KR102530408B1 - 고해상도 앱솔루트 인코더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인코더 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 원주상에 등간격으로 배치된 다수의 정적 센서들을 이용하고, 특정 패턴에 맞게 환형 트랙상에 2가지 성질을 갖는 구간들이 여러개인 회전 디스크가 설치되어 센서들이 가까이 있는 트랙의 구간의 성질들을 감지할 수 있다. 디스크 회전 동안, 회전 디스크의 여러 구간들이 각각의 센서에 근접 위치한다. 또, 센서신호들은 첫번째 성질의 회전 디스크 구간에 가까이 있을 때의 제1 범위의 값으로부터 두번째 성질의 회전 디스크 구간에 가까울 때의 제2 범위의 값과, 회전 디스크상의 천이 위치에 가까울 때의 중간 값까지 연속적으로 변하는 아날로그 값들을 취한다.

Description

고해상도 앱솔루트 인코더

본 발명은 인코더 장치에 관한 것이다.

회전요소의 각위치나 슬라이딩 요소의 상대적 변위를 측정하는데 인코더들이 사용되는데, 인코더는 서보시스템이라 하는 제어장치에 자주 사용되고, 작동 요소가 정확히 원하는 경로를 따라가도록 하는데 모션 컨트롤러가 이용된다. 이를 위해, 인코더 장치는 모션 컨트롤러에 연결하기 위한 전자 인터페이스를 포함한다.

인코더는 로터리와 선형의 2가지 방식이 있다. 로터리 인코더는 모터나 기타 회전장치의 축과 같은 회전요소의 각위치를 측정하고, 선형 인코더는 2개의 슬라이딩 요소, 예컨대 고정베이스에 대해 선형 베어링에 설치된 슬라이딩 캐리지와 같은 2개의 슬라이딩 요소들의 상대적 움직임을 측정한다.

일반적으로, 로터리 인코더는 후단부에서 전기모터 축에 설치되어, 고속 상태에서 전기모터 컨트롤러에 대한 축의 회전각에 대한 위치정보를 제공한다. 모터 컨트롤러는 원하는 위치를 향해 모터를 회전시키기 위해 모터에 전류를 출력한다.

또, 선형 인코더는 일반적으로 선형모터의 작동요소에 설치되고, 선형모터 모션컨트롤러에 연결된다.

여기서, "인코더"는 로터리와 선형 모두 포함한다. 선형 인코더는 로터리 인코더와 같은 요소들을 선형 경로에 배치한 것이다. 선형 경로는 다수의 동일한 기리의 구간으로 분할되고, 이를 주기라고 한다. 인코더 요소들이 원형 경로에 배치되는 것과 비슷하게 1주기를 따라 배치되는 첫번째 경우가 있고, 각각의 요소의 첫번째 경우의 동일 요소의 위치로부터 각 요소의 간격이 정수 주기와 같을 경우 인코더 요소들이 여러 주기에 배치되는 다른 경우가 있다.

자동기계에서는 작동요소들이 고속에서 아주 정밀하게 경로를 추적할 필요가 있다. 이를 위해, 인코더 장치는 고정밀 설계되고 고속으로 위치정보를 전달할 수 있어야 한다. 일례로, 상용 로터리 인코더는 0.01도보다 좋은 정밀도를 제공할 수 있고, 모션컨트롤러에 대한 회전각 전달속도는 보통 초당 8000~30000 값 전달 정도이다.

인코더 장치의 다른 설계 변수는 해상도이다. 해상도는 인코더 장치가 1회전이나 1 길이단위내에 측정할 수 있는 최소의 위치변화를 의미하고, 보통 회전이나 선형 길이당 위치값의 갯수로 표현된다. 해상도로 정의된 최소 위치변화는 보통 정밀도보다 작은데, 이는 위치값이 어느정도의 오차로 실제위치와 다를 경우에도 인코더장치가 정밀도에 필요한 것보다 큰 유의미한 디지트를 갖는 위치값을 제공할 수 있음을 의미하고, 이때의 오차는 인코더의 정밀도 특성으로 정의된 오차보다 낮다. 고해상도에서는 서보 컨트롤러를 포함한 모션컨트롤러가 작동요소들을 타이트하고 원할하게 제어할 수 있다.

인코더 장치는 앱솔루트이거나 증분형일 수 있다. 앱솔루트 인코더 장치는 고정된 기준위치에 대해 각위치나 선형위치를 측정할 수 있지만, 증분형 인코더 장치는 작동 시작점에서부터의 각도/선형 변위만을 측정할 수 있다. 따라서, 증분형 인코더 장치를 자동기계에 사용할 때는, 기계가 작동을 시작할 때마다 기준점을 검색하는 것이 일반적이다. 이런 검색은 기준점에 있는 리미트스위치나 다른 장치가 작동할 때까지 주어진 방향으로 저속에서 행해진다. 이런 검색과정 때문에 시스템이 더 복잡해지고 첫번째 작업이 지연된다. 이런 단점에도 불구하고, 증분형 인코더들이 널리 사용되는 이유는 간단하고 저렴하기 때문이다. 앱솔루트 인코더의 선호도가 높지만, 가격 때문에 증분형 인코더를 사용하는 경우가 많다.

제작이 간단하고 저렴하게 높은 정밀도와 해상도를 제공할 수 있는 앱솔루트 인코더가 바람직하다.

Villaret의 US9007057에 소개된 앱솔루트 인코더는 구조가 간단하고 고해상도로 절대위치정보를 제공할 수 있다. 이 장치는 고정된 부품에 원주형태로 배치된 n개의 아날로그 센서들을 이용하고; 특정 패턴에 맞게 환형 트랙에 교호적인 성질의 구간들을 갖는 회전 디스크를 사용해 센서들이 근처 트랙 구간의 성질을 감지하도록 한다. 디스크 회전중에, 각각 다른 구간들이 각각의 센서에 가깝게 된다. 각각의 센서 전기신호가 먼저 디지털화되어 1이나 0 비트값을 제공한다. 모든 센서들의 비트값을 디지털 워드로 조합하여, 각각의 회전하는 디스크 각도범위 위치에 대해 고유 코드값을 생성한다. 이어서, n개 센서들 중의 하나를 선택하고 그 아날로그 출력값을 이용해 고해상도 위치값을 계산한다.

위 특허의 장점은 단순성에 있다. 센서들이 원 위에 등간격으로 배치되어 있어, 센서 간격이 비교적 넓으며 시중에서 구할 수 있는 일반 크기의 센서들을 이용할 수 있다.

위 특허에서 "섹터"란 인코더 회전 디스크 원형 트랙의 각도 부분들이고, 모든 섹터는 동일한 각도크기를 갖는다. 이런 트랙의 각각의 섹터는 소정의 패턴에 따라 첫번째나 두번째 성질을 갖는 재료로 이루어진다.

위 특허의 첫번째 조건은 코드가 1가인 것으로, 즉 코드값이 1 섹터 범위에서만 구해지는 것이다.

두번째 조건은 코드가 그레이 코드이어야 하여, 동작중에는 한쪽 섹터에서 인접 섹터로의 천이로 디지털 코드의 1개 비트만 바뀐다. 이는 천이중의 코드 ㅇ오오차를 피하는데 필요하다.

두가지 조건 모두 Villaret의 US8492704에 소개된 방볍에 맞게 설계된 패턴을 이용해 구할 수 있다.

이런 2가지 조건에서는 아래와 같은 실제적인 제한이 생긴다:

US9007057의 인코더의 해상도는 아날로그 센서 신호의 해상도에 디지털 코드를 곱한 해상도와 거의 같다.

해상도를 높이려면, a) 아날로그 센서 판독 해상도나 b) 디지털 코드의 해상도를 높여야 한다.

a)에 관해서는, 표준 아날로그 센서와 AD 컨버터들의 실용적인 해상도가 전기적 잡음에 의해 제한된다. 특히, 고해상도 인코더는 아주 짧은 시간내에 위치값을 제공해야만 하므로, 고속 AD 컨버터가 필요하다. 이렇게 해상도를 높이는 것은 아주 어렵고 비실용적이다.

b)에 관해서는, 디지털 코드의 해상도를 높이는 것이 센서의 수를 늘이고 US8492704에 따른 패턴을 변경해 이루어질 수 있다. 그러나, 센서의 수 n을 늘일 때, 구해진 코드 해상도가 아주 비효율적이 되어, 코드의 갯수가 가능한 코드값의 수인 2^∧n보다 작아진다. 예컨대, n=7일 경우, 98개 코드값을 제공하는 실제 패턴을 찾을 수 있다. n=8이면, 실제 패턴이 128개의 코드값만 제고아ㅎㄹ 수 있다. 센서 수가 늘어나면, 해상도의 이득이 줄어든다. 한편, n=7일 경우, 비교적 많은 수의 섹터들에 걸쳐 뻗는 구간들을 규정하는 실제 패턴을 찾을 수 있어, 자석처럼 비교적 큰 사이즈의 요소들로 이런 섹터들을 쉽게 구현할 수 있다. 센서가 더 많으면, 패턴의 구간들의 크기가 작아져 구현하기가 힘들어, 미니어쳐 요소들이 필요하게 되고, 자석은 사용할 수 없게 된다.

해상도를 더 높이기 위해서는 디지털 코드의 해상도와 센서신호의 아날로그 처리 해상도가 모두 더 높아야 한다.

본 발명의 목적은, 해상도가 2^∧n(n은 센서수)보다 클 수 있는 제1 저해상도 위치밧을 제공하는 보조유닛과, 이 패턴을 감지할 n개의 정적 센서들과 하나의 작동요소상의 패턴과, 처리유닛을 포함하고 고해상도를 제공할 수 있는 인코더 장치와, 인코더의 정밀도를 높이는 방법을 제공하는데 있다. 제1 저해상도 값은 보조유닛의 출력을 센서 아날로그 신호들로부터 계산된 디지털 코드와 조합하여 구해진다.

본 발명의 첫번째 장점은 이런 첫번째 위치값의 해상도가 2^∧n로 제한되지 않는데 있다. 인코더 위치 출력의 총 해상도가 저해상도 위치값의 해상도와 아날로그 신호의 해상도의 곱이기 때문에, 인코더의 총 해상도가 높아진다.

두번째 장점은, 센서의 전기신호들을 수학적으로 조합해 기계적 요소들과 전자적 요소들의 허용오차에 덜 민감한 조합 신호들을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 보조유닛이 없는 전술한 고해상도 인코더 장치를 제공하는데 있다. 이때 전술한 첫번째 저해상도 위치값이 아날로그 센서 신호들의 처리에 의해 고해상도로 제공되고, 이런 저해상도는 2^∧n보다 높을 수 있다.

따라서, 본 발명의 주목적은 원 센서들이 등간격으로 배치되어 있는 고해상도 인코더 장치를 제공함으로써 상용 센서들을 사용할 수 있도록 하는데 있다. 이런 새로운 인코더 장치는 센서들을 이용해 아날로그 출력을 제공할 수 있으며, 메모리와 처리수단을 이용해 센서수에 의한 제한 없이 높은 앱솔루트 해상도를 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면, 2^∧n보다 높은 해상도를 갖는 저해상도 위치값이 제공되어, 인코더의 전체 해상도를 높일 수 있다. 또, 전기신호들의 아날로그 처리에 의해 인코더의 출력의 정밀도가 높아진다.

본 발명에서는 원주상에 등간격으로 배치된 다수의 정적 센서들을 이용하고, 특정 패턴에 맞게 환형 트랙상에 2가지 성질을 갖는 구간들이 여러개인 회전 디스크가 설치되어 센서들이 가까이 있는 트랙의 구간의 성질들을 감지할 수 있다. 디스크 회전 동안, 회전 디스크의 여러 구간들이 각각의 센서에 근접 위치한다. 또, 센서신호들은 첫번째 성질의 회전 디스크 구간에 가까이 있을 때의 제1 범위의 값으로부터 두번째 성질의 회전 디스크 구간에 가까울 때의 제2 범위의 값과, 회전 디스크상의 천이 위치에 가까울 때의 중간 값까지 연속적으로 변하는 아날로그 값들을 취한다.

본 발명은 보조유닛도 이용하는데, 이 유닛은 단독으로나 센서신호값들과 조합하여 저해상도 위치값을 제공한다. 공지의 어떤 기술을 이용해서 이런 저해상도 우치ㅣ값을 제공할 수 있다.

인코더가 처음 동작하기 전인 전처리 단계에서, 인코더의 특성들을 계산하고 측정헤 메모리에 저장한다. 이런 특성들은 회전디스크 트랙의 성질들에 대한 센서의 응답을 규정한 소정의 코드와 값들의 테이블 형태이다.

첫번째 실시 태양의 첫번째 처리 단계에서, 각 센서의 신호가 임계치와 비교되는데, 이런 임계치는 신호의 최대값과 최소값 사이의 중간값이며, 이런 비교 결과로 각 센서에 대해 비트값 0이나 1이 설정된다. 이어서 모든 비트들이 디지털 워드로 조합되어 코드번호를 생성한다. 본 발명에서, "섹터"란 주어진 코드넘버를 구하기 위한 연속적인 위치범위로 정의된다. 코드번호 자체는 1가 hem가 아닌데, 이는 다른 섹터에서 동일한 코드를 얻을 수 있기 때문이다. 그러나, 이런 코드번호는 보조유닛의 출력과 조합되어 섹터의 특성을 보인다. 따라서, 코드번호와 보조유닛의 출력으로 섹터를 확인할 수 있다.

전술한 전처리 단계에서, 섹터 코드와 위치는 보조유닛의 출력과 함께 메모리에 사전저장되어 있다. 섹터의 확인으로 섹터 크기의 해상도가 위치정보에 제공된다. 이런 위치값을 이하 저해상도 위치값이라 한다. 예컨대, 센서가 5개인 패턴은 50개의 섹터를 제공한다. 이어서 저해상도 위치값은 1/50 회전인 7.2도의 해상도를 위치정보에 제공한다.

두번째 실시태양에서, 보조유닛은 종래의 저해상도 앱솔루트 인코더이고, 저해상도 위치값은 예컨대 이런 인코더 위치 출력값의 반올림 값이다. 이 경우, 섹터는 동일한 저해상도 위치값을 구하기 위한 위치범위로 정의된다.

세번째 실시태양에서는 보조유닛을 사용하지 않고, 디지털 코드를 이용하고 아날로그 센서신호들을 더 처리하여 저해상도 위치값을 구한다.

이런 실시태양들의 두번째 처리단계에서, 다수의 신호들의 특정 수학적 조합을 선택하기 위해 저해상도 위치값을 사용한다. 각각의 저해상도 위치값에 대한 이런 조합의 선택은 전술한 전처리 단계에서 미리 정해진다. 이런 저해상도 위치값에 대해 정의된 특정 수학적 조합을 이용해 계산된 조합 신호는 신호의 상대적 잡음을 줄이고 기계적 허용오차, 온도 기타 인코더의 정밀도에 영향을 주는 다른 인자들에 덜 민감하다. 이런 조합 신호의 값들을 사전등록 테이블의 진입변수로 사용해 고해상도 위치값을 출력한다. 본 발명의 특징은 이런 신호들의 조합이 각각의 저해상도 위치값마다 사전에 정의되는데 있다.

따라서, 인코더가 고해상도 위치값을 출력하여 아래 처리 단계들을 구현할 수 있다.

1) a) 보조유닛, b) 보조유닛과 디지털코드 둘다, 또는 c) 디지털 코드를 이용해 첫번째 저해상도 위치값을 판독하고 아날로그 신호들을 후처리;

2) 저해상도 위치값에 따라, a) 사전저장된 조합 테이블과 진입변수로서의 저해상도 위치값을 이용해 사용할 수학적 신호 조합의 타입, 및 b)고해상도 위치 테이블을 이용해 사용할 고해상도 위치테이블을 선택(이 테이블의 진입변수는 저해상도 위치값);

3) 선택된 조합을 이용해 조합 신호 계산;

4) 조합 신호를 선택된 위치테이블의 진입변수로 사용해 고해상도 위치값 획득; 및

5) 위치값이 다수일 경우 출력 위치값이나 그 조합을 제공.

본 발명의 특성은, 신호들의 조합이 각각의 저해상도 위치값마다 사전정의되는데 있다.

각각의 저해상도 위치값에 대해, 적어도 하나의 아날로그 급ㅅ이 센서 신호들의 수학적 조합으로 계산된다. 각각의 저해상도 위치값에 대해, 곱셈, 덧셈 기타 수학적 연산을 포함한 소정의 조합이 정의된다. 이런 값들을 이하 조합 신호라 한다. 각각의 저해상도 위치에 대해, 전처리 단계 동안, 다수의 조합 신호들이 연계된다.

첫째, 여러 신호들을 하나의 신호로 조합하면 신호대 잡음비가 크게 줄어든다.

둘째, 수학적 조합의 대략적 정의에 의해, 온도에 의한 신호변동이나, 신호진폭의 변화와 같은 물리적 변수들의 영향에 덜 민감한 조합 신호를 만들 수 있다.

예를 들어, 디스크의 회전축 중심이 약간만 움직여도 센서에 대해 디스크에 작은 편심이 생긴다. 일부 센서는 디스크 트랙에 더 가까워지고, 일부 다른 센서는 더 멀어지며, 신세 신호진폭이 영향을 받는다. US9007057에 소개된 것처럼 하나의 센서 신호가 인코더 처리 알고리즘에 사용되면 이 인코더 위치출력 정밀도는 센서의 전기신호의 진폭변화의 영향을 직접 받는다. 그러나, 처리 알고리즘에 사용되는 센서가 여러개 이면, 센서 각각이 다른 방향으로 영향을 받아, 인코더 출력에 대한 전체 영향이 평균화되어, 정밀도가 개선된다.

본 발명에서는, 동일한 코드나 동일한 저해상도 위치값이 구해지는 위치범위가 섹터로 설계된다.

각 코드와 관련된 신호들의 특정 조합이 센서의 타입과 특정의 기계적 구현에 따라 신호들의 특성에 맞게 정해지고, 이는 섹터내에서 축 각도의 단순 함수를 만들기 위해서이다.

전처리 단계에서, 섹터 각각에 대해 회전디스크 위치의 함수로서 기록되는데, 이 함수(조합 신호 함수)는 조합 신호들의 섹터의 위치범위내의 변화를 표현한다. 인코더 센서와 회전디스크 구간의 성질들은 신호들의 제1 범위의 값에서 제2 범위의 값으로의 천이가 하나의 섹터 이상의 회전디스크 위치 범위에 걸쳐 있도록 설계된다. 따라서, 1 섹터 범위내에서, 디스크 각위치와 함께 단조로운 신호들의 조합을 항상 정의할 수 있다. 이런 조합의 예들이 아래 열거되어 있지만, 다른 것도 가능하다:

신호 조합의 예들은 아래와 같다:

- 특정 섹터내에서 단조로운 모든 신호들의 가중합. 예를 들어, 가중치가 신호가 성장중이면 1이고 신호가 감소중이면 -1이다.

- 2개의 섹터 끝에서 교차하는 0인 2개의 신호들의 비의 아크탄젠트.

- 각각의 조합된 신호가 코드범위에서 단조로운 신호들의 가중합인 2개의 조합된 신호들의 비의 아크탄젠트.

각 섹터내의 각각의 위치에 대해 전처리 단계 동안 조합 신호값들이 기록되고, 이론적으로 계산되거나 시뮬레이션되거나 기준 인코더를 이용해 측정된 값의 테이블에 고해상도로 저장된다. 조합 신호값들의 변화를 위치로 추정하는 수학적 모델을 찾을 수도 있다. 이 경우, 수학적 모델의 변수들이 이런 테이블들에 포함된다.

최종 처리단계에서, 섹터들과 관련된 조합 신호들이 선택되고 그 값들이 이 섹터에 대해 정의된 테이블의 진입변수로 사용된다. 이런 테이블들은 고해상도로 전처리 단계에서 기록된다. 1 섹터당 여러개의 테이블이 있을 수 있고, 이 경우 여러 위치값들이 구해진다. 이런 값들은 테이블의 정확도와 센서 잡음에 따라 약간씩 다를 수 있다. 평균법이나 다른 방법을 이용해 최적의 정밀도로 위치값을 계산할 수도 있다.

그 결과 구조가 간단한 고해상도 앱솔루트 인코더를 구현할 수 있고, 보조유닛을 사용하고 신호조합을 사전선택된 위치테이블의 진입변수로 사용해 해상도를 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 센서와 보조유닛을 갖춘 앱솔루트 인코더의 개략도;
도 2는 5개의 자석, 5개의 센서, 2개의 디지털 홀센서의 패턴을 갖는 인코더의 일례;
도 3은 도 2의 실시예를 위한 센서 신호들의 변화를 나타낸 그래프;
도 4는 2개의 섹터의 코드값이 동일하게 25인 5개의 센서의 코드값들을 보여주는 그래프;
도 5는 주어진 각위치에서의 조합 신호의 그래프;
도 6은 인코더 처리방법의 간단한 순서도;
도 7은 코드가 동일한 2개의 섹터 범위에서의 센서 신호변화 그래프;
도 8은 중간 해상도의 위치값을 구하기 위해 아날로그 신호들을 처리하는 순서도.

도 1에 본 발명의 인코더가 도시되어 있다. 회전축(103)에 고정된 인코더 디스크(101)의 원주변에는 각각 다른 성질을 갖는 다수의 섹터(102a~b)를 갖춘 트랙이 있다. 흑색 표시 섹터(102a)는 제1 성질을 갖고 백색으로 표시된 섹터(102b)는 제2 성질을 갖는다. 섹터(105a~e)는 정적이고 트랙 부근에 위치한다. 이들 센서는 각각 아날로그 신호(A0~5)를 출력한다. 센서의 출력은 센서가 제1 성질의 섹터(102a) 가까이 있을 때의 제1 범위로부터 센서가 제2 성질의 섹터(012b) 가까이 있을 때의 제2 범위까지 변한다. 회전중인 인코더 디스크에 제2 트랙(110)이 있을 수도 있다.

제2 트랙(110) 가까이 있는 정적 보조유닛(109)는 CPU(107)에 연결되어, CPU에 저해상도 위치값을 제공한다. 제2 트랙(110)과 보조유닛(109)은 기존의 어떤 방법으로도 설계될 수 있지만, 저비용을 위해 아주 낮은 해상도를 제공하도록 설계되는 것이 좋다. AD 컨버터(106)에 아날로그 신호들(A0~A5)이 입력된 뒤, 그 디지털 값들이 CPU(107)에 입력된다. CPU(107)가 보조 유닛으로부터 저해상도 위치값을 받을 수도 있다. 이어서, CPU(107)는 후술하는 본 발명의 방법대로 신호값들(A0~A5)과 저해상도 위치값들을 처리하고, 고해상도 위치값을 출력한다.

도 2는 5개의 센서로 사용할 수 있는 50개 섹터들의 패턴의 일례를 보여준다. 인코더 디스크의 원통형 외벽(200) 안에 아치형의 5개의 자석(201a~e)이 부착되어 패턴을 형성한다. 이들 자석은 모두 동일한 반경방향으로 자화된다. 외벽(200)의 내주면의 구간들이 자석으로 덮이거나(제1 특성) 덮이지 않은(제2 특성) 패턴이 형성된다. 도 2의 특정 패턴에 의하면, 자석들(201a~e)이 각각 대략 6, 4, 4, 3, 8개 섹터들을 커버하고, 반시계 방향으로 자석들(201a~e)에 인접한 외벽(200)의 미커버 구간들은 각각 대략 3, 4, 4, 6, 8개 섹터들 위로 뻗는다. 5개의 정적 홀센서(202a~e)는 외벽(200) 안쪽에 동심인 원 위에 불균일하게 위치하면서 자기장과 관련된 신호들을 출력한다. 디스크의 회전이 있을 때마다, 외벽(200)과 자석들(201a~b)이 센서 둘레를 회전한다.

회전하는 동안, 자석커버 섹터들과 자석미커버 섹터들이 센서 가까이에 교대로 위치하여, 디스크 회전각의 함수인 가변 센서신호를 생성한다. 도 2에서 보듯이, 회전하는 디스크에 고정되어 자화되는 원형 자석(204)의 첫번째 반원은 N극이고 나머지 반원은 S극이다. 2개의 정적 디지털 홀센서(203a~b)가 이 자석 가까이에 위치해 CPU에 연결되어, 어떤 자극이 가까이 있는지를 감지할 수 있다. 이런 2개의 디지털 홀센서들은 90도 각도로 배치된다. 본 실시예에서는, 이런 디지털 홀센서들이 전술한 보조유닛을 구현하고, 2가지 가능한 상태, 즉 N극이나 S극에 가까운 상태에 맞게 CPU에 1/4 회전 해상도 관련 위치정보를 제공한다. 이런 디지털 홀센서들의 Boolean state를 H1, H2라 한다.

도 3은 도 2의 패턴에 대해 인코더 디스크의 각회전 위치의 함수로서의 신호 변화의 일례를 보여준다. 5개의 신호(S1~5)는 기본적으로 각각의 센서 각위치에 맞게 각이동이 되고 동일한 형상을 갖는다. 각이동과는 별도로, 이들 신호(S1~5)의 형상은 홀센서 특성이나 기하학적 배치에서의 허용오차 때문에 약간의 차이가 있을 수 있다. 이런 신호의 값이 일반적으로 평균값에 가까운 임계치 T0를 지나는 위치를 신호의 제로크로스라 한다. 제로크로싱들이 거의 등간격에 있도록 패턴을 설계했다. 각 위치에서, 불리언값 1은 임계치 T0보다 클 경우 신호와 관련되고 작을 경우 0이다. 따라서, 5개의 관련 불리언 값들이 5비트 단어로 설정되어, 이 위치에 대한 코드를 생성한다. 섹터의 수는 제로크로싱의 수와 같으며, 도 2의 특정 패턴에서는 50개이다. 코드의 수가 센서의 수(5)에 의해 2^∧5=32로 제한되므로, 다수의 섹터들이 같은 코드를 가질 수 있다.

도 4는 각 섹터의 코드값을 보여주는 그래프로서, 4개의 위치범위에 대해 디지털 홀센서들이 주어진 상태를 갖는 것을 보여준다. 이런 범위가 디지털 홀센서(H1~2)로 표시된 양방향 화살표로 도시되어 있다. 섹터의 코드와 디지털 홀센서의 상태의 조합으로 섹터의 고유 대응식별자에 섹터 사이즈의 해상도가 제공된다. 도 4에서 보듯이, 0도부터 섹터들을 카운트했을 때 9번째와 33번째 섹터인 A, B 섹터에 대해 동일한 코드 25가 구해진다. 섹터 A에서 디지털 홀센서들은 상태 H1=0과 H2=0을 갖지만, 섹터 B에서는 디지털 홀센서들이 다른 상태인 H1=1과 H2=1을 갖는다. 디지털 홀센서의 상태와 조합된 섹터의 코드는 따라서 이 섹터의 고유 대응식별자를 제공하여, 결국 디스크 회전각의 저해상도 위치값을 제공한다.

이런 저해상도 위치값을 2^∧n보다 큰 해상도(여기서는 32)로 구한다는 것은 특별한 장점이다. 이렇게 증가된 해상도 때문에 센서의 수를 늘일 필요도, 패턴 섹션들을 최소화할 필요도 없다.

해상도를 높이기 위해 센서수를 늘여야만 하는 종래의 특허인 US9007057과는 대조적이다. 이 특허에서는 소형 패턴 섹션들을 정확하게 위치시켜야 함은 물론, 그레이 코드를 생성하려면 패턴 섹션이 섹터 크기의 절반보다 더 좋은 위치와 길이 정밀도를 가져야 한다. 전체적으로, 센서의 수가 늘어나고 패턴의 정밀도를 높여야 해서, 구조가 복잡해지고 비용이 늘어난다. 특히, 패턴을 위해 자석을 사용할 경우, 디지털 코드의 해상도를 높이는 것이 비실용적이 된다.

전처리 단계에서, 각 섹터마다 홀센서 신호수의 적어도 하나의 특수 조합을 선택해 CPU(107) 메모리에 테이블 형태로 저장한다. 이런 테이블들을 "조합 테이블"이라 한다. 홀센서의 신호들의 조합은 수학적 연산을 포함할 수 있다. 조합의 목적은 섹터 범위내에서의 각위치로 단조로운 조합된 신호를 구하는데 있다. 이렇게 조합된 신호의 목적은 특정 예의 기계적이고 전자적인 허용오차에 덜 민감한 신호를 내는데 있다. 신호 조합의 예들은 아래와 같다:

- 특정 섹터내에서 단조로운 모든 신호들의 가중합. 예를 들어, 가중치가 신호가 성장중이면 1이고 신호가 감소중이면 -1이다.

- 2개의 섹터 끝에서 교차하는 0인 2개의 신호들의 비의 아크탄젠트.

- 각각의 조합된 신호가 코드범위에서 단조로운 신호들의 가중합인 2개의 조합된 신호들의 비의 아크탄젠트.

물론 다른 조합들도 사용할 수 있다고 본다.

조합 테이블을 이용해, 각 섹터에 대해, 전술한 대로, 특별한 신호들의 조합이 정의된다. CPU(107)는 저해상도 위치값을 획득하고, 이 값을 조합 테이블의 진입변수로 사용하고 대응 조합신호를 계산한다.

도 5는 짧은 각위치 범위내에서의 신호들(S1~5)의 변화를 보여준다. 특정 위치 P에서, CPU(107)가 저해상도 위치값을 받고, 사용할 대응 신호들의 조합을 선택한다. 도 5의 실시예에서는 이런 조합이 C=S1-S3로 정의된다. 조합 신호 C의 변화를 볼 수 있다.

천처리 단계 동안, 각각의 저해상도 위치값에 대해 각각의 저해상도 위치범위에서, 조합된 신호값들과 각위치가 조합 신호값들의 함수로 위치 테이블에 저장된다. 따라서, 각각의 저해상도 위치에 대해, 적어도 하나의 테이블이 정의된다. 한편, 위치와 조합된 신호값들의 변화를 추정하는 수학적 모델이 발견될 수도 있다. 이 경우, 이런 테이블들은 수학적 모델의 변수를 포함한다.

도 5의 특정례에서, 위치 P에서 특정 위치테이블이 정의된다. 이 테이블은 위치의 함수인 P=f(C)를 규정하고, 여기서 C는 조합된 신호의 값이고 P는 위치값이다. 코드 25인 섹터가 각각 위치 P1과 P2에서 일어나는 신호들(S3,S1)의 2개의 제로 교차 사이에 규정된다. 보다시피, 조합 신호 C는 섹터 전구간에서 단조롭다. 이 함수는 따라서 반전될 수 있다. 이렇게 반전된 함수 P=f(C)가 전처리 단계에서 고해상도의 특정 위치테이블에 저장되어 있다. 한편, 신호 S3와 S1을 사용되었을 수도 있는데, 이는 이 섹터에서 이들 신호가 단조롭기 때문이다. 위치 P에서 신호들 C, S3, S1의 기울기는 각각 양방향 화살표 DC, D3, D1이다.

S3와 S1의 기울기(D3, D1)은 조합 신호의 기울기보다 훨씬 작음을 알 수 있다. 즉, 신호 S3나 S1의 판독시 작은 오차가 있어도 P의 판독위치에서는 오차가 상당히 큼을 의미한다. 반면에, 조합 신호의 기울기는 항상 더 커서, 판독시 동일한 오차에서 위치판독 오차는 더 작아진다. 편의상, 2개의 신호를 이용한 조합 신호를 보여주었다. 실제로는, 더 많은 신호를 다양한 수학적 조합으로 사용하면 아날로그 신호값 판독시의 오차에 대한 민감도를 줄일 수 있다.

도 6은 인코더 처리방법의 간단한 순서도이다.

첫번째 601 블록에서, 저해상도 위치값이 보조유닛으로부터 구해진다. 일례로, 전술한 실시예에서는, 2개의 디지털 홀센서(203a~b)의 상태를 판독해 이루어진다(도 3 참조).

602 블록에서, 센서의 출력을 판독해 아날로그 신호를 제공한다.

605 블록에서, 이런 아날로그 신호들을 임계치와 비교해 디지털 값들을 제공하고 디지털 워드코드를 만들기 위해 이들 값들을 조합한다.

604 블록에서 보조유닛의 저해상도의 위치값과 결합된 코드값이 중간 해상도의 위치값의 고유 대응식별자를 제공한다. 구해진 코드값은 위치의 갯수의 특성이기 때문에 불명확할 수 있지만, 보조유닛에서 구한 저해상도 위치값은 이런 불명확성을 해소한다.

중간 해상도의 위치값을 판독하는데 다른 수단을 이용할 수도 있다.

605 블록에서, 중간 해상도의 위치값을 테이블의 진입변수로 사용한다.

첫번째 테이블은 이 신호와 같이 사용할 수학적 조합의 타입을 규정한다.

두번째 테이블은 어느 위치테이블을 사용할지를 규정한다.

규정된 조합과 위치 테이블들을 선택한다.

606 블록에서, 조합 신호를 계산한다.

607 블록에서, 고해상도의 위치값이 선택된 위치테이블로부터 판독되는데, 이때 조합 신호값을 선택된 위치테이블의 진입변수로 사용한다.

따라서, 607 블록의 출력은 인코더에 의해 출력된 고해상도 위치값이다.

이 과정이 608과 같이 연속 사이클로 실행된다.

이상의 설명에서, 보조유닛은 코드 불명료를 해소하는데 필요하다. 이런 보조유닛은 가격을 낮추기 위해 아주 낮은 해상도인 것이 바람직하다.

보조유닛의 비용증가를 피하기 위해, 다른 아날로그 신호처리에 의해 중간 해상도의 위치정보를 제공할 수 있는 바람직한 실시예를 소개한다.

도 7에서는 도 2의 실시예의 신호들(S1~5)의 변화를 볼 수 있다. 이들 신호는 도 3의 신호와 같으며, 도 4의 섹터 A와 B의 위치들 부근의 2개의 그래프로 보여준다. 이들 2개의 위치에서, 디지털 코드는 동일하게 25이다. A 부근의 좌측 그래프에서는 신호 S4의 값이 항상 임계치 T1보다 크지만, B 부근의 우측 그래프에서는 항상 작다. 따라서, 신호 S4의 값을 임계치 T1과 비교해 2개의 섹터를 구분할 수 있다. 전처리 단계에서, 임계치 T1의 값과 이런 임계치에 비교할 신호수가 CPU(107)에 기록저장된다. 코드가 같은 섹터가 다수일 경우, T1, S4와 같은 임계치와 신호들을 여러개 사용할 수 있다. 예컨대, 도 7의 경우, 2개의 임계치 T1과 T2를 신호 S4와 S2에 각각 사용할 수 있다.

끝으로, 아날로그 신호들을 더 처리해 중간 해상도의 위치값을 얻을 수 있다.

도 8은 중간 해상도의 위치값을 구하기 위해 아날로그 신호들을 처리하는 순서도이다.

801 블록에서 아날로그 신호값들을 구한다.

802 블록에서, 불리언값을 제공하고 디지털코드를 계산하기 위해 모든 신호들을 임계치 T0와 비교한다.

803 블록에서, 디지털코드를 선택할 테이블의 진입변수로 사용한다:

1 - 임계치 T1, T2의 수.

2 - 이런 임계치에 비교할 신호들(n1,n2...).

3 - 중간해상도의 위치들의 테이블.

804 블록에서, 선택된 신호들(n1,n2...) 각각을 대응 임계치와 비교해 이들 신호들에 2진값을 연계한다. 이런 2진값들은 이 코드의 추가 비트들로 설정되어, 2차코드를 생성한다.

805 블록에서, 2차코드를 저해상도 위치의 선택된 테이블의 진입변수로 사용하고, 저해상도 위치값을 구한다.

Claims (10)

1. 회전요소의 각위치를 측정하는 고해상도 인코더 장치에 있어서:
   a) 첫번째 위치값을 제공하는 제1 수단;
   b) 회전요소에 고정되고, 주어진 패턴에 맞는 첫번째 및 두번째 성질과 관련된 구간들을 갖는 원형 트랙을 구비한 회전 디스크;
   c) 상기 원형 트랙 가까이 배치되어 전기신호를 출력하는 다수의 고정된 센서들;
   d) 상기 전기신호의 값들을 처리하는 처리수단; 및
   e) 신호 선택, 신호 조합 및 위치 값들에 관한 사전-기록 테이블들을 저장하는 메모리;를 포함하고,
   상기 전기신호는 상기 첫번째 성질에 관련된 원형 트랙 구간 가까이 있을 때의 제1 범위의 값들과, 상기 두번째 성질에 관련된 원형 트랙 구간 가까이 있을 때의 제2 범위의 값들을 가지며;
   상기 센서 각각은 이 센서가 상기 첫번째나 두번째 성질에 관련된 원형 트랙 구간 가까이 있을 때의 위치로부터 상기 두번째나 첫번째 성질에 관련된 원형 트랙 구간 가까이 있을 때의 위치로 상기 회전 디스크가 회전할 때 연속적으로 변하는 중간 값들을 받고;
   상기 첫번째 위치값 모두에 대해, i) 상기 전기신호의 수, ⅱ) 상기 선택된 전기신호들의 값들의 적어도 하나의 수학적 조합, 및 ⅲ) 상기 사전-기록 테이블 위치값들 중의 적어도 하나가 선택되며:
   조합된 값을 제공하기 위해 상기 선택된 수학적 조합을 이용해 상기 선택된 전기신호 값들이 조합되고;
   상기 회전 디스크의 적어도 하나의 고해상도 각위치가 상기 조합된 값을 진입변수로 사용해 상기 선택된 테이블 위치값들 중의 적어도 하나로부터 추적되며;
   상기 제1 수단이 아래 처리 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 인코더 장치.
   a) 디지털 워드코드를 형성하기 위해 불리언 값을 제1 임계치와 비교해 각각의 전기신호에 불리언 값을 연계하는 단계;
   b) 상기 디지털 워드코드를 위해, 적어도 하나의 전기신호, 적어도 하나의 제2 임계치 및 적어도 하나의 상기 첫번째 위치값들의 테이블을 선택하는 단계;
   c) 상기 선택된 전기신호 값을 상기 선택된 제2 임계치들 중의 하나와 비교해 적어도 하나의 불리언 값을 구하는 단계; 및
   d) 상기 불리언 값을 선택된 테이블의 진입변수로 이용해 상기 선택된 위치값 테이블로부터 첫번째 위치값을 추적하는 단계.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 수단이 저해상도 위치값을 제공하는 보조유닛을 포함하고, 디지털 워드코드를 제공하기 위해 상기 전기신호 값들이 임계치들과 비교하여 디지털화되며, 함께 취해진 상기 코드와 저해상도 위치값이 상기 첫번째 위치값의 특성인 것을 특징으로 하는 인코더 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 첫번째나 두번째 성질에 관련된 적어도 하나의 구간에 자기장을 일으키는 영구자석들이 있고, 상기 센서들은 이런 자기장에 관련된 전기신호 값들을 출력하는 것을 특징으로 하는 인코더 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 보조유닛이 1/4 회전의 각도로 벌어진 2개의 자기센서들과, 회전 디스크에 고정된 적어도 하나의 자석을 포함하고, 이 자석은 디스크가 회전하는 동안 상기 자기센서들에 가변 전기신호들을 유도하는 것을 특징으로 하는 인코더 장치.
5. 고해상도 인코더 장치를 이용한, 회전 요소의 각위치 측정방법에 있어서:
   a) 첫번째 위치값을 제공하는 제1 수단; b) 회전요소에 고정되고, 주어진 패턴에 맞는 첫번째 및 두번째 성질과 관련된 구간들을 갖는 원형 트랙을 구비한 회전 디스크; c) 상기 원형 트랙 가까이 배치되어 전기신호를 출력하는 다수의 고정된 센서들; d) 상기 전기신호의 값들을 처리하는 처리수단; 및 e) 신호 선택, 신호 조합 및 위치 값들에 관한 사전-기록 테이블들을 저장하는 메모리를 포함하고; 상기 전기신호는 상기 첫번째 성질에 관련된 원형 트랙 구간 가까이 있을 때의 제1 범위의 값들과, 상기 두번째 성질에 관련된 원형 트랙 구간 가까이 있을 때의 제2 범위의 값들을 가지며; 상기 센서 각각은 이 센서가 상기 첫번째나 두번째 성질에 관련된 원형 트랙 구간 가까이 있을 때의 위치로부터 상기 두번째나 첫번째 성질에 관련된 원형 트랙 구간 가까이 있을 때의 위치로 상기 회전 디스크가 회전할 때 연속적으로 변하는 중간 값들을 받는 고해상도 인코더 장치를 제공하는 단계; 및
   상기 첫번째 위치값 모두에 대해, i) 상기 전기신호의 수, ⅱ) 상기 선택된 전기신호들의 값들의 적어도 하나의 수학적 조합, 및 ⅲ) 상기 사전-기록 테이블 위치값들 중의 적어도 하나를 선택하는 단계;를 포함하고,
   조합된 값을 제공하기 위해 상기 선택된 수학적 조합을 이용해 상기 선택된 전기신호 값들이 조합되며;
   상기 회전 디스크의 적어도 하나의 고해상도 각위치가 상기 조합된 값을 진입변수로 사용해 상기 선택된 테이블 위치값들 중의 적어도 하나로부터 추적되고;
   상기 제1 수단이 아래 처리 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 요소의 각위치 측정방법.
   a) 디지털 워드코드를 형성하기 위해 불리언 값을 제1 임계치와 비교해 각각의 전기신호에 불리언 값을 연계하는 단계;
   b) 상기 디지털 워드코드를 위해, 적어도 하나의 전기신호, 적어도 하나의 제2 임계치 및 적어도 하나의 상기 첫번째 위치값들의 테이블을 선택하는 단계;
   c) 상기 선택된 전기신호 값을 상기 선택된 제2 임계치들 중의 하나와 비교해 적어도 하나의 불리언 값을 구하는 단계; 및
   d) 상기 불리언 값을 선택된 테이블의 진입변수로 이용해 상기 선택된 위치값 테이블로부터 첫번째 위치값을 추적하는 단계.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 수단이 저해상도 위치값을 제공하는 보조유닛을 포함하고, 디지털 워드코드를 제공하기 위해 상기 전기신호 값들이 임계치들과 비교하여 디지털화되며, 함께 취해진 상기 코드와 저해상도 위치값이 상기 첫번째 위치값의 특성인 것을 특징으로 하는 회전 요소의 각위치 측정방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 첫번째나 두번째 성질에 관련된 적어도 하나의 구간에 자기장을 일으키는 영구자석들이 있고, 상기 센서들은 이런 자기장에 관련된 전기신호 값들을 출력하는 것을 특징으로 하는 회전 요소의 각위치 측정방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 보조유닛이 1/4 회전의 각도로 벌어진 2개의 자기센서들과, 회전 디스크에 고정된 적어도 하나의 자석을 포함하고, 이 자석은 디스크가 회전하는 동안 상기 자기센서들에 가변 전기신호들을 유도하는 것을 특징으로 하는 회전 요소의 각위치 측정방법.
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