KR19980033797A

KR19980033797A - 모터에서 엔코더를 이용한 속도검출 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR19980033797A
Application number: KR1019960051571A
Authority: KR
Inventors: 최우진
Original assignee: 추호석; 대우중공업 주식회사
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1996-11-01
Publication date: 1998-08-05

Abstract

본 발명은 동기식 엠티(M/T)법을 이용하여 회전속도를 계산하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명의 장치는 속도제어주기를 발생하기 위한 속도샘플링 타임 카운터(404); 소정의 제1 주파수(F1) 클럭을 발생하는 제1 클럭발생기(405); 상기 제1 주파수(F1)보다 고주파인 소정의 제2 주파수(F2) 클럭을 발생하는 제2 클럭발생기(406); 엔코더펄스 카운터(407); 제1 타임 카운터(408); 제2 타임 카운터(409); 및 상기 M1인터럽트신호가 입력되면 상기 엔코더 펄스 카운터의 래치된 카운트값과 제1 타임 카운터의 래치된 카운트값 및 제2 타임 카운터의 래치된 카운트값을 데이터 버스를 통해 읽어와 소정의 수학식에 따라 계산하여 모터의 평균속도를 계산하는 프로세서(401)로 구성된다.

따라서 모터 제어시스템에서 되먹임 정보의 검출 메카니즘을 일관성있게 유지하므로써 시스템의 선형성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 전향 되먹임 제어 등의 제어 알고리즘 사용시 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

모터에서 엔코더를 이용한 속도검출 장치 및 그 방법

본 발명은 엔코더를 이용하는 모터 시스템에서 모터의 회전속도를 계산하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로 특히, 동기식 엠티(M/T)법을 이용하여 회전속도를 계산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 모터시스템은 각종 산업용기기 특히 공작기계에 필수적으로 사용되는 엑츄에이터로서, 각종 응용에서 모터의 회전속도를 정밀하게 계산하는 것이 요구된다. 그리고 이러한 모터시스템에서 속도 및 위치산출을 위해 엔코더를 사용하는데, 이 엔코더는 다양한 종류가 있다.

이러한 모터에 있어서 제어의 가장 기본이 되는 것이 엔코더를 이용하여 모터의 회전속도를 정확하게 검출하는 것인데, 이와 같이 엔코더를 이용하여 속도를 검출하는 방법으로는 M법, T 법, 및 M/T법이 있다.

여기서, '엠티(M/T)법'이란 펄스 사이의 시간을 측정하여 속도를 계산하는 티(T) 방법과, 펄스의 개수를 카운트하여 속도를 계산하는 엠(M) 방법의 효과가 모두 나타나도록 하기 위하여 두 방법을 적절히 배합하여 속도를 계산하는 방법으로서, 엔코더의 출력 펄스열의 갯수와 그 사이의 시간을 측정하여 모터의 평균속도를 구하는 방법이다.

이와 같이 엠티법을 이용하여 모터의 속도를 계산하는 종래의 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 속도검출부(100)와, 모터구동부(110), 및 모터(120)에 설치되어 회전속도를 검출하기 위한 엔코더(130) 등으로 구성되어 있고, 상기 속도검출부는 프로세서(101), M1카운터(102), T1카운터(103), 샘플링 타임 카운터(104), F1클럭 발생기(105), M1 인터럽트신호를 발생하는 엔드게이트(106) 등으로 이루어진다.

즉, 종래에 비동기식 엠티(M/T)법의 개념은 도 2에 도시된 바와 같이, 속도 샘플링 주기(Ts)간격으로 샘플링하여 모터의 속도를 구하는데, 현재의 샘플을 'SAMP(k)'라 하고, 이전의 샘플을 'SAMP(k-1)', 이후의 샘플을 'SAMP(k+1)'이라 한다. 이 샘플링 주기안의 엔코더 펄스는 M 1카운터(102)에 의해 카운팅되고, F1 타임 펄스는 T1카운터(103)에 의해 카운팅된다.

그런데 샘플링 주기는 'Ts'이지만 실제로 프로세서(101)에 의한 속도계산은 샘플링 주기의 끝으로부터 첫 번째 엔코더 펄스가 발생될 때 발생되는 'M1인터럽트(INTERRUPT)'에 의해 이루어지므로 속도샘플링 주기(Ts)와 실제 계산 주기(Td)가 일치하지 않게 되는 경우가 발생된다.

이를 좀더 자세히 설명하면, 도 2에서와 같이 샘플링 주기가 끝나고 다음 첫 번째 엔코더 펄스가 발생될 때까지의 시간(즉, △T)은 일정하지 않기 때문에 M1인터럽트가 발생되는 주기가 속도 샘플링 주기와 일치하지 않게 된다. 이러한 이유로 종래의 엠티법을 '비동기식'이라 부르기도 한다.

도 1을 참조하면, 모터구동부(110)는 속도검출부(100)로부터 지령치를 입력받아 모터(120)를 회전시키고, 모터(120)의 회전은 엔코더(130)에 의해 엔코더 펄스 열(ENCODER PULSE TRAIN)로 검출되어 속도검출부(100)로 입력된다.

속도검출부의 속도 샘플링 타임 카운터(104)는 속도 제어 주기(Ts)를 발생하기 위한 카운터로서, 카운트를 개시하여 정해진 카운트값에 도달하면 '카운트 풀'신호를 발생한 후 처음부터 카운트를 다시 시작하고, M1 카운터(102)는 엔코더의 출력 펄스를 카운트하다가 샘플링 타임 카운터의 '카운트 풀'신호와 엔코더 펄스를 논리곱하여 발생된 'M1 인터럽트신호'가 입력되면 그동안 카운트한 값을 래치함과 동시에 엔코더의 출력 펄스를 다시 처음부터 계수한다. 여기서, M1인터럽트신호는 속도 샘플링 주기가 끝나고 첫 번째 엔코더 펄스가 입력될 때 발생되는 신호이다.

F1클럭 발생기(105)는 F1 Hz의 타이밍 펄스를 계속 발생하고 있고, T1카운터(103)는 이 타이밍 펄스를 카운트하고 있다가 샘플링 타임 카운터의 '카운트 풀'신호와 엔코더 펄스를 논리곱한 M1 인터럽트신호가 입력되면 카운트값을 래치함과 동시에 F1클럭 발생기의 출력펄스를 다시 처음부터 계수한다.

프로세서(101)는 M1인터럽트신호가 입력되면 도 3에 도시된 바와 같이, M1 카운터(102)의 래치된 카운트값과, T1카운터의 래치된 카운트값을 데이터 버스(DATA BUS)를 통해 읽어와 다음 수학식 1에 따라 계산하여 모터의 평균속도를 계산하고, 이 계산값을 이용하여 제어명령을 발생하여 모터의 회전속도를 제어한다.

[수학식 1]

수학식 1에서, 'Nr'은 모터의 평균속도이고, 'M1'은 정해진 시간동안 엔코더 펄스를 카운트한 값이고, 'T1'은 F1 Hz의 클럭 펄스를 정해진 시간동안 카운트한 값이고, 'P'는 엔코더의 회전당 발생하는 펄스의 수(PULSE PER REVOLUTION)이며, 'F1'은 엔코더 펄스 사이의 시간을 측정하기 위한 클럭의 주파수이다.

이와 같이 비동기식 엠티법을 사용하는 종래의 속도검출방법 및 장치는 속도제어주기 Ts는 속도 샘플링 타임 카운터가 발생하는 카운트 풀신호의 주기로서 항시 일정하나 실제로 M1 카운터 및 T1 카운터가 카운트를 개시하는 타임은 Td인데, 이 Td는 ΔT가 가변되므로 일정하지 않게 되어 정확하게 모터의 회전속도를 계산하지 못하는 문제점이 있다.

즉, 속도제어주기와 실제 계산주기가 비동기된 종래의 방법은 모터의 회전속도가 가변되면 검출시간 역시 가변된다. 특히, 저속의 영역에서는 속도검출시간의 변화폭이 커져 이에 의한 속도의 맥동이 발생되며, 따라서 속도제어 범위의 한계치에 영향을 미치게 된다. 이러한 현상은 엔코더의 1회전당 펄스수가 적을수록 더욱 두드러지게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 속도계산의 시간간격을 정확하게 함과 동시에 매 샘플링 주기동안의 속도를 계산할 수 있게 하는 엔코더를 이용한 속도 검출 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 저속 모터의 토오크 맥동을 줄여 주므로써 제어시스템에서 되먹임(feedback)정보의 검출 메카니즘을 일관성있게 유지하여 시스템의 선형성을 향상시킬 수 있는 엔코더를 이용한 속도검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 모터의 회전에 따라 엔코더가 발생하는 펄스를 카운트하여 모터의 회전속도를 구하도록 된 모터 제어시스템에 있어서, 속도제어주기를 발생하기 위한 속도샘플링 타임 카운터; 소정의 제1 주파수 클럭을 발생하는 제1 클럭발생기; 상기 제1 주파수보다 고주파인 소정의 제2 주파수 클럭을 발생하는 제2 클럭발생기; 상기 속도샘플링 타임 카운터의 출력에 따라 카운트값을 래치함과 동시에 카운트값을 클리어시키고 상기 엔코더 펄스의 카운트를 개시하는 엔코더 펄스 카운터; 상기 엔코더 펄스와 속도 샘플링 타임 카운터의 출력, 및 제1 클럭 발생기의 출력을 논리곱한 신호에 의해 카운트값을 클리어시킴과 동시에 제1 클럭의 계수를 다시 시작하고, 상기 엔코더 펄스에 따라 카운트값을 래치하는 제1 타임 카운터; 상기 샘플링 타임 카운터의 출력과 엔코더 펄스를 논리합한 신호에 상기 제2 클럭발생기의 출력을 논리곱한 M1 인터럽트신호에 의해 카운트값을 래치함과 동시에 카운트값을 클리어시키고 제2 클럭발생기의 출력펄스의 계수를 개시하는 제2 타임 카운터; 및 상기 M1인터럽트신호가 입력되면 M1카운터의 래치된 카운트값과 T1카운터의 래치된 카운트값 및 T2카운터의 래치된 카운트값을 데이터 버스를 통해 읽어와 소정의 수학식에 따라 계산하여 모터의 평균속도를 계산하는 프로세서로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 소정의 속도제어주기에 따라 기준클럭 발생기의 기준클럭과 엔코더가 모터의 회전에 따라 발생하는 엔코더 펄스를 카운트하여 모터의 회전속도를 계산하도록 된 모터제어시스템에 있어서, 상기 속도제어주기를 현재 속도제어주기 개시로부터 첫 번째 엔코더 펄스까지의 제1 시간구간과, 이 첫 번째 엔코더 펄스로부터 현재 속도제어주기내의 마지작 엔코더 펄스까지의 제2 시간구간, 및 이 마지막 엔코더 펄스로부터 다음 속도제어주기의 개시까지의 시간구간인 제3 시간구간으로 구분한 후, 상기 제1 시간구간에서의 모터 회전변위를 식에 따라 구하고, 상기 제2 시간구간에서의 모터 회전변위를 식에 따라 구하며 상기 제3 시간구간에서의 모터 회전변위를 식에 따라 구하여 이 회전변위의 합을 속도제어주기로 나누어 모터의 평속도를 구할 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 모터에서 엔코더를 이용한 종래의 속도 검출장치를 도시한 블록도,

도 2는 종래에 비동기식 엠티법을 이용하여 모터의 평균속도를 구하는 타이밍도,

도 3은 종래에 비동기식 엠티법에 따라 평균속도를 계산하는 방법의 흐름도,

도 4는 본 발명에 따라 동기식 엠티법을 이용하여 모터의 평균속도를 구하는 장치를 도시한 블록도,

도 5는 본 발명에 따라 모터의 평균속도를 구하는 방법의 타이밍도,

도 6은 본 발명에 따라 모터의 평균속도를 구하는 방법의 흐름도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100: 속도검출부101,401: 프로세서

102,407: M1카운터103,408: T1카운터

104,404: 샘플링 타임 카운터105,405: F1클럭 발생기

106,410,412: 엔드게이트110: 모터구동부

120: 모터130,402: 엔코더

403: 데이터 버스406: F2클럭 발생기

409: T2카운터412: 오아게이트

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 동기식 엠티(M/T)법을 위한 하드웨어 구성도이고, 도 5는 본 발명의 개념을 설명하기 위한 동작 타이밍도이며, 도 6은 본 발명에 따른 속도 계산방법의 흐름도이다.

본 발명에 따른 속도 검출장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 프로세서(401), 엔코더(402), 속도 샘플링 타임 카운터(404), F1클럭 발생기(405), F2클럭 발생기(406), M1카운터(407), T1카운터(408), T2카운터(409), 제1 엔드 게이트(410), 제2 엔드 게이트(412), 및 오아 게이트(411) 등으로 구성된다.

즉, 본 발명에 따른 속도 검출장치는 종래의 비동기식 엠티(M/T)법을 위한 구성과 같이 M1카운터(407), T1카운터(408)가 있으며, 그 외에 F2클럭 발생기(406)의 출력을 카운트하는 T2카운터(409)를 더 두어 속도제어주기와 일치하지 않은 펄스와 펄스사이의 작은 부분 동안의 시간을 정밀하게 검출하여 모터의 변위를 추정 계산하므로써 동기속도 계산할 수 있도록 한 것이다.

도 4를 참조하면, 엔코더(402)는 모터의 회전에 따라 엠코더 펄스 열(ENCODER PULSE TRAIN)을 출력하고, 속도 샘플링 타임 카운터(404)는 속도 제어 주기(Ts)를 발생하기 위한 카운터로서 카운트를 개시하여 정해진 카운트값에 도달하면 카운트 풀신호를 발생한 후 처음부터 카운트를 다시 시작하고, F1클럭 발생기(405)는 F1 Hz의 타이밍 펄스를 계속 발생하고 있으며, F2클럭 발생기(406)는 F2 Hz의 타이밍펄스를 계속 발생하고 있다.

M1 카운터(407)는 샘플링 타임 카운터(404)의 카운트 풀신호에 따라 카운트값을 래치함과 동시에 카운트값을 클리어시킨 후 엔코더(402)의 출력 펄스의 계수를 다시 시작한다.

T1카운터(408)는 엔코더 펄스와 카운트 풀 신호, 및 F1클럭을 논리곱한 신호에 의해 카운트값을 클리어시킴과 동시에 F1클럭의 계수를 다시 시작하고, 엔코더 펄스마다 카운트값을 래치한다.

T2카운터(409)는 샘플링 타임 카운터(404)의 카운트 풀신호와 엔코더 펄스를 논리합한 신호에 F2 클럭을 논리곱한 M1 인터럽트신호에 의해 카운트값을 래치함과 동시에 F2클럭 발생기(406)의 출력 펄스의 계수를 다시 시작한다.

여기서, F2 클럭은 F1 클럭보다 높아 보다 정밀한 시간측정이 가능하도록 되어 있다.

프로세서(401)는 M1인터럽트신호가 입력되면 도 6에 도시된 바와 같이, M1카운터(407)의 래치된 카운트값과 T1카운터(408)의 래치된 카운트값, 및 T2카운터(409)의 래치된 카운트값을 데이터 버스(403)를 통해 읽어와 다음 수학식 2 내지 4에 따라 계산하여 모터의 평균속도를 계산하고, 이 계산값을 이용하여 제어명령을 발생하여 모터의 회전속도를 제어한다.

즉, 본 발명에서는 도 5에서와 같이, 하나의 속도 샘플링 타임을 속도 샘플링 타임(속도제어시점) 시작 후 첫번째 발생한 엔코더 펄스까지의 시간구간인 '제1 기간(t1)'과, 첫 번째 엔코더 펄스로부터 동일 속도 제어구간의 마지막 엔코더 펄스까지의 시간구간인 '제2 기간(t2)', 마지막 펄스로부터 다음 속도 샘플링 타임(속도제어시점)까지의 시간구간인 '제3 기간(t3)'의 3개의 구간으로 나누고, 그 각각의 시간구간에서 모터의 회전변위(θ)를 계산하여 모두 더한 뒤, 샘플링 시간(속도제어주기: Ts)으로 나누어 한 샘플링구간의 평균속도(Vs)를 속도제어주기의 시점에 맞추어 정확하게 계산할 수 있게 한 것이다.

도 6을 참조하면, 프로세서(401)는 M1인터럽트가 발생되면 T2카운터(409)의 카운트값을 읽어와 다음 수학식 2와 같이 t1 시간 동안의 회전변위 θ1을 구한다(601,602). 즉, 모터의 기계적 시정수는 속도 제어 주기에 비해 훨씬 크므로 속도제어 시점과 인접한 펄스 사이에서의 모터의 회전변위는 이전 속도제어주기에서 구한 속도(Vs(k-1))를 이용하여 다음 수학식 2로 추정 계산할 수 있다.

[수학식 2]

이어서, 속도 샘플링 인터럽트가 발생되면 M1카운트값과 T1카운트값, 및 T2카운트값을 데이터 버스를 통해 읽어와 다음 수학식 3과 같이 t2시간 구간에서의 회전변위를 구하고, 다음 수학식 4와 같이 t2시간동안의 모터의 속도 Vt2(k)를 구한다(603∼606).

[수학식 3]

[수학식 4]

이어서, t2시간동안의 모터의 속도를 이용하여 다음 수학식 5에 따라 t3시간구간에서의 모터 회전변위를 구한 후, 다음 수학식 6에 따라 평균속도를 구한다(607,608).

[수학식 5]

[수학식 6]

여기서, P는 엔코더의 회전당 발생펄스 수(pulse per revolution)이고, Vs(k-1), Vs(k)는 k-1번째와 k번째 속도제어주기 동안의 평균속도이며, Vt2(k)는 k번째 속도제어주기의 t2시간동안의 평균속도이다. 그리고 F1은 엔코더 펄스사이의 시간을 측정하기 위한 F1 주파수의 클럭이고, F2는 엔코더 펄스와 속도제어시점 사이의 시간을 측정하기 위한 F2주파수의 클럭으로서 F1클럭 주파수보다 고주파수의 클럭이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 펄스형 엔코더를 사용하는 모든 모터의 정확한 평균속도를 제어주기와 일치시켜 계산할 수 있게 하는 방법으로, 펄스형 엔코더를 이용하는 모든 제어시스템에 사용될 수 있다.

그리고 이러한 모터시스템에 적용되어 본 발명은 속도계산의 시간간격을 정확하게 함과 동시에 매 샘플링 주기동안의 속도를 계산할 수 있게 하며, 특히 저속에서의 모터의 토오크 맥동을 줄여 준다. 따라서 모터 제어시스템에서 되먹임 정보의 검출 메카니즘을 일관성있게 유지하므로써 시스템의 선형성을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 전향 되먹임 제어(forward feedback control) 등의 제어 알고리즘 사용시 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims

모터의 회전에 따라 엔코더가 발생하는 펄스를 카운트하여 모터의 회전속도를 구하도록 된 모터제어시스템에 있어서,

속도제어주기를 발생하기 위한 속도샘플링 타임 카운터(404);

소정의 제1 주파수(F1) 클럭을 발생하는 제1 클럭발생기(405);

상기 제1 주파수(F1)보다 고주파인 소정의 제2 주파수(F2) 클럭을 발생하는 제2 클럭발생기(406);

상기 속도샘플링 타임 카운터(404)의 출력에 따라 카운트값을 래치함과 동시에 카운트값을 클리어시키고, 상기 엔코더 펄스의 카운트를 개시하는 엔코더펄스 카운터(407);

상기 엔코더 펄스와 속도샘플링타임 카운터의 출력, 및 제1 클럭 발생기의 출력을 논리곱한 신호에 의해 카운트값을 클리어시킴과 동시에 제1 클럭의 계수를 다시 시작하고, 상기 엔코더 펄스에 따라 카운트값을 래치하는 제1 타임 카운터(408);

상기 샘플링 타임 카운터의 출력과 엔코더 펄스를 논리합한 신호에 상기 제2 클럭 발생기의 출력을 논리곱한 M1 인터럽트신호에 의해 카운트값을 래치함과 동시에 카운트값을 클리어시키고 제2 클럭 발생기의 출력펄스의 계수를 개시하는 제2 타임 카운터(409); 및

상기 M1인터럽트신호가 입력되면 상기 엔코더 펄스 카운터의 래치된 카운트값과 제1 타임 카운터의 래치된 카운트값 및 제2 타임 카운터의 래치된 카운트값을 데이터 버스를 통해 읽어와 소정의 수학식에 따라 계산하여 모터의 평균속도를 계산하는 프로세서(401)로 구성된 것을 특징으로 하는 모터에서 엔코더를 이용한 속도검출 장치.
소정의 속도제어주기에 따라 기준클럭 발생기의 기준클럭과 엔코더가 모터의 회전에 따라 발생하는 엔코더 펄스를 카운트하여 모터의 회전속도를 계산하도록 된 모터제어시스템에 있어서,

상기 속도제어주기를 현재 속도제어주기 개시로부터 첫 번째 엔코더 펄스까지의 제1 시간구간(t1)과, 이 첫 번째 엔코더 펄스로부터 현재 속도제어주기내의 마지막 엔코더 펄스까지의 제2 시간구간(t2), 및 이 마지막 엔코더 펄스로부터 다음 속도제어주기의 개시까지의 시간구간인 제3 시간구간(t3)으로 구분한 후, 상기 제1 시간구간(t1)에서의 모터 회전변위(θ1)를 수학식에 따라 구하고, 상기 제2 시간구간에서의 모터 회전변위(θ2)를 수학식에 따라 구하며, 상기 제3 시간구간에서의 모터 회전변위(θ3)를 수학식에 따라 구하여 이 회전변위의 합을 속도제어주기로 나누어 모터의 평속도를 구할 수 있는 것을 특징으로 하는 모터에서 엔코더를 이용한 속도검출방법.