KR102587373B1 - 회전 속도 측정을 위한 구배 결정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전 가능한 수단, 센서 및 평가 유닛을 구비한 장치에 관한 것으로, 상기 수단은 α개의 마킹을 갖고, 상기 수단이 회전하면, 상기 마킹들은 센서에 의해 검출된 영역을 주기적으로 통과하고, 센서는 평가 유닛에 신호를 전송하도록 형성되고, 평가 유닛은, 각각의 신호에 상기 신호의 전송의 시점 t_i을 할당하도록, 이 경우 i∈{0, 1, ...}이고, 모든 i∈{0, 1, ...}에 대해 t_i < t_i+1이며, 모든 i∈{1, 2, ...}에 대해 하기 식

을 이용하여, 상기 수단의 회전 속도의 측정치로서 시간 t에 따른 함수 n(t)을 계산하도록 형성된다. 평가 유닛은, 적어도 하나의 j∈{1, 2, ...}에 대해 하기 식

를 이용하여, 상기 수단의 회전 속도의 구배의 측정치로서 시간 t에 따른 함수 m(t)를 계산하도록 형성되고, 이 경우 k∈{0, 1, ...}은, 상수 T를 적용하여, 이 성립하도록 선택된다.

Description

회전 속도 측정을 위한 구배 결정

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 장치 및 청구항 제4항의 전제부에 따른 방법에 관한 것이다.

측정값들의 도함수가 다양한 응용 프로그램에서 이용된다. 이를 위해 간단한 차분몫 또는 디지털 필터(예컨대 Savitzki-Golay 필터)가 사용된다. DT1-요소는 간단한 제어 기술적 요소로서 사용될 수 있다. 모든 도함수 형성에서 공통적으로, 기본 신호의 노이즈가 도함수의 과도한 노이즈를 야기한다. 도함수가, 예컨대 큰 윈도우 폭을 갖는 디지털 필터 또는 높은 시상수를 갖는 DT1-요소에 의해 필터링되어야 하면, 입력 신호와 상기 신호의 도함수 사이에 위상 편이가 발생한다.

회전 속도를 결정하기 위한 일반적인 방법은, 회전하는 엔코더 휠의 윤곽이 검출된 후에 평가되는 것에 기반한다. 이를 위해 예를 들어 데드 타임 측정을 이용하여, 각 주기마다 센서를 통과하는 톱니의 수가 결정될 수 있다. 센서를 통과하는 마지막 2개의 톱니 사이의 시간 간격이 결정된다.

센서 신호의 샘플링의 실현 가능한 주파수는 기술적 발전으로 인해 지속적으로 증가한다. 샘플링 주파수가 높을수록, 요구 사항이 더 엄격해 지지만, 회전 속도 구배를 보다 정확하게 결정하는 것은 개선될 수도 있다. 기존의 많은 소프트웨어 응용 프로그램에서 회전 속도는 10 ㎳마다 검출된다. 스탭 폭이, 예를 들어 1 ㎳로 감소하면, 회전 속도가 일정할 때 샘플링 주기마다 계산상 엔코더 휠의 마킹들의 10분의 1만이 센서를 통과한다. 엔코더 휠의 회전 속도 및 마킹의 수에 따라, 톱니가 엔코더 휠을 통과하지 않는, 즉 새로운 회전 속도 정보가 없는 시간 단계는 훨씬 더 많다. 회전 속도 구배를 지속적으로 계산하는 경우 새로운 회전 속도 정보가 없는 시점에도 신호가 생성될 수 있어야 한다.

본 발명의 과제는, 선행 기술에 공개된 해결책 고유의 단점을 제거하는 것이다. 특히, 가능한 한 작은 위상 편이와 작은 신호 노이즈를 갖는 회전 속도 구배가 제공되어야 한다. 정지 상태에서 벗어나서 그리고 정지 상태를 향해 회전할 때 회전 속도 구배는 최대한 정확하게 검출될 수 있어야 한다.

상기 과제는 청구항 제1항에 따른 장치 및 청구항 제4항에 따른 방법에 의해 해결된다. 바람직한 개선예들은 종속 청구항에 포함된다.

장치는 회전 가능한 수단, 센서 및 평가 유닛을 포함한다. 상기 수단은, 임의의 각도로, 특히 360°이상의 각도로 자유롭게 제한 없이 회전 가능하다.

상기 수단은 하나 이상의 마킹을 갖는다. 마킹의 개수는 α이다. 상기 수단은, 샤프트 또는 축, 특히 축 또는 샤프트에 회전 불가능하게 고정된 엔코더 휠일 수 있다. 둘레에 홀을 갖는 천공 디스크가 엔코더 휠로서 적합하다. 각각 2개의 홀은 웨브에 의해 분리되고, 상기 웨브는 2개의 홀 사이를 통해 연장된다. 톱니 휠도 엔코더 휠로서 적합하고, 상기 휠의 톱니들은 동시에 마킹으로서 이용된다.

센서로서 특히 유도성 센서, 자기장 센서 또는 광전자 센서가 적합하다.

센서 또는 센서에 의해 검출된 영역은 마킹을 향한다. 상기 수단이 회전하면, 마킹들은 검출된 영역을 주기적으로 통과한다. 즉, 상기 수단이 360°회전하면, 각각의 마킹은 센서에 의해 검출된 영역을 정확히 한 번 통과함을 의미한다.

마킹은 센서에 의해 검출된 영역을 통과하며, 즉 마킹의 적어도 일부가 각각 상기 영역에 들어가고, 상기 영역을 지나 다시 상기 구역에서 나온다. 마킹의 통과 시 센서는 신호를 생성한다. 마킹의 적어도 일부가 상기 영역에 들어가고, 상기 영역을 벗어나면, 또는 상기 영역에 있는 동안, 신호가 생성될 수 있다.

신호는 평가 유닛으로 전송된다. 상기 평가 유닛은, 각각의 신호에 상기 신호의 전송의 시점 t_i을 할당하도록, 이 경우 i∈{0, 1, ...} 이고, 모든 i∈{0, 1, ...}에 대해 t_i < t_i+1이며, 모든 i∈{1, 2, ...}에 대해 하기 식

을 이용하여, 상기 수단의 회전 속도의 측정치로서 시간 t에 따른 함수 n(t)를 계산하도록 형성된다.

신호의 전송의 시점 t_i는, 마킹이 센서에 의해 검출된 영역을 통과하는 시점에 해당한다.

본 발명에 따라 평가 유닛은 또한, 적어도 하나의, 바람직하게는 모든 j∈{1, 2, ...}에 대해 하기 식

을 이용하여, 상기 수단의 회전 속도의 구배 또는 변동의 측정치로서 시간 t에 따른 함수 m(t)를 계산하도록 형성된다. 이 경우 k∈{0, 1, ...}은, 상수 T를 적용하여, 이 성립하도록 선택된다.

따라서 본 발명에 따르면, 마킹이 센서에 의해 검출된 영역을 통과한 시점에 결정된 회전 속도만이 회전 속도 구배의 결정에 포함된다. 시점들 사이에 적어도 7초의 시간 간격이 있다.

여러 응용 프로그램에서, 특히 정지 상태로 회전 가능한 수단의 지연 및 정지 상태로부터 이동이 중요하다. 본 발명에 따른 방법에 의해, 정지 상태로부터 이동 시 구배값들이 바로 형성된다.

특히 회전 속도가 느릴 때, 구배 형성에 이용된 시점들 사이의 간격이 증가하기 때문에, 훨씬 개선된 신호가 발생한다. 이때, 구배의 가급적 최신 값을 결정하기 위해, 적은 센서 정보에 기초하여 구배가 형성된다. 회전 속도가 매우 작은 경우에, 구배는 마지막 2개의 센서 신호에 의해 형성된다.

본 발명에 따른 방법은, 회전 속도가 더 높을 때 - 즉, 센서 신호들이 충분히 짧은 시간 간격으로 존재할 때 - 구배는 가까운 샘플링 단계들에 의해 형성되는 것이 아니라, 파라미터화 가능한 시상수들 T에 의해 형성되며, 상기 시상수들은 센서에 의해 검출된 영역을 통과하는 마킹의 다중 통과를 고려한다. 따라서 구배 형성에 관련된 센서 신호의 노이즈 성분이 감소한다.

차분몫으로서 회전 속도 구배의 본 발명에 따른 결정 대신에, 가변 윈도우 폭을 갖는 디지털 필터를 사용하는 것이 고려될 수 있다. 이는 측정값들의 가변적인 수에 해당한다. 따라서, 고려중인 주기의 첫 번째 및 마지막 값뿐만 아니라, 여러 값이 구배를 결정하는데 사용된다.

검출할 최소 회전 속도 n_min을 정의하는 것이 일반적이다. 그로부터 도출된 주기 동안 어떠한 마킹도 센서에 의해 검출된 영역을 통과하지 않으면, 정지 상태가 가정된다. 이러한 경우에, 그럼에도 불구하고 구배 결정을 위해 이론적으로 결정된 회전 속도가 저장된다. 값 0이 구배로서 출력된다.

더 긴 정지 상태 후에 회전 가능한 수단이 다시 회전하기 시작하면, 회전으로 인해 센서가 검출한 영역에 마킹이 나타난다. 정지 상태로 인해 이러한 마킹의 검출과 센서가 검출한 영역을 통과한 마지막 마킹 사이의 시간 간격은 매우 크다. 이는 최저 회전 속도 n_min 미만인 속도에 해당한다. 따라서 평가 유닛은 회전 속도로서 값 0을 계산할 것이다. 속도 구배도 0일 것이다.

다음 마킹이 센서가 검출한 영역을 통과하면, 마지막으로 검출된 2개의 마킹을 기초로 계산된 평균 회전 속도가 최저 회전 속도 n_min을 초과하는 것이 예상된다. 회전 속도 구배가 차분몫으로서 형성되면, 너무 높은 값이 얻어진다. 이를 방지하기 위해, 평가 유닛은, 이 성립하면, 적어도 하나의 j'∈{1, 2, ...}에 대해 하기 식,

을 계산하도록, 개선된다. 이 경우 k'∈{0, 1, ...}은, 이 성립하도록 선택된다.

검출된 회전 속도가 최저 회전 속도 n_min 미만이면, 실제로 검출된 회전 속도가 아니라, 최저 회전 속도 n_min이 구배를 계산하는데 이용된다. 결과적으로 회전 속도 구배의 곡선이 얻어지고, 상기 곡선은 상응하게 더 작고, 실제 회전 속도 곡선을 더 잘 반영한다.

i∈{0, 1, ...}인, 시점들 t_i, 사이의 갭은 바람직한 개선예에서 보간된다. 즉, 개선예에 따르면, 인, 적어도 하나의 시점 t'에 대해, 바람직하게는 인, 모든 시점 t'에 대해, 하기 식

이 성립한다.

본 발명에 따른 방법은, 본 발명에 따른 장치의 평가 유닛 또는 바람직한 개선예에 의해 구현되는 전술한 방법이다.

바람직한 실시예들이 도면에 도시된다. 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 동일한 특징들을 나타낸다.

도 1은 선행 기술에 공개된 구배 결정을 위한 제1 방법을 도시한 도면.
도 2는 선행 기술에 공개된 구배 결정을 위한 제2 방법을 도시한 도면.
도 3은 시상수로 구배 계산을 위한 방법을 도시한 도면.
도 4는 정지 상태에서 회전을 도시한 도면.
도 5는 개선된 방법을 도시한 도면.

도 1~도 5는 시간 t에 따른 회전 속도 함수 n(t) 및 회전 속도 구배 m(t)의 곡선을 도시한다. 점선은 회전 속도 n(t)의 가설 곡선을 나타내며, 상기 곡선은 계산된 구배 m(t)에 해당한다.

회전하는 엔코더 휠은 센서에 의해 샘플링된다. 샘플링은 t_s의 시간 간격 - 샘플링 간격에서 서로 연속하는 개별 시점에 이루어진다. 엔코더 휠의 마킹이 센서에 의해 검출되는, i∈{0, 1, ...}인, 시점 t_i은 샘플링 간격 t_s의 적분 배수이다.

회전 속도 함수 n(t)는 도 1 내지 도 4에 따라 다음과 같이 계산된다:

모든 i∈{1, 2, ...}에 대해,

회전 속도 구배 m(t)는 도 1에 따르면 이다.

회전 속도의 곡선이 연속하더라도, 구배 m(t)는 t₃ 및 t₄에서 펄스형 진폭을 갖는다. 이는, 구배 m(t)가 차분몫으로서 마지막 2개의 회전 속도 정보에 의해 다음과 같이 형성됨으로써, 방지될 수 있다:

,

이 경우 i∈{1, 2, ...}이다.

도 2에 도시된 구배 m(t)는 평탄한 곡선에도 불구하고 노이즈에 민감하고, 회전 속도에 의존하는 위상 편이의 영향을 받는다. 이러한 문제는, 도 3에 도시된 바와 같이, 구배 m(t)가 파라미터화 가능한 시상수 T에 의해 형성됨으로써 해결될 수 있다. 여기서 구배 m(t)는 j∈{1, 2, ...}에 대해, 하기 식으로서 계산되며,

여기서 k∈{0, 1, ...}는, 상수 T를 적용하여, 이 성립하도록 선택된다.

도 4는 엔코더 휠이 정지 상태에서부터 시작하는 경우에 회전 속도 함수 n(t)의 곡선을 도시한다. 파선은 실제 회전 속도 곡선을 나타낸다. 시점 t₁과 t₂ 사이의 긴 정시 시간으로 인해 시점 t₃에, 실제 회전 속도보다 훨씬 낮은 회전 속도가 계산된다. 이로 인해 또한, 구배 m(t)가 범위에서 피크를 형성한다.

이러한 피크는, 도 5에 도시된 바와 같이, 최저 회전 속도 n_min을 지정함으로써 제거될 수 있다. 시점 t에 센서 신호들로부터 계산된 회전 속도 n(t)가 최저 회전 속도 n_min보다 작으면, 계산된 속도 n(t) 대신 최저 회전 속도 n_min이 구배 결정에 이용된다. 따라서 의 경우, m(t)는 하기 식으로서 계산된다:

T는 여기에서 간단함을 위해 t_s로 파라미터화된다.

Claims (4)

1. 회전 가능한 수단, 센서 및 평가 유닛을 구비한 장치로서,
   상기 수단은 α개의 마킹을 갖고;
   상기 수단이 회전하면, 상기 마킹들은 센서에 의해 검출된 영역을 주기적으로 통과하고;
   상기 센서는, 평가 유닛에 신호를 전송하도록 형성되고;
   상기 평가 유닛은, 각각의 신호에 상기 신호의 전송의 시점 t_i를 할당하도록, 이 경우 i∈{0,1,…}이고, 모든 i∈{0,1,…}에 대해 t_i < t_i+1이며,
   모든 i∈{1, 2, ...}에 대해 하기 식
   
   을 이용하여, 상기 수단의 회전 속도의 측정치로서 시간 t에 따른 함수 n(t)를 계산하도록 형성되고,
   상기 평가 유닛은, 적어도 하나의 j∈{1, 2, ...}에 대해 하기 식
   
   을 이용하여, 상기 수단의 회전 속도의 구배의 측정치로서 시간 t에 따른 함수 m(t)를 계산하도록 형성되며,
   이 경우 k∈{0, 1, ...}은, 상수 T를 적용하여, 이 성립하도록 선택되는 장치에 있어서,
   적어도 하나의 j'∈{0, 1, ...}에 대해 하기 식이 성립하고,
   
   이 경우 이 성립하고, k'∈{0,1,…}은, 이 성립하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 인, 적어도 하나의 시점 t'에 대해, 하기 식,
   
   이 성립하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 회전 가능한 수단의 회전 속도의 측정치로서 시간 t에 따른 함수 n(t)를 계산하기 위한 방법으로서,
   상기 수단은 α개의 마킹을 갖고;
   상기 수단이 회전하면, 상기 마킹들은 센서에 의해 모니터링된 영역을 주기적으로 통과하고;
   상기 센서는, 평가 유닛에 신호를 전송하도록 형성되고;
   각각의 신호에 상기 신호의 전송의 시점 t_i이 할당되고, 이 경우 i∈{0,1,…}이고, 모든 i∈{0,1,…}에 대해 t_i < t_i+1이며,
   상기 수단의 회전 속도의 측정치로서 시간 t에 따른 함수 n(t)는, 모든 i∈{1, 2, ...}에 대해 하기 식
   
   을 이용하여 계산되며,
   상기 수단의 회전 속도의 구배의 측정치로서 시간 t에 따른 함수 m(t)는, 적어도 하나의 j∈{1, 2, ...}에 대해 하기 식
   
   을 이용해서 계산되고,
   상기 식에서 k∈{0, 1, ...}는, 상수 T를 적용하여, 이 성립하도록 선택되는 방법에 있어서,
   적어도 하나의 j'∈{0, 1, ...}에 대해 하기 식이 성립하고,
   
   이 경우 이 성립하고, k'∈{0,1,…}은, 이 성립하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
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