KR20090007021A - 엔코더 장치 및 이 장치의 캘리브레이션 방법 - Google Patents

Abstract

광학소자로부터 출력된 정현파 신호를 삼각파 신호로 변환하여 측정 대상물의 미세 움직임을 정밀하게 감지할 수 있도록 된 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법이 개시되어 있다.

이 개시된 아날로그 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법은 대상물의 이동량에 따라 변화되는 정현파 아날로그 신호를 규격화된 정현파 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계와; 규격화된 정현파 디지털 신호를 삼각파 신호로 변환하는 단계와; 변환된 삼각파 신호를 분석하여, 대상물의 이동량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

엔코더 장치 및 이 장치의 캘리브레이션 방법{Encoder apparatus and calibration method of the same apparatus}

본 발명은 정현파 신호를 이용한 엔코더 장치 및 이 장치의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광학소자로부터 출력된 정현파 신호를 삼각파 신호로 변환하여 측정 대상물의 미세 움직임을 정밀하게 감지할 수 있도록 된 엔코더 장치 및 이 장치의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 일반적으로 정밀 제어가 요구되는 기기는 이동 대상물의 정밀 이송을 위하여, 미세 이동량까지 감지 가능한 2채널 아날로그 엔코더를 널리 채용한다.

예를 들어, 잉크젯 프린터 등의 화상형성장치는 인쇄품질을 높이기 위하여 인쇄매체의 정밀 이송이 요구되는 바, 급지장치의 피드롤러를 제어함에 있어서 그 회전위치를 정밀하게 판별할 수 있어야 한다. 이를 위하여, 각 채널별로 정현파 신호를 출력하는 2채널 아날로그 엔코더가 채용된다.

도 1은 일반적인 2채널 아날로그 엔코더 장치를 보인 구성도이다.

도면을 참조하면, 아날로그 엔코더 장치는 입사광을 투과시키는 슬릿 또는 반사 띠(1a)를 가지는 회전판(1)과, 상기 회전판(1)에 대향 배치되어 상기 회전판(1)의 회전량에 따라 변화되는 상기 슬릿을 투과 또는 반사 띠에서 반사된 광을 수광하여 전기적 신호로 변환하는 광학소자(3)를 포함한다. 상기 광학소자(3)를 통하여 검출된 전기적 신호는 아날로그 신호로서, 도시된 바와 같은 정현파 신호이다. 2채널 방식의 경우는 상기 정현파 신호는 위상을 달리하여 출력된다.

상기 정현파 아날로그 신호는 아날로그-디지털 변환기(이하, 'A/D 변환기'라 한다)(5)에 의하여, 특정 단계의 디지털 신호로 변환된다. 한편, 상기한 엔코더 장치는 상기 회전판(1)의 회전량이 일정하게 증가하면 그에 따라 디지털 신호로 변환된 값도 일정하게 증가하여야 하나, 아날로그 출력이 정현파 신호이므로 출력 레벨에 따라서 증가량이 달라지게 되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 도 2를 참조하여 보다 자세히 살펴보기로 한다.

도 2는 아날로그 엔코더 장치의 출력이 사인파인 경우의 출력 파형을 보인 그래프이다. 상기 엔코더의 회전판이 등속으로 회전되는 경우, 상기 출력 파형은 주기가 일정한 사인파가 된다.

여기서, 등속 구간에서 일정 시간 동안의 회전판의 이동량 변화가 일정하여야 회전판의 정밀한 이동량을 얻을 수 있다. 하지만, 상기한 바와 같은 사인파가 출력되는 경우 일정 시간 동안의 사인파 출력의 크기가 일정하지 않게 되는 문제점이 있다. 즉, 도 2에서 시간을 6개의 구간으로 등분하여 각 구간에서 사인파 출력의 크기를 비교하여 보면, 표 1에 나타낸 바와 같이 일정하지 않음을 알 수 있다.

구간	출력크기	구간	출력크기
0 ~ t1	1.1(=1+0.1)	t3 ~ t4	1.2(=0.2+1)
t1 ~ t2	1.7(=0.9+0.8)	t4 ~ t5	1.6(=1+0.6)
t2 ~ t3	1.0(=0.2+0.8)	t5 ~ t6	0.8(=0.4+0.4)

그러므로, 상기한 바와 같이 사인파와 같은 정현파 신호를 이용한 엔코더 장치는 구간별 출력 크기의 불일치로 인하여 상기 A/D 변환기(5)에서 변환 출력된 신호로부터 직접적으로 측정 대상물의 미세 움직임을 정밀하게 감지하는데는 한계가 있다.

따라서, 측정 대상물의 정밀한 위치 변화량을 감지할 것을 요구하는 기기 예컨대 인쇄매체 공급롤러의 회전량을 실시간으로 정밀 감지할 것이 요구되는 잉크젯 프린터에 사용하기 위해서는 위치 캘리브레이션(calibration)(7) 연산이 요구된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 안출된 것으로서, 광학소자로부터 출력된 정현파 신호를 삼각파 신호로 변환하여 측정 대상물의 미세 움직임을 정밀하게 감지할 수 있도록 된 구조의 엔코더 장치 및 이 장치의 캘리브레이션 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력된 아날로그 신호로부터 대상물의 이동량을 측정하는 아날로그 엔코더 장치에 있어서,

상기 대상물의 이동량에 따라 가변되는 구동판과; 상기 구동판으로부터 광을 수광하고 이를 전기적 신호로 변환하여 상기 구동판의 이동량에 따라 변화되는 정현파 아날로그 신호를 출력하는 광학소자와; 상기 광학소자에서 출력된 아날로그 신호를 규격화된 정현파 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 변환기와; 상기 아날로그-디지털 변환기에서 출력된 정현파 신호를 삼각파 신호로 변환하는 캘리브레이션부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 광학소자에서 검출된 정현파 신호는 2채널 아날로그 신호를 포함한다.

또한, 상기 아날로그-디지털 변환기에서 출력된 신호 각각은 -1과 1 사이의 크기 값을 가지는 사인 함수 출력 레벨의 신호이다.

또한, 상기 캘리브레이션부는 상기 사인 함수 출력 레벨의 신호 각각에 사인 역함수를 적용하여 산출된 선형 함수를 출력하는 역함수 변환부를 포함한다.

상기 캘리브레이션부는 소정 구간에서 상기 역함수 변환부에서 출력된 선형 함수 각각의 부호가 바뀌는지 여부를 감지하여 엔코더 스텝의 증감방향에 대한 정보를 산출하는 방향 산출부와; 상기 방향 산출부에서 산출된 엔코더 스텝의 증감방향에 따라 위치를 조정하여 제1위치 값을 출력하는 위치 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 캘리브레이션부는 상기 역함수 변환부에서 출력된 2 채널 중 어느 한 채널을 선택하여, 이 채널의 출력값의 절대값을 취한 후 상기 아날로그-디지털 변환기의 분해능에 맞게 변환하여 제2위치 값을 출력하는 제2위치값 획득부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 캘리브레이션부는 상기 제1위치 값과 제2위치 값을 합산하여 상기 대상물의 이동량을 산출하는 이동량 산출부를 더 포함하 는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력된 아날로그 신호로부터 대상물의 이동량을 측정하는 아날로그 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법에 있어서,

상기 대상물의 이동량에 따라 변화되는 정현파 아날로그 신호를 규격화된 정현파 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계와; 규격화된 정현파 디지털 신호를 삼각파 신호로 변환하는 단계와; 변환된 삼각파 신호를 분석하여, 상기 대상물의 이동량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 정현파 아날로그 신호는 2채널 아날로그 신호를 포함한다.

또한, 상기 규격화된 정현파 디지털 신호 출력단계는 일정 속도로 엔코더를 구동하여 각 채널별 엔코더 레벨의 최대값과 최소값을 산출하는 엔코더 레벨 캘리브레이션 단계와; 각 채널별 엔코더 레벨의 최대값과 최소값을 이용하여 -1과 1 사이의 크기 값을 가지는 각 채널별 사인 함수 출력 레벨로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 삼각파 신호 변환 단계는 상기 사인 함수 출력 레벨의 신호 각각에 사인 역함수를 적용하여 산출된 선형 함수를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 대상물의 이동량 산출 단계는 소정 구간에서 상기 출력된 선형 함수 각각의 부호가 바뀌는지 여부를 판별하는 단계와; 엔코더 스텝의 증감방향에 대한 정보를 산출하는 단계와; 산출된 엔코더 스텝의 증감방향에 따라 위치를 조정하여 제 1위치 값을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 대상물의 이동량 산출 단계는 상기 출력된 2 채널의 선형 함수 중 어느 한 채널의 선형 함수를 선택하는 단계와; 선택된 채널의 출력값을 양수화하는 단계와; 양수화 된 출력값을 아날로그-디지털 변환기의 분해능에 맞게 변환하여 제2위치 값을 출력하는 단계를 더 포함하여, 상기 제1위치 값과 제2위치 값을 합산하여 상기 대상물의 이동량을 산출할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 엔코더 장치 및 이 장치를 이용한 캘리브레이션 방법은 광학소자로부터 출력된 정현파 신호를 삼각파 신호로 변환함으로써, 구간별 출력 크기의 불일치 문제를 근본적으로 방지할 수 있다.

따라서, A/D 변환기에서 변환 출력된 신호로부터 직접적으로 측정 대상물의 미세 움직임을 정밀하게 감지할 수 있다. 따라서, 측정 대상물의 정밀한 위치 변화량을 감지할 것을 요구하는 기기 예컨대 인쇄매체 공급롤러의 회전량을 실시간으로 정밀 감지할 것이 요구되는 잉크젯 프린터에 적용할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 엔코더 장치 및 이 장치의 캘리브레이션 방법을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 엔코더 장치는 입력된 아날로그 신호로부터 대상물의 이동량 예컨대 인쇄장치의 공급롤러의 회전량을 측정하는 아날로그 엔코더 장치이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔코더 장치를 보인 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 엔코더 장치는 대상물의 이동량에 따라 가변되는 구동판(11)과, 상기 구동판(11)의 이동량에 따라 변화되는 정현파 아날로그 신호를 출력하는 광학소자(13), 상기 광학소자(13)에서 출력된 아날로그 신호를 규격화된 정현파 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 변환기(이하, 'A/D 변환기'라 한다)(15) 및 상기 A/D 변환기(15)에서 출력된 정현파 신호를 삼각파 신호로 변환하는 캘리브레이션부(20)를 포함한다.

상기 구동판(11)은 입사광을 투과시키는 복수의 슬릿 또는 입사광을 반사시키는 반사 띠를 가진다. 상기 광학소자(13)는 상기 구동판(11)에 대향 배치되며, 상기 구동판(11)에 광을 조사함과 아울러 상기 구동판(11)의 이동량에 따라 변화되는 상기 슬릿을 투과한 광을 수광하거나 상기 반사 띠에서 반사된 광을 수광하여 전기적 신호로 변환한다. 여기서, 상기 광학소자(13)를 통하여 검출된 전기적 신호는 아날로그 신호로서, 도시된 바와 같은 정현파 신호이다. 보다 바람직하게는 상기 광학소자(13)에서 검출된 정현파 신호는 2채널 아날로그 신호를 포함한다.

상기 A/D 변환기(15)에서 출력된 신호 각각은 -1과 1 사이의 크기 값을 가지는 사인 함수 출력 레벨의 신호이다.

상기 캘리브레이션부(20)는 상기 A/D 변환기(15)에서 출력된 사인 함수 출력 레벨의 신호를 삼각파 신호로 변환한다. 이를 위하여, 상기 캘리브레이션부(20)는 상기 사인 함수 출력 레벨의 신호 각각에 사인 역함수를 적용하여 산출된 선형 함수를 출력하는 역함수 변환부(21)를 포함한다.

도 4는 사인 역함수를 적용하여 사인 함수 출력 레벨 신호를 선형 함수로 출력하는 원리를 설명하기 위한 그래프이다.

A/D 변환기(15)에서 출력된 신호는 사인파 신호로서 -1과 1 사이의 크기 값을 가진다. 따라서, 사인 함수 y = sin(x)로 표현 가능하다.

사인 함수 y = sin(x)에 대한 사인 역함수 y'는 y' = sin^-1(y)로 나타낼 수 있으며, 이는 도 4에 도시된 바와 같이 -π/2 내지 +π/2 범위 값을 가지는 선형 그래프가 그려진다. 이와 같이 사인 함수를 선형 함수로 표현하는 경우는 각 구간에서 크기의 변화가 일정하게 할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 엔코더 장치는 상기 역함수 변환부(21)를 통하여 2채널 아날로그 엔코더의 출력으로부터 선형 함수를 얻고, 이를 이용하여 캘리브레이션함으로써 정밀한 위치 정보를 획득할 수 있다.

또한, 상기 캘리브레이션부(20)는 엔코더의 이동방향을 산출하는 방향 산출부(23)와, 제1위치 값을 출력하는 위치 조정부(25)를 더 포함할 수 있다.

상기 방향 산출부(23)는 소정 구간에서 상기 역함수 변환부(21)에서 출력된 선형 함수 각각의 부호가 바뀌는지 여부를 감지하여 엔코더 스텝의 증감방향에 대한 정보를 산출한다. 예컨대, 상기 엔코더의 구동판(11)으로서, 회전판을 채용한 경우 엔코더 스텝의 증감방향에 따라 시계방향 회전인지 반시계방향 회전인지를 산출한다.

상기 위치 조정부(25)는 상기 방향 산출부(23)에서 산출된 엔코더 스텝의 증 감방향에 따라 위치를 조정하는 것으로, 엔코더 스텝량을 증감시킴으로써 이전 위치값에 스텝량을 가감하여 보정된 제1위치 값을 출력한다. 예를 들어, A/D 변환기(15)로서 256단계의 분해능(resolution)을 가지는 변환기를 채용함과 아울러, 상기 구동판(11)으로 회전판을 채용한 경우, 상기 방향 산출부(23)에서 회전판이 시계방향으로 회전하는 것으로 산출된 경우는 엔코더 스텝량을 이전 위치값에 대해 256 만큼 증가시키고, 그 역인 경우는 엔코더 스텝량을 이전 위치값에 대해 256 만큼 감소시킨다. 그리고, 엔코더 스텝량에 변화가 없는 경우는 이전 위치 값을 제1위치 값으로 출력한다.

또한, 캘리브레이션부(20)는 제2위치값 획득부(27)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2위치값 획득부(27)는 상기 역함수 변환부(21)에서 출력된 2 채널 중 어느 한 채널을 선택하여, 이 채널의 출력값의 절대값을 취한 후 상기 A/D 변환기(15)의 분해능에 맞게 변환하여 제2위치 값(ADC_pos)을 출력한다.

예컨대, 상기 A/D 변환기(15)가 256의 분해능을 가지는 경우, sin^-1(y)의 출력범위가 -π/2(≒ -1.57) 내지 π/2(≒ 1.57) 이다. 그러므로, 상기 제2위치 값(ADC_pos)은 회전판이 시계방향 회전인 경우 ADC_pos = 256/1.57*|sin^-1(y)|이 되고, 반시계방향 회전인 경우는 ADC_pos = 256 - 256/1.57*|sin^-1(y)|가 된다.

또한, 상기 캘리브레이션부(20)는 이동량 산출부(29)를 더 포함할 수 있다. 상기 이동량 산출부(29)는 상기 제1위치 값과 제2위치 값을 합산하는 것으로, 이 합산 값으로부터 상기 대상물의 이동량을 실시간으로 정밀하게 산출할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법을 상세히 살명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 엔코더 장치의 캘리브레이션 방방법은 입력된 정현파 아날로그 신호로부터 대상물의 이동량을 측정하는 아날로그 엔코더 장치에 적용된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 엔코더 장치의 캘리브레이션 순서를 보인 순서도이다. 도 5를 참조하면, 캘리브레이션 방법은 상기 대상물의 이동량에 따라 변화되는 정현파 아날로그 신호를 규격화된 정현파 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계(S10)와, 규격화된 정현파 디지털 신호를 삼각파 신호로 변환하는 단계(S20) 및 변환된 삼각파 신호를 분석하여 상기 대상물의 이동량을 산출하는 단계(S30)를 포함한다.

여기서, 상기 정현파 아날로그 신호는 2채널 즉 채널 a(cha)와 채널 b(chb)을 포함하는 아날로그 신호이다.

상기 규격화된 정현파 디지털 신호 출력단계(S10)는 엔코더 레벨 캘리브레이션 단계(S11)와, 사인 함수 출력 레벨로 변환하는 단계(S15)를 포함한다.

단계 S11은 일정 속도로 엔코더를 구동하여 각 채널별 엔코더 레벨의 최대값과 최소값을 산출하는 단계이다.

도 6은 2 채널 아날로그 엔코더의 A/D 변환된 데이터 그래프이다. 도 6을 살펴보면, 시간이 증가할수록 주기가 점점 빨라지다가 다시 느려지므로, 속도가 증가하다가 다시 감소하는 모양이다. 위 그래프에서는 세로축의 출력값이 1.2 ~ 4.2 정도의 값으로 표시되었으나 실제 데이터는 이와 다를 수 있다. 즉, 만일 256 레벨의 분해능을 갖는 A/D 변환기(15)를 이용하여 변환 하였다면 0 내지 255 범위의 값으로 표현될 것이다. 그리고, 가로축은 시간을 소정 단위 간격으로 구획하기 위한 수치로서, 물리적인 의미를 가지는 값은 아니다.

도 6에 도시된 바와 같은 데이터를 가지고 후술하는 사인 역함수 값을 구하기 위해서는 -1 내지 +1 사이의 크기 값을 갖는 사인함수로 변환해야 한다. 이를 위해 A/D 변환된 데이터의 각 채널 별 최대값과 최소값을 구해야 한다. 한편, 이 최대값과 최소값 각각은 엔코더 장치의 메모리에서 지워지지 않는 한, 한 번만 얻어지면 된다.

상기 최대값과 최소값을 구하는 과정을 살펴보면, 상기 대상물을 일정한 속도로 구동하고 상기 A/D 변환기(15)를 통하여 A/D 변환된 결과 값으로부터 엔코더 레벨의 최대값과 최소값을 저정한다. 본 실시예에서는 일 채널(cha)의 최대값과 최소값 각각을 cha_level_max와 cha_level_min으로 나타내었고, 다른 채널(chb)의 최대값과 최소값 각각을 chb_level_max와 chb_level_min로 나타내었다. 이때, 최대값과 최소값에 오차가 발생할 경우를 대비하여, 실험을 통하여 정하여진 일정한 오프셋 값(offset_cha_max, offset_cha_min, offset_chb_max, offset_chb_min)을 더해준다.

따라서, 메모리에 저장된 채널별 최대값과 최소값은 다음과 같다.

cha_level_max = cha_level_max + offset_cha_max

cha_level_min = cha_level_min + offset_cha_min

chb_level_max = chb_level_max + offset_cha_max

chb_level_min = chb_level_min + offset_cha_min

단계 S15는 단계 S11에서 구한 각 채널별 엔코더 레벨의 최대값과 최소값을 이용하여 아날로그 엔코더의 A/D 변환 데이터를 -1과 1 사이의 크기 값을 가지는 각 채널별 사인 함수 출력 레벨로 변환하는 단계이다.

즉, 미리 메모리에 저장된 레벨 값 또는 단계 S11를 통하여 산출한 아날로그 엔코더의 레벨 값을 이용하여 각 채널별로 -1 ~ +1 사이의 출력을 갖는 사인 값(sine_a, sine_b)으로 변환한다.

채널 a(cha)와 채널 b(chb) 각각에서의 사인값 sine_a와 sine_b는 다음과 같다.

sine_a = (cha - cha_level_min)/cha_h*2 - 1, -1 ≤ sine_a ≤ 1

sine_b = (chb - chb_level_min)/chb_h*2 - 1, -1 ≤ sine_b ≤ 1

여기서, cha_h는 채널 a의 최대값과 최소값의 차(cha_h = cha_level_max - cha_level_min)이고, chb_h는 채널 b의 최대값과 최소값의 차(chb_h = chb_level_max - chb_level_min)를 나타낸다.

도 7은 상기한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7을 살펴보면, 각 채널 별 사인함수 sine_a와 sine_b 각각이 -1 내지 +1 사이의 값으로 규격화됨을 알 수 있다.

규격화된 정현파 디지털 신호를 삼각파 신호로 변환하는 단계(S20)는 상기 사인 함수 출력 레벨의 신호 각각에 사인 역함수를 적용하여 산출된 선형 함수를 출력하는 단계이다.

아래와 같이 사인 함수의 출력값에 사인 역함수를 적용하면 -π/2 ~ π/2 (-1.57 ~ 1.57) 범위의 값을 가지는 선형 함수의 출력 값을 가지게 된다.

arcsine_a = sin^-1(sine_a), -π/2 < arcsine_a < π/2

arcsine_b = sin^-1(sine_b), -π/2 < arcsine_b < π/2

도 8은 상기한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8을 살펴보면, 각 채널 별 사인 역함수를 나타내는 arcsine_a와 arcsine_b 각각이 선형 함수 값을 가짐을 알 수 있다.

도 9는 변환 전과 후를 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 9를 살펴보면, 사인파 형태의 곡선 함수를 선형화하는 경우, +1과 -1 사이의 크기 변화에서 대략 +1.5와 -1.5 사이의 크기 변화로 확장됨으로써, 레벨의 가감이 바뀌는 시점의 정밀도를 높일 수 있다.

상기 대상물의 이동량을 산출하는 단계(S30)는 변환된 사인 역함수의 출력값을 이용하여 엔코더의 진행 방향과, 엔코더의 위치값을 출력한다. 즉, 단계 S30은 소정 구간에서 상기 출력된 선형 함수 각각의 부호가 바뀌는지 여부를 판별하는 단계(S31)와, 엔코더 스텝의 증감방향에 대한 정보를 산출하는 단계(S33) 및, 산출된 엔코더 스텝의 증감방향에 따라 위치를 조정하여 제1위치 값(pos_1)을 출력하는 단계(S35)를 포함한다.

도 10은 구간 I, Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ에서의 엔코더 진행방향을 판단하는 과정 즉,단계 S31, S33 및 S35를 설명하기 위한 그래프이다.

도 10에 있어서, arcsine_a와 arcsine_b 각각의 세로축의 출력 데이터 값의 부호가 바뀔 때 마다 방향을 갱신함으로써 방향을 알 수 있으며, 그 판단기준을 표 2에 나타내었다. 여기서, 대상물이 회전하는 경우를 예로 들어 나타낸 것으로서, CW는 시계방향이고, CCW는 반시계방향을 나타낸다.

arcsine_a 값의 부호 변환시점 (예, I, Ⅲ 영역)			arcsine_b 값의 부호 변환시점 (예, Ⅱ, Ⅳ 영역)
arcsine_a 기울기	arcsine_b 부호	방향	arcsine_b 기울기	arcsine_a 부호	방향
+	+	CW	-	+	CW
-	-	CW	+	-	CW
-	+	CCW	-	-	CCW
+	-	CCW	+	+	CCW

예를 들어, 도 10의 그래프에서 Ⅱ 구간을 살펴보기로 한다. 도 10을 참조하면, I 구간에서 Ⅱ 구간으로 넘어가면서, arcsine_b가 양수(+)에서 음수(-)로 변한다.

이때, arcsine_b의 부호가 바뀌었으므로 판단 기준은 arcsine_b의 그래프가 된다. 그리고, Ⅱ 구간의 arcsine_b 값이 I 구간의 arcsine_b값보다 작아졌으므로 감소이다. 또한, Ⅱ 구간에서 arcsine_a 값이 양수이다.

이를 종합하면, arcsine_b 감소, arcsine_a > 0 이므로, 시계방향(CW)으로 엔코더가 회전함을 알 수 있다.

도 10을 참조하면서, 단계 S35를 상세히 설명하기로 한다. arcsine_a와 arcsine_b의 부호가 변환되는 시점을 기준으로 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ 등으로 구간을 나누었을 때 구간 I에서 Ⅱ로, 구간 Ⅱ에서 Ⅲ으로 한 구간을 넘어서게 되면서 arcsine_a 또는 arcsine_b의 부호가 바뀌면서 단계 S31 및 S33에서 획득한 방향 정보를 이용하여 제1위치값을 증가시키거나 감소시킨다.

이때, 한 구간 이동에 대한 위치값 변화량은 A/D 변환기의 분해능에 의해 결정된다. 만일, 분해능이 256 단계로 이루어진 A/D 변환기를 사용하면, 위치값 변화량은 256이 된다. 따라서, 제1위치값(pos_1)은 아래와 같이 표현된다.

pos_1 = before_pos_1 + 256, CW인 경우

pos_1 = before_pos_1 - 256, CCW인 경우

또한, 상기 대상물의 이동량을 산출하는 단계(S30)는 보다 정밀한 위치 정보를 위하여, A/D 변환된 위치 정보를 읽어들여 제2위치 값(pos_2)를 산출하는 단계를 더 포함한다. 즉, 상기 출력된 2 채널의 선형 함수 중 어느 한 채널의 선형 함수를 선택하는 단계(S41)와, 선택된 채널의 출력값을 양수화하는 단계(S43) 및, 양수화 된 출력값을 아날로그-디지털 변환기의 분해능에 맞게 변환하여 제2위치 값(pos_2)을 출력하는 단계(S45)를 더 포함한다. 여기서, 256 단계로 이루어진 분해능을 가지는 A/D 변환기를 사용하는 경우, 제2위치 값은 0 내지 255 사이의 값으로 표시된다.

도 11은 제2위치 값을 산출하는 과정을 설명하기 위한 그래프이다. 우선, arcsine_a, arcsine_b의 그래프에서 A/D 변환값을 읽어올 부분을 선택한다. 이 A/D 변환값을 읽어올 부분은 해당 영역의 상태에 따라 표 3과 같이 선택된다.

CW 일 때			CCW 일 때
arcsine_a 부호	arcsine_b 부호	선택값	arcsine_a 부호	arcsine_b 부호	선택값
+	+	arcsine_a	+	+	arcsine_b
+	-	arcsine_b	-	+	arcsine_a
-	-	arcsine_a	-	-	arcsine_b
-	+	arcsine_b	+	-	arcsine_a

위 도 11의 그래프에서 굵게 표시한 부분이 해당 구간에서 시계 방향일 때의 선택된 부분 일부를 표시한 것이다.

상기한 선택된 그래프의 값을 읽어 들어 절대값을 취한다. 즉, x 지점에서 arcsine_a, arcsine_b 각각의 절대값은 다음과 같이 표시된다.

arcsine_data = |arcsine_a(x)|, x 지점의 arcsine_a 출력 값의 절대 값

arcsine_data = |arcsine_b(x)|, x 지점의 arcsine_b 출력 값의 절대 값

예를 들어, 가로 축 1000 지점의 세로축 출력값을 읽어 온다면, 약 arcsine_data ∼ |0.8| = 0.8 정도가 된다. 그리고, 가로 축 2000 지점의 세로축 출력값을 읽어 온다면, arcsine_data ∼ |-1.52| = 1.52 정도가 된다.

상기한 바와 같이 읽어들인 절대값은 arcsine 함수의 출력 값으로 A/D 변환기의 분해능에 맞게 변환해 주어야 한다.

A/D 변환기의 분해능이 256 단계라고 가정하고 계산하면, arcsine의 출력 범위가 -π/2 ~ π/2(-1.57 ~ 1.57) 이므로 다음과 같다.

pos_2 = 256/1.57*arcsine_data, (CW 방향)

pos_2= 256 - 256/1.57*arcsine_data, (CCW 방향)

따라서 가로축 1000지점의 제2위치 값은 pos_2 = 256/1.57*0.8 = 130 이 된다.

상기한 방식으로 검출된 제1위치 값(pos_1)과 제2위치 값(pos_2)를 합산함으로써, 상기 대상물의 이동량(position)을 산출할 수 있다(S50).

즉, position은 pos_1과 pos_2의 합산값이 된다. 예를 들어, 도 11에 도시된 경우, 가로축 100지점에서의 이동량(= 256 + 130)은 386이 됨을 알 수 있다.

도 12는 제1위치 값(pos_1))과 제2위치 값(pos_2)을 합산한 결과를 보인 그래프이다. 도 12를 살펴보면, 시간축 전 구간에서 캘리브레이션 된 포지션 값을 산출함을 알 수 있다. 그러므로, 실시간으로 측정 대상물의 움직임을 정밀하게 감지할 수 있다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

도 1은 일반적인 2 채널 아날로그 엔코더 장치를 보인 구성도.

도 2는 아날로그 엔코더 장치의 출력이 사인파인 경우의 출력 파형을 보인 그래프.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엔코더 장치를 보인 구성도.

도 4는 사인 역함수를 적용하여 사인 함수 출력 레벨 신호를 선형 함수로 출력하는 원리를 설명하기 위한 그래프.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 엔코더 장치의 캘리브레이션 순서를 보인 순서도.

도 6은 2 채널 아날로그 엔코더의 A/D 변환된 데이터 그래프.

도 7은 각 채널 별 사인함수 sine_a와 sine_b 각각이 -1 내지 +1 사이의 값으로 규격화된 모습을 보인 그래프.

도 8은 각 채널 별 사인 역함수를 나타내는 arcsine_a와 arcsine_b 각각이 선형 함수 값을 가짐을 보인 그래프.

도 9는 사인 역함수 변환 전과 후를 비교하여 나타낸 그래프.

도 10은 구간 I, Ⅱ, Ⅲ 및 Ⅳ에서의 엔코더 진행방향 및 증감량을 판단하는 과정을 설명하기 위한 그래프.

도 11은 제2위치 값을 산출하는 과정을 설명하기 위한 그래프.

도 12는 제1위치 값(pos_1))과 제2위치 값(pos_2)을 합산한 결과를 보인 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11: 구동판 13: 광학소자

15: A/D 변환기 20: 캘리브레이션부

21: 역함수 변환부 23: 방향 산출부

25: 위치 조정부 27: 제2위치값 획득부

29: 이동량 산출부

Claims (13)

1. 입력된 아날로그 신호로부터 대상물의 이동량을 측정하는 아날로그 엔코더 장치에 있어서,

   상기 대상물의 이동량에 따라 가변되는 구동판과;

   상기 구동판으로부터 광을 수광하고 이를 전기적 신호로 변환하여 상기 구동판의 이동량에 따라 변화되는 정현파 아날로그 신호를 출력하는 광학소자와;

   상기 광학소자에서 출력된 아날로그 신호를 규격화된 정현파 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 변환기와;

   상기 아날로그-디지털 변환기에서 출력된 정현파 신호를 삼각파 신호로 변환하는 캘리브레이션부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광학소자에서 검출된 정현파 신호는 2채널 아날로그 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 아날로그-디지털 변환기에서 출력된 신호 각각은 -1과 1 사이의 크기 값을 가지는 사인 함수 출력 레벨의 신호인 것을 특징으로 하는 엔코더 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 캘리브레이션부는,

   상기 사인 함수 출력 레벨의 신호 각각에 사인 역함수를 적용하여 산출된 선형 함수를 출력하는 역함수 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 캘리브레이션부는,

   소정 구간에서 상기 역함수 변환부에서 출력된 선형 함수 각각의 부호가 바뀌는지 여부를 감지하여 엔코더 스텝의 증감방향에 대한 정보를 산출하는 방향 산출부와;

   상기 방향 산출부에서 산출된 엔코더 스텝의 증감방향에 따라 위치를 조정하여 제1위치 값을 출력하는 위치 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치.
6. 제5항에 있어서,

   캘리브레이션부는,

   상기 역함수 변환부에서 출력된 2 채널 중 어느 한 채널을 선택하여, 이 채널의 출력값의 절대값을 취한 후 상기 아날로그-디지털 변환기의 분해능에 맞게 변환하여 제2위치 값을 출력하는 제2위치값 획득부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 캘리브레이션부는,

   상기 제1위치 값과 제2위치 값을 합산하여 상기 대상물의 이동량을 산출하는 이동량 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치.
8. 입력된 아날로그 신호로부터 대상물의 이동량을 측정하는 아날로그 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법에 있어서,

   상기 대상물의 이동량에 따라 변화되는 정현파 아날로그 신호를 규격화된 정현파 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계와;

   규격화된 정현파 디지털 신호를 삼각파 신호로 변환하는 단계와;

   변환된 삼각파 신호를 분석하여, 상기 대상물의 이동량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 정현파 아날로그 신호는 2채널 아날로그 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법.
10. 제9항에 있어서,

    규격화된 정현파 디지털 신호 출력단계는,

    일정 속도로 엔코더를 구동하여 각 채널별 엔코더 레벨의 최대값과 최소값을 산출하는 엔코더 레벨 캘리브레이션 단계와;

    각 채널별 엔코더 레벨의 최대값과 최소값을 이용하여 -1과 1 사이의 크기 값을 가지는 각 채널별 사인 함수 출력 레벨로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 삼각파 신호 변환 단계는,

    상기 사인 함수 출력 레벨의 신호 각각에 사인 역함수를 적용하여 산출된 선형 함수를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 대상물의 이동량 산출 단계는,

    소정 구간에서 상기 출력된 선형 함수 각각의 부호가 바뀌는지 여부를 판별하는 단계와;

    엔코더 스텝의 증감방향에 대한 정보를 산출하는 단계와;

    산출된 엔코더 스텝의 증감방향에 따라 위치를 조정하여 제1위치 값을 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 대상물의 이동량 산출 단계는,

    상기 출력된 2 채널의 선형 함수 중 어느 한 채널의 선형 함수를 선택하는 단계와;

    선택된 채널의 출력값을 양수화하는 단계와;

    양수화 된 출력값을 아날로그-디지털 변환기의 분해능에 맞게 변환하여 제2위치 값을 출력하는 단계를 더 포함하여,

    상기 제1위치 값과 제2위치 값을 합산하여 상기 대상물의 이동량을 산출할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 엔코더 장치의 캘리브레이션 방법.

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