결과로서 원가동인 (cost driver) 이 된다. 특히, 예를 들어, 홀 발전기 (Hall generator) 들과 같은 반도체 엘리먼트들의 모놀리식 통합은 비용 우위 (cost advantage) 에서, 관련 시스템의 애플리케이션-의존 설계의 결과로서의 작은 수의 아이템들의 경우에는 열세 (disadvantage) 로 변화된다.
본 발명의 목적은 위에서 나타낸 타입의 단순 설계되고 저가의 디바이스를 제공하는 것이다.
이 목적은, 센서가 주파수 측정을 위해 그리고 움직임의 방향을 검출하기 위해 단일 센서 엘리먼트를 포함하고 인코더의 주기적인 패턴이 비대칭 형태가 되는 본 발명에 따른 상기 언급된 타입의 디바이스에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 단일 센서 엘리먼트를 가진 센서가 채용되며, 이는 각속도/속도 측정 (주파수 측정) 을 위해, 그리고 또한 움직임의 방향을 검출하기 위해 사용된다. 인코더의 주기적인 패턴은 센서 엘리먼트, 즉, 물리적 트랜스듀서의 신호가 또한 비대칭적이도록 비대칭 형태가 된다. 신호 주기는 그 후 기울기의 상이한 부호 및 상이한 듀레이션 또는 경사도 (steepness) 를 가진 2 개의 에지들의 제 1 근사값으로 이루어진다. 기울기의 크기로 인해 구별될 수 있는 2 개의 신호 에지들의 기울기의 부호는 움직임의 방향에 의존하여 상이한다. 이 신호의 분석은 높은 신호 대 잡음비의 경우에 기울기 또는 에지 듀레이션의 측정에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 고도의 잡음 여유 (noise immunity) 의 경우에는, 스펙트럼 분석이 선호된다.
스펙트럼 방향 검출은, 함수의 시간 프로파일의 반전 (inversion) (움직임의 방향의 역전 (reversal) 과 동의어) 에 의해, 진폭 스펙트럼에 어떠한 변화도 일어나지 않고, 반전된 함수의 이미지가 오리지널 함수의 이미지와 상이하다면 위상 스펙트럼이 변화하는 관찰에 기초한다. 주기당 단 2 개의 에지들의 경우에, 이 조건은 상이한 에지 기울기들 또는 듀레이션들과는 물론 비대칭과 동의어이다. 인코더가 센서 엘리먼트의 출력 신호를 변조하는 함수의 적합한 선택에 의해, 기본 발진 (fundamental oscillation) 의 위상에 관한 단일 고조파 (harmonic) 의 위상의 분석은 움직임의 방향들을 구별하는데 충분하다.
바람직하게는, 센서는 따라서 스펙트럼 신호 분석을 수행하는 평가 유닛을 포함하며, 여기서 평가 유닛은 신호 주파수의 매우 낮은 차수의 고조파의 위상의 분석을 위해 특별히 설계된다.
언급한 바와 같이, 센서 및 인코더는 가파른 및 얕은 에지 섹션들을 가진 신호 프로파일이 발생되도록 설계되는 것이 바람직하다. 대략 톱니 (saw tooth) 신호 프로파일이 발생되는 일 실시형태가 특히 여기서 선호된다.
본 발명에 따라 설계된 디바이스의 센서의 회로 부분들, 특히 소정의 스펙트럼 컴포넌트들의 위상이 측정될 수 있는 회로 부분들은 여기서 구체적으로 다루어지지 않는다. 그 회로 부분들은 공지된 타입의 것일 수 있다. 본 발명의 하나의 특별한 실시형태에서, 센서가 공지된 회로 개념들 (아날로그, 디지털 또는 혼합) 을 이용한 방향 검출을 위해 다음의 단계들을 수행하고 대응하는 회로 부분들을 포함하는 것이 가정된다 :
1. 입력 신호의 주파수 혼합으로부터 기본 발진의 주파수의 측정 또는 격리 (isolation).
2. 기본 발진의, 방향 검출을 위한 선택된 고조파의 주파수와의 곱셈 (multiplying), 바람직하게는 배가 (doubling), 이로써 기본 발진과 발생된 발진 간의 고정되지만 옵션으로 선택가능한 위상 관계를 획득.
3. 단계 (2) 에서 발생된 발진과 선택된 고조파 간의 위상 시프트를 결정.
4. 위상 시프트에 기초하여 움직임의 방향에 대해 결정.
5. 센서 시스템의 옵션의 인터페이스를 통해 옵션의 코드에서의 움직임의 방향을 측정된 정보의 수신기에 출력.
이 프로세스에 의해, 방향 검출 함수가 인코더 형태로 인코딩된다. 접속된 신호 경로를 가진 제 2 센서 엘리먼트의 사용이 필요치 않다. 더욱이, 측정된 위상 시프트는 인코더 패턴의 주기적인 길이에 의존하지 않으며, 신호 진폭은 따라서 매우 상이한 주기 길이들에 대해 최적이다.
바람직하게는, 각각의 인코더의 변조 효과의 프로파일의 형상은 선택된 센서 엘리먼트의 특성 곡선과 관련하여 최적화된다. 인코더의 비대칭은 신호의 매우 뚜렷하게 나타난 비대칭이 센서 엘리먼트의 출력에서 달성되도록 본 발명에 따라 특별히 구현된다. 정확한 신호 프로파일은 이용되는 센서 엘리먼트 기술에 의해 영향을 받는다. 광학 센서들에 의해, 거의 이상적인 톱니 프로파일이 가능하다. 자기 센서들에 의해, 더 가파른 에지의 기울기가 작동 거리에 의존하여 제한된다. 특히, 본 발명에 따른 목표는, 바람직하게는 분석될 (배가된 주파수에 대한) 제 1 고조파의 상대적 진폭이 후에 특히 높기 때문에, 톱니 프로파일에 가능한 한 밀접하게 하는 것이다.
본 발명에 따라 설계된 디바이스의 개발에서, 주기적인 패턴은 인코더 패턴의 연속적인 주기들의 시리즈 (series) 이며, 여기서 그 시리즈의 각각의 패턴은 비대칭 형태가 된다. 그 실시형태는 소정의 이점들을 가진다. 이전에 설명된 절차는 소정의 회로 복잡도를 요구하며, 이는 상이한 기울기들의 분석의 더 단순하지만 덜 유력한 버전이 선택된다면 회피될 수 있다. 이 목적을 위해, 인코더 패턴의 연속적인 주기들의 시리즈는 진폭, 길이 또는 위상각이 상이하도록 적절히 변형된다. 그 결과, 그 패턴은 이제 더 이상 오리지널 주기에 관하여 주기적이지 않고, 전체 시리즈의 길이에 관하여 주기적이다. 시리즈의 패턴이 이로써 비대칭을 갖는다면, 유사한 프로세스가 비대칭 인코더 형태와 마찬가지로, 그러나 스펙트럼 분석의 필요성 없이 시리즈에 이용될 수 있다. 단점은, 인코더 형태의 주기 대신에, 방향을 정하는데 충분한 데이터를 획득하기 위하여 전체 시리즈가 이제 런스루 (run through) 되어야 하기 때문에 더 낮은 포지셔널 레졸루션이다.
바람직하게는, 시리즈는 동일한 대칭 패턴들로 이루어지며, 그 동일한 대칭 패턴들은 하나의 속성에 있어서 서로 상이할 뿐이며, 여기서 특히 시리즈의 패턴의 하나의 속성은 3 개의 상이한 값들 (속성 = 진폭, 주파수 또는 위상각) 을 갖는다.
3 개보다 더 많은 주기들을 사용하는 것이 어떠한 일반적인 이점들도 제공하지 않고, 다른 한편으로는, 미변형된 패턴의 3 개의 주기들의 적어도 하나의 시리즈가 변형에 의한 방향 검출에 필요한 비대칭을 발생시키고 또한 인접한 시리즈를 제한하기 위하여 필요하기 때문에, 정확히 3 개의 주기들의 사용이 선호된다.
더욱이, 본 발명은 인코더 및 센서가 각도 또는 이동 측정을 위해 추가적으로 설계되는 것을 특징으로 하는 디바이스에 관한 것이다.
본 발명에 따른 디바이스는 또한 선형 움직임들의 측정에 대한 제한 없이 이용될 수 있다. 이 목적을 위해, 환형 인코더 대신에 선형 인코더만이 필요하다. 임의의 회전 샤프트들 또는 선형 가동 머신 부분들 또는 차량 부분들에 대한 일반적인 애플리케이션들 외에, 디바이스는 다음의 애플리케이션들에 특히 적합하다 :
1. 차량들의 휠들에 대한 측정 (휠 회전 속도 센서들)
2. 내연 기관들의 크랭크샤프트들에 대한 측정. 여기서 회전 검출의 방향은 특히 머신의 스위치를 끌 때 정지 각도 (standstill angle) 를 결정하는데 이용된다. 사실 대부분의 내연 기관들은 단지 회전의 하나의 액티브 방향만을 검출하지만, 반대 방향으로의 일시적인 이동 (temporary movement) 이 멈추는 동안 정지 직전에 일어날 수 있다. 정지 각도의 측정은 재시동 시 더 빠른 시작을 가능하게 하며, 따라서 다른 것들 중에서도 시작-정지 (start-stop) 시스템들과 관련된다.
3. 모터 차량들의, 예를 들어, 변속 장치 (gearbox) 들 내의 구동렬 (drive train) 컴포넌트들에 대한 측정.
본 발명은 도면들과 관련한 예시적인 실시형태들을 이용하여 이하 상세히 설명된다. 도면들에서 :
도 1 은 2 개의 신호들 (S1 및 S2) 의 프로파일이 예시되는 도면을 도시한다.
도 2a 는 신호들 (S1 및 S2) 의 진폭 스펙트럼을 도시한다.
도 2b 는 신호들 (S1 및 S2) 의 위상 스펙트럼을 도시한다.
도 3 은 인코더 패턴의 일 실시형태를 도시한다.
도 4 는 인코더 패턴의 다른 실시형태를 도시한다.
도 5 는 인코더 패턴의 제 3 실시형태를 도시한다.
모든 예시적인 실시형태들은 본 발명의 가능한 구현들을 도식적으로 도시한다. "도식적으로" 는 여기서, 본 발명 내의 대응하는 세부 사항들이 종래 기술과 비교하여 조금도 변화를 겪지 않았기 때문에 특정 구현이 이하의 속성들로부터 끌어내졌다는 것을 의미한다. 피처들로서, 그들은 본 발명에 따른 솔루션과 결합될 수 있다 :
1. 측정 좌표 : 모든 인코더 형태들은 그래픽 단순성을 이유로 선형으로서 도시되지만, 측정 좌표에 따른 인코더의 구조는 환형 인코더에 동일하게 적용된다. 그 표현은 그 후 소위 언와인딩 (unwinding) 에 대응한다. 움직임의 방향은 화살표로 표시된다.
2. 인코더 패턴의 주기들의 시리즈가 방향 검출을 위해 이용되는 버전들에 대해 : 인코더의 도량형 최적화 (metrological optimization) 는 또한 패턴의 개개의 부분들 간, 예를 들어 치부 (tooth) 와 치부 갭 (tooth gap) 간의 트랜지션의 형상화를 포함한다. 선택된 도식적 표현은 패턴의 정확한 지오메트리와 관련되지 않고, 단지 보통 말하는 그러한 치부와 치부 갭의 표현을 포함한다.
3. 인코더들의 상이한 본질, 즉 패턴 내에서 변조되는 물리적 변수가 고려되지 않는다. 모든 변조된 변수들은, 기하학적이든, 자기적이든, 광학적이든 또는 다른 경우이든, 치부와 치부 갭에 의하여 또는 상승 (rising) 및 하강 (falling) 에지들에 의하여 심볼화된다.
도 1 은 2 개의 반대 방향들에서의 인코더의 측정으로부터 발생하는 2 개의 신호들 (S1 및 S2) 을 도시한다. 따라서, 그들은 개개의 컴포넌트들의 순서에서만 상이하거나 또는 서로에 대해 미러 이미지들이다. 각각의 신호 (S1 및 S2) 는 주기당 가파른 및 얕은 에지를 포함한다. 주기 및 진폭은 임의 단위들 ("a.u.", "arbitrary unit") 로 정규화된다.
도 2a 에는 신호들 (S1, S2) 의 진폭 스펙트럼이 예시되고 도 2b 에는 신호들 (S1, S2) 의 위상 스펙트럼이 예시된다. 정확히 일치하는 스펙트럼 컴포넌트들이 또한 식별될 수 있도록 양자의 신호들의 표현에 대한 선들이 선택되었다. S1 은 얇은 실선이고, S2 는 두꺼운 점선이다. 일방이 타방의 위에 배치된 2 개가 고유한 패턴을 생성한다 - 진폭 스펙트럼에 대해 보여질 수 있는 바와 같이, 이 패턴은 양자의 신호들에 대해 완전히 동일하다. 콘트라스트에 의한 위상 스펙트럼에 관하여, 상당한 차이들이 있다. 신호 (S2) 의 대응하는 시프트에 의해 달성된 기본 발진의 위상이 일치하는 반면 (도 1 참조), 배가된 주파수의 경우에는, 관심 있는 주된 제 1 고조파가 최대 가능한 값인 Pi (180°) 만큼 시프트된 위상을 갖는다. 다음은 더 나은 이해를 위해 언급될 것이다 : 신호 (S2) 의 시프트는 단지 기본 발진의 위상의 일치를 달성하기 위하여 일어나며, 이로 인해 관심 있는 실제 위상 시프트가 더 많이 보인다. 단지 S1 또는 S2 중 어느 하나만이 언제나 센서 시스템에 의해 측정되기 때문에, S1 과 S2 사이에는 도량형으로 관련된 위상 관계가 없다. 오히려, 기본 발진과 2 개의 신호들 중 하나의 제 1 고조파 간의 위상 시프트는 방향 검출에 대해 결정적이다. 이것은 기본 발진들이 동위상 (in phase) 이라면 더 쉽게 보여질 수 있다. 원칙적으로, 위상 스펙트럼으로부터 읽어내질 수 있는 바와 같이 방향 검출을 위해서는 더 높은 차수의 고조파들이 또한 이용될 수 있다. 그러나, 이것은, 이 고조파의 진폭이 상당히 더 작기 때문에 매력적이지 않으며, 이로써 잡음 환경에서의 안정된 위상 측정이 불필요하게 어려워진다.
도 3 은 스펙트럼 분석 없이 본 발명에 따른 솔루션의 버전들에 대한 인코더 패턴을 도시한다. 각각의 3 개의 치부들은 신호 진폭이 상이하기 때문에 방향이 결정될 수 있는 시리즈를 형성한다.
도 4 는 도 3 과 동일한 기능을 가진 인코더 패턴을 도시하며, 여기서 컴포넌트들의 주파수 또는 길이는 변화되었다.
도 5 에서, 마지막으로 인코더 패턴의 컴포넌트들의 위상각이 변화되었다. 도 3 및 도 4 와 비교하여, 도 5 는 패턴의 속성이 3 개의 상이한 값들을 채택하는 시리즈가 아니라, 3 개의 치부들 중심의 시프트가 단독으로 방향 검출을 가능하게 하는데 충분하다 (3 개의 상이한 길이들을 갖는 갭들이 사용된다). 도 4 및 도 5 는 치부와 갭을 교환함으로써 서로 변환될 수 있어, 인코더 형태에서보다 신호의 인터프리테이션 시에 차이가 더 많이 있다.

Claims (11)

  1. 가동 부분 (moving part) 의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스로서,
    정지된 방식으로 배치될 수 있거나 또는 배치되는 센서, 및 상기 가동 부분상에 배치될 수 있거나 배치되고, 상기 센서와 함께 인코더 형태를 추종하는 신호를 발생시키는 인코더를 가지며,
    상기 인코더는 상기 각속도 또는 속도 측정에 필요한 주파수 측정을 위해 주기적인 패턴을 재생하는 구조를 가지며,
    상기 센서는 주파수 측정을 위해 그리고 상기 움직임의 방향을 검출하기 위해 단일 센서 엘리먼트를 포함하고, 상기 인코더의 상기 주기적인 패턴은 비대칭 형태가 되며,
    상기 센서는 가장 낮은 가능한 차수의 신호의 고조파의 위상의 분석을 수행하는 평가 유닛을 포함하는, 가동 부분의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 센서 엘리먼트에 의해 발생된 신호의 기울기 또는 에지 듀레이션을 측정하는 평가 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 가동 부분의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 및 상기 인코더는, 가파른 및 얕은 에지 섹션들을 가진 신호 프로파일이 발생되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 가동 부분의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 및 상기 인코더는, 톱니 (saw tooth) 신호 프로파일이 발생되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 가동 부분의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주기적인 패턴은 인코더 패턴의 연속적인 주기들의 시리즈이며, 상기 시리즈의 각각의 패턴은 비대칭 형태가 되는 것을 특징으로 하는 가동 부분의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 시리즈는 하나의 속성에 있어서 서로 상이할 뿐인 동일한 대칭 패턴들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가동 부분의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시리즈의 상기 패턴의 하나의 속성은 3 개의 상이한 값들을 갖는 것을 특징으로 하는 가동 부분의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 인코더 및 상기 센서는 각도 또는 거리 측정을 위해 추가적으로 설계되는 것을 특징으로 하는 가동 부분의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 인코더, 센서 엘리먼트 및 그들과 연관된 신호 경로의 서브시스템만을 포함하는, 가동 부분의 각속도 또는 속도를 측정하고 상기 가동 부분의 움직임의 방향을 검출하는 디바이스.
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