KR20050050960A - 3축 플럭스게이트형 자기검출장치 및 자기검출방법 - Google Patents

3축 플럭스게이트형 자기검출장치 및 자기검출방법 Download PDF

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Abstract

3축 플럭스게이트형 자기검출장치 및 자기검출방법이 개시된다. 본 발명에 따른 자기검출장치는, 펄스신호를 생성하여 구동신호로서 출력하는 구동펄스 발생회로, 각 등간격으로 배치된 3개의 플럭스게이트에 선택적으로 입력되는 구동신호에 기초하여 발생된 기전력에 대응하여 아날로그값이 각각 출력되는 3축 플럭스게이트회로, 3개의 플럭스게이트에 대응되어 출력된 아날로그값들을 기초로 하여 3개의 디지털값들로 변환하는 A/D 변환 회로 및 3개의 디지털값들 중 인접한 디지털값과의 선형성을 갖는 선형 디지털값들에 기초하여 방위각을 산출하는 제어기를 포함한다. 본 발명에 의하면, 비교적 간단한 연산과정을 통해 방위각을 산출할 수 있다.

Description

3축 플럭스게이트형 자기검출장치 및 자기검출방법{3 axis fluxgate type magnetism detection apparatus and method}
본 발명은 플럭스게이트(flux-gate)를 이용하는 자기검출장치 및 자기검출방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3축 플럭스게이트가 이용되는 자기검출장치 및 자기검출방법에 관한 것이다.
지자기 센서란, 인간이 느낄 수 없는 지구 자기의 세기 및 방향을 측정해 주는 장치를 의미하는데, 특히 플럭스게이트(flux-gate)를 사용한 지자기 센서를 플럭스게이트 센서라 한다. 이러한 지자기 센서는 관측지점의 지자기를 측정함으로써 그 지점의 방위를 알 수 있으므로, 자동차의 네비게이션(navigation) 장치, 휴대 전화, 휴대용 단말 장치 등에 표시되는 지도 정보를 제공하는 등 다양한 용도로써 사용될 수 있다.
한편 플럭스게이트 센서와 같은 플럭스게이트형 자기검출장치는, 퍼말로이(permalloy)와 같은 고투자율 재료를 자심으로 사용하여 구동권선(coil)에 의해 여기자장을 가하고 그 자심의 자기포화 및 비선형 자기 특성을 이용하여 외부자장에 비례하는 2차 고조파 성분을 측정함으로써, 외부자장의 크기 및 방향을 측정할 수 있게 된다.
이러한 플럭스게이트 자기검출장치는 1930년대 말에 개발된 것으로서, 여러 다른 형태의 자기검출장치와 비교할 때, 감도가 좋고, 경제적이며, 상대적으로 소형으로 제조될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 전력소모가 적으며, 출력신호 안정도(long-term stability)가 우수하다는 장점도 아울러 가지고 있어, 미약자계 검출 및 지구의 절대방향 계측과 더불어 광맥 탐사, 표적탐지, 그리고 인공위성의 자세 제어 및 우주 탐사용에 이르기까지 민수용 및 군사용으로 가장 널리 사용되고 있고, 현재도 성능향상을 위한 연구가 지속적으로 추진되고 있다.
도 1은 종래의 플럭스게이트 자기검출장치의 구성을 나타낸 블럭도이다. 도면에 따르면, 종래의 플럭스게이트 자기검출장치(100)는, 구동펄스 발생회로(110), 코일구동용 전류증폭회로(120), 2축 플럭스게이트회로(130), 쵸핑회로(140), 1차 증폭회로(150), 저주파 필터(160), 2차 증폭회로(170), A/D 컨버터(180), 제어기(191), 및 메모리(193)를 포함한다.
구동펄스 발생회로(110)에서는 2축 플럭스게이트회로(130)를 구동시킬 수 있는 구동펄스를 생성한 후, 이를 선택적으로 스위칭하여 코일구동용 전류증폭회로(120)에 인가하는 역할을 한다. 코일구동용 전류증폭회로(120)는 다수개의 증폭기 및 반전기를 사용함으로써 구동펄스 발생회로(110)를 통해 출력된 펄스에 대해 상호 위상이 반대인 펄스신호 및 반전펄스신호를 출력한다.
2축 플럭스게이트회로(130)는 상호 직교하는 X축 및 Y축 플럭스게이트를 구비하며, X축 및 Y축 플럭스게이트에 각각 전달된 펄스신호 및 반전펄스신호에 의해 구동되어, 그 구동에 의해 발생된 기전력에 대응되는 검출신호를 출력한다. X축 및 Y축 플럭스게이트는 사각링 형태의 두 자성체코어가 각각 X, Y축에 대해 각각 길이방향으로 설치되며, 자성체코어들 각각에는 구동코일 및 검출코일이 권선되어 있다. 구동코일에 구동펄스가 인가되면, X축 및 Y축 플럭스게이트에 자기가 발생하고, 이에 따른 유도기전력을 검출코일을 통해 검출할 수 있게 된다.
2축 플럭스게이트회로(130)로부터 검출된 전기적 신호는 쵸핑회로(140)에서 내장된 다수개의 스위치를 제어하여 쵸핑(chopping)하게 된다. 쵸핑된 전기적 신호는 1차 증폭회로(150)에서 차동증폭된 후, 저주파 필터(160)를 통해 일정 범위의 신호만이 필터링되고, 2차 증폭회로(170)에서 최종적으로 증폭하게 된다. 증폭된 신호는 A/D 컨버터(180)에서 디지털 전압값으로 변환하여 출력하게 된다.
제어기(191)는 메모리(193)에 저장된 X축 및 Y축 값의 각각의 최대값, 최소값을 이용하여 X축의 바이어스 값은 X축의 최대값과 X축의 최소값의 평균값이 되고, X축의 스케일값은 X축의 최대값과 X축의 최소값의 차이를 2로 나눈값이 된다. X축 플럭스게이트에서 출력된 디지털 전압값은 X축의 바이어스값을 뺀 후 스케일 값으로 나누어 정규화된 값을 얻는다. Y축의 정규화된 값은 X축과 동일한 위의 과정을 반복하여 얻는다. 한편 도 2는 X축 및 Y축 플럭스게이트로부터 출력된 디지털 전압값을 정규화한 그래프를 도시하고 있다. 정규화된 X축 플럭스게이트로부터의 출력값 및 Y축 플럭스게이트로부터의 출력값은 각각 cos()함수, sin()함수로 표현되고 있다. 즉 201은 정규화된 X축 플럭스게이트로부터의 출력값을 나타내며, 202는 정규화된 Y축 플럭스게이트로부터의 출력값을 나타낸다.
그리고 보정된 디지털 전압값을 이용하여 현 상태의 방위각을 연산함으로써, 현재 방위각을 파악할 수 있게 된다.
보정된 디지털 전압값을 이용하여 방위각을 연산하는 방법으로는 tan-1() 함수 이용 방법이 주로 사용되고 있다. 즉 제어기(191)는 측정된 X축 및 Y축 플럭스게이트 전압값을 정규화한 후 이에 따라 이상적인 cos()함수값인 cosψ 및 sin()함수값인 sinψ을 아래의 수학식 1에 대입하여 방위각을 연산하게 된다.
여기서, ψ는 방위각을 의미하고, cosψ 및 sinψ는 보정된 X축 및 Y축 플럭스게이트로부터의 디지털 출력값을 의미한다.
상기와 같은 방법을 사용할 경우, 출력값이 모두 양수인 1사분면에서는 tan-1()값을 취하여 방위각을 구하고, X축의 값은 음수이고 Y축의 값은 양수인 2사분면 및 X축의 값, Y축의 값 모두 음수인 3사분면에서는 tan-1()값에서 얻어진 각도에 180o 을 더하여 방위각을 구하고, 그리고 X축의 값은 양수이고 Y축의 값은 음수인 4사분면에서는 tan-1()값에서 얻어진 각도에 360o 을 더하여 방위각을 구하게 된다.
그러나 상기와 같은 방위각 연산방법을 채용할 경우 계산과정이 복잡하여 제어기에 부담을 줄 수 있으며, 또한 그 교정과정에 필요로 하는 진폭, 오프셋값을 연산하기 위해 디지털 전압값의 최대값, 최소값을 메모리에 기저장해야 하므로 메모리가 낭비되는 문제가 발생된다. 또한 상기와 같은 방위각 연산방법을 채용할 경우 디지털 전압값의 선형부분, 비선형부분을 모두 사용하므로 0o, 90o, 180o, 270o 에서 오차가 발생될 수 있다는 단점을 갖고 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 3축 플럭스게이트를 이용하여 산출된 디지털 전압값 중 선형적인 부분만을 이용하여 방위각을 손쉽게 연산할 수 있는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치 및 자기검출방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3축 플럭스게이트형 자기검출장치는, 펄스신호를 생성하여 구동신호로서 출력하는 구동펄스 발생회로; 각 등간격으로 배치된 3개의 플럭스게이트가 구비되고, 상기 3개의 플럭스게이트에 선택적으로 입력되는 상기 구동신호에 기초하여 발생된 기전력에 대응하여 아날로그값이 각각 출력되는 3축 플럭스게이트회로; 상기 3개의 플럭스게이트에 대응되어 출력된 상기 아날로그값들을 기초로 하여 3개의 디지털값들로 변환하는 A/D 변환 회로; 및 변환된 상기 3개의 디지털값들을 정규화하고, 정규화된 상기 3개의 디지털값들 중 인접한 디지털값과의 선형성을 갖는 선형 디지털값들에 기초하여 방위각을 산출하는 제어기;를 포함한다.
상기 장치는 지구자기장의 변화가 있는 경우 상기 3축 플럭스게이트 자기검출장치의 회전을 통해 초기에 설정되어 정규화된 기준크기값이 저장되는 메모리;를 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 기준크기값 및 상기 선형 디지털값의 비에 기초하여 상기 방위각을 산출하는 것이 바람직하다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 60o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 120o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 180o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 240o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 300o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 360o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3축 플럭스게이트형 자기검출장치는, 펄스신호를 생성하여 구동신호로서 출력하는 구동펄스 발생회로; 각 등간격으로 배치된 3개의 플럭스게이트가 구비되고, 상기 3개의 플럭스게이트에 선택적으로 입력되는 상기 구동신호에 기초하여 발생된 기전력에 대응하여 아날로그값이 각각 출력되는 3축 플럭스게이트회로; 상기 3개의 플럭스게이트에 대응되어 출력된 상기 아날로그값들을 기초로 하여 3개의 디지털값들로 변환하는 A/D 변환 회로; 및 변환된 상기 3개의 디지털값들 중 인접한 디지털값과의 선형성을 갖는 선형 디지털값들에 기초하여 방위각을 산출하는 제어기;를 포함한다.
상기 장치는 지구자기장의 변화가 있는 경우 상기 3축 플럭스게이트 자기검출장치의 회전을 통해 초기에 설정되는 소정 구간별 기준크기값들이 저장되는 메모리;를 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 기준크기값 및 상기 선형 디지털값의 비에 기초하여 상기 방위각을 산출하는 것이 바람직하다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 60o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다. 여기서 제1기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 0o ~ 60o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 120o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다. 여기서 제2기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 60o ~ 120o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 180o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다. 여기서 제3기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 120o ~ 180o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 240o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다. 여기서 제4기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 180o ~ 240o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 300o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다. 여기서 제5기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 240o ~ 300o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값인 경우, 상기 방위각은 방위각 = 360o × 수식에 의해 산출되는 것이 바람직하다. 여기서 제6기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 300o ~ 360o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3축 플럭스게이트를 이용한 자기검출장치(300)의 블록도이며, 도 4는 도 3의 자기검출장치(300) 내 3축 플럭스게이트회로(330)를 상세하게 도시한 블록도이다.
본 발명에 따른 자기검출장치(300)는 구동펄스 발생회로(310), 코일구동용 전류증폭회로(320), 3축 플럭스게이트회로(330), 쵸핑회로(340), 1차 증폭회로(350), 저주파 필터(360), 2차 증폭회로(370), A/D 컨버터(380), 제어기(391) 및 메모리(393)를 포함한다. 이하에서는 도 1에서 설명된 내용과 동일한 내용은 설명의 중복을 피하기 위해 생략한다.
본 발명에 따른 3축 플럭스게이트회로(330)는 X축(이하 '제1축'이라 함) 상의 제1플럭스게이트(331), X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축(이하 '제2축'이라 함) 상의 제2플럭스게이트(333), 및 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축(이하 '제3축'이라 함) 상의 제3플럭스게이트(335) 중 어느 하나의 플럭스게이트에 선택적으로 전달된 펄스신호 및 펄스반전신호에 의해 구동되며, 그 구동에 의해 발생된 기전력에 따라 선택된 구동축에 대응되는 아날로그 전압값을 출력한다. 아날로그 전압값은 상기에서의 쵸핑회로(340), 1차 증폭회로(350), 저주파 필터(360), 2차 증폭회로(370), 및 A/D 컨버터(380)을 통해 디지털 전압값으로 변환된다. 변환된 디지털 전압값은 제어기(391)로 출력된다.
도 4에 도시된 바와 같이 3축 플럭스게이트회로(330) 내의 각 플럭스게이트(331,333,335)는 사각형 형태의 자성체코어(331-1,333-1,335-1)와, 각 자성체코어(331-1,333-1,335-1)들에 권선된 구동코일(331-2,333-2,335-2) 및 검출코일(333-1,333-3,335-3)로 구성되어 있다.
제어기(391)는 제1플럭스게이트(331)에 대응되는 디지털 전압값(이하 '제1전압값'이라 함), 제2플럭스게이트(333)에 대응되는 디지털 전압값(이하 '제2전압값'이라 함), 제3플럭스게이트(335)에 대응되는 디지털 전압값(이하 '제3전압값'이라 함)을 각각 입력받는다.
또한 메모리(393)는 지구자기장의 변화가 있는 경우 플럭스게이트 자기검출장치(300)를 회전하여 산출되는 기준크기값을 저장한다. 상기 기준크기값은 플럭스게이트 자기검출장치(300)를 사용하기 전에 기준값을 제공하기 위해 산출되는 값으로, 플럭스게이트 자기검출장치(300)의 회전을 통해 산출된다.
도 5는 도 4의 각 플럭스게이트로부터 출력되는 디지털 전압값의 파형도이며, 401은 제1플럭스게이트(331)에 대응되는 디지털 전압값의 파형(실선)이고, 402는 제2플럭스게이트(333)에 대응되는 디지털 전압값의 파형(점선)이며, 403은 제3플럭스게이트(335)에 대응되는 디지털 전압값의 파형(일점쇄선)이다. 본 도면에서는 규준화하지 않은 상태의 디지털 전압값을 도시하고 있으며, 디지털 전압값으로 도시된 100,200은 일 실시예에 해당할 뿐이다.
3축 플럭스게이트회로(330) 내의 각 플럭스게이트(331-1,333-1,335-1)가 120o 간격으로 배치되므로 도 5에 도시된 각 파형은 120o 의 위상차이를 나타낸다.
제어기(391)는 입력된 3개의 디지털 전압값의 크기를 상호 비교한다. 그리고 비교 결과, 3개의 값 중 중간크기를 갖는 디지털 전압값을 각 구간별로 선택한다. 도 5의 경우에는 60o 간격으로 구간을 구분하고 있다. 각 구간별로 선택된 디지털 전압값을 이하에서는 선형 전압값으로 칭한다.
도 6은 도 5의 파형도 중 선형적으로 증가 혹은 감소되는 부분을 선택하여 도시한 파형도이며, 이는 삼각파형에 해당된다.
설명의 편의를 위해 0o에서부터 360o까지만 도시하였다. 0o~ 360 o의 구간은 0o~60o, 60o~120o, 120o~180o, 180 o~240o, 240o~300o, 300o~360o 으로 구분되고, 0o~60o 구간에서의 선형 전압값들은 제2전압값들이고, 60o~120o 구간에서의 선형 전압값들은 제1전압값들이고, 120o~180o 구간에서의 선형 전압값들은 제3전압값들이고, 180o~240o 구간에서의 선형 전압값들은 제2전압값들이고, 240o~300 o 구간에서의 선형 전압값들은 제1전압값들이고, 300o~360o 구간에서의 선형 전압값들은 제3전압값들이다. 이와 같이 각 구간에 대해 선택되는 디지털 전압값들은 상기에서 언급한 바와 같이 제어기(391)에서 각 디지털 전압값의 크기를 비교한 결과 중간 크기에 해당하는 디지털 전압값들을 의미한다.
도 7은 도 6의 파형도 중 일부로서, 본 발명에 따른 방위각을 산출하는 방법을 설명하기 위해 사용되는 도면이며, 상기에서 언급한 바와 같이 초기에 플럭스게이트 자기검출장치(300)의 회전을 통해 산출되어 메모리(393)에 저장된 기준크기값을 h로, 각 위상에서의 디지털 전압값 중 선택된 디지털 전압값인 선형 전압값을 x로 나타내고 있다. 다만 여기서 고려할 사항은 h,x의 크기의 기준을 동일하게 하여야 한다는 점이다.
제어기(391)에 의해 각 구간별로 적용할 선형 전압값이 선택된 경우, 제어기(391)는 선택된 선형 전압값과 기저장된 기준크기값에 기초하여 방위각을 연산한다.
방위각을 연산하는 데 적용되는 수학식은 구간별로 상이하며, 이의 구별은 각 디지털전압값의 크기에 기초한다.
제어기(391)는 큰 값으로부터 작은 값으로 나열하면 제1전압값, 제2전압값, 제3전압값인 순서를 갖는 위상구간에서는 다음의 수학식 2에 기초하여 방위각을 연산한다. 본 도면에서는 0o~60o의 위상구간에서 이와 같은 크기 순서를 갖는다.
.
제어기(391)는 큰 값으로부터 작은 값으로 나열하면 제2전압값, 제1전압값, 제3전압값인 순서를 갖는 위상구간에서는 다음의 수학식 3에 기초하여 방위각을 연산한다. 본 도면에서는 60o~120o의 위상구간에서 이와 같은 크기 순서를 갖는다.
.
제어기(391)는 큰 값으로부터 작은 값으로 나열하면 제2전압값, 제3전압값, 제1전압값인 순서를 갖는 위상구간에서는 다음의 수학식 4에 기초하여 방위각을 연산한다. 본 도면에서는 120o~180o의 위상구간에서 이와 같은 크기 순서를 갖는다.
.
제어기(391)는 큰 값으로부터 작은 값으로 나열하면 제3전압값, 제2전압값, 제1전압값인 순서를 갖는 위상구간에서는 다음의 수학식 5에 기초하여 방위각을 연산한다. 본 도면에서는 180o~240o의 위상구간에서 이와 같은 크기 순서를 갖는다.
.
제어기(391)는 큰 값으로부터 작은 값으로 나열하면 제3전압값, 제1전압값, 제2전압값인 순서를 갖는 위상구간에서는 다음의 수학식 6에 기초하여 방위각을 연산한다. 본 도면에서는 240o~300o의 위상구간에서 이와 같은 크기 순서를 갖는다.
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제어기(391)는 큰 값으로부터 작은 값으로 나열하면 제1전압값, 제3전압값, 제2전압값인 순서를 갖는 위상구간에서는 다음의 수학식 7에 기초하여 방위각을 연산한다. 본 도면에서는 300o~360o의 위상구간에서 이와 같은 크기 순서를 갖는다.
.
상기와 같은 수학식 2 내지 7은 각 전압값 및 기준크기값의 비례식에 기초하는 도출된 것이다. 즉 { 선형 전압값: 기준크기값 = 방위각 : (0o, 60o, 120 o, 180o, 240o, 300o, 360o 중 구간에 따라 적용되는 각도) }와 같은 비례식에 따라 도출된 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 3축 플럭스게이트를 이용한 자기검출방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
먼저 교정작업이 수행되어 기준크기값을 산출되고, 산출된 기준크기값은 제어기(391)의 제어 하에 메모리(393)에 저장된다(S501). 그리고 사용자가 플럭스게이트 자기검출장치(300)를 움직임으로써 3축 플럭스게이트회로(330)로부터 각각의 아날로그 전압값이 출력되고, 소정 과정을 통해 아날로그 전압값은 디지털 전압값으로 변환되어 제어기(391)로 출력된다(S502).
그러면 제어기(391)는 출력된 디지털 전압값들의 크기를 각각 비교한다. 본 실시예에서는 비교 방법을 다음과 같이 개시하고 있으나 본 발명의 요지는 이와 같은 방법에 의해 한정되지 않는다.
먼저 제어기(391)제1전압값과 제2전압값의 크기를 비교한다(S503). 503단계의 비교 결과, 제2전압값이 제1전압값보다 큰 경우, A단계로 진행한다. 503단계의 비교 결과, 제1전압값이 제2전압값보다 큰 경우, 제어기(391)는 제2전압값과 제3전압값의 크기를 비교한다(S504). 504단계의 비교 결과, 제2전압값이 제3전압값보다 큰 경우, 제어기(391)는 상기 수학식 1을 적용하여 방위각을 산출한다(S505, S509).
한편 504단계의 비교 결과, 제3전압값이 제2전압값보다 큰 경우, 제어기(391)는 제1전압값과 제3전압값의 크기를 비교한다(S506). 506단계의 비교 결과, 제1전압값이 제3전압값보다 큰 경우, 제어기(391)는 수학식 7을 적용하여 방위각을 산출한다(S507, S509). 506단계의 비교 결과, 제3전압값이 제1전압값보다 큰 경우, 제어기(391)는 수학식 6을 적용하여 방위각을 산출한다(S508, S509).
한편 A단계로 진행한 경우, 즉 503단계의 비교 결과, 제2전압값이 제1전압값봐 큰 경우, 제어기(391)는 제1전압값과 제3전압값의 크기를 비교한다(S510). 510단계의 비교 결과, 제1전압값이 제3전압값보다 큰 경우, 제어기(391)는 수학식 3을 적용하여 방위각을 산출한다(S511, S519). 510단계의 비교 결과, 제3전압값이 제1전압값보다 큰 경우, 제어기(391)는 제2전압값과 제3전압값의 크기를 비교한다(S512). 512단계의 비교 결과, 제2전압값이 제3전압값보다 큰 경우, 제어기(391)는 수학식 4를 적용하여 방위각을 산출한다(S513, S519). 512단계의 비교 결과, 제3전압값이 제2전압값보다 큰 경우, 제어기(391)는 수학식 5를 적용하여 방위각을 산출한다(S514, S519).
다만 상기 실시예에서는 디지털 전압값을 정규화한 후에 방위각을 연산하도록 하였으나 실시예에 따라서는 디지털 전압값을 정규화하지 않고 방위각을 연산하는 것도 고려될 수 있다. 다만 이 경우가 상기 실시예와 상이한 점은 상기 실시예에서는 정규화로 인하여 하나의 기준크기값을 산출하여 적용할 수 있었으나 정규화하지 않을 경우에는 각 구간별로 기준크기값을 달리 산출하여 적용해야 할 것이다.
이상과 같은 구성을 갖는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치 및 자기검출방법은 비교적 간단한 연산과정만을 수행하므로 과도한 연산과정으로부터 제어기를 보호할 수 있으며, 방위각 연산에 있어서 디지털 전압값의 선형인 영역만을 사용하므로 오차가 작아진다는 장점이 있으며, 또한 오차가 작아짐에 따라 방위각 반복성능이 향상된다는 장점이 있다. 또한 교정을 위해 저장해야 하는 값이 기준크기값에 한정되므로 메모리를 더욱 효과적으로 운용할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 종래의 플럭스게이트를 이용한 자기검출장치의 블록도,
도 2는 도 2의 자기검출장치으로부터 산출된 디지털 전압값들의 파형도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3축 플럭스게이트를 이용한 자기검출장치의 블록도,
도 4는 도 3의 자기검출장치 내 3축 플럭스게이트회로를 도시한 도면,
도 5는 도 3의 자기검출장치으로부터 산출된 디지털 전압값들의 파형도,
도 6은 도 5의 파형도 중 선형적인 부분만을 선택하여 도시한 파형도,
도 7은 도 6의 파형도의 일부로서, 본 발명에 따른 방위각을 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면, 그리고
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 3축 플럭스게이트를 이용한 자기검출방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
330: 3축 플럭스게이트회로 380: A/D 컨버터
391: 제어기 393:메모리

Claims (18)

  1. 펄스신호를 생성하여 구동신호로서 출력하는 구동펄스 발생회로;
    각 등간격으로 배치된 3개의 플럭스게이트가 구비되고, 상기 3개의 플럭스게이트에 선택적으로 입력되는 상기 구동신호에 기초하여 발생된 기전력에 대응하여 아날로그값이 각각 출력되는 3축 플럭스게이트회로;
    상기 3개의 플럭스게이트에 대응되어 출력된 상기 아날로그값들을 기초로 하여 3개의 디지털값들로 변환하는 A/D 변환 회로; 및
    변환된 상기 3개의 디지털값들을 정규화하고, 정규화된 상기 3개의 디지털값들 중 인접한 디지털값과의 선형성을 갖는 선형 디지털값들에 기초하여 방위각을 산출하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 선형 디지털값들은 동일 위상에 위치한 3개의 디지털값들 중 크기가 중간인 디지털값들의 집합인 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    지구자기장의 변화가 있는 경우 상기 3축 플럭스게이트 자기검출장치의 회전을 통해 초기에 설정되어 정규화된 기준크기값이 저장되는 메모리;를 더 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 기준크기값 및 상기 선형 디지털값의 비에 기초하여 상기 방위각을 산출하는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 60o × .
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 120o × .
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 180o × .
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 240o × .
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 300o × .
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제1플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제1디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제3디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되어 정규화된 제2디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 360o × .
  10. 펄스신호를 생성하여 구동신호로서 출력하는 구동펄스 발생회로;
    각 등간격으로 배치된 3개의 플럭스게이트가 구비되고, 상기 3개의 플럭스게이트에 선택적으로 입력되는 상기 구동신호에 기초하여 발생된 기전력에 대응하여 아날로그값이 각각 출력되는 3축 플럭스게이트회로;
    상기 3개의 플럭스게이트에 대응되어 출력된 상기 아날로그값들을 기초로 하여 3개의 디지털값들로 변환하는 A/D 변환 회로; 및
    변환된 상기 3개의 디지털값들 중 인접한 디지털값과의 선형성을 갖는 선형 디지털값들에 기초하여 방위각을 산출하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 선형 디지털값들은 동일 위상에 위치한 3개의 디지털값들 중 크기가 중간인 디지털값들의 집합인 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    지구자기장의 변화가 있는 경우 상기 3축 플럭스게이트 자기검출장치의 회전을 통해 초기에 설정되는 소정 구간별 기준크기값들이 저장되는 메모리;를 더 포함하고,
    상기 제어기는, 상기 기준크기값 및 상기 선형 디지털값의 비에 기초하여 상기 방위각을 산출하는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 60o ×
    여기서 제1기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 0o ~ 60o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 120o ×
    여기서 제2기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 60o ~ 120o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 180o ×
    여기서 제3기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 120o ~ 180o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 240o ×
    여기서 제4기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 180o ~ 240o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값, 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 300o ×
    여기서 제5기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 240o ~ 300o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 3개의 플럭스게이트가 X축 상의 제1플럭스게이트, 상기 X축으로부터 반시계방향으로 120o 회전한 축 상의 제2플럭스게이트, 및 상기 X축으로부터 반시계방향으로 240o 회전한 축 상의 제3플럭스게이트로 구성되고, 디지털값의 크기 순서가 상기 제1플럭스게이트에 대응되는 제1디지털값, 상기 제3플럭스게이트에 대응되는 제3디지털값, 상기 제2플럭스게이트에 대응되는 제2디지털값인 경우, 상기 방위각은 상기 선형 디지털값들로부터 다음 수식에 기초하여 산출되는 것을 특징으로 하는 3축 플럭스게이트형 자기검출장치:
    방위각 = 360o ×
    여기서 제6기준크기값은 상기 메모리에 저장된 기준크기값들 중 상기 제1, 제2 및 제3디지털값이 300o ~ 360o 구간에 있는 경우에 적용되는 기준크기값을 의미한다.
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