KR20210084851A - 배터리를 사용하지 않는 절대 인코더 - Google Patents

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Abstract

모터의 위치 인식을 위한, 배터리를 사용하지 않는 절대 인코더를 개시한다.
본 실시예는, 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력이 가해지는 경우, 증분식 인코더(incremental encoder) 및 발전기(generator)를 이용하여, 배터리 없이 모터의 절대 위치(absolute position)를 측정 및 저장함으로써, 전원이 재공급되었을 때 모터의 위치에 대한 초기화 과정을 필요로 하지 않는 절대 인코더(absolute encoder)를 제공한다.

Description

배터리를 사용하지 않는 절대 인코더{Batteryless Absolute Encoder}
본 발명은 모터의 위치 인식을 위한, 배터리를 사용하지 않는 절대 인코더에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
모터의 제어에 이용되는 인코더(encoder)는 모터를 정밀하게 제어하기 위해 사용되는 위치센서(position sensor) 중의 하나이다. 인코더 중 증분식 인코더(incremental encoder)를 이용하여 모터 내부의 코일(coil)과 자석(magnet) 간의 상대위치(relative position)를 인식하고, 이를 모터의 제어에 이용할 수 있다. 그러나 로봇(robot)과 같은 안전이 특히 중요한 장치에서는, 전원이 공급되는 즉시 모터의 위치에 기반하는 로봇의 자세가 인지되어야 한다.
로봇에 일반적으로 사용되는 위치센서로서 절대 인코더(absolute encoder)가 있다. 이는 모터의 일 회전(one revolution)에 대한 절대위치(absolute positon)를 출력하는데, 전원이 제거되었을 경우에도 배터리를 이용하여 모터가 회전된 양을 측정할 수 있다. 그러나 모터를 장착한 시스템의 유지 보수가 특히 어려운 장치, 또는 안전이 특히 중요한 군사 목적의 시스템과 같은 경우, 배터리를 사용하지 않는(batteryless) 절대 인코더를 사용하여, 초기화 과정이 없이도 현재 위치를 인지할 수 있어야 한다.
인코더는 크게 광학식(optical) 인코더 및 자기식(magnetic) 인코더로 분류된다. 광학식 인코더는 분해능을 높일 수 있다는 장점을 가지나 고가이고 내환경성이 낮다는 단점을 갖는다. 한편, 자기식 인코더는 비접촉식으로 반영구적이며 내환경성에 강하여 저가의 구성이 가능하다는 장점을 가지나 정밀도가 낮으며 외부 자기장의 간섭으로 인해 신호의 왜곡을 가져올 수 있다는 단점이 있다. 이하 본 기술은 광학식 인코더를 이용하는 분야로 한정한다.
도 6에 도시된 바와 같이 광학식 인코더는 발광부, 코드 휠(code wheel) 및 수광부를 포함한다. 광학식 인코더에서는, 발광부의 포토 다이오드(photo diode)에서 방출한 적외선이 모터와 동반하여 회전하는 코드 휠 상의 슬릿(slit)을 통과한 후, 수광부의 포토 트랜지스터 어레이(photo transistor array)에 의하여 수신된다. 코드 휠에 존재하는 슬릿의 배치에 기반하여 광학식 인코더는 모터의 위치 정보를 발생시킬 수 있다.
코드 휠의 구현 방식에 따라 광학식 인코더는 증분식(incremental) 인코더 및 절대 인코더로 분류된다. 도 6의 도시는 증분식 인코더를 나타낸다. 증분식 인코더는 모터의 회전 방향, 상대 위치 및 일회전 중의 원점을 나타낼 수 있는 펄스(pulse)를 생성한다. 한편, 절대 인코더는 모터의 절대 위치를 표현할 수 있는 이진 코드(binary code)에 대응되는 펄스를 생성한다.
정지 상태로부터, 전원의 공급에 따라 모터가 가동되는 경우, 증분식 인코더를 사용하는 모터는 초기화 과정을 수행하여, 모터의 절대 위치를 측정한다. 이와 달리 절대 인코더를 사용하는 모터는 초기화 과정을 필요로 하지 않는다. 그러나, 증분식 인코더와 비교 시, 절대 인코더는 요구되는 분해능(resolution)을 구현하기 위해 복잡도가 증대되어야 한다. 또한, 절대 인코더가 배터리 없이 구현되는 경우, 정지 상태의 모터에 가해질 수 있는 외력(external force)에 따른 다중 회전(multi-turns)을 인지하기 위해, 절대 인코더가 기어 박스를 포함해야 하므로 복잡도가 추가로 증대되는 문제가 있다.
따라서, 증분식 인코더를 이용하되, 모터가 정지된 상태에서도 배터리 없이 모터의 절대 위치를 인지할 수 있는 인코더가 요구된다.
본 개시는, 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력(external force)이 가해지는 경우, 증분식 인코더(incremental encoder) 및 발전기(generator)를 이용하여, 배터리 없이 모터의 절대 위치(absolute position)를 측정 및 저장함으로써, 전원이 재공급되었을 때 모터의 위치에 대한 초기화 과정을 필요로 하지 않는 절대 인코더(absolute encoder)를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 모터의 절대 위치(absolute position)를 생성하는 절대 인코더(absolute encoder)에 있어서, 상기 모터의 위치에 대한 정보를 포함하는 펄스(pulse)를 생성하는 증분식 인코더(incremental encoder); 외부 전원이 차단되어 상기 모터가 정지된 상태에서 상기 모터에 외력(external force)이 가해지는 경우, 상기 외력에 따른 상기 모터의 회전을 이용하여 발전 전원을 생성하는 발전기; 및 상기 증분식 인코더의 출력 및 상기 발전 전원을 이용하여, 배터리 없이 상기 모터의 절대 위치를 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 홀센서(Hall sensor)를 이용하는 절대 인코더(absolute encoder)에 있어서, 상기 모터의 위치에 대한 정보를 포함하는 펄스(pulse)를 생성하는 증분식 인코더(incremental encoder); 외부 전원이 차단되어 상기 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력(external force)이 가해지는 경우, 상기 외력에 따른 상기 모터의 회전을 이용하여 발전 전원을 생성하는 발전기; 및 상기 홀센서의 출력, 상기 증분식 인코더의 출력 및 상기 발전 전원을 이용하여, 배터리 없이 상기 모터의 절대 위치를 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 절대 인코더(absolute encoder)에 의한 모터의 절대 위치(absolute position) 측정에 있어서, 전원이 상기 모터에 공급되는 동안, 충전장치를 충전하는 과정; 상기 전원이 차단된 직후, 상기 충전장치를 이용하여 상기 모터가 정지되기 전의 위치를 비휘발성(non-volatile) 메모리에 저장하는 과정; 상기 모터에 외력(external force)이 가해짐에 따라 발전기가 가동되어 상기 발전기가 과도 상태(transient state)에서 발전 상태(generation state)로 전환된 직후, 홀센서(Hall sensor) 및/또는 증분식 인코더(incremental encoder)의 출력을 이용하여 상기 과도 상태에서의 모터의 회전을 보정하는 과정; 및 상기 발전기가 발전 상태인 경우, 증분식 인코더(incremental encoder)의 출력을 이용하여 상기 절대 위치를 산정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 인코딩방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 절대 인코더에 의한 절대 인코딩방법이 포함하는 각 단계를 실행시키기 위하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따르면, 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력(external force)이 가해지는 경우, 증분식 인코더(incremental encoder) 및 발전기(generator)를 이용하여, 배터리 없이 모터의 절대 위치를 측정 및 저장할 수 있는 절대 인코더(absolute encoder)를 제공함으로써, 전원이 재공급되었을 때 모터의 위치에 대한 초기화 과정을 실행하지 않는 것이 가능해지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대 인코더의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증분식 인코더가 생성하는 30 도 간격의 회전각에 대응되는 펄스에 대한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대 인코더에 포함된 발전기 및 솔레노이드의 동작에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절대 인코더의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대 인코딩방법에 대한 순서도이다.
도 6은 증분식 인코더의 동작에 대한 개념도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 실시예들의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예들의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
본 실시예는 모터의 위치 인식을 위한, 배터리를 사용하지 않는 절대 인코더에 대한 내용을 개시한다. 보다 자세하게는, 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력(external force)이 가해지는 경우, 증분식 인코더(incremental encoder) 및 발전기(generator)를 이용하여, 배터리 없이 모터의 절대 위치(absolute position)를 측정 및 저장할 수 있는 절대 인코더(absolute encoder)를 제공한다.
이하 모터는 인코더를 이용하는 어느 모터든 될 수 있다.
모터의 위치는 모터에 포함된 회전자(rotor)의 위치를 의미한다.
모터의 구동에 이용되는 전원으로서, 모터의 전원, 외부 전원, 또는 전원은 모두 동일한 의미인 것으로 가정한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대 인코더의 구성도이다.
본 발명의 실시예에 있어서, 절대 인코더(100)는 증분식 인코더(incremental encoder) 및 발전기(generator)를 이용하여, 배터리 없이 모터의 절대 위치를 측정하고 저장한다. 절대 인코더(100)는 증분식 인코더(101), 발전기(102) 및 제어부(103)의 전부 또는 일부를 포함한다.
본 실시예에 따른 증분식 인코더(101)는 모터의 위치에 대한 정보를 포함하는 펄스(pulse)를 생성한다. 도 6에 도시된 바와 같이 증분식 인코더는 광학식(optical) 인코더이므로 발광부, 코드 휠(code wheel) 및 수광부를 포함한다. 증분식 인코더에서는, 발광부의 포토 다이오드(photo diode)에서 방출한 적외선이 모터와 동반하여 회전하는 코드 휠 상의 슬릿(slit)을 통과한 후, 수광부의 포토 트랜지스터 어레이(photo transistor array)에 의하여 수신된다.
코드 휠에 존재하는 슬릿의 배치에 따라서 증분식 인코더(101)는 A상, B상, Z상 및 30 도 간격의 회전각(rotating angle)에 대응되는 펄스열 등을 출력한다. A상과 B상 출력은 서로 90 도 위상 차이가 나는 연속적인 펄스열로서, 모터의 회전 방향에 따라 위상 차이의 부호가 결정된다. A상과 B상의 펄스열 중 어떤 상이 앞서는(leading) 지를 확인하여, 절대 인코더(100)는 모터의 회전 방향을 판단할 수 있다. 또한, 일 회전당 발생하는 펄스의 수가 고정되어 있으므로, A상 및 B상 출력을 나타내는 펄스의 개수를 누적 카운트하여, 절대 인코더(100)는 모터의 상대적인 위치를 추정할 수 있다. Z상 출력은 모터의 일 회전에 한 번 발생하는 펄스로서, 모터 위치의 원점에 대한 정보를 제공한다.
도 2에 예시된 바와 같이 30 도 간격의 불연속(discontinuous) 회전각에 대하여, 각각의 회전각에 대응되는 펄스폭을 가진 펄스열을 정의한다. 여기서, 1 펄스폭은 A상(또는 B상) 펄스의 한 구간의 길이이고, 30 도 간격의 회전각에 대응되는 펄스는 2 내지 13 개의 A상(또는 B상) 펄스의 구간 길이에 해당하는 펄스폭을 갖는다. Z상 출력은 1 개의 A상(또는 B상)의 구간 길이에 해당하는 펄스폭을 가지므로, 30 도 간격의 불연속 회전각에 대응되는 펄스열과 구별될 수 있다. 본 실시예에 따른 증분식 인코더(101)는 도 2에 예시된 펄스열을 생성할 수 있는 특정한 패턴의 슬릿이 추가된 코드 휠을 사용한다.
증분식 인코더(101)의 출력은 제어부(103)에 제공된다. 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력(external force)이 가해지는 경우, 제어부(103)는 증분식 인코더(101)의 출력을 이용하여 절대 위치의 추정할 수 있다. 여기서 모터에 외력이 가해지는 경우의 예로는 사용자가 수동으로 모터 또는 모터가 포함된 장치를 강제로 회전시키는 경우를 들 수 있다.
본 실시예에 따른 발전기(102)는 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력이 가해지는 경우, 외력에 따른 모터의 회전을 이용하여 절대 인코더(100)의 구성요소 중 절대 위치를 산정하기 위해 필요한 부분을 구동시키기 위한 발전 전원을 생성한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절대 인코더에 포함된 발전기 및 솔레노이드의 동작에 대한 개념도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 발전기(102)는 기어박스(gear box)를 기반으로 하여 기계식으로 동작하는데, 발전기(102)의 기어(gear)가 모터의 주축에 부착된 기어와 연결되어, 외력에 따른 모터의 회전 발생 시, 모터의 회전을 이용하여 전력을 생산한다.
발전기(102)의 기어 및 모터의 기어 간 연결은 솔레노이드 스위치(solenoid switch)에 의하여 조절될 수 있다. 솔레노이드 스위치에 포함된 코일(coil)은 전류가 흐르면, 자화(magnetization)되어 자성(magnetism)에 따른 힘을 발생시킨다. 솔레노이드 스위치는 모터의 전원에 연결되어 동작한다. 전원이 공급되어 코일에 전류가 흐르는 경우, 자화된 솔레노이드 스위치는 모터로부터 발전기(102)를 분리하여 발전기(102)에 포함된 플라스틱(plastic) 기어의 마모를 방지함으로써, 발전기(102)와 기어의 수명이 연장되도록 한다.
한편, 전원이 차단되어 모터가 정지 상태일 때, 솔레노이드 스위치는 비자화되고, 발전기(102) 및 모터의 기어가 상호 연결된다. 이러한 연결에 따라, 외력에 따른 모터의 회전 발생 시, 모터의 회전을 이용하여 발전기(102)가 발전하는 것이 가능해진다.
본 실시예에 따른 제어부(103)는 증분식 인코더(101) 및 발전기(102)를 이용하여, 배터리 없이 모터의 절대 위치를 측정 및 저장한다. 제어부(103)는 FPGA(Field Programmable Gate Array, 111), MCU(Microcontroller Unit, 112), FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory, 113) 및 전원선택부(114)의 전부 또는 일부를 포함한다. 여기서, 본 실시예에 따른 제어부(103)에 포함되는 구성요소가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제어부(103) 상에 전원이 공급되거나, 발전기(102)가 동작하는 동한 모터의 위치를 저장하기 위해 RAM(Random Access Memory, 미도시)을 추가로 구비할 수 있다.
FPGA(111), MCU(112) 및 FeRAM(113) 모두는 발전기(102)가 생성하는 저전력(예컨대 1.5 volt의 전압 및 10.0 mA 이하의 전류)을 이용하여 동작이 가능하다. FPGA(111)는 모터의 절대 위치를 산정하기 위해 필요한 로직 회로(logic circuit)를 포함한다. MCU(112)는 제어부(103)의 중추로서 프로그램가능 프로세서 중의 하나이다. MCU(112)는 모터의 절대 위치를 산정하여 RAM 또는 FeRAM(113)에 저장한다.
FeRAM(113)은 비휘발성(non-volatile) 메모리의 한 종류이다. 컴퓨터의 주기억장치로 많이 사용되는 DRAM(Dynamic RAM)과 비슷한 구조를 갖고 있으나 강유전체(ferroelectric)를 이용하여 비휘발성을 구현한다는 점이 다르다. 본 실시예에 따른 제어부(103)는, 대표적인 비휘발성 저장장치인 플래시 메모리(flash memory)에 비해 낮은 전력 소모, 빠른 속도, 높은 쓰기/지우기(writing/erasing) 횟수 등의 여러 가지 장점을 지니는 FeRAM을 이용하여, 전원이 차단된 상태에서 모터의 절대 위치를 저장한다.
전원선택부(114)는 전원 공급 시에는 외부 전원을 선택하고, 전원이 차단된 경우 발전기(102)가 생성한 발전 전원을 선택할 수 있다.
제품 출하 후 또는 전원 차단 후에 전원이 공급되는 경우, FeRAM(113)이 출하 시점 또는 전원이 차단된 동안의 절대 위치를 저장하고 있다면, 절대 인코더(100)는 증분식 인코더(101)가 출력하는 A상 및 B상 출력을 이용하여 모터의 절대 위치를 산정할 수 있다. 또한, 증분식 인코더(101)가 출력하는 Z상 출력을 이용하여 모터의 일 회전 동안에 발생할 수 있는 오차가 보정될 수 있다.
전원이 공급되는 동안, 제어부(103)는 캐패시터 어레이(capacitor array, 미도시)를 충전시킨다. 전원이 차단된 직후, 캐패시터 어레이에 충전된 전력을 이용하여 증분식 인코더(101)의 광학 계통, FPGA(111) 및 FeRAM(113) 등 절대 위치 산정에 필요한 부분을 구동함으로써, 제어부(103)는 RAM에 저장된, 모터가 정지되기 전의 위치를 FeRAM(113)에 저장한다.
전원이 차단된 상태에서, 모터에 대한 외력의 작용이 없이, 모터의 전원이 재공급되는 경우, 제어부(103)는 FeRAM(113)에 저장된 위치를 모터의 절대 위치로 사용할 수 있다. 따라서, 전원이 공급면, FeRAM(113)에 저장된 절대 위치를 초기값으로 설정하고, 증분식 인코더(101)가 출력하는 A상, B상 및 Z상의 펄스열을 이용하여 제어부(103)는 모터의 절대 위치를 산정하고, 산정된 절대 위치를 RAM에 저장할 수 있다.
이하, 전원이 차단되고 모터가 정지된 상태에서 외력이 작용함에도 충분한 발전이 되기 전의 구간을 과도 상태(transient state)라 하고 발전기(102)가 전력을 생성하는 구간을 발전 상태(generating state)라 한다. 발전 상태는 발전기(102)가 절대 위치 산정에 충분한 전력(예컨대, 1.5 volt 이상의 전압)을 생성하는 상황이고, 과도 상태는 충분한 전력을 생성하지 못하는 상황이다.
전력이 부족한 과도 상태에서 발생한 모터의 회전에 대하여, 제어부(103)는 정확한 절대 위치를 확인하기가 매우 어렵다. 증분식 인코더(101)가 특정한 패턴의 슬릿을 사용하여 출력하는 펄스열이 과도 상태에서 발생한 절대 위치의 변경을 확인하기 용도로 이용된다. 과도 상태에서 발전 상태로 전환된 직후, 증분식 인코더(101)가 출력하는 30 도 간격의 불연속 회전각에 대응되는 펄스열을 이용하여, 제어부(103)는 FeRAM(113)에 저장된 절대 위치에 대하여 과도 상태에서 발생한 위치 오차(position error)를 보정한다.
본 실시예에 있어서, 과도 상태에서 발생한 위치 오차는 모터의 일 회전 이내의 오차이다. 따라서 과도 상태가 일 회전 이내의 구간이 될 수 있도록, 발전기(102)의 전력을 사용하는 부분을 최소화되도록 절대 인코더(100)가 구현된다.
전력이 충분한 발전 상태인 경우, 제어부(103)는 보정된 위치를 초기값으로 설정하고, 증분식 인코더(101)가 출력하는 A상, B상 및 Z상의 펄스열을 이용하여 모터의 절대 위치를 산정하고, 산정된 절대 위치를 RAM에 저장한다. Z상 출력을 이용함으로써, 제어부(103)는 외력에 따른 모터의 다중 회전(multi-turns)이 반영된 절대 위치를 산정하는 것이 가능하다.
발전기(102)가 발전 상태에서 전력을 생성하는 동안, 제어부(103)는 캐패시터 어레이를 충전시킨다. 외력이 사라진 직후, 캐패시터 어레이에 충전된 전력을 이용하여 증분식 인코더(101)의 광학 계통, FPGA(111) 및 FeRAM(113) 등 필요 부분을 구동함으로써, 제어부(103)는 RAM에 저장된, 모터가 정지되기 전의 위치를 FeRAM(113)에 저장한다.
모터에 대한 외력이 작용했다가 없어지고, 모터의 전원이 재공급되는 경우, 제어부(103)는 FeRAM(113)에 저장된 위치를 모터의 절대 위치로 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, A상, B상 및 Z상을 출력하는 증분식 인코더와 자기식 인코더인 홀센서(Hall sensor)를 함께 이용하여 절대 인코더를 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절대 인코더의 구성도이다.
본 발명의 실시예에 있어서, 절대 인코더(100)는 홀센서(Hall sensor), 증분식 인코더(incremental encoder) 및 발전기(generator)를 이용하여, 배터리 없이 모터의 절대 위치를 측정하고 저장한다. 절대 인코더(100)는 홀센서(401), 증분식 인코더(101), 발전기(102) 및 제어부(103)의 전부 또는 일부를 포함한다.
본 실시예에 따른 홀센서(401)는 홀효과(Hall effect)에 기반하여 동작하는 자기식 인코더로서, 자석이 접근할 때 자기장의 세기를 감지하는 역할을 한다. 자기장의 세기의 변화를 이용하여 홀센서(401)는 모터의 절대 위치를 표시하는, 90 도 위상 차이를 갖는 연속적인 두 정현파(sinusoidal waves, 즉 sin 및 cosine) 출력을 발생시킨다. 저성능의 홀센서(401)는 일 회전에 정현파 1 주기를 출력하고, 22.5 도의 분해능(4 비트)을 갖는다. 본 실시예에 있어서, 발전기의 과도 상태에서 발생한 모터의 위치 변경을 보정하기 용도로 사용되므로, 저성능 홀센서를 사용하는 것이 가능하다.
홀센서(401)의 출력은 제어부(103)에 제공된다. 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력이 가해지는 경우, 제어부(103)는 홀센서(401)의 연속적인 두 정현파 출력을 이용하여 일 회전에 대한 절대 위치를 산정할 수 있다. 예컨대, 두 정현파 신호를 샘플링(sampling)하여 arctan을 적용함으로써, 일 회전에 대한 대략적인 절대 위치가 산정될 수 있다. Arctan은 cordic 알고리즘을 이용하여 구현될 수 있다. 한편, 모터에 외력이 가해지는 경우의 예로는 사용자가 수동으로 모터 또는 모터가 포함된 장치를 강제로 회전시키는 경우를 들 수 있다.
본 실시예에 따른 증분식 인코더(101)는 모터의 위치에 대한 정보를 포함하는 펄스를 생성한다. 도 6에 도시된 바와 같이 증분식 인코더는 광학식 인코더이므로 발광부, 코드 휠 및 수광부를 포함한다. 증분식 인코더에서는, 발광부의 포토 다이오드에서 방출한 적외선이 모터와 동반하여 회전하는 코드 휠 상의 슬릿을 통과한 후, 수광부의 포토 트랜지스터 어레이에 의하여 수신된다.
코드 휠에 존재하는 슬릿의 배치에 따라서 증분식 인코더(101)는 A상, B상 및 Z상의 세 가지 펄스열을 출력한다. A상과 B상 출력은 서로 90 도 위상 차이가 나는 연속적인 펄스열로서, 모터의 회전 방향에 따라 위상 차이의 부호가 결정된다. A상과 B상의 펄스열 중 어떤 상이 앞서는 지를 확인하여, 절대 인코더(100)는 모터의 회전 방향을 판단할 수 있다. 또한, 일 회전당 발생하는 펄스의 수가 고정되어 있으므로, A상 또는 B상을 나타내는 펄스의 개수를 누적 카운트하여, 절대 인코더(100)는 모터의 상대적인 위치를 추정할 수 있다. Z상 출력은 모터의 일 회전에 한 번 발생하는 펄스로서, 모터 위치의 원점에 대한 정보를 제공한다.
증분식 인코더(101)의 출력은 제어부(103)에 제공된다. 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력이 가해지는 경우, 제어부(103)는 증분식 인코더(101)의 출력을 이용하여 절대 위치를 추정할 수 있다.
본 실시예에 따른 발전기(102)는 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력이 가해지는 경우, 외력에 따른 모터의 회전을 이용하여 절대 인코더(100)의 구성요소 중 절대 위치를 산정하기 위해 필요한 부분을 구동시키기 위한 발전 전원을 생성한다.
도 3에 도시된 바와 같은 발전기(102) 및 솔레노이드 스위치에 대한 동작은 앞에서 기술되었으므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 제어부(103)는 홀센서(401), 증분식 인코더(101) 및 발전기(102)를 이용하여, 배터리 없이 모터의 절대 위치를 측정하고 저장한다. 제어부(103)는 FPGA(111), MCU(112), FeRAM(113) 및 전원선택부(114)의 전부 또는 일부를 포함한다. 여기서, 본 실시예에 따른 제어부(103)에 포함되는 구성요소가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제어부(103) 상에 전원이 공급되거나, 발전기(102)가 동작하는 동한 모터의 위치를 저장하기 위해 RAM(Random Access Memory, 미도시)을 추가로 구비할 수 있다.
FPGA(111), MCU(112), FeRAM(113) 및 전원선택부(114)의 동작에 대한 사항은 앞에서 기술되었으므로, 더 이상의 설명은 생략한다.
제품 출하 후 또는 전원 차단 후에 전원이 공급되는 경우, FeRAM(113)이 출하 시점 또는 전원이 차단된 동안의 절대 위치를 저장하고 있다면, 절대 인코더(100)는 증분식 인코더(101)가 출력하는 A상 또는 B상 출력을 이용하여 모터의 절대 위치를 산정할 수 있다. 또한, 증분식 인코더(101)가 출력하는 Z상 출력을 이용하여 모터의 일 회전 동안에 누적된 오차가 보정될 수 있다.
전원이 공급되는 동안, 제어부(103)는 캐패시터 어레이(capacitor array, 미도시)를 충전시킨다. 전원이 차단된 직후, 캐패시터 어레이에 충전된 전력을 이용하여 증분식 인코더(101)의 광학 계통, FPGA(111) 및 FeRAM(113) 등 절대 위치 산정에 필요한 부분을 구동함으로써, 제어부(103)는 RAM에 저장된, 모터가 정지되기 전의 위치를 FeRAM(113)에 저장한다.
전원이 차단된 상태에서, 모터에 대한 외력의 작용이 없이, 모터의 전원이 재공급되는 경우, 제어부(103)는 FeRAM(113)에 저장된 위치를 모터의 절대 위치로 사용할 수 있다. 따라서, 전원이 공급되면, FeRAM(113)에 저장된 절대 위치를 초기값으로 설정하고, 증분식 인코더(101)가 출력하는 A상, B상 및 Z상의 펄스를 이용하여 제어부(103)는 모터의 절대 위치를 산정하고, 산정된 절대 위치를 RAM에 저장할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전원이 차단되고 모터가 정지된 상태에서 외력이 작용하는 구간을 과도 상태 및 발전기(102)가 전력을 생성하는 발전 상태로 구분한다.
전력이 부족한 과도 상태에서, 제어부(103)는 정확한 절대 위치를 확인하는 것은 매우 어렵다. 홀센서(401)가 출력하는 정현파가 과도 상태에서 발생한 절대 위치의 변경을 확인하기 용도로 이용된다. 과도 상태에서 발전 상태로 전환된 직후, 홀센서(401)의 두 정현파 출력을 기반으로 산정된 일 회전에 대한 절대 위치를 이용하여 제어부(103)는 FeRAM(113)에 저장된 절대 위치에 대하여 과도 상태에서 발생한 위치 오차를 보정할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 저분해능의 홀센서(401)가 이용되므로, 홀센서(401)를 이용한 보정만으로는 충분하지 않을 수 있다. 제어부(101)는 증분식 인코더(101)가 출력하는 첫 번째 Z상 펄스를 이용하여 추가적으로 위치 오차를 보정할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 과도 상태에서 발생한 위치 오차는 모터의 일 회전 이내의 오차이다. 따라서 과도 상태가 일 회전 이내의 구간이 될 수 있도록, 발전기(102)의 전력을 사용하는 부분을 최소화되도록 절대 인코더(100)가 구현된다.
전력이 충분한 발전 상태인 경우, 제어부(103)는 보정된 위치를 초기값으로 설정하고, 증분식 인코더(101)가 출력하는 A상, B상 및 Z상의 펄스열을 이용하여 제어부(103)는 모터의 절대 위치를 산정하고, 산정된 절대 위치를 RAM에 저장한다. Z상 출력을 이용함으로써, 외력에 따른 모터의 다중 회전(multi-turns)이 반영된 절대 위치를 산정하는 것이 가능하다.
발전기(102)가 발전 상태에서 전력을 생성하는 동안, 제어부(103)는 캐패시터 어레이를 충전시킨다. 외력이 사라진 직후, 캐패시터 어레이에 충전된 전력을 이용하여 증분식 인코더(101)의 광학 계통, FPGA(111) 및 FeRAM(113) 등 필요 부분을 구동함으로써, 제어부(103)는 RAM에 저장된, 모터가 정지되기 전의 위치를 FeRAM(113)에 저장한다.
모터에 대한 외력이 작용했다가 없어지고, 모터의 전원이 재공급되는 경우, 제어부(103)는 FeRAM(113)에 저장된 위치를 모터의 절대 위치로 사용할 수 있다.
도 4의 도시는 본 실시예에 따른 예시적인 구성이며, 홀센서, 증분식 인코더, 발전기 및 제어부의 형태에 따라 다른 구성요소 또는 구성요소 간의 다른 연결을 포함하는 구현이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절대 인코딩방법에 대한 순서도이다.
제품 출하 후 또는 전원 차단 후에 전원이 공급되는 경우, FeRAM(113)이 출하 시점 또는 전원이 차단된 동안의 절대 위치를 저장하고 있다면, 절대 인코더(100)는 증분식 인코더(101)가 출력하는 A상 또는 B상 출력을 이용하여 모터의 절대 위치를 산정할 수 있다. 또한, 증분식 인코더(101)가 출력하는 Z상 출력을 이용하여 모터의 일 회전 동안에 누적된 오차가 보정될 수 있다.
이하, 전원이 차단된 경우, 본 실시예에 따른 절대 인코더(100)가 모터의 절대 위치를 산정하는 인코딩방법에 대하여 설명한다.
전원이 공급되는 동안, 절대 인코더는 캐패시터 어레이를 충전한다(S501).
전원이 차단된 직후, 절대 인코더는 캐패시터 어레이에 충전된 전력을 이용하여 모터가 정지되기 전의 위치를 FeRAM에 저장한다(S502).
전원이 차단된 상태에서, 모터에 대한 외력의 작용이 없이, 모터의 전원이 재공급되는 경우, 절대 인코더(100)는 FeRAM(113)에 저장된 위치를 모터의 절대 위치로 사용할 수 있다. 따라서, FeRAM(113)에 저장된 절대 위치를 초기값으로 설정하고, 증분식 인코더(101)의 출력을 이용하여, 절대 인코더(100)는 모터의 절대 위치를 산정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전원이 차단되고 모터가 정지된 상태에서 외력이 작용하는 구간은 과도 상태(transient state) 및 발전 상태(generating state)로 구분된다.
외력에 가해짐에 따라 발전기가 가동되어 발전기가 과도 상태에서 발전 상태로 전환된 직후, 절대 인코더는 과도 상태에서의 모터의 회전을 보정한다(S503).
본 실시예에서는 30 도 간격의 회전각(rotating angle)에 대응되는 펄스를 생성할 수 있는 특정한 패턴의 슬릿이 추가된 코드 휠이 사용된다. 발전 상태로 전환된 직후, 절대 인코더(100)는 30 도 간격의 회전각에 대응되는 펄스열을 이용하여 FeRAM(113)에 저장된 절대 위치에 대하여 과도 상태에서 발생한 위치 오차(position error)를 보정한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 과도 상태에서 발전 상태로 전환된 직후, 절대 인코더(100)는 홀센서(401)의 정현파 출력을 기반으로 산정된 일 회전에 대한 절대 위치 및 증분식 인코더(101)가 출력하는 Z상 펄스를 이용하여 FeRAM(113)에 저장된 절대 위치에 대하여 과도 상태에서 발생한 위치 오차를 보정할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 과도 상태에서 발생한 위치 오차는 모터의 일 회전 이내의 오차이다.
발전 상태인 경우, 절대 인코더는 증분식 인코더의 출력을 이용하여 모터의 절대 위치를 산정한다(S504).
발전 상태에서 전력이 생성되는 동안, 절대 인코더는 캐패시터 어레이를 충전한다(S505).
외력이 사라진 직후, 절대 인코더는 캐패시터 어레이에 충전된 전력을 이용하여 모터가 정지되기 전의 위치를 FeRAM에 저장한다(S506).
모터에 대한 외력이 작용했다가 없어지고, 모터의 전원이 재공급되는 경우, 절대 인코더(100)는 FeRAM(113)에 저장된 위치를 모터의 절대 위치로 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따르면, 전원이 차단되어 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력이 가해지는 경우, 증분식 인코더(incremental encoder) 및 발전기(generator)를 이용하여, 배터리 없이 모터의 절대 위치(absolute position)를 측정 및 저장할 수 있는 절대 인코더(absolute encoder)를 제공함으로써, 전원이 재공급되었을 때 모터의 위치에 대한 초기화 과정을 실행하지 않는 것이 가능해지는 효과가 있다.
본 실시예에 따른 각 순서도에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말해, 순서도에 기재된 과정을 변경하여 실행하거나 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것이 적용 가능할 것이므로, 순서도는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 설명되는 시스템들 및 기법들의 다양한 구현예들은, 디지털 전자 회로, 집적 회로, FPGA(field programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit), 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 및/또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다. 이러한 다양한 구현예들은 프로그래밍가능 시스템 상에서 실행가능한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들로 구현되는 것을 포함할 수 있다. 프로그래밍가능 시스템은, 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 디바이스, 그리고 적어도 하나의 출력 디바이스로부터 데이터 및 명령들을 수신하고 이들에게 데이터 및 명령들을 전송하도록 결합되는 적어도 하나의 프로그래밍가능 프로세서(이것은 특수 목적 프로세서일 수 있거나 혹은 범용 프로세서일 수 있음)를 포함한다. 컴퓨터 프로그램들(이것은 또한 프로그램들, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션들 혹은 코드로서 알려져 있음)은 프로그래밍가능 프로세서에 대한 명령어들을 포함하며 "컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체"에 저장된다.
본 명세서에 설명되는 시스템들 및 기법들의 다양한 구현예들은, 프로그램가능 컴퓨터에 의하여 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 프로그램가능 프로세서, 데이터 저장 시스템(휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 다른 종류의 저장 시스템이거나 이들의 조합을 포함함) 및 적어도 한 개의 커뮤니케이션 인터페이스를 포함한다. 예컨대, 프로그램가능 컴퓨터는 서버, 네트워크 기기, 셋탑 박스, 내장형 장치, 컴퓨터 확장 모듈, 개인용 컴퓨터, 랩탑, PDA(Personal Data Assistant), 클라우드 컴퓨팅 시스템 또는 모바일 장치 중 하나일 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 절대 인코더 101: 홀센서
102: 증분식 인코더 103: 발전기
104: 제어부 111: FPGA
112: MCU 113: FeRAM
114: 전원선택부

Claims (20)

  1. 모터의 절대 위치(absolute position)를 생성하는 절대 인코더(absolute encoder)에 있어서,
    상기 모터의 위치에 대한 정보를 포함하는 펄스(pulse)를 생성하는 증분식 인코더(incremental encoder);
    외부 전원이 차단되어 상기 모터가 정지된 상태에서 상기 모터에 외력(external force)이 가해지는 경우, 상기 외력에 따른 상기 모터의 회전을 이용하여 발전 전원을 생성하는 발전기; 및
    상기 증분식 인코더의 출력 및 상기 발전 전원을 이용하여, 배터리 없이 상기 모터의 절대 위치를 측정하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증분식 인코더는 A상, B상, Z상 및 불연속(discontinuous) 회전각(rotating angle)에 대응되는 펄스열을 출력하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발전기는 기어박스(gear box)를 기반으로 하여 기계식으로 동작하며, 상기 발전기의 기어(gear)가 상기 모터의 주축에 부착된 기어와 연결되어, 상기 외력에 따른 상기 모터의 회전이 발생 시, 상기 모터의 회전을 이용하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  4. 제3항에 있어서,
    스위치의 동작에 따라 상기 외부 전원이 공급되는 경우, 상기 스위치가 상기 발전기를 상기 모터로부터 분리하고, 상기 외부 전원이 차단되는 경우, 상기 스위치가 상기 발전기 및 상기 모터의 기어를 상호 연결하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    프로그램가능(programmable) 프로세서(processor)로서 상기 모터의 절대 위치를 산정하는 MCU(Microcontrol Unit);
    상기 모터의 절대 위치를 저장하는 비휘발성(non-volatile) 메모리; 및
    상기 외부 전원 공급 여부에 의존하여, 상기 외부 전원 또는 상기 발전 전원을 선택하는 전원선택부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발전기가 과도 상태(transient state)에서 발전 상태(generation state)로 전환된 직후, 상기 불연속 회전각에 대응되는 펄스열을 이용하여 상기 제어부가 상기 비휘발성 메모리에 저장된 절대 위치에 대하여 상기 과도 상태에서 발생한 위치 오차(position error)를 보정하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  7. 홀센서(Hall sensor)를 이용하는 절대 인코더(absolute encoder)에 있어서,
    상기 모터의 위치에 대한 정보를 포함하는 펄스(pulse)를 생성하는 증분식 인코더(incremental encoder);
    외부 전원이 차단되어 상기 모터가 정지된 상태에서 모터에 외력(external force)이 가해지는 경우, 상기 외력에 따른 상기 모터의 회전을 이용하여 발전 전원을 생성하는 발전기; 및
    상기 홀센서의 출력, 상기 증분식 인코더의 출력 및 상기 발전 전원을 이용하여, 배터리 없이 상기 모터의 절대 위치를 측정하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 홀센서는 상기 모터의 절대 위치를 나타내는 90 도 위상 차이를 갖는 연속적인 두 정현파(sinusoidal wave) 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 증분식 인코더는 A상, B상 및 Z상 펄스열을 출력하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 발전기는 기어박스(gear box)를 기반으로 하여 기계식으로 동작하며, 상기 발전기의 기어(gear)가 상기 모터의 주축에 부착된 기어와 연결되어, 상기 외력에 따른 상기 모터의 회전 발생 시, 상기 회전을 이용하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  11. 제10항에 있어서,
    스위치의 동작에 따라 상기 외부 전원이 공급되는 경우, 상기 스위치가 상기 발전기를 상기 모터로부터 분리하고, 상기 외부 전원이 차단되는 경우, 상기 스위치가 상기 발전기 및 상기 모터의 기어를 상호 연결하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는,
    프로그램가능(programmable) 프로세서(processor)로서 상기 모터의 절대 위치를 산정하는 MCU(Microcontrol Unit);
    상기 모터의 절대 위치를 저장하는 비휘발성(non-volatile) 메모리; 및
    상기 외부 전원 공급 여부에 의존하여, 상기 외부 전원 또는 상기 발전 전원을 선택하는 전원선택부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 발전기가 과도 상태(transient state)에서 발전 상태(generation state)로 전환된 직후, 상기 정현파 출력을 기반으로 산정되는 일 회전에 대한 절대 위치 및 상기 Z상 펄스열을 이용하여 상기 제어부가 상기 비휘발성 메모리에 저장된 절대 위치에 대하여 상기 과도 상태에서 발생한 위치 오차(position error)를 보정하는 것을 특징으로 하는 절대 인코더.
  14. 절대 인코더(absolute encoder)에 의한 모터의 절대 위치(absolute position) 측정에 있어서,
    전원이 상기 모터에 공급되는 동안, 충전장치를 충전하는 과정;
    상기 전원이 차단된 직후, 상기 충전장치를 이용하여 상기 모터가 정지되기 전의 위치를 비휘발성(non-volatile) 메모리에 저장하는 과정;
    상기 모터에 외력(external force)이 가해짐에 따라 발전기가 가동되어 상기 발전기가 과도 상태(transient state)에서 발전 상태(generation state)로 전환된 직후, 홀센서(Hall sensor) 및/또는 증분식 인코더(incremental encoder)의 출력을 이용하여 상기 과도 상태에서의 모터의 회전을 보정하는 과정; 및
    상기 발전기가 발전 상태인 경우, 증분식 인코더(incremental encoder)의 출력을 이용하여 상기 절대 위치를 산정하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 인코딩방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 발전기가 발전 상태인 경우, 상기 충전장치를 충전하는 과정; 및
    상기 외력이 사라진 직후, 상기 충전장치를 이용하여 상기 모터가 정지되기 전의 위치를 상기 비휘발성 메모리에 저장하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절대 인코딩방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 보정하는 과정은,
    상기 증분식 인코더의 출력인 불연속 회전각(rotating angle)에 대응되는 펄스열을 이용하여 상기 과도 상태에서 발생한 위치 오차(position error)를 보정하거나, 상기 홀센서가 출력하는 정현파(sinusoidal wave)를 기반으로 산정되는 일 회전에 대한 절대 위치 및 상기 증분식 인코더가 출력하는 Z상 펄스열을 이용하여, 상기 위치 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 절대 인코딩방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 보정하는 과정은,
    상기 위치 오차에 대한 보정은 상기 모터의 일 회전 이내의 오차에 대한 보정인 것을 특징으로 하는 절대 인코딩방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 전원이 차단된 상태에서, 상기 외력의 작용이 없이, 상기 전원이 재공급되는 경우, 상기 비휘발성 메모리에 저장된 위치를 상기 모터의 절대 위치로 사용하는 것을 특징으로 하는 절대 인코딩방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 절대 위치를 산정하는 과정은,
    상기 위치 오차가 보정된 위치를 초기값으로 설정하고, 상기 증분식 인코더가 출력하는 A상, B상 및 Z상 펄스를 이용하여 상기 모터의 절대 위치를 산정하는 것을 특징으로 하는 절대 인코딩방법.
  20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 절대 인코더에 의한 절대 인코딩방법이 포함하는 각 단계를 실행시키기 위하여 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터프로그램.
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