KR101975856B1 - 스마트 전류 센서 및 이의 오프셋 보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 전류 센서의 오프셋 보상 방법에 관한 것이다.
스마트 전류 센서의 오프셋 보상 방법은, 스마트 센서 노드의 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 시리얼통신부, 타이머부를 초기화하는 단계와, 사용자가 지정한 일정주기마다 스마트 센서 노드의 출력전압 및 온도를 측정하는 단계와, 스마트 센서 노드가 단말기에 연결되면, 상기 단말기로부터 온도 구간에 따른 보상테이블을 수신하는 단계와, 상기 보상테이블에 기초하여 측정된 출력전압을 부분적 선형 모델로 근사하여 보상전압을 계산하는 단계를 포함한다.

Description

스마트 전류 센서 및 이의 오프셋 보상 방법{SMART CURRENT SENSOR AND OFFSET COMPENSATION METHOD OF SMART CRUUENT SENSOR}

본 발명은 전류 센서의 오프셋과 비선형성을 보상하기 위해 소프트웨어적으로 구현한 스마트 전류 센서의 오프셋 보상 방법에 관한 것이다.

사물인터넷(IoT; Internet of Things)은 모든 사물을 인터넷으로 연결하는 것을 의미하는 기술로서, 인간의 개입 유무와 관계없이 사물들이 서로 정보를 주고받으면서 보다 지능적인 서비스를 제공할 수 있다. 사물인터넷 환경을 구축하기 위해서 일차적으로 반드시 필요한 것이 센서이다. MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술의 발달로 센서의 소형화는 가속화 되고 있으며, 센서는 저전력화, 소형화하고 있으며 정보의 기록과 저장, 전송, 피드백 처리 능력까지 갖춘 스마트 센서로 진화하고 있다.

한편 전류 센서의 출력 값은 측정하는 전류 값에 비례해서 출력 값이 변화하여야 하나, 온도 등의 외부 환경에 대한 센서의 동작 특성에 따라 완전한 선형성을 나타내는 것은 불가능하다. 따라서, 정밀한 전류값 측정을 필요로 하는 분야에서는 오차값이 적은 센서가 요청되고 있다.

선행등록특허 제10-1677674호는 전압증폭기의 입력오프셋과 출력지연을 보상한 전류센서를 개시하고 있으며, 선행등록특허 제10-1175533호는 온도 보상을 수행하는 폐쇄 루프 타입 전류 센서를 개시하고 있으나, 선행등록특허들은 하드웨어적인 방법으로 오프셋을 보상하고 있을 뿐이며, 별도의 장치가 필요 없이 소프트웨어적으로 오프셋을 보상하는 본원 발명의 기술적 특징에 대해 제시하고 있지 않다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 별도의 장치 없이 소프트웨어적으로 스마트 전류 센서의 오프셋 및 비선형성을 보상 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따른 스마트 전류 센서의 오프셋 및 비선형성 보상 방법은, 스마트 센서 노드의 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 시리얼통신부, 타이머부를 초기화하는 단계와, 사용자가 지정한 일정주기마다 스마트 센서 노드의 출력전압 및 온도를 측정하는 단계와, 스마트 센서 노드가 단말기와 연결되면, 상기 단말기로부터 온도 구간에 따른 보상테이블을 수신하는 단계와, 상기 보상테이블에 기초하여 측정된 출력전압을 부분적 선형 모델로 근사하여 보상전압을 계산하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 스마트 전류 센서는 사용자가 지정한 일정주기마다 스마트 센서 노드의 전류를 측정하는 전류센서부와, 상기 전류센서부를 통해 측정한 전류 값에 기초하여 측정 전압 값을 산출하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와, 스마트 센서 노드의 온도를 측정하는 온도센서부와, 단말기로부터 온도 구간에 따른 보상테이블을 수신하고, 상기 보상테이블과 상기 온도에 기초하여 측정된 측정 전압을 온도 구간별로 부분적 선형 모델로 근사하여 보상전압을 계산하는 보상부를 포함하는 온도를 측정하여 온도센서부를 포함한다.

본 발명은 이동단말 또는 서버로부터 제공받은 보상 테이블에 기초하여 소프트웨어적으로 오프셋을 보상함으로써 오차값이 적은 전류값을 제공할 수 있다.

또한, 별도의 장치 없이 오프셋을 보상하여 보다 소형화된 스마트 전류 센서를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 센서를 개략적으로 설명하는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 센서 노드의 오프셋 보상 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 특정 온도에서 측정한 전류 센서의 출력전압 값에 대한 테이블이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도 구간에 따라 전류 센서의 출력전압 값을 보상하기 위한 보상테이블이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도구간에 따라 정의한 전류 센서 출력 값 보상을 설명하는 그래프이다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 전류 센서를 개략적으로 설명하는 구성도이다.

도 1을 참조하면, 스마트 전류 센서(10)는 데이터 수집을 위한 스마트 센서 노드(100)와 스마트 센서 노드를 제어하고 네트워크에 접속하는 단말기(200)를 포함한다. 본 발명은 단말기(200)를 통해 전달 받은 온도구간에 따른 보상테이블에 기초하여 측정한 온도 값에 따라 전류 센서에서 측정하여 변환된 출력 전압을 보상함으로써 소프트웨어적으로 전류센서의 오프셋 및 비선형성을 보상할 수 있다.

스마트 센서 노드(100)는 온도센서부(110), 전류센서부(120), 보상부(130), 제어부(140), 아날로그-디지털 컨버터(150), 통신부(160), 타이머부(170)를 포함한다. 온도센서부(110)는 사용자가 미리 설정한 일정 주기에 따라 스마트 센서 노드의 주변 환경 온도 값을 측정할 수 있고, 실시예에 따라 TWI(two-wired inferface, I2C)를 통해 외부 온도 센서로부터 온도 값을 측정할 수 있다.

전류센서부(120)는 사용자가 미리 설정한 일정 주기에 따라 스마트 센서 노드의 전류 값을 측정할 수 있다. 이때, 사용자가 미리 설정한 일정 주기는 단말기를 통해 변경이 가능하다.

보상부(130)는 단말기로부터 수신한 보상테이블에 기초하여 측정한 온도 값에 따라 전류 센서에서 측정하여 변환된 출력 전압을 보상할 수 있다. 제어부(140)는 중앙처리장치(CPU)인 마이크로 프로세서(MPU)가 탑재된 마이크로 컨트롤러 보드에 의해서 각 구성을 제어할 수 있다.

아날로그-디지털 컨버터(ADC; 150)는 전류센서부(120)에서 측정하는 전류 값에 따라 출력되는 전압 값을 측정한다. 통신부(160)는 근거리 무선 통신 모듈로서 스마트 센서 노드의 정보를 송수신할 수 있고, 단말기(200)로부터 보상테이블을 수신할 수 있다. 실시예에 따라 BLE(blurtooth low energy) 통신을 통해 정보를 송수신할 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다. 타이머부(170)는 시간에 따라 동작을 제어할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 전류 센서의 오프셋 및 비선형성 보상 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 먼저 스마트 센서 노드의 아날로그-디지털 컨버터, 통신부, 타이머부를 초기화한다(S210).

사용자가 미리 설정한 일정 주기마다 출력 전압과 주변 온도를 측정한다(S220).

스마트 센서 노드와 단말기가 연결되면(S230), 단말기로부터 온도 구간에 따른 보상테이블을 수신한다(S240). 스마트 센서 노드와 단말기가 연결되지 않으면, S220 단계로 돌아가 측정을 반복한다.

이후에, 상기 보상테이블에 기초하여 상기 온도센서에서 측정한 온도 값에 따라 전류 센서에서 측정하여 변환된 출력 전압을 부분적 선형 모델로 근사하여 보상한다(S250). 이때, 특정 온도 구간에 대해 보정하고자 하는 측정 전압의 구간을 나타내는 입력전압 값이 A₀에서 A₉라 하고, 이상적인 경우의 전류 센서의 출력 전압 값이 B₀에서 B₉라 가정하고, A₀ 보다 작은 측정 전압 값은 B₀로 근사하고, 측정 전압 값이 A_k에서 A_k+1 사이이면 아래 식에 따라 측정 전압을 근사하고, A₉보다 큰 측정 전압 값은 B₉로 근사하여 보상전압을 계산할 수 있다.

(이때, Vm은 측정한 전류 센서 전압이고, 구간의 정보를 나타내는 k 값은 0에서 8 사이의 정수)

즉, 본 발명은 이동단말 또는 서버로부터 제공받은 보상 테이블에 기초하여 소프트웨어적으로 오프셋을 보상함으로써 오차값이 적은 전류값을 제공할 수 있으며, 별도의 장치 없이 오프셋을 보상하여 보다 소형화된 스마트 전류 센서를 제공할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 특정 온도에서 측정한 전류 센서의 출력전압 값에 대한 테이블이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도 구간에 따라 전류 센서의 출력전압 값을 보상하기 위한 보상테이블이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도구간에 따라 정의한 전류 센서 출력 값 보상을 설명하는 그래프이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 전류 센서를 통해 측정한 전류 값을 보상하는 과정은 주어진 측정한 전류에 대한 전압 구간을 나눠서 부분적 선형(Piecewise Linear) 모델의 형태로 보상할 수 있다. 구체적으로 전류 센서의 특성은 온도에 따라 달라지므로, N개의 온도 구간 각각에 대해서 M개의 부분적 선형 모델로 근사하여 전류 값을 보정하는 방법을 사용할 수 있다. 실시예에서, 아날로그-디지털 컨버커(ADC)가 0V에서 최대 3.6V까지 아날로그 전압을 측정한다고 가정하였고, 주어진 온도 범위에 대해서 최대 10단계로 나눠 입력/출력 전압의 값을 보상하도록 구현할 수 있다.

부분적 선형 모델로 전류 센서의 비선형적 특성을 근사하기 위해서는 전류 센서의 이상적인 출력 값과 온도에 따른 출력 값에 대한 정보가 필요하다. 도 3은 특정 온도에서 측정한 전류 센서의 출력 값이 주어져 있지만, 실제 환경에서는 주변 환경의 온도가 고정되어있는 것이 아니기 때문에 주어진 데이터를 바탕으로 해서 그림 4와 같이 보상테이블을 생성할 수 있다.

도 4의-10°C ~ 0°C 구간에 해당하는 보정 정보를 예로 들자면, 도 3의 테이블에서 -10°C, -5°C, 0°C에서 측정한 전류 센서의 출력 전압을 평균 취해서 계산한다. 정의하고자 하는 온도 구간에서의 측정 데이터를 증가시키거나, 평균을 취하는 대신 최소 자승법 (Least Mean Square) 등의 방법을 이용할 경우 보다 오차를 줄이는 방향으로 전압 보정 정보를 얻을 수 있을 것이다. 도 5의 그래프는 온도 구간에 따라 정의한 전류 센서 출력 값의 보정 정보를 그래프로 나타낸 것으로, 도 4의 테이블의 보상 정보 중에서 이상적인 경우와 0°C에서 30°C 구간의 보상 정보, 그리고 50°C에서 85°C 구간의 보상 정보를 보여준다. 가로축은 온도에 따라 변화한 전류 센서의 출력 전압에 해당하고, 세로축은 이상적인 전류 센서의 출력 전압에 해당된다.

온도 구간에 대한 전류 센서 출력 전압의 보정 정보를 얻고 나면, 다음의 방식으로 전류 센서의 비선형적 특성을 보정할 수 있다. 먼저 특정 온도 구간에 대해 보정하고자 하는 측정 전압의 구간을 나타내는 입력 전압 값을 A₀에서 A₉이라 하고, 이상적인 경우의 전류 센서의 출력 전압을 B₀에서 B₉로 가정한다. 여기서 A와 B 전압 값은 온도 구간이 바뀌면 다르게 적용된다. 온도 구간과 보정 전압 정보가 주어졌으면, 다음의 과정을 따라서 부분적 선형 모델로 근사시킨 측정 전압 값을 보정한다.

보정 과정 1) A₀보다 작은 측정 전압 값은 모두 B₀로 근사한다.

보정 과정 2) 측정 전압 값이 A_k에서 A_k+1사이에 포함되는 경우에는 아래식에 따라 측정 전압을 근사할 수 있다.

, 이때 식에서 V_m은 측정한 전류 센서 전압에 해당되고, 구간의 정보를 나타내는 k값은 0에서 8사이의 정수 값에 해당된다.

보정 과정 3) A₉ 보다 큰 측정 전압 값은 모두 B₉으로 근사한다.

일반적인 경우에 상온으로 여기는 25°C 에서의 전류 센서의 보정 과정은 도 4의 보상테이블에서 0°C ~ 30°C 구간의 보정 정보를 따른다.

예컨대, 상온에서 전류 센서의 출력 전압 보정 과정은 아래와 같이 수행될 수 있다.

실시예 1) 측정 값: 0.01V일 때 주어진 보정 구간의 첫 번째 입력 전압에 해당하는 0.11906V 보다 작으므로, 이는 0V로 보정된다.

실시예 2) 측정 값: 0.85V일 때, 상온에서의 보정 구간 중 입력 전압이 0.753V에서 1.122V 사이에 위치하는 경우로, 앞서 언급한 식을 이용해 보정 값: 0.829V으로 계산할 수 있다.

실시예 3) 측정 값: 2.4V일 때, 상온에서의 보정 구간 중 입력 전압이 0.753V에서 1.122V 사이에 위치하는 경우로, 앞서 언급한 식을 이용해 , 보정 값: 2.351V으로 계산할 수 있다.

실시예 4) 측정 값: 3.4V일 때, 주어진 보정 구간의 마지막 입력 전압에 해당하는 3.3557V 보다 크므로, 이는 3.299V로 보정된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10; 스마트 전류 센서 100; 스마트 센서 노드
200; 이동단말기(NCAP) 110; 온도센서부
120; 전류센서부 130; 보상부
140; 제어부 150; ADC
160; 통신부 170; 타이머부

Claims (5)

1. 스마트 전류 센서의 오프셋 보상 방법에 있어서,
   (a) 스마트 센서 노드의 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 시리얼통신부, 타이머부를 초기화하는 단계;
   (b) 사용자가 지정한 일정주기마다 스마트 센서 노드의 출력전압 및 온도를 측정하는 단계;
   (c) 스마트 센서 노드가 단말기에 연결되면, 상기 단말기로부터 온도 구간에 따른 보상테이블을 수신하는 단계; 및
   (d) 상기 보상테이블에 기초하여 측정된 출력전압을 부분적 선형 모델로 근사하여 보상전압을 계산하는 단계를 포함하고,
   상기 (d) 단계에 있어서,
   특정 온도 구간에 대해 보정하고자 하는 측정 전압의 구간을 나타내는 입력전압 값이 A₀에서 A₉라 하고, 이상적인 경우의 전류 센서의 출력 전압 값이 B₀에서 B₉라 가정하고,
   A₀ 보다 작은 측정 전압 값은 B₀로 근사하고, 측정 전압 값이 A_k에서 A_k+1 사이이면 아래 식에 따라 측정 전압을 근사하고, A₉보다 큰 측정 전압 값은 B₉로 근사하여 보상전압을 계산하는 스마트 전류 센서의 오프셋 보상 방법.
   

   

   (이때, Vm은 전류센서의 측정 전압이고, 구간의 정보를 나타내는 k 값은 0에서 8 사이의 정수)
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 보상테이블은 N개의 온도 구간 각각에 대하여 서로 다른 부분적 선형(Piecewise linear) 모델로 근사하여 전압값을 보정하는 스마트 전류 센서의 오프셋 보상 방법.
4. 사용자가 지정한 일정주기마다 스마트 센서 노드의 전류를 측정하는 전류센서부;
   상기 전류센서부를 통해 측정한 전류 값에 기초하여 측정 전압 값을 산출하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC);
   스마트 센서 노드의 온도를 측정하는 온도센서부; 및
   단말기로부터 온도 구간에 따른 보상테이블을 수신하고, 상기 보상테이블과 상기 온도에 기초하여 측정된 측정 전압을 온도 구간별로 부분적 선형 모델로 근사하여 보상전압을 계산하는 보상부를 포함하고,
   상기 보상전압은,
   특정 온도 구간에 대해 보정하고자 하는 측정 전압의 구간을 나타내는 입력전압 값이 A₀에서 A₉라 하고, 이상적인 경우의 전류 센서의 출력 전압 값이 B₀에서 B₉라 가정하고,
   A₀ 보다 작은 측정 전압 값은 B₀로 근사하고, 측정 전압 값이 A_k에서 A_k+1 사이이면 아래 식에 따라 측정 전압을 근사하고, A₉보다 큰 측정 전압 값은 B₉로 근사하여 계산하는 스마트 전류 센서.
   

   

   (이때, Vm은 전류센서의 측정 전압이고, 구간의 정보를 나타내는 k 값은 0에서 8 사이의 정수)
5. 제4항에 있어서,
   상기 보상테이블은 N개의 온도 구간 각각에 대하여 서로 다른 부분적 선형(Piecewise linear) 모델로 근사하여 전압값을 보상하는 스마트 전류 센서.

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