KR20210129947A - 각도 측정 장치 및 그 각도 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정하는 각도 측정 장치는, 제 1 홀 센서의 출력 및 제 2 홀 센서의 출력 사이의 위상 오차를 보정하는 위상 보정부;를 포함하되, 상기 위상 보정부는, 상기 제 1 홀 센서의 출력과 제 1 값을 곱셈하여 출력하는 제 1 곱셈기; 상기 제 2 홀 센서의 출력과 상기 제 1 곱셈기의 출력을 가산하여 출력하는 제 1 가산기; 및 상기 제 1 가산기의 출력과 제 2 값을 곱셈하여 출력하는 제 2 곱셈기;를 포함한다.

Description

각도 측정 장치 및 그 각도 측정 방법{ANGLE MEASUREMENT APPARATUS AND ANGLE MEASUREMENT METHOD THEREFOR}
본 발명은 모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정하는 각도 측정 장치 및 그 각도 측정 방법에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 각각, 일반적인 각도 측정 장치(100)의 설명도 및 구성도를 나타낸다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 각도 측정 장치(100)는 모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정하기 위한 장치로서, 2개의 홀 센서(H1, H2)중 하나는 회전 각도의 사인 함수값을 출력하고, 다른 하나는 회전 각도의 코사인 함수값을 출력하는 것을 이용한다.
즉, 모터가 회전하면 자장이 변화되고, 2개의 홀 센서(H1, H2)에서 이 변화된 자장을 측정하는 것에 의해, 모터의 회전 각도를 측정할 수 있다.
이때 자석은 N극과 S극이 자석의 둘레 방향에 번갈아 동일한 간격으로 배치될 필요가 있다. 참고로, 2개의 홀 센서(H1, H2)는 자석의 자기 트랙과 갭을 개재하여 배치되되, 제 1 홀 센서(H1)는 N극과 S극의 사이에 배치되고, 제 2 홀 센서(H2)는 S극에 배치된다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 각도 측정 장치(100)는, 제 1 홀 센서(H1)의 출력(sin(x))과 제 2 홀 센서(H2)의 출력(cos(x))을 입력받아, 사인 함수값은 코사인 함수값과 탄젠트 함수값의 곱과 같은 것을 이용하여, 회전 각도 x를 측정하게 된다.
즉, 현재 단계의 각도의 탄젠트값과 코사인값을 곱하여, 입력된 사인값 보다 작으면 각도를 높이고, 입력된 사인값 보다 크면 각도를 낮추는 것에 의해 각도를 측정하게 된다.
구체적으로, 비교기(121)는 사인값;과 탄젠트값과 코사인값을 곱한 값;을 비교하여, 사인값이 크면 카운터(123)의 카운터 값을 올린다. 이에 따라, 탄젠트값 산출기(124)에 의해 새로이 산출된 탄젠트값과 입력된 코사인값을 제 4 곱셈기(122)에 의해 곱한 후, 다시 사인값과 비교하는 과정을 반복하여, 각도를 측정하게 된다.
그런데, 자석내의 모든 N극과 S극이 동일한 크기로 배치되어야 하는 데 N극과 S극의 크기에서의 편차, 2개의 홀 센서(H1, H2)의 부착 시 위치의 틀어짐, 자석이 완전한 원형으로 되어야 하는 데 완전한 원형이 안되어 중심축의 왜곡 현상 등의 많은 이유로 제 1 홀 센서(H1)의 사인값과 제 2 홀 센서(H2)의 코사인값에서의 위상이 틀어지게 되고, 이 위상 변화, 즉 위상 오차에 따라 계산된 각도는 왜곡된다. 따라서 절대 각도 측정에서 위상 보정은 반드시 필요한 기능이다.
도 3은 제 1 홀 센서(H1)의 출력의 위상에 비해 제 2 홀 센서(H2)의 출력이 0도, 30도 및 -30도 만큼 위상에 오차가 발생한 경우의 측정된 각도값의 결과를 나타낸다. 아울러, 도 4는 제 1 홀 센서(H1)의 출력의 위상에 비해 제 2 홀 센서(H2)의 출력이 0도, -30도 및 30도 만큼 위상에 오차가 발생한 경우의 측정된 각도값과 실제 각도값의 결과를 나타낸다.
도 3 및 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 1 홀 센서(H1) 및 제 2 홀 센서(H2)에서 출력된 값에서의 위상의 오차가 발생한 경우, 측정된 각도값이 부정확하게 되어 보정을 할 필요가 있다.
국내공개특허 제10-2020-0002823호 : 회전 각도 검출 장치 및 회전 각도 검출 방법(2020년 1월 8일 공개).
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하는 데 목적이 있는 발명으로서, 모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정 시 사용되는 2개의 홀 센서 사이에서의 위상에 오차가 발생한 경우, 그 위상 오차를 보정하여 정확한 각도를 측정할 수 있는 각도 측정 장치 및 그 각도 측정 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정하는 각도 측정 장치는, 제 1 홀 센서의 출력 및 제 2 홀 센서의 출력 사이의 위상 오차를 보정하는 위상 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 위상 보정부는, 상기 제 1 홀 센서의 출력과 제 1 값을 곱셈하여 출력하는 제 1 곱셈기; 상기 제 2 홀 센서의 출력과 상기 제 1 곱셈기의 출력을 가산하여 출력하는 제 1 가산기; 및 상기 제 1 가산기의 출력과 제 2 값을 곱셈하여 출력하는 제 2 곱셈기;를 포함하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 제 2 값은, 상기 제 1 홀 센서의 출력의 이득과 상기 제 1 값을 곱한 값의 제곱값;과, 상기 제 2 홀 센서의 출력의 이득의 제곱값;을 합산한 값의 루트값의 역수인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 곱셈기의 출력인 코사인 함수와 상기 제 1 홀 센서의 출력인 사인 함수의 위상은, 동일하다.
본 발명의 모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정하는 각도 측정 방법은, (S100) 제 1 홀 센서의 출력 및 제 2 홀 센서의 출력 사이의 위상 오차를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 S100 단계는, (S110) 상기 제 1 홀 센서의 출력과 제 1 값을 곱셈하여 출력하는 단계; (S120) 상기 제 2 홀 센서의 출력과 상기 S110 단계의 출력을 가산하여 출력하는 단계; 및 (S130) 상기 S120 단계의 출력과 제 2 값을 곱셈하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 2 값은, 상기 제 1 홀 센서의 출력의 이득과 상기 제 1 값을 곱한 값의 제곱값;과, 상기 제 2 홀 센서의 출력의 이득의 제곱값;을 합산한 값의 루트값의 역수인 것이 바람직하다.
또한, 상기 S130 단계로부터 출력되는 코사인 함수와 상기 제 1 홀 센서의 출력인 사인 함수의 위상은, 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 각도 측정 장치 및 그 각도 측정 방법에 따르면, 모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정 시 사용되는 2개의 홀 센서 사이에서의 위상에 오차가 발생한 경우, 그 위상 오차를 보정하여 정확한 각도를 측정할 수 있다.
도 1는 일반적인 각도 측정 장치의 설명도.
도 2는 일반적인 각도 측정 장치의 구성도.
도 3은 제 2 홀 센서의 출력이 0도, -30도 및 30도 만큼 위상에 오차가 발생한 경우의 측정된 각도값의 결과.
도 4는 제 2 홀 센서의 출력이 0도, -30도 및 30도 만큼 위상에 오차가 발생한 경우의 측정된 각도값과 실제 각도값의 결과.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 각도 측정 장치의 구성도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 각도 측정 방법의 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 각도 측정 장치 및 그 각도 측정 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 하기의 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리 범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 발명의 각도 측정 장치(200)는, 제 1 홀 센서(H1) 및 제 2 홀 센서(H2)와 함께 하나의 반도체 패키지 내부에 탑재될 수 있다.
아울러, 제 1 홀 센서(H1) 및 제 2 홀 센서(H2)는 자석의 자기 트랙과 갭을 개재하여 배치되되, 제 1 홀 센서(H1)는 N극과 S극의 사이에 배치되고, 제 2 홀 센서(H2)는 S극의 중앙에 배치된다. 따라서, 제 1 홀 센서(H1)는 자석의 회전 각도의 사인 함수값을 출력하고, 제 2 홀 센서(H2)는 자석의 회전 각도의 코사인 함수값을 출력한다. 다만, 제 1 홀 센서(H1) 및 제 2 홀 센서(H2)의 출력의 편차 및 위상 오차(θ)에 의해 제 1 홀 센서(H1)의 출력은 a×sin(x)으로 나타낼 수 있으며, 제 2 홀 센서(H2)의 출력은 b×cos(x+θ)로 나타낼 수 있다. 여기서, a는 제 1 홀 센서(H1)의 출력의 이득이고, b는 제 2 홀 센서(H2)의 출력의 이득이다. 즉, a 및 b는 홀 센서(H1, H2)의 출력 세기 특성에 의해 결정되는 값이다. 아울러, θ는 제 1 홀 센서(H1)의 출력과 제 2 홀 센서(H2)의 출력 사이의 상대적인 위상 오차를 나타낸다. 즉, θ값 만큼 제 1 홀 센서(H1)의 출력 보다 제 2 홀 센서(H2)의 출력이 위상이 빠른 것을 의미한다.
먼저, 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 각도 측정 장치(200)의 구성도를 나타낸다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 각도 측정 장치(200)는, 제 1 홀 센서(H1)의 출력 및 제 2 홀 센서(H2)의 출력 사이의 위상 오차를 보정하는 위상 보정부(210) 및 위상 보정부(210)의 출력을 이용하여, 자석의 회전 각도를 산출하는 회전 각도 산출부(220)를 포함하여 구성된다. 아울러, 위상 보정부(210)는, 제 1 홀 센서(H1)의 출력 및 제 2 홀 센서(H2)의 출력 사이의 위상 오차 뿐만 아니라, 제 1 홀 센서(H1)의 출력의 이득 및 제 2 홀 센서(H2)의 출력의 이득을 보정하는 역할도 한다.
위상 보정부(210) 및 회전 각도 산출부(220) 각각의 적어도 일부는 디지털 신호를 입력 받아 프로세서 등에 의해 처리되는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있다. 아울러, 위상 보정부(210) 및 회전 각도 산출부(220) 각각의 적어도 일부는 회로를 이용하여 구현될 수도 있다. 또한, 위상 보정부(210) 및 회전 각도 산출부(220) 각각은, 프로세서 등에 의해 처리되는 컴퓨터 프로그램 및 회로의 조합에 의해서도 구현될 수 있다.
위상 보정부(210)는, 제 1 곱셈기(211), 제 1 가산기(212), 제 2 곱셈기(213) 및 제 3 곱셈기(214)를 포함하여 구성된다.
제 1 곱셈기(211)는, 제 1 홀 센서(H1)의 출력(a×sin(x))과 제 1 값(k1)을 곱셈하여 출력하는 역할을 한다. 따라서, 제 1 곱셈기(211)의 출력은, a×k1×sin(x)로 나타낼 수 있다.
참고로, 제 1 값은 사용자에 의해 적절하게 입력될 수 있으며, 제 1 값에 의해 위상 오차(θ)가 (-θ) 만큼 보정되게 된다. 참고로, 제 1 값은 양의 값, 제로값, 음의 값일 수 있다.
제 1 가산기(212)는, 제 2 홀 센서(H2)의 출력(b×cos(x+θ))과 제 1 곱셈기(211)의 출력을 가산하여 출력한다. 따라서, 제 1 가산기(212)의 출력은, a×k1×sin(x)+b×cos(x+θ)로 나타낼 수 있다.
아울러, a×k1×sin(x)+b×cos(x+θ)는 다음의 [수학식 1]과 같은 코사인 함수로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
제 2 곱셈기(213)는, 제 1 가산기(212)의 출력과 제 2 값(k2)을 곱셈하여 코사인 함수값을 출력하는 역할을 한다. 제 2 값(k2)은, 제 1 홀 센서(H1)의 출력의 이득과 제 1 값을 곱한 후 제곱한 값;과, 제 2 홀 센서(H2)의 출력의 이득의 제곱값;을 합산한 값의 루트값의 역수로 설정되는 것이 바람직하다.
즉, 제 2 값(k2)는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
아울러, 제 2 곱셈기(213)의 출력은 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
[수학식 3]으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 2 곱셈기(213)의 출력은 위상 오차(θ) 및 출력 이득(b)이 보정된 것을 알 수 있다. 즉, 제 2 곱셈기(213)의 출력인 코사인 함수와 제 1 홀 센서(H1)의 출력인 사인 함수의 위상은, 동일하게 나타난다.
제 3 곱셈기(214)는, 제 1 홀 센서(H1)의 출력(a×sin(x))과 제 3 값(k3)을 곱셈하여 출력하는 역할을 한다. 참고로, 제 3 값(k3)은 1/a인 것이 바람직하다. 따라서, 제 3 곱셈기(214)의 출력은, sin(x)로 나타낼 수 있다.
회전 각도 산출부(220)는, 비교기(221), 제 4 곱셈기(222), 카운터(223) 및 탄젠트값 산출기(224)를 포함하여 구성될 수 있다.
비교기(221)는 입력된 사인값;과 제 4 곱셈기(222)에 의해 탄젠트값과 코사인값을 곱한 값;을 비교하여 출력한다, 카운터(223)는, 비교기(221)의 출력을 입력받아 카운터 값을 조절하여, 회전 각도값을 산출한다. 예를 들면, 사인값이 제 4 곱셈기(222)에 의해 곱한 값 보다 크면 비교기(221)의 하이 신호를 입력받아 카운터(223)는 카운터 값을 올리고, 사인값이 제 4 곱셈기(222)에 의해 곱한 값 보다 작으면 비교기(221)의 로우 신호를 입력받아 카운터(223)는 카운터 값을 내린다.
탄젠트값 산출기(224)는, 카운터(223)의 출력값을 이용하여 탄젠트값을 산출한다. 탄젠트값 산출기(224)에 의해 새로이 산출된 탄젠트값과 코사인값을 곱한 값을 다시 사인값과 비교하는 과정을 반복하여, 각도를 측정하게 된다.
먼저, 도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 각도 측정 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 6의 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 각도 측정 방법은, 상술한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 각도 측정 장치(200)를 이용하므로, 별도의 설명이 없더라도 본 발명의 각도 측정 장치(200)의 모든 특징을 포함하고 있음은 물론이다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 각도 측정 방법은, 제 1 홀 센서(H1)의 출력 및 제 2 홀 센서(H2)의 출력 사이의 위상 오차를 보정하는 단계(S100); 및 S100 단계의 출력을 이용하여, 자석의 회전 각도를 산출하는 단계;를 포함한다. 아울러, S100 단계에서 제 1 홀 센서(H1)의 출력 및 제 2 홀 센서(H2)의 출력 사이의 위상 오차 뿐만 아니라, 제 1 홀 센서(H1)의 출력의 이득 및 제 2 홀 센서(H2)의 출력의 이득을 보정하는 것이 바람직하다.
구체적으로, S100 단계는, 제 1 홀 센서(H1)의 출력과 제 1 값을 곱셈하여 출력하는 단계(S110); 제 2 홀 센서(H2)의 출력과 S110 단계의 출력을 가산하여 출력하는 단계(S120); S120 단계의 출력과 제 2 값을 곱셈하여 코사인 함수값을 출력하는 단계(S130); 및 제 1 홀 센서(H1)의 출력과 제 3 값을 곱셈하여 출력하는 단계(S140);를 포함한다.
구체적으로, 제 2 값은, 제 1 홀 센서(H1)의 출력의 이득과 제 1 값을 곱한 후 제곱한 값;과, 제 2 홀 센서(H2)의 출력의 이득의 제곱값;을 합산한 값의 루트값의 역수인 것을 특징으로 한다.
아울러, S130 단계로부터 출력되는 코사인 함수와 제 1 홀 센서(H1)의 출력인 사인 함수의 위상은, 동일한 것을 특징으로 한다.
S140 단계에서 제 3 값은 1/a인 것이 바람직하다. 따라서, S130 단계의 출력은, sin(x)로 나타낼 수 있다.
또한, S200 단계는, S100 단계로부터 출력된 사인값;과 S240 단계에서 탄젠트값과 코사인값을 곱한 값;을 비교하는 단계(S210)을 포함한다. 아울러, S200 단계는, S210 단계의 출력을 이용하여, 회전 각도를 출력하는 단계(S220); S220 단계의 출력의 탄젠트값을 산출하는 단계(S230); 및 S230 단계로부터 출력된 탄젠트값과 S100 단계로부터 출력된 코사인값을 곱한 값을 산출하는 단계(S240);를 더 포함한다.
S220 단계는, S210 단계의 출력을 입력받아 카운터(223)의 카운터 값을 조절하는 것에 의해 회전 각도를 산출한다. 예를 들면, 사인값이 S240 단계에서 곱한 값 보다 크면 S210 단계의 출력인 하이 신호를 입력받아 카운터(223)는 카운터 값을 올리고, 사인값이 S240 단계에서 곱한 값 보다 작으면 S210 단계의 출력인 로우 신호를 입력받아 카운터(223)는 카운터 값을 내린다. 이에 따라, S230 단계에 의해 새로이 산출된 탄젠트값과 코사인값을 곱한 값을 다시 사인값과 비교하는 과정을 반복하여, 각도를 측정하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 각도 측정 장치(200) 및 그 각도 측정 방법에 따르면, 모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정 시 사용되는 2개의 홀 센서 사이에서의 위상에 오차가 발생한 경우, 그 위상 오차를 보정하여 정확한 각도를 측정할 수 있음을 알 수 있다.
100, 200 : 각도 측정 장치
210 : 위상 보정부 220 : 회전 각도 산출부
211 : 제 1 곱셈기 212 : 제 1 가산기
213 : 제 2 곱셈기 214 : 제 3 곱셈기
221 : 비교기 222 : 제 4 곱셈기
223 : 카운터 224 : 탄젠트값 산출기

Claims (10)

  1. 모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정하는 각도 측정 장치에 있어서,
    제 1 홀 센서의 출력 및 제 2 홀 센서의 출력 사이의 위상 오차를 보정하는 위상 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상 보정부는,
    상기 제 1 홀 센서의 출력과 제 1 값을 곱셈하여 출력하는 제 1 곱셈기; 및
    상기 제 2 홀 센서의 출력과 상기 제 1 곱셈기의 출력을 가산하여 출력하는 제 1 가산기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제 1 가산기의 출력과 제 2 값을 곱셈하여 출력하는 제 2 곱셈기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제 2 값은,
    상기 제 1 홀 센서의 출력의 이득과 상기 제 1 값을 곱한 값의 제곱값;과, 상기 제 2 홀 센서의 출력의 이득의 제곱값;을 합산한 값의 루트값의 역수인 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제 2 곱셈기의 출력인 코사인 함수와 상기 제 1 홀 센서의 출력인 사인 함수의 위상은, 동일한 것을 특징으로 하는 각도 측정 장치.
  6. 모터의 회전자에 부착된 자석의 회전 각도를 측정하는 각도 측정 방법에 있어서,
    (S100) 제 1 홀 센서의 출력 및 제 2 홀 센서의 출력 사이의 위상 오차를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 각도 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 S100 단계는,
    (S110) 상기 제 1 홀 센서의 출력과 제 1 값을 곱셈하여 출력하는 단계; 및
    (S120) 상기 제 2 홀 센서의 출력과 상기 S110 단계의 출력을 가산하여 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 각도 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 S100 단계는,
    (S130) 상기 S120 단계의 출력과 제 2 값을 곱셈하여 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각도 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제 2 값은,
    상기 제 1 홀 센서의 출력의 이득과 상기 제 1 값을 곱한 값의 제곱값;과, 상기 제 2 홀 센서의 출력의 이득의 제곱값;을 합산한 값의 루트값의 역수인 것을 특징으로 하는 각도 측정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 S130 단계로부터 출력되는 코사인 함수와 상기 제 1 홀 센서의 출력인 사인 함수의 위상은, 동일한 것을 특징으로 하는 각도 측정 방법.
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