KR102655067B1 - 신호 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신호 처리장치에 관한 것으로, 리사주 도형을 적용하여 두 신호의 위상차를 검출하고 패턴을 인식하여 신호의 오차를 보상함으로써, 신호의 위상차 검출이 용이하고 신호 보상을 통해 신호의 정확도를 향상시키며, 레졸버 센서 또는 모터 제어와 같은 신호 처리에 제어 효율을 향상시키고, 자동차와 같은 다양한 장치에 적용할 수 있어 활용도가 높고, 장치의 성능을 개선하는 효과가 있다.

Description

신호 처리장치{SIGNAL PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 위상차를 갖는 복수의 신호의 오차를 검출하여 오차를 보상하는 신호 처리장치에 관한 것이다.
전기자동차는 구비되는 배터리에 충전전류를 공급하여 배터리를 충전하고, 배터리로부터 동작 전원을 공급받아 동작한다.
전기자동차에는 일반적으로 영구자석 동기 모터PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)을 사용하는데, 이 모터를 구동시키기 위해서 레졸버와 같은 위치 센서가 필요하다.
레졸버 센서는 모터의 회전자의 각도를 검출하는 것으로, 고정자가 인덕터로 이루어지기 때문에, 수 kHz 정현파인 여자신호를 입력 신호로 인가하였을 때, 여자신호와 2개의 출력신호 사이에 지연이 발생하고, 2개의 출력 신호의 크기 및 위상이 변화하는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2020-0053772호에는 '레졸버의 각도 인식장치, 그를 가지는 모터 구동장치 및 차량' 에는 이러한 레졸버 센서의 회전자 각도를 검출하고 처리하는 방법을 제안하고 있다.
레졸버센서 뿐 아니라, 모터 출력 신호 또한 이러한 신호의 위상변화에 의해 성능이 저하될 수 있다.
그에 따라 위상차를 갖는 신호를 처리하는데 있어서, 신호의 위상차를 검출하고 오차를 보정하는 방안이 필요하다.
대한민국 공개특허 제2020-0053772호
본 발명은 입력되는 두 신호의 위상차를 이용하여 오차를 검출하고 보상함으로써 레졸버 센서 또는 모터 제어의 성능을 개선하는 신호 처리장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 신호 처리장치는, 위상차를 갖는 두 신호를 입력받아 디지털 변환하는 신호입력부; 디지털 변환된 두 신호를 필터링하여 필터링된 제 1 신호 및 제 2 신호를 출력하는 필터부; 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 좌표변환하여 일정 형상의 신호 궤적을 생성하는 패턴인식부; 상기 신호의 궤적을 정규화하여 변환된 센서신호를 생성하고, 상기 변환된 센서신호와 참조신호를 비교하여 오차를 산출하고, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 이상을 검출하는 신호처리부; 이상 검출 시, 상기 변환된 센서신호와 참조신호의 상기 오차를 기반으로, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 보상하는 신호보상부; 및 상기 신호보상부에 의해 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 상기 패턴인식부 및 상기 신호처리부로 인가하여 정상 보상되었는지 검증하고, 검증 결과에 따라 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 각속도를 산출하는 제어부; 를 포함한다.
상기 필터부는 하이 패스 필터(High Pass Filter) 및 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 포함하고,
상기 하이 패스 필터 및 상기 로우 패스 필터를 직렬 또는 병렬로 연결하여 노치 필터(Notch Filter) 또는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)를 구성하여, 신호의 노이즈를 제거하고 특정 주파수 영역의 신호를 분리하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호처리부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 위상차와 동일한 위상차를 갖는 참조신호를 호출하여 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호와 비교하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호처리부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 신호 크기 비가 일대일이 되도록, 상기 패턴인식부의 상기 신호의 궤적을 정규화하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호처리부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 신호 크기에 의한 변화를 배제하고, 위상차에 의한 변화를 비교하도록 정규화를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 신호처리부는 상기 참조신호와 상기 변환된 센서신호의 비교 결과, 상기 참조신호와 상기 변환된 신호의 오차가 0이면, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호가 정상인 것으로 판단하고, 상기 오차가 0이 아니면, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호에 이상이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.
상기 패턴인식부는 상기 제 1 신호의 신호값을 X축으로 하고, 상기 제 2 신호의 신호값을 Y축으로 하여 좌표변환하고, 변환된 좌표를 연결하는 상기 신호 궤적을 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 패턴인식부는 리사주 도형(Lissajous Figure)를 기반으로 상기 신호의 궤적을 생성하여 패턴으로 인식하는 것을 특징으로 한다.
상기 패턴인식부는 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호가 입력되면, 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 신호의 궤적을 생성하고, 상기 신호처리부는 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 생성된 상기 신호의 궤적을 상기 참조신호와 다시 비교하여 오차를 산출하여, 보상된 신호를 검증하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 오차가 0이면 신호 검증 없이, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 상기 각속도를 산출하고. 상기 오차가 0이 아니면 상기 신호보상부를 통해 상기 오차를 보상하는 것을 특징으로 한다.
일 측면에 따르면, 본 발명의 신호 처리장치는 위상차를 갖는 두 신호를 리사주 도형(Lissajous Figure)을 이용하여 검출되는 오차를 보상하고, 보상된 신호를 검증하여 신호의 정확도를 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레졸버 센서 또는 모터 제어와 같은 다양한 신호처리에 적용할 수 있고 제어 효율을 향상시키며, 장치의 성능을 개선하는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 구성이 도시된 도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 하드웨어 구성이 도시된 도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 필터 구성이 도시된 도이다.
도 4 및 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 동작방법이 도시된 순서도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 필터 작동을 설명하는 데 참조되는 도이다.
도 7 은 도 6의 필터링된 신호가 도시된 도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 리사주 도형을 생성하는 방법을 설명하는 데 참조되는 도이다.
도 9 는 도 8의 신호로부터 검출되는 리사주 도형이 도시된 도이다.
도 10은 위상차 및 신호 크기의 비에 따른 리사주 도형이 도시된 예시도 이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 리사주 도형을 이용한 이상 검출을 설명하는 데 참조되는 도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 설명하도록 한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 구성이 도시된 도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 신호입력부(120), 필터부(130), 패턴인식부(140), 신호처리부(150), 신호보상부(160), 신호출력부(190), 데이터부(180) 및 제어부(110)를 포함한다.
신호입력부(120)는 위상차가 있는 두개의 신호를 입력받아 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 신호입력부(120)는 레졸버 센서 등의 센서로부터 검출되는 신호를 입력받아 디지털 신호로 변환한다.
신호입력부(120)는 복수의 입력단자 및 아날로그 디지털 컨버터(ADC, Analog to Digital Converter)를 포함한다.
필터부(130)는 위상차를 가진 두 신호를 필터링하여 노이즈를 제거하고, 실제 사용 될 주파수 영역의 신호를 분리한다. 필터부(130)는 분리된 신호를 데이터부(180)에 저장한다.
필터부(130)는 하이 패스 필터와 로우 패스 필터를 포함하여, 하이 패스 필터와 로우 패스 필터를 직렬 또는 병렬 연결하여 밴드 패스 필터 또는 노치 필터를 구성한다.
패턴인식부(140)는 위상차를 갖는, 필터링된 두 신호로부터 리사주 도형(Lissajous Figure)을 기반으로 신호의 궤적을 생성한다. 패턴인식부(140)는 생성된 신호의 궤적에 대한 형상을 패턴으로 인식한다.
신호처리부(150)는 패턴인식부(140)의 리사주 도형 기반의 패턴, 즉 신호의 궤적에 대하여 신호 비교를 위해 정규화(Normalize)하여 변환된 센서신호를 생성 한다.
신호처리부(150)는 신호처리의 기준이 되는 참조신호를 생성하여 데이터부(180)에 저장한다. 신호처리부(150)는 특정 정수비의 신호 크기를 갖는, 지정된 위상차의 두 신호에 대한 리사주 도형 기반 참조신호를 생성할 수 있다. 신호처리부(150)는 위상차에 따라 복수의 참조신호를 생성하여 저장할 수 있다.
신호처리부(150)는 센서신호의 위상차에 대응되는 참조신호를 데이터부(180)로부터 호출하여 신호 처리를 수행한다.
신호처리부(150)는 변환된 센서신호와 참조신호를 비교하고, 참조신호와 변환된 센서신호의 오차를 산출한다.
신호처리부(150)는 참조신호와 변환된 센서신호가 동일하면 오차를 0으로 산출하고, 필터링된 두 신호가 정상인 것으로 판단한다. 또한, 신호처리부(150)는 오차가 0이 아닌 경우, 필터링된 두 신호에 이상이 있는 것으로 판단한다.
또한, 패턴인식부(140) 및 신호처리부(150)는 신호보상부(160)에 의해 보상된 신호에 대하여 리사주 도형(Lissajous Figure)을 기반으로, 보상된 두 신호의 위상차가 정상적인지 검증한다.
신호보상부(160)는 신호처리부(150)에서 출력되는 참조신호와 변환된 센서신호의 오차를 보상한다. 신호보상부(160)는 오차가 감소할 때까지 필터링된 두 신호에 대한 PI(Proportional Integral)제어를 수행한다.
신호출력부(190)는 신호보상부(160)에 의해 최종 보상된 신호와 제어부(110)에 의해 산출된 각속도를 출력한다.
제어부(110)는 신호의 입출력을 제어하고, 각 처리 단계별로 생성되는 데이터가 데이터부(180)에 저장되도록 한다. 제어부(110)는 변환된 신호의 오프셋값을 검출하여 저장한다.
제어부(110)는 신호처리부(150)의 변환된 센서신호와 참조신호의 신호 비교 결과에 따라, 변환된 센서신호와 참조신호가 동일하여 오차가 0인 경우 별도의 검증 없이 필터링된 두 신호로부터 각속도를 산출한다.
제어부(110)는 신호처리부(150)에서 산출된 오차가 0이 아닌 경우, 즉 변환된 센서신호와 참조신호가 상이한 경우에는 신호보상부(160)를 통해 오차를 보상한다. 또한 제어부(110)는 보상된 신호를 패턴인식부(140) 및 신호처리부(150)로 인가하여 보상된 신호를 검증하도록 제어한다.
제어부(110)는 검증결과를 바탕으로, 정상적으로 신호가 보상되면, 보상된 신호를 기반으로 각속도를 산출하고, 각속도를 출력한다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 하드웨어 구성이 도시된 도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 센서(10)가 설치되는 센서보드로부터 위상이 상이한 두 신호(20)가 출력되어 신호 처리장치(ECU, Electric Control Unit)(30)로 입력된다. 예를 들어 센서는 레졸버 센서일 수 있고, 그 외 위상차를 이용하는 센서 또는 장치에 적용 가능하다.
신호 처리장치(ECU)(30)는 아날로그 디지털 컨버터(ADC, Analog to Digital Converter)와, MCU(Main control unit)를 포함할 수 있다.
아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 신호입력부(120)에 포함되고, MCU는 신호처리부(150) 및 제어부(110)로 구성된다.
신호 처리장치(30)는, 위상차를 갖는 신호 HW2와 이를 피드백 받는 HW1를 이용하며, 신호를 지속적으로 감시하고 위상차에 대한 오차를 보상한다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 필터 구성이 도시된 도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 신호입력부(120)는 위상차를 갖는 두 신호를 각각 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 신호입력부(120)는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 이용하여, 입력되는 아날로그 센서 신호 HM1를 디지털 신호 SW1로 변환한다.
필터부(130)는 하이 패스 필터(High Pass Filter)(131) 및 로우 패스 필터(Low Pass Filter)(132)를 포함한다.
필터부(130)는 하이 패스 필터(High Pass Filter)(131)와 로우 패스 필터(Low Pass Filter)(132)를 직렬 연결하여, 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)(134)를 구성한다. 또한, 필터부(130)는 하이 패스 필터(High Pass Filter)(131)와 로우 패스 필터(Low Pass Filter)(132)를 병렬연결하여 노치 필터(Notch Filter)(133)를 구성할 수 있다.
필터부(130)는 하이 패스 필터(High Pass Filter)(131)와 로우 패스 필터(Low Pass Filter)(132)로 구성되는 노치 필터(Notch Filter)(133) 또는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)(134)를 이용하여 신호를 필터링한다.
따라서 필터부(130)는 복수의 필터를 이용하여 신호에 포함된 노이즈를 제거하고, 원하는 특정 주파수 영역의 신호를 생성한다.
도 4 및 도 5 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 동작방법이 도시된 순서도이다.
도 4 에 도시된 바와 같이, 신호 처리장치(30)는 센서(10)로부터 위상차를 갖는 두 신호를 검출하여 입력 받고(S310), 신호입력부(120)의 아날로그 디지털 컨버터를 이용하여 디지털 신호로 변환한다(S320).
제어부(110)는 신호입력부(120)의 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 통해 로우 데이터(Raw Data)의 정보를 수집하고, 변환된 신호를 기준으로 제로크로싱이 되는 지점을 찾아 오프셋(Offset)을 확인하여 오프셋 값을 데이터부(180)에 저장한다(S330).
필터부(130)는 밴드 패스 필터 또는 노치 필터를 이용하여 두 신호를 각각 필터링하여, 노이즈를 제거하고 일정 주파수 영역의 신호를 분리한다(S340).
필터부(130)는 하이 패스 필터(High Pass Filter)(131)와 로우 패스 필터(Low Pass Filter)(132)를 병렬 또는 직렬로 연결하여 노치 필터(Notch Filter)(133) 또는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)(134)를 구성하여, 신호를 처리한다.
제어부(110)는 저장된 오프셋값을 적용하여, 필터링된 신호의 절대값을 생성하여 저장한다.
패턴인식부(140)는 필터부(130)에 의해 필터링된, 위상차를 갖는 두 신호를 대하여 각각 x축과 y축의 좌표값으로 변환하여 리사주 도형 기반으로, 일정 형상의 신호 궤적을 생성한다. 패턴인식부(140)는 필터링된 제 1 신호를 x축, 필터링된 제 2 신호를 y축으로 하여 좌표를 산출하여 각 좌표를 연결하여 생성되는 신호의 궤적을 리사주 도형 기반으로 인식한다.
신호처리부(150)는 신호 궤적을 일정 크기로 정규화하여 변환된 센서신호를 생성한다(S350).
변환된 센서신호는, 검출된 센서신호를 디지털화 및 필터링 후, 벡터 차원으로 변환하여 생성된 신호의 궤적을 정규화한 신호이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 신호처리부(150)는 저장된 신호인 참조신호를 호출한다(S370). 신호처리부(150)는 센서신호의 위상차와 동일한 위상차를 갖는 참조신호를 호출한다.
참조신호는 유휴상태(Idle)에서 일정 위상차를 갖는 신호에 대한 신호의 궤적을 정규화(Normalize)한 신호로, 데이터부(180)에 저장된다. 예를 들어 참조신호는 90도 위상차의 두 신호를 벡터 차원으로 합성하여 생성되는 원형의 신호 궤적이다.
신호처리부(150)는 변환된 센서신호와 참조신호를 비교하여 신호가 동일한지 여부를 판단한다(S380).
제어부(110)는 비교결과에 따라, 참조신호와 변환된 센서신호가 동일한 경우, 변환된 센서신호를 기반으로 각속도를 출력한다(S450).
한편, 변환된 센서신호와 참조신호에 차이가 있는 경우, 신호처리부(150)는 필터링된 신호의 참조신호를 오차를 산출한다. 신호처리부(150)는 변환된 센서신호에서 참조신호를 뺀 값을 오차로 산출한다.
신호보상부(160)는 산출된 오차를 반영하여 PI제어를 반복하여 수행함으로써, 오차를 감소시킨다. 신호보상부(160)는 신호처리부(150)에 의해 처리된 신호에 대하여 위상차 보상을 수행한다(S410).
제어부(110)는 보상된 신호를 패턴인식부(140) 및 신호처리부(150)로 인가한다.
패턴인식부(140) 및 신호처리부(150)는 리사주 도형(Lissajous Figure)을 이용하여, 보상이 정상적으로 이루어졌는지 검증한다(S420). 신호처리부(150)는 보상된 신호를 기반으로 패턴인식부(140)에 의해 생성된 신호 궤적을 정규화 한 후, 참조신호와 비교하여 오차를 산출하고, 오차가 0이면 보상된 신호가 정상인 것으로 판단하고 검증을 완료한다.
제어부(110)는 검증결과에 따라 보상이 정상적으로 이루어지지 않은 경우(S430), 오차 산출 및 PI제어를 통한 오차 감소, 및 위상차 보상의 과정을 반복하여 수행한다(S400 내지 S420).
제어부(110)는 검증이 정상적으로 완료되면, 보상된 신호를 기반으로 각속도를 산출하여 출력 한다(S450).
그에 따라 본 발명은 위상차를 갖는 두 신호에 대하여 오차를 보상하고, 위상차를 보상하여 각속도를 산출할 수 있다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 필터 작동을 설명하는 데 참조되는 도이고, 도 7 은 도 6의 필터링된 신호가 도시된 도이다.
도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 신호입력부(120)는 센서(10)로부터 제 1 센서신호(S1)와 제 2 센서신호(S2)를 검출한다. 센서 신호인 제 1 센서신호(S1)와 제 2 센서신호(S2)는 일정 크기의 위상차를 갖으며, 주파수가 합성된 신호이다.
신호입력부(120)는 센서(10)로부터 입력된 제 1 센서신호(S1) 및 제 2 센서신호(S2)를 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 통해 디지털 신호로 변환한다.
필터부(130)는 디지털 변환된 제 1 센서신호(S1) 및 제 2 센서신호(S2)를 각각 필터링하여 노이즈를 제거하고 특정 주파수 대역으로 필터링하여 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)를 출력한다. 필터부(130)는 제 1 센서신호(S1)를 필터링하여 제 1 신호(S11)로 출력하고, 제 2 센서신호(S2)를 필터링하여 제 2 신호(S12)로 출력한다.
필터부(130)는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)(134)를 이용하여 제 1 센서신호(S1) 및 제 2 센서신호(S2)를 필터링한다. 일반 로우패스필터 사용 시 적분기 특성에 의한 딜레이로 실제 동작 성능에 영향을 미치기 때문에, 밴드패스필터를 사용한다.
필터부(130)에 의해 필터링된 신호, 제 1 신호(S11)(A) 및 제 2 신호(S12)(B)는 도 7에 도시된 바와 같이, 일정 크기의 위상차를 갖는다. 예를 들어 제 1 신호(S11)(A)와 제 2 신호(S12)(B)는 90도 위상차를 갖는다.
제어부(110)는 제 1 신호(S11)(A)와 제 2 신호(S12)(B) 에 대하여 한 주기 동안의 평균을 산출하고, 평균값 연산을 통해 제로 크로싱(Zero Crossing)되는 지점에서 오프셋(Offset)을 주어 절대화 한다. 제어부(110)는 평균값 연산 및 제로 크로싱에 따른 오프셋의 절대화를 통해 음의 값을 보정한다.
제어부(110)는 필터링된 신호, 제 1 신호(S11)(A)와 제 2 신호(S12)(B)를 이용하여 모터 제어를 위한 각속도를 산출한다.
제어부(110)는 각속도를 산출하기 전, 센서(10)로부터 입력된 센서신호가 정상인지 확인하여 이상이 있는 경우 이를 보상한 후, 각속도를 산출한다.
제어부(110)는 패턴인식부(140) 및 신호처리부(150)를 통해 신호에 이상이 있는지 확인하고, 신호보상부(160)를 통해 이상에 따른 오차를 보상한다. 또한, 제어부(110)는 보상된 신호를 패턴인식부(140) 및 신호처리부(150)로 인가하여 보상된 신호를 검증한 후, 보상된 신호를 바탕으로 각속도를 산출한다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 리사주 도형을 생성하는 방법을 설명하는 데 참조되는 도이고, 도 9 는 도 8의 신호로부터 검출되는 리사주 도형이 도시된 도이다.
도 8의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 패턴인식부(140)는 위상차를 갖는 제 1 신호(S11) 및 제 2 신호(S12)에 대하여, 시간에 따라 각 신호의 신호값을 X축과 Y축으로 하는 좌표값으로 벡터 변환한다.
패턴인식부(140)는 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 시간(t1)의 제 1 신호(S11)의 신호값을 x축, 제 2 신호(S12)의 신호값을 y축으로 하여 좌표값으로 변환한다.
그에 따라 제 1 시간(t1)의 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)는 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 제 1 지점(P11)으로 변환된다.
도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 패턴인식부(140)는 제 2 시간(t2)의 제 1 신호(S11)의 신호값을 x축, 제 2 신호(S12)의 신호값을 y축으로 하여 좌표값으로 변환한다.
그에 따라 제 2 시간(t2)의 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)는 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 제 2 지점(P12)으로 변환된다.
또한, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 패턴인식부(140)는 제 3 시간(t3)의 제 1 신호(S11)의 신호값을 x축, 제 2 신호(S12)의 신호값을 y축으로 하여 좌표값으로 변환한다.
그에 따라 제 3 시간(t3)의 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)는 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 제 3 지점(P13)으로 변환된다.
따라서, 패턴인식부(140)는 위상차를 갖는 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)를 변환하여 시간의 흐름에 따라 좌표값을 누적하고, 좌표값을 연결하는 일정 형상의 신호 궤적을 생성한다. 패턴인식부(140)는 신호 궤적에 따른 형상을 패턴으로 인식한다. 생성되는 신호의 궤적은 리사주 도형(Lissajous Figure)을 기반으로 한다.
제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 크기의 비가 1:1이고, 위상차가 90도 인 경우 도 9의 (c)와 같이 원형의 신호 궤적이 생성된다. 패턴인식부(140)는 신호의 위상차가 90도에서 벗어나거나 신호의 크기가 변화 될 경우, 타원 또는 나비모양의 궤적을 갖는 신호 궤적을 생성하여 패턴으로 인식한다.
따라서 패턴인식부(140)는 생성된 신호 궤적에 대하여 원형의 신호 패턴을 인식함에 따라, 두 신호(S11, S12)의 신호 크기 비가 1:1이고 위상차가 90도임을 알 수 있다.
도 10은 위상차 및 신호크기의 비에 따른 리사주 도형이 도시된 예시도 이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 리사주 도형(Lissajous Figure)은 같은 위상차에서도 두 신호의 크기의 비에 따라, 상이한 형태의 궤적을 형성한다.
예를 들어, 필터링된 신호, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 위상차가 0인 경우, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 크기 비가 1:1이면, 직선의 형태로 신호 궤적이 생성되고, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 크기 비가 1:2이면 포물선의 형태로 궤적이 생성되고, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12) 의 크기 비가 1:3인 경우 웨이브 형태로 신호의 궤적이 생성되며, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 크기 비가 2:3인 면 알파 형태로 신호의 궤적이 형성된다.
또한, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 위상차가 45도 인 경우, 두 신호의 크기 비가 1:1이면 타원 형태로 신호의 궤적이 생성되고, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 크기 비가 1:2이면 상하 비대칭 및 좌우 대칭의 나비모양으로 신호의 궤적이 생성된다.
제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 위상차가 90인 경우, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 크기 비가 1:1이면 원형으로 신호의 궤적이 생성되고, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 크기 비가 1:2인 경우 상하 및 좌우가 대칭되는 나비모양으로 신호의 궤적이 생성된다.
또한, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 위상차가 135도 인 경우, 위상차가 45도인 경우와 신호 크기 비 별 기본 형상은 동일하나 상하가 반전된 형상으로 신호의 궤적이 생성되고, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 위상차가 180도인 경우 위상차가 0도인 경우와 신호 크기 비 별 형상은 동일하나 상하가 반전된 형상으로 신호의 궤적이 상이하게 생성된다.
신호처리부(150)는 동일한 위상차에서도 신호의 크기에 따라 궤적이 변화하므로, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)에 대하여 신호 크기의 비가 1:1이 되도록 신호의 크기를 정규화 (Normalize)를 한다. 신호처리부(150)는 정규화 모듈(미도시)을 이용하여 신호의 크기를 원하는 비율로 변경할 수 있다. 예를 들어 신호처리부(150)는 신호의 크기가 1이 되도록 정규화 한다.
신호처리부(150)는 패턴인식부(140)에 의해 생성된 신호의 궤적을 정규화하여 변환된 센서신호(제 3 신호)를 생성한다.
신호처리부(150)는 리사주 도형(Lissajous Figure)의 원리에 따라 생성되는 신호의 궤적과 관련하여, 신호를 정규화함으로써, 신호의 크기에 따른 신호 궤적의 변화를 배제하고, 위상차에 의한 형상 변화를 산출할 수 있다.
신호처리부(150)는 배열의 테이블 형태로 데이터를 저장하고, 실제 측정되어 가공된 두 신호(제 1 신호(S1) 및 제 2 신호(S2))를 합성하여 형성되는 신호의 궤적(Circle)과 그 오차(error)를 확인한다. 이때 오차는 제 1 신호와 제 2 신호의 위상차가 아니라, 위상차를 갖는 제 1 신호와 제 2 신호의 현재 위상차가 정상인지에 대한 오차(error)이다.
그에 따라 본 발명은 신호의 크기는 배제하고 위상차에 대한 부분을 강조하여 위상차에 따른 오차 검출의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 처리장치의 리사주 도형을 이용한 이상 검출을 설명하는 데 참조되는 도이다.
도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 패턴인식부(140)는 필터링 되어 가공된 두 신호, 제 1 신호(S11)(A)와 제 2 신호(S12)(B)를 변환하여 신호의 궤적(Circle)을 생성한다.
신호처리부(150)는 생성된 신호의 궤적을 정규화(Normalize) 한다. 신호처리부(150)는 신호의 정규화를 통해, 패턴인식부(140)에서 생성된 신호의 궤적에서 신호의 크기에 따른 신호 변화를 배제하고 위상차에 따른 신호 변화만 남도록 한다.
신호처리부(150)는 검출되는 신호의 궤적을 변환된 센서신호(제 3신호)로써, 참조신호와 비교하여 오차를 검출한다. 참조신호는 입력된 두 센서신호(S1, S2)와 동일한 위상차를 갖는 두 기준신호로부터 생성된, 일정 형상을 갖는 리사주 도형 신호이다.
신호처리부(150)는 신호입력부(120)로 입력된 두 센서신호(S1, S2)의 위상차가 90도 이면, 위상차가 90도인 참조신호를 호출하고, 입력된 두 센서신호의 위상차가 45도 이면, 위상차가 45도인 참조신호를 호출한다.
신호처리부(150)는 제 1 신호 및 제 2 신호로부터 생성된, 도 11의 (a)의 신호 궤적, 즉 변환된 센서신호(제 3 신호)과, 참조신호 인 도 11의 (b)의 신호의 궤적(51)을 비교하여 오차(error)를 산출한다. 즉 신호처리부(150)는 필터링된 제 1 신호 및 제 2 신호로부터 생성된, 변환된 센서신호를, 동일한 위상차의 참조신호와 비교하여 그 아치를 오차(error)로 산출한다.
신호처리부(150)는 변환된 센서신호(제 3 신호)가 참조신호와 동일하면, 위상차가 동일하여 오차가 0인 것으로 판단한다.
신호처리부(150)는 변환된 센서신호(제 3 신호)가 참조신호와 상이하면 그 차이를 오차로 산출한다.
신호보상부(160)는 변환된 센서신호와 참조신호의 오차를 기반으로, 필터링된 신호, 즉 제 1 신호(S11) 및 제 2 신호(S12)의 오차를 보상한다.
신호보상부(160)는 신호처리부(150)에서 산출되는 오차가 0이 아닌 경우, 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)의 위상차에 이상이 있는 것으로 판단하여, 산출된 오차를 기반으로 두 신호의 오차를 보상한다.
그에 따라 신호보상부(160)는 두 신호, 제 1 신호(S11) 및 제 2 신호(S12)의 위상차를 보상한다.
예를 들어 90도 위상차를 갖는 제 1 신호(S11)와 제 2 신호(S12)에 대하여, 신호처리부(150)에 의해 산출된 오차가 0이 아니면, 실제 위상차가 90도가 아니므로 신호보상부(160)는 오차만큼 신호를 보상한다.
신호보상부(160)는 산출된 오차만큼 PI 제어를 수행하여 신호의 오차를 보상한다. 신호보상부(160)는 PI제어를 통해, 피드 포워드(Feed Forward)를 이용하여 정규화된 값을 추가 보상한다.
신호보상부(160)는 산출되는 두 신호의 오차를 이용하여 보다 쉽고 빠르게 위상차를 보상할 수 있다. 신호보상부(160)는 보상된 센서신호(제 5 신호 및 제 6 신호)를 출력한다.
제어부(110)는 신호처리부(150)에 의해 산출된 오차가 0이면 변환된 센서신호(제 3 신호)와 참조신호가 동일하므로, 필터링된 신호 제 1 신호(S11) 및 제 2 신호(S12)가 정상 신호인 것으로 판단한다.
제어부(110)는 제 1 신호(S11) 및 제 2 신호(S12) 가 정상신호이면, 별도의 보상 및 검증 없이 제 1 신호(S11) 및 제 2 신호(S12)를 기반으로 각속도를 산출한다.
한편, 제어부(110)는 신호처리부(150)에 의해 산출된 오차가 0이 아닌 경우 제 1 신호(S11) 및 제 2 신호(S12)에 이상이 있는 것으로 판단한다.
제어부(110)는 신호에 이상이 있는 경우 신호보상부(160)를 통해 신호를 보상한다.
제어부(110)는 신호보상부(160)로부터 출력되는 보상된 센서신호(제 5 신호 및 제 6 신호)를 패턴인식부(140) 및 신호처리부(150)로 인가하여, 정상적으로 신호가 보상되었는지 검증한다.
제어부(110)는 검증이 완료되면, 보상된 센서신호(제 5 신호 및 제 6 신호)를 바탕으로 각속도를 산출한다.
따라서, 본 발명은 리사주 도형을 이용하여, 센서신호의 이상을 검출하고, 위상차를 쉽고 빠르게 검출하여 모터를 제어할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 센서 30: 신호 처리장치
110: 제어부 120: 신호입력부
130: 필터부 140: 패턴인식부
150: 신호처리부 160: 신호보상부
180: 데이터부 190: 신호출력부

Claims (10)

  1. 위상차를 갖는 두 신호를 입력받아 디지털 변환하는 신호입력부;
    디지털 변환된 두 신호를 필터링하여 필터링된 제 1 신호 및 제 2 신호를 출력하는 필터부;
    상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 좌표변환하여 일정 형상의 신호 궤적을 생성하는 패턴인식부;
    상기 신호의 궤적을 정규화하여 변환된 센서신호를 생성하고, 상기 변환된 센서신호와 참조신호를 비교하여 오차를 산출하고, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 이상을 검출하는 신호처리부;
    이상 검출 시, 상기 변환된 센서신호와 참조신호의 상기 오차를 기반으로, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 보상하는 신호보상부; 및
    상기 신호보상부에 의해 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 상기 패턴인식부 및 상기 신호처리부로 인가하여 정상 보상되었는지 검증하고, 검증 결과에 따라 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 각속도를 산출하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 위상차와 동일한 위상차를 갖는 참조신호를 호출하여 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호와 비교하는 것을 특징으로 하는 신호 처리장치.
  2. 위상차를 갖는 두 신호를 입력받아 디지털 변환하는 신호입력부;
    디지털 변환된 두 신호를 필터링하여 필터링된 제 1 신호 및 제 2 신호를 출력하는 필터부;
    상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 좌표변환하여 일정 형상의 신호 궤적을 생성하는 패턴인식부;
    상기 신호의 궤적을 정규화하여 변환된 센서신호를 생성하고, 상기 변환된 센서신호와 참조신호를 비교하여 오차를 산출하고, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 이상을 검출하는 신호처리부;
    이상 검출 시, 상기 변환된 센서신호와 참조신호의 상기 오차를 기반으로, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 보상하는 신호보상부; 및
    상기 신호보상부에 의해 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 상기 패턴인식부 및 상기 신호처리부로 인가하여 정상 보상되었는지 검증하고, 검증 결과에 따라 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 각속도를 산출하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 필터부는 하이 패스 필터(High Pass Filter) 및 로우 패스 필터(Low Pass Filter)를 포함하고,
    상기 하이 패스 필터 및 상기 로우 패스 필터를 직렬 또는 병렬로 연결하여 노치 필터(Notch Filter) 또는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)를 구성하여, 신호의 노이즈를 제거하고 특정 주파수 영역의 신호를 분리하는 것을 특징으로 하는 신호 처리장치.
  3. 삭제
  4. 위상차를 갖는 두 신호를 입력받아 디지털 변환하는 신호입력부;
    디지털 변환된 두 신호를 필터링하여 필터링된 제 1 신호 및 제 2 신호를 출력하는 필터부;
    상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 좌표변환하여 일정 형상의 신호 궤적을 생성하는 패턴인식부;
    상기 신호의 궤적을 정규화하여 변환된 센서신호를 생성하고, 상기 변환된 센서신호와 참조신호를 비교하여 오차를 산출하고, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 이상을 검출하는 신호처리부;
    이상 검출 시, 상기 변환된 센서신호와 참조신호의 상기 오차를 기반으로, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 보상하는 신호보상부; 및
    상기 신호보상부에 의해 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 상기 패턴인식부 및 상기 신호처리부로 인가하여 정상 보상되었는지 검증하고, 검증 결과에 따라 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 각속도를 산출하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 신호 크기 비가 일대일이 되도록, 상기 패턴인식부의 상기 신호의 궤적을 정규화하는 것을 특징으로 하는 신호 처리장치.
  5. 위상차를 갖는 두 신호를 입력받아 디지털 변환하는 신호입력부;
    디지털 변환된 두 신호를 필터링하여 필터링된 제 1 신호 및 제 2 신호를 출력하는 필터부;
    상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 좌표변환하여 일정 형상의 신호 궤적을 생성하는 패턴인식부;
    상기 신호의 궤적을 정규화하여 변환된 센서신호를 생성하고, 상기 변환된 센서신호와 참조신호를 비교하여 오차를 산출하고, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 이상을 검출하는 신호처리부;
    이상 검출 시, 상기 변환된 센서신호와 참조신호의 상기 오차를 기반으로, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 보상하는 신호보상부; 및
    상기 신호보상부에 의해 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 상기 패턴인식부 및 상기 신호처리부로 인가하여 정상 보상되었는지 검증하고, 검증 결과에 따라 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 각속도를 산출하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 신호 크기에 의한 변화를 배제하고, 위상차에 의한 변화를 비교하도록 정규화를 수행하는 것을 특징으로 하는 신호 처리장치.
  6. 위상차를 갖는 두 신호를 입력받아 디지털 변환하는 신호입력부;
    디지털 변환된 두 신호를 필터링하여 필터링된 제 1 신호 및 제 2 신호를 출력하는 필터부;
    상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 좌표변환하여 일정 형상의 신호 궤적을 생성하는 패턴인식부;
    상기 신호의 궤적을 정규화하여 변환된 센서신호를 생성하고, 상기 변환된 센서신호와 참조신호를 비교하여 오차를 산출하고, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호의 이상을 검출하는 신호처리부;
    이상 검출 시, 상기 변환된 센서신호와 참조신호의 상기 오차를 기반으로, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 보상하는 신호보상부; 및
    상기 신호보상부에 의해 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 상기 패턴인식부 및 상기 신호처리부로 인가하여 정상 보상되었는지 검증하고, 검증 결과에 따라 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 각속도를 산출하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 참조신호와 상기 변환된 센서신호의 비교 결과, 상기 참조신호와 상기 변환된 신호의 오차가 0이면, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호가 정상인 것으로 판단하고,
    상기 오차가 0이 아니면, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호에 이상이 있는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 신호 처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴인식부는 상기 제 1 신호의 신호값을 X축으로 하고, 상기 제 2 신호의 신호값을 Y축으로 하여 좌표변환하고, 변환된 좌표를 연결하는 상기 신호 의 궤적을 생성하는 것을 특징으로 하는 신호 처리장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴인식부는 리사주 도형(Lissajous Figure)를 기반으로 상기 신호의 궤적을 생성하여 패턴으로 인식하는 것을 특징으로 하는 신호 처리장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴인식부는 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호가 입력되면, 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 신호의 궤적을 생성하고,
    상기 신호처리부는 상기 보상된 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 생성된 상기 신호의 궤적을 상기 참조신호와 다시 비교하여 오차를 산출하여, 보상된 신호를 검증하는 것을 특징으로 하는 신호 처리장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 오차가 0이면 신호 검증 없이, 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호로부터 상기 각속도를 산출하고.
    상기 오차가 0이 아니면 상기 신호보상부를 통해 상기 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 신호 처리장치.
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