KR20090068205A - 인코더신호처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1인코딩영역과 제2인코딩영역이 교번패턴으로 배열된 인코딩영역의 적어도 하나의 원형 트랙으로 구성되는 종류의 로터리 인코더에서 신호를 처리하는 방법에 관한 것으로, 이 방법이 인코딩영역의 트랙이 그 축선을 중심으로 하여 회전할 때 제1인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제1상태와 제2인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제2상태 사이의 일련의 전환으로 구성되는 제1교번출력신호를 발생할 수 있도록 구성된 제1검출기를 제1고정위치에 제공하는 단계, 인코딩영역의 트랙이 그 축선을 중심으로 하여 회전할 때 제1인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제1상태와 제2인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제2상태 사이의 일련의 전환으로 구성되는 제2교번출력신호를 발생할 수 있도록 구성된 제2검출기를 제2고정위치에 제공하는 단계, 제1 및 제2신호에서 제1상태로부터 제2상태로 제1신호의 전환과 이후 제2상태로부터 제1상태로 변화되는 개입시간없이 제1상태로부터 제2상태로 제2신호의 전환으로 구성되는 전환의 유용쌍을 확인하는 단계, 확인된 유용쌍의 전환 사이의 경과시간을 측정하는 단계와, 경과시간을 제1 및 제2검출기 사이의 간격과 조합하여 각속도를 측정하는 단계로 구성됨을 특징으로 한다.
로터리 인코더, 자석트랙, 홀 센서.

Description

인코더신호처리방법 {METHODS OF PROCESSING ENCODER SIGNALS}
본 발명은 인코더신호처리방법의 개선에 관한 것으로, 특히, 로터리 인코더로부터 위치 및/또는 속도를 측정하기 위한 인코더신호처리방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 적어도 하나의 자기인코딩요소 트랙을 포함하는 로터리 인코더에 적합한 것이다.
종래 N극과 S극이 연속하여 교대로 배치된 적어도 하나의 자기요소트랙과, N극의 하나에 근접할 때 제1상태를 가지고 S극의 하나에 근접할 때 제2상태를 갖는 출력신호를 발생하는 검출기로 구성되는 인코더를 제공하는 것이 알려져 있다. 이러한 인코더에 있어서는 트랙이 검출기를 통과할 때 검출기가 제1상태와 제2상태가 교번되는 변조출력신호를 발생할 것이다.
통상적으로, N극과 S극은 길이가 동일할 것이다(인코더 트랙의 운동방향에 대하여). 따라서, 각 극의 길이가 알려져 있는 경우 한 상태로부터 다른 상태로 전환되고 다시 본래의 상태로 복귀하는데 걸리는 출력신호의 시간을 측정함으로서 검출기에 대한 인코더 트랙의 속도를 측정할 수 있다.
트랙은 직선형 인코더인 경우 직선형이고 로터리 인코더의 경우 원형이 될 것이다. 여기에서 원형이라 함은 자기요소가 트랙의 회전축선과 동심원인 원형 트 랙의 둘레에 간격을 두고 배치됨을 의미한다. 이러한 인코더는 회전체, 특히 전기모터의 출력축의 회전위치를 측정하는데 이용될 수 있다.
자기요소가 원형 트랙의 둘레에 등간격을 두고 배치되어 있으며 주연방향의 길이가 동일한 경우, 검출기 신호의 출력에서 전환시간으로부터 각속도를 측정할 수 있다. 종래기술에 있어서, 이러한 종류의 장치는 매 전환 사이를 측정하여 오류를 보상하기 위하여 평균값을 얻는다. 그러나, 평균값을 얻기 위한 전환수가 많으면 많을수록 속도측정이 업데이트되는 속도가 느려진다.
해상도를 높이기 위하여, 자석길이가 감소될 수 있다. 예를 들어, 360개의 자석을 하나의 트랙 둘레에 간격을 두고 배치(트랙의 1°원호당 하나씩)하는 것은 트랙의 둘레에 36개의 자석을 배치하는 것보다 해상도가 10배 높을 것이다. 달리 제안된 방식으로는 나란히 두개의 자기요소트랙을 배치하는 것이 있다. 각위치 인코더의 경우에 있어서, 이는 하나는 안쪽에 그리고 다른 하나는 바깥쪽에 배치되고 공통의 회전축선을 중심으로 하는 두개의 원형 트랙으로 구성될 것이다. 각각의 트랙에 대하여 하나씩 두개의 검출기를 제공함으로서 하나의 트랙을 이용하는 경우 보다 높은 해상도를 얻을 수 있을 것이다.
또 다른 방식으로서 하나의 트랙에 대하여 두개의 검출기를 제공하는 것이 있다. 각 자석요소의 길이의 반에 해당하는 위치에 두 검출기를 배치함으로서 직각위상을 이루는 두 신호가 발생될 것이다. 이는 하나의 검출기를 이용하는 경우의 해상도 보다 해상도는 두배가 될 것이다.
본 발명자들은 일부의 경우에 있어서 한 트랙의 자석들이 다른 트랙의 자석으로부터의 자속과 간섭을 일으켜 검출기로부터의 신호출력을 왜곡시키는 것으로 알게 되었다. 자계의 왜곡은 자석이 실제의 크기보다 길거나 짧음을 나타낸다. 본 발명은 이러한 잠재적인 문제점을 개선하는 확실한 각위치측정방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 제1관점에 따라서, 본 발명은 제1인코딩영역과 제2인코딩영역이 교번패턴으로 배열된 인코딩영역의 적어도 하나의 원형 트랙으로 구성되는 종류의 로터리 인코더에서 신호를 처리하는 인코더신호처리방법을 제공하는 바, 이 방법이 인코딩영역의 트랙이 그 축선을 중심으로 하여 회전할 때 제1인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제1상태와 제2인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제2상태 사이의 일련의 전환으로 구성되는 제1교번출력신호를 발생할 수 있도록 구성된 제1검출기를 제1고정위치에 제공하는 단계, 인코딩영역의 트랙이 그 축선을 중심으로 하여 회전할 때 제1인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제1상태와 제2인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제2상태 사이의 일련의 전환으로 구성되는 제2교번출력신호를 발생할 수 있도록 구성된 제2검출기를 제2고정위치에 제공하는 단계, 제1 및 제2신호에서 제1상태로부터 제2상태로 제1신호의 전환과 이후 제2상태로부터 제1상태로 변화되는 개입시간없이 제1상태로부터 제2상태로 제2신호의 전환으로 구성되는 전환의 유용쌍을 확인하는 단계, 확인된 유용쌍의 전환 사이의 경과시간을 측정하는 단계와, 경과시간을 제1 및 제2검출기 사이의 간격과 조합하여 각속도를 측정하는 단계로 구성된다.
인코딩영역은 N극과 S극 자석으로 구성될 수 있다. 따라서, 트랙은 교대로 배열되는 교번형 N-S 자석으로 구성된다. 이와 같은 경우, 제1영역은 N극이고 제2영역은 S극이며, 그 반대일 수도 있다.
이와 같은 방법으로 트랙에서의 제1 및 제2인코딩 사이의 공통적인 전환에 기인하는 제1 및 제2신호의 변화에 대응하여야 하는 유용쌍의 신호를 구성함으로서, 속도의 계산에서 인코딩영역의 길이변화의 효과가 제거된다. 이들 변화는 인코더의 제조공차 또는 인접한 트랙의 자석으로부터의 간섭 등이 원인이 될 수 있다.
제1신호의 제1 및 제2상태는 제2신호의 제1 및 제2상태와 다를 수 있다. 이들은 같을 수도 있다.
이들 상태는 논리 1 과 논리 0 으로 구성되며, 제1상태가 0 이고 제2상태가 1 일 수 있다. 이러한 경우, 확인된 유용쌍은 상승엣지(rising edge)에 대응할 것이다. 또는, 제1상태가 1 이고 제2상태가 0 이어서 청구된 바와 같은 본 발명은 하강엣지(falling edge)에 응답할 수 있다.
또한, 제1 및 제2상태는 양수값 및 음수값일 수 있으며, 또는 실제로 두개의 상이한 값일 수 있다. 본 발명의 목적을 위하여 전환이 확인되는 것만으로 충분하며, 신호가 나타내는 인코딩영역이 전환의 전후에 검출기를 향하는지의 여부를 확인하는 것이 가능하다. 실제로, 상태는 사용된 검출기의 형태와 사용된 후처리회로에 의하여 결정될 것이다.
본 발명의 방법은 제1신호와 이후의 제2신호의 모든 인접한 전환을 확인하는 단계, 유용쌍을 구성하지 않는 것(즉, 제1신호의 N-N 변화와 이후 제2신호의 N-N 변화, 또는 제1신호의 S-S 변화와 이후 제2신호의 S-S 변화에 대응하지 않는 것)을 거절하는 단계와, 속도를 측정하기 위하여 나머지 유용쌍의 적어도 하나을 이용하는 단계로 구성된다.
따라서, 본 발명의 방법은 변화를 연속적으로 모니터하여 신호의 변화에서 "불량"쌍을 거절할 것이다.
물론, 본 발명은 유용쌍의 전환으로서 상승엣지와 하강엣지 모두를 확인하는 것까지 확장될 수 있다. 이를 위하여, 방법은 부가적으로 제1 및 제2신호에서 제2상태로부터 제1상태로 제1신호의 전환과 이후 제1상태로부터 제2상태로 변화되는 개입시간없이 제2상태로부터 제1상태로 제2신호의 전환으로 구성되는 전환의 유용쌍을 확인하는 단계를 포함한다.
수정형태에서, 본 발명은 차례로 수신되는 적어도 4개 쌍의 전환을 확인하는 단계를 포함할 수 있다. 방법이 유용쌍의 구성에 있어서 상승엣지와 하강엣지 모두에 응답하는 경우, 4개 쌍의 시컨스는 두개의 유용쌍과 두개의 "불량"쌍으로 구성될 것이다. 각 두개 "불량"쌍 사이의 평균시간은 균형을 이룰 것이므로, 방법은 모든 4개 쌍 사이의 시간을 더하는 단계와 이를 4로 나누는 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명의 방법은 전환쌍의 전체 시간을 검출기 사이의 간격의 동일배수에 조합하여 평균값을 얻음으로서 속도를 측정할 수 있도록 2, 3 또는 4 또는 그 이상의 유용쌍을 이용한다. 이는 신호의 잡음 또는 지터(jitter)(디지털 신호의 지터)를 보상하는데 도움이 되는 평균값을 얻을 수 있도록 한다.
또한 본 발명의 방법은 속도의 측정에 부가하여 또는 이에 관계없이 인코더의 위치를 측정한다.
또한 본 발명의 방법은 두개의 유용쌍과 두개의 거절쌍을 포함하는 제1 및 제2신호의 잠정적으로 인접한 전환의 4개 쌍의 시컨스를 확인하는 단계, 거절쌍의 적어도 하나의 전환 사이의 시간경를 측정하는 단계와, 각 거절쌍에 대한 경과된 시간에러값을 측정하기 위하여 유용쌍의 시간경과를 거절쌍에 대한 각 시간경과에 비교하는 단계를 포함한다.
각 거절쌍에 대한 시간에러값을 측정하기 위하여, 이들 각 쌍에 대한 경과시간의 에러를 보상하고 측정된 전환점의 에러를 보상할 수 있다. 거절쌍은 어느 한 자석전환에 의한 제1신호에서의 변화와 이후 다른 자석위치에 의한 제2신호에서의 변화에 대응할 것이다. 따라서, 이는 자석의 길이에 따라 달라지는 것으로 검출기의 간격에 따라 달라지지는 않으며, 에러시간은 자석길이의 실질적인 에러에 의한 원치않거나 예상치 않은 변화 및/또는 자계왜곡에 의한 간겨 또는 길이의 인지된 변화를 보상할 수 있다.
에러시간은 이러한 에러시간을 속도추정값에 비교함으로서 각 거절쌍의 각도에러로 변환될 수 있다. 이는 유용쌍으로부터 얻은 최신의 추정값이어야 한다.
본 발명의 방법은 트랙의 둘레에 간격을 두고 배치된 자석엣지(여기에서 엣지는 전환이 이루어지는 부분이다)에 대하여 모든 자석에 대해 각도에러를 얻을 때까지 반복된다. 이는 다른 전환에 비하여 보다 정확한 위치측정이 이루어질 수 있도록 할 것이다.
각 자석에 대하여 얻은 각도에러는 자석의 상대위치가 충분히 측정될 수 있도록 하는 반면에, 절대위치의 측정이 이루어지도록 하지 않을 것이다. 그 원인은 비록 허용쌍에서 신호변화 사이의 경과시간이 정확하고 자석에러에 의하여 변화하지는 않을 것이지만, 이러한 쌍이 만들어내는 전환의 위치가 알려져 있지 않기 때문이다. 예를 들어, 인접한 자석에 의하여 스스로 왜곡되는 자석 사이에 전환이 이루어진다면 이러한 전환은 그 이상적인 위치로부터 벗어날 것이다.
절대위치를 측정하기 위하여, 본 발명의 방법은 또한 어느 알려진 위치에서 일어나는 자석쌍 사이의 전환에 대응하는 제1 및 제2신호에서의 전환의 유용쌍을 확인하는 단계와, 이러한 알려진 위치에 대하여 다른 모든 위치측정값을 참조하는 단계를 포함한다.
어느 알려진 위치에서 확인된 유용쌍은 다른 영향으로 자계의 왜곡이 일어나지 않는 것으로 알려진 위치에서 자석 사이의 전환일 수 있다. 이와 같이, 이러한 전환은 그 "이상적인" 위치에서의 전환인 것으로 가정될 수 있다.
일부 인코더에는 인덱스 펄스와, 기계적인 참조점이 구비되어 있는 바, 기계적인 참조점은 통상적으로 이용되는 것이거나 또는 이상적인 참조점일 수 있다.
인코더가 적어도 하나의 부가적인 자석의 인접한 트랙을 포함하는 경우, 선택된 전환은 다른 트랙의 반대극성 자석 사이의 전환과 일치하는 것일 수 있다. 여기에서, N극이 S극을 만날 때, 부가적인 트랙에서 발산되는 자속을 인코딩 영역 트랙의 전환에 최소의 영향만을 미칠 것이다.
측정불량이 보상의 오류를 일으키는 것을 방지하기 위하여, 시간상수가 K filt 인 1차필터를 이용하여 위치에러가 여과될 수 있다. 이러한 필터는 새로운 보상값이 계산될 때 실행된다.
본 발명의 방법에 의하여 계산된 에러값은 탐색표의 형태로 메모리에 저장된다. 이는 인코딩영역의 공차 또는 자계왜곡과 같은 영구적인 효과에 의한 에러가 전체 시간을 통하여 변하지 않으므로 가능하다. 필요한 경우 이들은 주기적으로 다시 계산되고 탐색표가 업데이트된다.
인코더가 두개의 트랙으로 구성되는 경우, 이러한 트랙에 의하여 형성되는 패턴은 인코더의 둘레에서 주기적으로 반복되고, 탐색표의 크기는 대칭을 이용하여 감소될 수 있다.
에러가 측정되었을 때 인코더위치측정은 측정된 위치에 에러값을 가산함으로서 보상되어 보상된 위치측정값을 얻을 수 있다.
비록 이론적으로는 실제로 시스템의 전체속도범위에 걸쳐 작동될 수 있도록 적용될 수 있으나 보상계산범위에는 한계가 정하여질 필요가 있다. 이러한 한계는 알고리즘의 각 반복에서 인코더의 모든 상태를 확인할 필요가 있기 때문에 요구되는 것이다. 높은 속도에서는 타이머 양자화가 문제될 수 있다.
본 발명 방법의 최적한 수행을 위하여 에러가 계산되는 동안에 인코더의 회전속도는 일정하게 유지되어야 한다. 따라서, 본 발명의 방법은 에러의 측정단계가 수행되는 동안에 인코더의 회전속도를 제어하는 일련의 단계로 구성된다. 또는, 속도가 일정하다는 가정이 요구된다. 예를 들어, 인접타이밍값을 얻을 수 있다. 만약 양측의 타이밍측정값이 동일하다면 이들 타이밍측정값 사이의 속도는 일정한 것으로 가정될 수 있다.
제2관점에서 본 발명은 본 발명의 제1관점에 따른 방법을 수행할 수 있게 된 인코더를 제공한다.
본 발명의 인코더는 나란히 배열된 두개의 자석트랙으로 구성된다. 이들 트랙은 원형이다.
본 발명은 트랙 사이의 잠재적인 간섭 때문에 자기인코더가 하나 이상의 트랙을 갖는 것이 최대의 이점을 주는 것으로 이해될 수 있을 것이다. 그러나, 정확성의 개선을 위하여 옵티컬 인코더와 같은 다른 형태의 인코더가 이용될 수 있다. 본 발명의 방법은 인코더 요소의 크기 및 위치에 관련한 공차를 보상할 것이다.
본 발명의 원리는 직선형 또는 원형 인코더에 적용될 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1관점에 따른 방법에 따라 각위치를 측정하기 위한 장치의 설명도.
도 2는 도 1에서 보인 인코더에서 자석의 상대위치와 검출기의 상대위치를 부분적으로 보인 설명도.
도 3은 도 2에서 보인 전기주기(electrical cycle)에서 도1에서 보인 인코더의 검출기로부터 신호출력의 이상적인 변화를 설명하는 설명도.
도 4는 인코더 트랙 사이의 간섭에 의한 에러를 포함하는 실제출력에 대하여 이상적인 출력을 비교하는 설명도.
도 5는 인코더의 완전한 기계적인 1회전 동안에 이상적인 위치에 대한 인코더 엣지위치의 변화를 설명하는 설명도.
도 6은 자석 사이의 공통의 단일전환의 교차에 대응하는 출력신호내의 일정한 폭의 인코더상태의 존재를 보이고 각 전기주기에 대한 에러의 주기적인 반복을 보인 설명도.
도 7은 인코더의 1회전 동안 출력신호의 엣지 대 엣지 위치변화를 설명하는 설명도.
도 8은 엣지위치의 여러 에러를 보인 설명도.
도 9는 본 발명의 방법에 의하여 적용될 수 있는 보상속도를 보인 설명도.
도 10은 인코더가 번가라 양방향으로 회전할 때 위치측정에 대한 본 발명 방법의 적용예를 설명하는 설명도.
위치감지장치(10)가 도 1에 도시되어 있다. 이는 3상 전기모터(13)의 출력축(12)에 부착되는 인코더(11)로 구성된다. 이 장치는 일련의 볼트(도시하지 않았음) 또는 용접으로 출력축(12)에 고정되는 인코더 디스크로 구성된다. 이 디스크에는 출력축을 중심으로 하여 동심원상으로 배열된 자석의 두 트랙(14, 15)이 실려있다. 제1트랙은 자석의 3개 자극쌍으로 구성되고 각 자극쌍은 120°원호의 기계각을 점유하며 제2트랙은 24개 자석을 한 셋트로 하는 3개 셋트가 배열된 36개 자극쌍으로 구성되고 24개 자석의 한 셋트는 제1트랙의 자석의 한 자극쌍과 동일한 각도범 위를 점유한다.
인코더 디스크 측의 고정브라킷트에는 두 셋트의 검출기(16, 17)가 실린 인쇄회로기판(pcb)이 착설되어 있다. 여기에서 제1셋트의 검출기(17)는 홀효과센서의 셋트이다. 이들은 이들이 제1트랙의 자석을 통과하는 것을 검출할 수 있도록 정렬되어 있다. 3 비트(8개의 값)코드로 구성되는 홀 센서의 출력이 모터 콘트롤러에 보내지며 이러한 모터 콘트롤러는 정류를 위하여 모터상에 인가되는 전압을 제어한다.
제2셋트의 검출기(16)는 홀효과 센서 또는 리드 스위치(Reed switch)와 같은 자계의 변화에 응답하는 다른 센서로 구성된다. 이는 제2트랙측을 향하여 정렬되어 제2트랙의 자석으로부터의 자계변화에 응답할 수 있게 되어 있다. 이에 인접하여 다른 홀효과 센서가 배치된다. 이는 제1셋트의 센서와 동일하나 이는 제1센서로부터 약간의 거리를 두고 배치되어 있으므로 제2트랙의 다른 영역에 대한 응답시간이 다를 수 있을 것이다.
이러한 실시형태에서 제2셋트의 제1 및 제2센서 사이의 간격은 제2트랙의 자석의 각도길이의 반에 해당하도록 선택된다(즉, 제2셋트의 자석이 이루고 있는 원호의 반). 이와 같이 함으로서, 인코더가 회전할 때 제1 및 제2검출기는 제2트랙 자석의 N극 및 S극이 센서를 통과하는 매번의 전환시에 일어나는 주기적인 변화를 보이는 신호를 발생할 것이다. 이들은 자석 길이의 반 정도 간격을 두고 있으므로 이들의 출력은 직각위상이 될 것이다.
센서로부터의 출력신호는 프로세서(18)로 보내어지고 여기에서 이들 출력신 호는 모터 회전축의 위치와 속도를 측정하기 위하여 처리된다. 이러한 정보는 모터 콘트롤러(19)에 보내져 모터(13)의 정류를 제어하는데 이용된다.
제1(동위상) 및 제2(직각위상) 센서의 출력은 조합하여 다음의 상태와 같이 정의될 수 있는 2비트(4개 상태) 신호를 얻는다.
상태 0 - S극 자석이 제2(직각위상) 검출기와 또한 제1(동위상) 검출기측으로 향한다.
상태 1 - S극 자석이 제2 검출기측으로 향하고 N극 자석이 제1 검출기측으로 향한다.
상태 2 - N극 자석이 제2 검출기측으로 향하고 S극 자석이 제1 검출기측으로 향한다.
상태 3 - N극 자석이 제2 검출기측으로 향하고 N극 자석이 제1 검출기측으로 향한다.
제2 및 제3 검출기로부터의 이상적인 출력신호 셋트가 도 1에 도시되어 있는 바, 인코더 동위상 및 직각위상 신호가 자석의 엣지에 정확히 대응하는 신호의 정확한 전기위치와 변화를 보인다.
그러나, 실제의 실시형태에서, 등간격을 둔 이상적인 위치에서 벗어난 엣지위치의 변화를 보일 것이다. 이들 변화의 일부는 자석의 공차 때문에 나타날 것이다. 본원 발명자들은 대부분의 변화가 제2트랙의 자석과 간섭하는 제1트랙의 홀효과 자석 때문에 일어나는 것을 발견하였다.
홀 센서에 N극이 존재하므로 이에 방사상으로 정렬되는 제2트랙의 N극은 강 화되고(이들의 유효폭이 증가) S극은 약화된다(이들의 유효폭이 감소). 마찬가지로 S극이 N극과 S극을 각각 강화시키고 약화시킨다. 제2트랙으로부터 발산된 자화패턴의 효과는 전체 홀 자석을 가로질러 달라지며 홀 자석의 중앙 자극이 가장자리의 것에 비하여 보다 큰 효과를 갖는다.
동위상 및 직각위상 신호에 대한 왜곡이 도 4에 도시되어 있는 바, 여기에서 좌측 도면이 이상적인 인코더이다. 우측 도면은 홀 인코더의 N극 및 S극 모두가 인코더 동위상 및 직각위상 신호에서 갖는 효과를 보이고 있다.
인코더 가장자리 위치의 왜곡 때문에 모터의 측정된 위치의 효과는 현저할 것이다. 도 5는 도 1의 예에 도입된 에러의 크기를 설명하는 것으로, 상부 트랙은 기계적인 완전한 1회전 동안 3개의 홀 센서 상태와 인코더의 동위상 및 직각위상 신호를 보이고 있다. 측정은 고해상도 인코더에 대한 참조를 통하여 이루어졌다. 하부 트랙은 엣지 대 엣지 변화를 보인 것으로 이 예에서는 기계각이 2.5°로 일정하다.
이상적인 인코더의 엣지 대 엣지 차이의 편차는 기계각 ±0.8°임을 알 수 있다. 이는 1회전 마다 전기위치가 ±2.4°씩 변화함을 의미한다. 이는 순전히 인코더 왜곡 만으로 속도신호에서 ±300rpm의 잡음으로 변환된다.
이미 언급된 바와 같이, 효과는 홀 센서 자석에 대하여 변화하고 이는 매 전기주기 마다 반복하는 변화의 주기특성임이 명백하다. 또한 모든 다른 전환에 대하여서는 에러가 아주 작은데, 이는 도 7에서 설명된다.
에러의 주기적인 특성의 이유는 도 2에서 보인 바와 같이 인코더의 구조에 기인한다. 홀 센서(1, 2, 3)를 위한 것과 인코더 센서(P 및 Q)를 위한 것으로, 두개의 자기트랙이 있다. PCB 상의 인코더 센서는 이들이 2.5°의 기계각으로 간격을 두고 배치된다. 양측 센서는 동일한 자기트랙을 향하고 있으므로 두 신호사이의 직각위상은 순전히 센서의 배치정확도에 기인한다. 이러한 배치정확도는 매우 높으며 제안된 해결방식의 기초를 이루는 것이다.
본 발명자들은 속도신호가 인코더 타이밍을 수정함으로서 비교적 용이하게개선될 수 있으나 위치신호의 개선이 적응알고리즘(adaptive algorithm)을 요구하는 방법을 공식화하였다.
속도측정
비록 출력신호의 상태가 기계적인 구성에 의하여 전기주기에서 폭의 변화를 보이지만 한 출력신호의 상승엣지로부터 다른 출력신호의 상승엣지까지의 거리는 일정하게 유지되는 바, 상태 1 및 상태 2의 각거리가 일정하게 유지되어 속도를 계산하는데 이러한 엣지 사이의 타이밍을 이용할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다(도 3 참조). 이미 언급된 바와 같이 이러한 각거리는 인코더내의 센서 배치정확도에 의하여 결정된다.
속도는 다음과 같이 °mech/s로 계산될 수 있다.
Figure 112009013517718-PCT00001
여기에서 t av =1/2(t 1 + t 2 ) 또는 t av =1/4(t 1 + t 2 +t 3 + t 4 ) 그렇지 않으면 좋지 않다.
θ ENC 는 인코더 엣지 사이의 각거리이다.
t 1 및 t 2 는 각 상승엣지와 하강엣지 사이의 시간이다.
단 하나의 타이밍측정을 이용하는 것이 가능하나 부가적인 측정은 계산에서 타이밍 지터에 의한 잡음의 존재를 줄여야 할 것이다. 도면에서 보인 에에서 엣지 대 엣지 거리 θ ENC 는 2.5°기계각이다.
구성면에서 볼 때 속도는 상태 0 또는 상태 3에 있을 때에만 계산되어야 한다. 즉 최종 엣지전환장보가 상태 1 및 상태 2에 관련될 것이다.
위치측정
다시 도 5로 돌아가서, 에러는 주기적이며 모든 전기주기에서 반복한다. 이는 도 7에서 3개의 모든 전기주기를 보인 바와 같이 확인된다. 실제로 전기주기의 S극 반부분은 N극의 음수이다. 이는 보상저장을 더 감소시키는데 이용될 수 있다. 다시 모든 다른 전환은 실질적으로 에러가 없음이 명백하다(이미 언급된 이유로).
위치신호를 개선하기 위하여 본 발명자들은 위치내에 존재하는 변화가 측정되고 보상될 수 있다는 것을 이해하게 되었다.
위치에러계산
이미 언급된 바와 같이두 인코더 상태(1 및 2)는 홀 센서 자석의 간섭효과에도 불구하고 일정하게 그리고 정확하게 유지된다. 이 정보는 인코더 위치에 존재하는 에러를 수정하는데 이용될 수 있다.
도 8은 홀 센서가 상태를 변경하는 싯점의 기계주기의 일부를 보인 것이다. 참조용으로 이상적인 인코더가 도시되어 있으며 에러의 변화는 N극과 S극이 인코더 자석에 오류를 일으킬 때 e 로 표시하였다.
모터는 일정한 속도로 회전하여 인코더 상태 1의 시간이 인코더 상태 2의 시간과 동일할 것이라고 가정한다. 속도계산으로 두개의 타이밍측정값이 평균되어 타이밍 지터를 최소화하고 인코더가 상태전환 사이의 값을 얻는 시간 t av 를 측정한다.
상태전환의 정확한 시간이 알려져 있어 상태 3과 상태 0 을 통한 전환의 타이밍정보가 시험될 수 있다. 이상적으로 이들은 t av 와 동일하여야 하나 왜곡에 의하여 이들이 달라질 수 있다. 차이는 왜곡에 의하여 도입된 에러를 계산하는데 이용될 수 있는 각 상태의 실제각도차이를 계산하는데 이용될 수 있다.
실제의 인코더 엣지 대 에지 차이는 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112009013517718-PCT00002
또는
Figure 112009013517718-PCT00003
Figure 112009013517718-PCT00004
또는
Figure 112009013517718-PCT00005
이미 언급된 바와 같이 상태 1과 상태 2는 고정된 인코더의 배치정확도에 의하여 결정되므로, θ 1 = θ ENC 이고 θ 2 = θ ENC 이다.
실제위치차이가 알려져 있으므로 위치에러, 즉, 이상적인 θ ENC 으로부터의 편차가 다음과 같이 계산될 수 있다.
e 3 = θ ENC - θ 3
e 2 = e 3
e 0 = θ ENC - θ 0
e 1 = e 0
비록 인코더 상태 1 및 2에 대하여 폭이 일정하고 정확하지만, 엣지의 절대위치가 부정확하다는 점을 유의하여야 한다. 이러한 차이는 상태 0 및 상태 3에 의하여 도입된 에러 때문이며 이는 보상되어야 한다.
모든 엣지가 이동되므로 절대참조점이 요구된다. 이러한 참조점은 홀 센서의 상태가 변화하는 위치이다. 홀의 상태가 변화할 때, 홀 자석이 인코더 자화에 작용하는 왜곡이 무시되고 인코더 전환이 정확한 위치에 놓이는 것으로 가정된다.
위치에러필터
불량측정으로 보상이 이루어지지 않는 것을 방지하기 위하여 위치에러는 시간상수 K filt 를 갖는 1차필터를 이용하여 여과되어야 한다. 이러한 필터는 새로운 보상값이 계산되었을 때에만 실행될 수 있다.
위치에러저장
이미 언급된 바와 같이 위치에러는 모든 전기주기에서 반복되므로 보상알고리즘을 위한 저장조건은 다음으로 정의되는 전기주기내에서 모든 인코더 전환에 대 한 보상값을 제공하는 것이다.
Figure 112009013517718-PCT00006
여기에서 p 는 자극쌍의 수이다. 계수가 ½ 인 것은 보정항 e 1 및 e 2 가 각각 e 0 및 e 3 과 동일하기 때문이다. 이러한 결과로 저장조건은 반감될 수 있다. 예시된 실시형태에서 저장크기는 1 전기주기에 대하여 24 이다.
그리고 인코더 카운트 k 가 반감될 수 있으며 보상의 계산과 적용을 위한 테이블에서 인덱스로 사용될 수 있다.
위치에러보상
에러가 측정되었을 때 인코더위치측정이 다음과 같이 보상될 수 있다.
θ' K = θ K + e K
보상값은 보상테이블에 인덱싱하여 적용될 수 있다. 비록 보상값의 계산을 위하여 보상값이 측정되었을 때 모든 인코더 상태를 확인하기 위한 알고리즘이 필요하지만 적용이 모든 상태를 확인할 필요없이 직접 인덱싱될 수 있다(인코더 카운트가 참조점을 유지한다).
보상조건
비록 이론상으로는 실제 적응이 시스템의 전체 속도범위를 통하여 작동이 가능하다하여도 보상계산범위에 한계가 배치될 필요가 있다. 이러한 한계는 알고리즘의 반복을 통하여 모든 인코더 상태를 확인하여야 한다는 조건 때문에 요구된다. 빠른 속도에서는 타이머 양자화가 역시 문제가 될 수 있다.
각 인코더 상태내에서 적어도 하나의 알고리즘이 실행될 수 있도록 하기 위하여, 보상이 계산되는 최대속도(단위 rpm)가 다음과 같이 정의된다.
Figure 112009013517718-PCT00007
최소속도 ω min 는 동위상 및 직각위상 엣지에 대한 최대타이머길이에 의하여 정의된다. 히스테리시스는 ω max 및 ω min 모두에 적용되어야 한다.
보상알고리즘의 최적한 실행을 위하여, 모터 속도는 일정하여야 하며 작은 각도범위에서도 속도가 일정하게 유지되어 문제가 일어나지 않아야 한다. 안정된 상태의 조건하에서, 속도는 일정할 것이므로 t 1
Figure 112009013517718-PCT00008
t 2 이다. 만약 t 1 및 t 2 가 서로 일정한 비율내에 있는 경우 보상의 계산이 이루어져야 한다.
인코더 엣지는 도 9에서 보인 바와 같이 상태 1 일 때 한번 그리고 상태 2 일 때 한번씩 인코더 주기에서 두번 보상될 수 있다.
위치반전
엣지위치보상은 양방향이며 방향에 관계없이 동일한 보상값이 적용될 수 있다. 이는 도 10에서 확인될 수 있는 바, 이 도면은 이상적인 인코더 엣지에 대한 방향의 반전과 에러들을 보이고 있다.
따라서, 본 발명은 적어도 부분적으로 에러가 "양호하게" 유용한 쌍과 "불량"쌍의 전환으로 유도하고, 양호한 쌍은 검출기 사이의 간격에 의하여 고정되며 불량쌍은 인코더 요소의 공차 또는 다른 영향에 의하여 변화한다는 것을 인식하는 것에 있음을 이해할 것이다. 이를 고려하여 속도 또는 위치측정이 이루어질 수 있도록 하는 방법이 보호될 수 있도록 개발되었다.
여러가지 다른 방식이 고려될 수 있으며 보호범위는 예시하고 설명한 내용으로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 둘 이상의 겁출기로 판독되고 자석 또는 다른 부호화요소를 포함할 수 있는 인코더까지 확장될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 단일 트랙을 이용하거나 또는 본문에 언급된 바와 같이 홀 센서를 위하여 사용된 요소의 트랙이 인코더 요소의 다른 트랙에 부가되어 고해상도의 위치 및 속도정보를 얻을 수 있는 보다 복잡한 방식을 이용하는 모터의 정류를 제어하는데 이용되는 측정에 적용될 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 제1인코딩영역과 제2인코딩영역이 교번패턴으로 배열된 인코딩영역의 적어도 하나의 원형 트랙으로 구성되는 종류의 로터리 인코더에서 신호를 처리하는 인코더신호처리방법에 있어서, 이 방법이 인코딩영역의 트랙이 그 축선을 중심으로 하여 회전할 때 제1인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제1상태와 제2인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제2상태 사이의 일련의 전환으로 구성되는 제1교번출력신호를 발생할 수 있도록 구성된 제1검출기를 제1고정위치에 제공하는 단계, 인코딩영역의 트랙이 그 축선을 중심으로 하여 회전할 때 제1인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제1상태와 제2인코딩영역에 정렬되는 것에 대응하는 제2상태 사이의 일련의 전환으로 구성되는 제2교번출력신호를 발생할 수 있도록 구성된 제2검출기를 제2고정위치에 제공하는 단계, 제1 및 제2신호에서 제1상태로부터 제2상태로 제1신호의 전환과 이후 제2상태로부터 제1상태로 변화되는 개입시간없이 제1상태로부터 제2상태로 제2신호의 전환으로 구성되는 전환의 유용쌍을 확인하는 단계, 확인된 유용쌍의 전환 사이의 경과시간을 측정하는 단계와, 경과시간을 제1 및 제2검출기 사이의 간격과 조합하여 각속도를 측정하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  2. 제1항에 있어서, 인코딩영역이 N극과 S극 자석으로 구성됨을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  3. 제2항에 있어서, 제1영역이 N극이고 제2영역이 S극임을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  4. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 제1신호와 이후의 제2신호의 모든 인접한 전환을 확인하는 단계, 유용쌍을 구성하지 않는 것을 거절하는 단계와, 속도를 측정하기 위하여 나머지 유용쌍의 적어도 하나을 이용하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  5. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2신호에서 제2상태로부터 제1상태로 제1신호의 전환과 이후 제1상태로부터 제2상태로 변화되는 개입시간없이 제2상태로부터 제1상태로 제2신호의 전환으로 구성되는 전환의 유용쌍을 확인하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  6. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 두개의 유용쌍과 두개의 "불량"쌍으로 구성되어 차례로 수신되는 적어도 4개 쌍의 전환을 확인하는 단계, 모든 4개 쌍 사이의 시간을 더하는 단계와, 이를 4로 나누는 단계를 포함함을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  7. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 인코더의 위치를 측정하는 단계를 포함 함을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  8. 제7항에 있어서, 두개의 유용쌍과 두개의 거절쌍을 포함하는 제1 및 제2신호의 잠정적으로 인접한 전환의 4개 쌍의 시컨스를 확인하는 단계, 거절쌍의 적어도 하나의 전환 사이의 시간경를 측정하는 단계와, 각 거절쌍에 대한 경과된 시간에러값을 측정하기 위하여 유용쌍의 시간경과를 거절쌍에 대한 각 시간경과에 비교하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  9. 제8항에 있어서, 에러시간이 이러한 에러시간을 속도추정값에 비교함으로서 각 거절쌍의 각도에러로 변환됨을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  10. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 어느 알려진 위치에서 일어나는 자석쌍 사이의 전환에 대응하는 제1 및 제2신호에서의 전환의 유용쌍을 확인하는 단계와, 이러한 알려진 위치에 대하여 다른 모든 위치측정값을 참조하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 인코더신호처리방법.
  11. 청구항 제1항 내지 제10항의 방법을 수행함을 특징으로 하는 인코더.
  12. 제11항에 있어서, 나란히 배열된 두개의 자석트랙으로 구성됨을 특징으로 하는 인코더.
  13. 제10항, 제11항 또는 제12항에 있어서, 인코더영역이 자석으로 구성됨을 특징으로 하는 인코더.
  14. 제12항에 있어서, 트랙이 원형 트랙임을 특징으로 하는 인코더.
  15. 제11항, 제12항, 제13항 또는 제14항에 있어서, 인코더가 두개의 자석트랙으로 구성되고, 각 자석이 인코딩영역을 한정하며, 일측 트랙의 하나 이상의 자석으로부터의 자계가 타측 트랙의 하나 이상의 자석의 자계와 간섭하여 교번출력신호에서 경과시간 측정에러를 제1상태로부터 제2상태로의 전환 사이의 측정된 시간에 도입함을 특징으로 하는 인코더.
  16. 본문에 상술하고 도시한 바와 같은 로터리 인코더에서의 신호처리방법.
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