KR20080011135A - 직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 측정하는 방법 - Google Patents

직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 측정하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인코더(1)에 의해 전송되는 의사-정현파 신호로부터 직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 측정하는 측정 방법으로서, 이 측정 방법은 상기 인코더의 판독 거리 내에 배치된 센서(2)를 이용하고, 상기 센서는 직선상에 균일하게 분포된 네 개 이상의 감지 소자(3)를 포함하며, 상기 감지 소자는 각각 상기 인코더(1)에 의해 전송되는 신호를 나타내는 신호 Si를 전달할 수 있고, 상기 측정 방법은 신호 U = (S1 - S2) - (S3 - S4)와 신호 V = (S2 - S3)를 형성하기 위해 신호 Si를 측정하고 신호 Si를 결합시키며, 상기 신호 U 및 신호 V는 직교 위상인, 측정 방법을 제공한다.
인코더, 센서, 신호

Description

직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 측정하는 방법{METHOD FOR DETERMINING TWO PSEUDO-SINUSOIDAL SIGNALS IN QUADRATURE}
본 발명은 인코더에 의해 전송되는 의사-정현파 신호로부터 두 직교 위상의 의사-정현파 신호를 측정하는 방법과, 이 방법을 구현하여 측정하는 측정 시스템, 및 이 측정 시스템을 포함하는 베어링에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명은 정지 부재에 대한 회전 부재의 위치 또는 속도와 같은 각 데이터(angular data)를 측정하는 분야에 관한 것이다.
사실, 이러한 분야에서, 정지 부재에 대한 회전 부재의 각 위치를 나타내는 직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 사용할 수 있는 것이 필요하다.
이를 위해, 프랑스 특허문서 FR-A1-2 792 403으로부터 의사-정현파 신호를 전송할 수 있는 인코더와 선형으로 동일하게 분포되어 있는 네 개 이상의 감지 소자를 포함하는 센서를 사용하는 것이 알려져 있으며, 각각의 상기 감지 소자는 인 코더에 의해 전송되는 신호를 나타내는 신호 Si를 전달할 수 있다. 두 개의 직교 위상의 신호를 형성하기 위해, 상기 특허문서는 신호 U = (S1 - S2) - (S3 - S4) 및 신호 V = (S1 + S2) - (S3 + S4)를 형성하도록 신호 Si를 결합하고 있다.
자기 신호를 전달하는 다극 인코더로 구현할 때, 이 실시예는 아래와 같은 것을 실현할 수 있다는 점에서 여러가지 장점을 갖고 있다:
- 인코더의 여러 극 길이(pole length)에 대해 직교 위상의 신호 U와 신호 V를 보존할 수 있음;
- 신호 U 또는 신호 V의 증폭에 대응하는 조절 이득을 조절함으로써 주어진 극 길이에 대해 진폭이 동일한 신호 U와 신호 V를 얻을 수 있음;
- 자기 오프셋을 제거함.
한편, 특정 작동 조건하에서, 이 실시예는 인코더와 관련된 감지 소자의 위치와 관련하여 어떤 제한을 가할 수 있다.
예를 들어, 신호 U 및 신호 V의 진폭의 균일성이 아래의 사항들에 의해 영향을 받을 수 있다:
- 회전 축에 대한 인코더의 잘못된 정렬, 이로 인해 감지 소자는 1회전시 변하는 극 길이를 갖는 극을 감지함;
- 자화의 결함에 의한 것이든 원하는 구성이든 간에, 인코더 상에 길이가 다른 극이 존재함;
- 인코더의 극 길이에 완전히 일치하지는 않는 이득을 이용함.
또한, 신호 U 및 신호 V의 직교 위상은 모든 감지 소자를 통과하는 직선이 인코더의 평면과 완전히 평행하지 아니할 때(센서의 기울어짐) 영향을 받는다. 이러한 현상은 자기장의 진폭이 인코더와 감지 소자 사이의 거리와 관련하여 지수적으로 변화함에 따라 더욱 결정적으로 작용하게 된다.
최종적으로, 감지 소자가 판독 빔(reading beam)의 접선을 따라 배열되어 있지 아니하는 경우(센서의 비틀림), 앞서 설명한 두 현상이 다음과 같이 합쳐진다:
- 각각의 감지 소자에 의해 볼 수 있는 극 길이가 상이함;
- 전달되는 신호에 대한 엣지 효과 때문에 감지 소자가 판독하는 자기장의 진폭이 똑같지 아니함.
본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제점을 완화하는 것으로서, 구체적으로는 감지 소자로부터 나오는 신호를 조절함으로써, 직교 위상과 관련하여 또한 진폭의 균일성과 관련하여 인코더에 대한 감지 소자의 위치 및 인코더 내의 발생할 수 있는 잠재적인 결함에 대해 응답하여, 전달되는 신호의 신뢰도를 더욱 향상시키는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 제1 특징에 따르면, 본 발명은 인코더에 의해 전송되는 의사-정현파 신호로부터 직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 측정하는 측정 방법으로서, 이 측정 방법은 상기 인코더의 판독 거리 내에 배치된 센서를 이용하고, 상기 센서는 직선상에 균일하게 분포된 네 개 이상의 감지 소자를 포함하며, 상기 감지 소자는 각각 상기 인코더에 의해 전송되는 신호를 나타내는 신호 Si를 전달할 수 있고, 상기 측정 방법은 신호 U = (S1 - S2) - (S3 - S4)와 신호 V = (S2 - S3)를 형성하기 위해 신호 Si를 측정하고 신호 Si를 결합시키며, 상기 신호 U 및 신호 V는 직교 위상인, 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 본 발명은 상기 측정 방법을 구현하여, 의사-정현파 신호로부터 직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 측정하는 측정 시스템으로 서, 상기 시스템은 신호를 전송할 수 있는 인코더와 직선상에 균일하게 분포된 네 개 이상의 감지 소자를 포함하는 센서를 포함하고, 상기 감지 소자는 각각 인코더가 전송하는 신호를 나타내는 신호 Si를 전달할 수 있고, 상기 측정 시스템은 신호 Si를 형성할 수 있고 신호 U 및 신호 V를 형성하기 위해 신호 Si를 결합시킬 수 있는 처리장치를 더 포함하는 측정 시스템을 제공한다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, 본 발명은 상기 측정 시스템이 장착된 베어링으로서, 상기 베어링은 정지 부재와 회전 부재를 포함하고, 상기 인코더는 회전 부재와 서로 연결되고, 상기 센서는 정지 부재와 서로 연결되고, 상기 감지 소자는 상기 인코더가 전송하는 신호의 판독 거리 내에 배치되어 있는 베어링을 제공한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참고하여 이어지는 설명을 보면 명확히 알 수 있을 것이다.
본 발명의 구성에 의하면, 감지 소자로부터 나오는 신호를 조절함으로써, 직교 위상과 관련하여 또한 진폭의 균일성과 관련하여 인코더에 대한 감지 소자의 위치 및 인코더 내의 발생할 수 있는 잠재적인 결함에 대해 응답하여, 전달되는 신호의 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
인코더에 의해 전송되는 의사-정현파 신호로부터 직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 측정하는 시스템에 대한 실시예를 도 1 및 도 2와 함께 설명하도록 한다.
설명에 있어서, 의사-정현파 신호는 본질적으로 사인 곡선인 신호를 의미하거나 또는 적어도 일부분이 사인 곡선에 의해 정확하게 근사화될 수 있는 신호를 의미하는 것으로 이해하여야 한다.
구체적으로, 본 발명의 시스템과 방법은 정지 부재에 대한 회전 부재의 위치와 속도와 같은 각 데이터(angular data)를 측정할 수 있다.
측정 시스템은 정현파 신호를 전송할 수 있는 인코더(1)와 인코더(1)가 읽을 수 있는 거리 내에 배치된 센서(2)를 포함한다. 따라서, 나머지 설명부분에서 볼 수 있듯이, 인코더(1)가 이동 부재와 일체가 되도록 하고 센서(2)가 정지 부재와 일체가 되도록 함으로써, 인코더(1)에 의해 전달되는 의사-정현파 신호는 원하는 각 데이터를 나타낸다.
도시된 실시예에서, 인코더(1)는 자성을 띠고 있으며, N극과 S극이 연속적으로 교대로 배치된 일정한 극 길이로 된 극(1a)이 장착된 링을 포함한다. 알려진 방식으로, 이러한 유형의 인코더(1)는 인코더(1)의 움직임에 반응하여 자기 의사-정현파 신호를 전송할 수 있다. 그러나, 예를 들어 광학적, 열적, 또는 음향학적인 다른 유형의 인코더 및/또는 의사-정현파 신호도 본 발명의 범위 내에 속한다.
센서(2)는 직선을 따라 동일하게 분포되어 있는 적어도 네 개의 감지 소자(3)를 포함하며, 이러한 감지 소자는 각각, 네 개의 동일한 거리로 떨어져 있는 가상 지점에서 인코더(1)에 의해 전송되는 신호를 나타내는 신호 Si(i= 1 내지 4)를 전달할 수 있다. 센서(2)를 형성하는 수단뿐만 아니라 신호처리장치와 같은 것은, 주문용 반도체(ASIC)를 형성하도록 기층 위에 일체로 통합될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 감지 소자(3)는 홀 효과(Hall effect) 센서와, 자기저항소자와, 서미스터와, 광 프로브, 및 음향 프로브를 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다.
측정 시스템은 신호 Si를 형성할 수 있고 또한 아래의 신호를 형성하도록 신호 Si를 결합할 수 있는 처리장치를 더 포함하고 있다:
U = (S1 - S2) - (S3 - S4) 및 V = (S2 - S3)
신호 U 및 신호 V는 인코더의 극 길이와 상관없이 직교 위상이다. 따라서, 광범위한 극 길이에 대해, 센서(2)에 대한 인코더(1)의 위치와 속도를 측정하기 위해 신호 U 및 신호 V를 종래의 방식으로 이용할 수 있다. 또한, 신호 U 및 신호 V는 인코더(1)에 의해 전송되는 의사-정현파 신호의 진폭을 측정하는데 이용될 수 있으며, 이는 신호 U 및 신호 V의 진폭이 전송되는 신호의 진폭에 비례하기 때문이다.
또한, 신호 U 및 신호 V는 감산(subtraction)에 의해 얻어지기 때문에, 이 신호들은 자기 오프셋이 없다.
도 1 및 도 2의 실시예에서, 센서(2)는 4N(N=6) 감지 소자(3)를 포함하며, 이 감지 소자는, 일정한 거리 δ만큼 서로 분리된 24개의 감지 소자의 배열을 형성 하도록, 균일하게 분포되어 정렬되어 있다(도 2 참고). 프랑스 특허문서 FR-A1-2 792 403에 나타나 있는 것처럼, 이와 같은 감지 소자(3)의 배열을 이용함으로써 인코더(1)의 여러 극의 길이에 대해 직교 위상의 신호 U 및 신호 V를 유지할 수 있다. 또는, 상이한 수로 되어 있는 감지 소자(3)를 포함하는 네 개의 그룹이 신호 U 및 신호 V를 얻기 위해 이용될 수도 있다.
측정 작업을 수행하기 위해서, 각 그룹에 대응하는 네 신호 Si를 형성하도록 여섯 개의 인접하는 감지 소자(3)로 된 네 개의 그룹(4)이 각 그룹(4)의 신호의 합을 계산하는데 사용된다. 이를 위해, 처리장치는 신호 Si를 형성하도록 각 그룹(4)에 의해 전달되는 신호의 합을 계산하는 수단을 포함한다.
도면에서, 감지 소자의 그룹(4)은 그룹(4)의 중심에 위치된 소자(5)에 의해 표시되고, 이 소자(5)는 거리 6δ=d로 정렬되어 균일하게 분포되어 있다.
또한, 이러한 배열은 인코더(1) 맞은편에 배치되어 있고 따라서 감지 소자(3)는 판독 빔과 거의 접하는 접선을 따라 형성된다. 그러나, 상기 접선에 대하여 배열이 약간 어긋나게 되는 경우, 신호 U 및 신호 V의 직교 위상과 진폭은 종래 보다 영향을 덜 받는다.
또한, 신호 U 및 신호 V의 각각의 진폭과 관련하여, 신호를 같아지게 하기 위해서 이 신호 중 적어도 하나의 신호를 증폭하는 것을 고려할 수 있다. 이를 위해 처리장치는 신호 U 및/또는 신호 V를 증폭시키는 수단을 더 포함한다.
거리 d가 측정되는 의사-정현파 신호 공간의 주기의 1/4과 같아지는 특별한 경우에, 즉, 도시된 실시예에 따른 인코더(1)의 경우 극 거리의 절반이 되는 경우에, 신호 U 및 신호 2V는 동일한 진폭을 갖는다. 형성된 신호를 뒤이어서 사용하기 위해 똑같이 만들 필요가 있는 경우, 측정 방법은 인수 2로 신호 V를 증폭할 수 있다. 이렇게 하기 위해, 처리장치의 증폭기의 이득은 이 값에 맞추어질 수 있다.
거리 d가 임의의 거리인 경우, 신호 U 및 신호 V는 이러한 목적을 위해 조정된 적어도 하나의 이득을 곱함으로써 진폭이 같아질 수 있게 된다.
도 3을 보면, 최적 작용점(가로좌표 0.25 = d/자기 주기)의 한쪽에서, 본 발명에 따른 신호 U 및 신호 V는 접선을 이루는 반면, 종래 기술에 의한 신호 U 및 W = (S1 + S2) - (S3 + S4)는 분명하게 교차한다. 따라서, 최적 작용점에서 멀리 떨어진 상태에서 작동하는 경우, 즉 인코더(1)가 잘못 정렬된 경우에는, 본 발명에 따른 신호의 진폭은 비슷하게 유지되는 반면, 종래 기술에 의하면 진폭은 빠르게 발산하게 될 것이다.
똑같은 방법으로, 센서(2)가 기울어진 경우, 본 발명에 따른 신호 U 및 신호 V는 종래 기술에 의한 신호보다 직교 위상의 손실과 관련하여 훨씬 더 민감하게 반응할 것이다.
본 발명의 측정 시스템이 설치된 베어링을 도 4와 관련하여 아래에서 설명하도록 한다. 이 도면에서, 베어링은 마찰방지 베어링의 형태이며, 이 특정 실시예에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
마찰방지 베어링은 상대적인 회전이 이루어질 수 있도록 정지 외부링(6)과 회전 내부링(7) 및 이러한 링들 사이에 배치된 롤링 바디(8)를 포함하고 있다.
인코더(1)는 링과 일체로된 전기자(9)에서 오버몰딩에 의해 회전링(7)과 서로 연결되며, 센서(2)는 정지링(6)과 일체로 되어 있고, 따라서 감지 소자(3)는 인코더(1)에 의해 전송되는 신호로부터 판독 거리에 배치되어 있다.
나아가, 마찰방지 베어링은 정지링(6)에 대한 회전링(7)의 각 데이터를 측정하는 장치(10)를 포함하고 있고, 상기 장치는 알려진 방식으로 두 의사-정현파 신호 U 및 신호 V를 이용한다. 또한, 특히 신호 U 및 신호 V의 진폭이 동일할 때, 측정 장치는 신호 U 및 신호 V를 보간(interpolate)하는 수단을 포함할 수 있으며, 이 수단은 각 데이터의 분석을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 신호 U 및 신호 V를 사용하는 장점 중에서, 다음과 같은 것을 언급할 수 있다:
- 센서(2)의 기울어짐에 대한 준-무감각(quasi-insensitivity);
- 인코더(1) 쪽을 향하는 감지 소자(3)의 위치 오차에 대한 낮은 감도;
- 센서(2)의 비틀림(twist)에 대해 줄어든 감도;
- 보간장치가 사용되는 경우 출력 신호의 에러의 감소.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 측정 시스템의 센서와 인코더를 부분적으로 나타내는 평면도.
도 2는 도 1의 센서의 감지 소자의 배치를 나타내는 개략도.
도 3은 종래 기술에 따른 신호 U 및 W에 대한 본 발명에 따른 신호 U 및 신호 V에 대한 전달함수를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 측정 시스템이 설치된 마찰방지 베어링의 종단면을 나타내는 개략도.

Claims (11)

  1. 인코더(1)에 의해 전송되는 의사-정현파 신호로부터 직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 측정하는 측정 방법으로서, 이 측정 방법은 상기 인코더의 판독 거리 내에 배치된 센서(2)를 이용하고, 상기 센서는 직선상에 균일하게 분포된 네 개 이상의 감지 소자(3)를 포함하며, 상기 감지 소자는 각각 상기 인코더(1)에 의해 전송되는 신호를 나타내는 신호 Si를 전달할 수 있고, 상기 측정 방법은 신호 U = (S1 - S2) - (S3 - S4)와 신호 V = (S2 - S3)를 형성하기 위해 신호 Si를 측정하고 신호 Si를 결합시키며, 상기 신호 U 및 신호 V는 직교 위상인 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 방법은 진폭을 동일하게 하기 위해 신호 U 및/또는 신호 V를 증폭하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 V는 인수 2에 의해 증폭되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 방법은 인접하는 감지 소자(3)로 이루어진 네 그룹(4)을 이용하 고, 각 그룹(4)에 대응하는 신호 Si를 형성하도록 각 그룹(4)의 신호의 합을 계산하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항의 측정 방법을 구현하여, 의사-정현파 신호로부터 직교 위상의 두 의사-정현파 신호를 측정하는 측정 시스템으로서, 상기 시스템은 신호를 전송할 수 있는 인코더(1)와 직선상에 균일하게 분포된 네 개 이상의 감지 소자(3)를 포함하는 센서(2)를 포함하고, 상기 감지 소자는 각각 인코더(1)가 전송하는 신호를 나타내는 신호 Si를 전달할 수 있고, 상기 측정 시스템은 신호 Si를 형성할 수 있고 신호 U 및 신호 V를 형성하기 위해 신호 Si를 결합시킬 수 있는 처리장치를 더 포함하는 측정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 처리장치는 감지 소자(3)에 의해 전달되는 신호의 합을 계산하는 수단 및/또는 신호 U 및/또는 신호 V를 증폭하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 감지 소자(3)는 홀 효과 센서와, 자기저항소자와, 서미스터와, 광 프로브, 및 음향 프로브를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 측정 시스 템.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인코더(1)는 자기 신호를 전달하는 다극 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항의 측정 시스템이 장착된 베어링으로서, 상기 베어링은 정지 부재(6)와 회전 부재(7)를 포함하고, 상기 인코더(1)는 회전 부재(7)와 서로 연결되고, 상기 센서(2)는 정지 부재(6)와 서로 연결되고, 상기 감지 소자(3)는 상기 인코더(1)가 전송하는 신호의 판독 거리 내에 배치되어 있는 베어링.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 베어링은 정지 부재(6)에 대한 회전 부재(7)의 각 데이터를 측정하는 측정장치(10)를 포함하고, 상기 측정장치는 직교 위상의 두 의사-정현파 신호 U 및 신호 V를 이용하는 것을 특징으로 하는 베어링.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 측정장치(10)는 신호 U 및 신호 V를 보간하는 수단을 포함하고, 상기 수단은 각 데이터의 분석을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 베어링.
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