KR20230038423A - 액추에이터의 위치를 확인하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

병진 운동 또는 회전 운동에서 미리 정해진 스트로크를 수행하는 기계 요소의 위치를 확인하기 위한 장치(10)로서, 장치(10)는 위치가 결정되는 기계 요소와 통합된 자기 부품(4) 및 고정식 자기 센서(3)를 포함하고, 자기 부품(4)은 나선형 패턴에 따라 배열된 적어도 하나의 자기 요소를 갖는다.

Description

액추에이터의 위치를 확인하기 위한 장치

본 발명은 병진 운동 또는 회전 운동에서 기계 요소의 위치를 확인하기 위한 장치에 관한 것이다. 특히, 이 장치는 액추에이터, 바람직하게는 선형 공압식 액추에이터의 위치를 제어하는 데 적합하다.

일반적으로 일반 시스템을 제어하는 것은 시스템에 원하는 동작을 부과하는 것과 같다. 보다 구체적으로, 이것은 트랜스듀서에 의해 생성된, 피드백 신호에서 오는 정보를 처리할 수 있는 컨트롤러를 정의하는 것으로 구성된다. 이 모든 것은 서로 다른 섹터, 특히 자동화 분야와 관련된 서로 다른 애플리케이션에 사용되는 폐쇄 루프 제어 시스템의 정의로 요약할 수 있다.

폐쇄 제어 루프를 구축하려면 제어할 변수를 선택하는 것이 근본적으로 중요하고, 이 변수는 피드백 신호 및, 따라서, 피드백 신호를 생성하는 작업을 하는 센서와 밀접하게 연결되어 있다.

기계 요소의 동작을 제어하기 위해, 요소 자체의 순간적인 위치와 관련된 정보를 처리할 수 있는 컨트롤러를 기반으로 하는 포지셔닝 시스템을 개발하는 것이 일반적이다. 따라서, 위치 제어에 적합한 장치를 개발하는 요구는, 적절한 위치 센서를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

알려진 바와 같이, 자동화 분야에서 위치 센서는, 예를 들어, 유형에 따라 또는 기계 요소와의 결합에 따라 다양한 매크로 범주로 나눌 수 있다.

유형에 따라, 증분형(incremental) 또는 절대형(absolute) 위치 센서로 구별될 수 있다. 고유한 기준(intrinsic reference)이 없는 첫 번째 것은 영점 기준을 재할당하기 위해 시작할 때마다 보정 절차를 수행해야 한다. 반면에, 초기 교정(calibration)이 수행되면 두 번째 것은 매번 처음부터 절차를 반복하지 않고도 항상 올바른 측정을 감지할 수 있다.

기계 요소와의 결합을 기반으로, 접촉 센서 또는 비접촉(non-contacting) 또는 "비접촉(contactless)" 센서는 가장 일반적인 앵글로색슨 용어에 따라 정의된다. 전위차계(potentiometers)와 같은 접촉식 센서는 일반적으로 기계 시스템과 결합된 메커니즘을 사용하여 측정을 수행하는 반면, 광학 인코더 또는 자기 트랜스듀서와 같은 비접촉식 센서는 움직이는 부품들 사이에 직접 접촉을 제공하지 않으므로, 더 복잡한 기술에 의존해야 한다. 그러나, 비접촉식(contactless)) 센서는 기계적 관점에서 상당한 이점이 있다: 움직이는 부품들 사이의 접촉의 부재는 부품 마모의 부재로 이어지고, 그러므로, 이는 무한하지는 않더라도 유효 수명으로 이어지며, 접촉식 센서보다 확실히 더 길다.

본 발명은 비접촉식 자기 센서를 구현하는 예를 취하므로, 본 발명은 필요한 정보를 추정하기 위해 자기장을 생성할 수 있는 부품과 통신할 수 있어야 하는 비접촉(contactless) 자기 센서에 대해 이하에서 집중적으로 설명한다. 일반적으로 자기장 B는 벡터장으로 도식화할 수 있다. 그렇게 하여, 그것은 그들 각각의 점에서 개별 캐리어 B에 접하는 필드 라인으로 표현될 수 있으며, 각각은 관습적으로 위치 센서의 방향에 의해 할당되는(allocated), 기준 데카르트 턴(reference Cartesian tern)에 의해 정의된 세 개의 주요 데카르트 성분들 Bx, By, Bz로 분석될 수 있다. 따라서, 측정된 변수는 센서와 자기 부품 사이의 상대 위치이다. 그것의 상대 위치를 측정하려면, 두 요소들 중 하나(둘 중 어느 것이든 상관 없음)는 동작 중인 구성 요소에 대한 참조를 식별할 수 있도록 적절하게 정해져야 한다.

설계 국면에서 첫 번째 제한 사항은 그들이 작동해야 하는 특정 섹터에 의해 할당된다. 이 특허의 경우, 하나는 선형 액추에이터를 이동시키는 역할을 하는 포지셔닝 수단으로 구성된, 공압 포지셔닝 시스템의 자동화를 목표로 하는 위치 센서를 조사하고자 한다. 그러나, 이 아이디어는 다른 섹터 및 다른 어플리케이션에도 용할 수 있는 솔루션을 찾기 위한 것이다. 특히, 주요 목표는 병진 및 회전 기계 시스템 모두의 위치 평가에 적합한 솔루션을 얻는 것이다.

또한, 알려진 바와 같이, 공압 자동화의 특정 분야에서 센서를 개발하는 것은 상당한 단점에 직면한다: 종종 제어할 기계 시스템의 역학(dynamics)이 높고 개발 단계에서 관찰해야 할 제약이 많다.

주요 기술적 문제는 기계 시스템의 제어가 4mA에서 20mA 사이에서 변하는 전류 신호로 작동된다는 것이다. 따라서, 모든 전기적 부품의 전원 공급을 관리하기 위해서는 반드시 4mA 미만의 전류 값이 사용되어야 한다. 이것은 사용된 센서의 에너지 소비가 다른 사용된 요소의 에너지 소비에 비례하여 충분히 낮아야 함을 의미한다. 따라서, 실제 사용 요청이 있는 경우에만 활성화할 수 있는 센서를 설치하고 나머지 시간 동안은 차단하는 것이 유용할 수 있다. 이것이 소비 관점에서 이점을 나타낸다면, 반면에 이것은 두 번째 기술적 문제를 암시한다: 사실, 증분형 위치 센서를 사용할 때에는, 점화할 때마다 보정을 수행해야 하고 결과적으로 이전에 정의된 참조를 잃게 되므로, 절대형 위치 센서를 채택하는 것이 필수이다. 또한, 세 번째 기술적 문제는 높은 기계적 성능에 대처하기 위해, 센서도 위에서 설명한 제약 조건을 준수하면서 유사한 동적 응답을 보장해야 한다는 점이다.

마지막으로 공압 포지셔닝 시스템에 사용되는 자기 비접촉식 센서는 측정의 비선형성과 연결되는 추가의 기술 문제를 해결해야 한다. 여기에는 액추에이터의 최대 스트로크에 직접적인 영향을 미치는, 센서에서 공제할 수 있는 최대 스트로크와 연결된 추가 제한이 수반된다.

이 기술의 예는 US6909281B2에 설명되어 있다. 특히, 이 문서는 집광기(cconcentrator)의 도움으로, 특별히 디자인되고 센서가 위치한 지점에 위치한 바(bar)에 의해 생성되는 자기장의 강도를 측정하는 홀 효과 센서(Hall effect sensor)에 대해 설명한다. 필드의 모양은 특별하며 기계 시스템의 위치와 필드 자체의 강도 사이의 선형 관계를 설정하도록 설계되었다. 종래 문서에 설명된 솔루션의 한계는, 실시된 측정에서 중요한 비선형성을 수반하는 자기장의 구배의 작은 변화로 인하여 긴 스트로크를 관리할 수 없다는 점에 내재되어 있습니다.

따라서, 병진 운동 또는 회전 운동에서 기계 요소의 위치를 제어하기 위한 장치, 특히 위에서 언급한 단점이 없는, 액추에이터의 위치를 확인하기 위한 장치를 정의할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 하나의 목적은 미리 결정된 스트로크를 수행하는 병진 또는 회전 운동에서 기계 요소의 위치를 확인하기 위한 장치, 특히, 액추에이터, 바람직하게는(필연적이지 않음) 선형 공압 액추에이터의 위치를 확인하기 위한 장치의 정의이다. 상기 장치는 액추에이터의 긴 스트로크를 처리할 수 있어야 하며 어떠한 경우에도 공지 기술에 따른 적용과 관련된 단점이 없어야 한다.

특히, 본 발명의 대상인 제어 장치는 종래 기술의 교시에 따라 설명된 바와 같이, 자기 비접촉 센서를 포함할 수 있다.

보다 일반적으로, 상기 장치는 두 가지 필수 요소, 즉 특정 형태의 자기장을 생성할 수 있는 구성 요소 및 자기장 자체에 민감한 센서를 포함한다.

자기 부품은 나선형 형태를 가지며, 예를 들어 나선형 형태의 플렉서블한 자기 요소 또는 나선형 형태로 배열된 복수의 자기 소자가 삽입된 비자성 선형 바일 수 있다. 궁극적으로, 자기 부품에 대해 선택된 솔루션이 무엇이든 이것은 매우 정확한 필드 모양을 생성할 수 있어야 한다.

그 자체가 본 발명의 일부는 아니지만 자기 부품과 결합된 센서는 바람직하게는 하나의 전자 보드에 압축된, 여러 개의 별개의 홀 효과 센서들의 작용을 서로 다른 방향으로 자기장의 값을 측정할 수 있는 방식으로 통합하는 기술을 기반으로 한다. 그러므로, 센서는 기계 시스템의 순간 위치를 직접 반환하는 것이 아니라, 개별 홀 효과 센서에 의해 식별된 서로 다른 방향에 따른 자기장 강도 값을 반환한다.

이러한 이유로 다양한 홀 효과 센서들에서 오는 신호를 디코딩하고 처리하는 방법론도 개발해야 했다. 이것은 센서에서 방출된 데이터를 처리하고 최종적으로 원하는 변수를 외삽할 수 있는 특정 디코딩 알고리즘의 형태로 달성되었고, 이는 즉 관심 있는 기계 시스템의 위치이다.

대안적으로, MEMS 센서 또는 자기 저항 센서(magneto-resistive sensors)와 같은 자기장에 민감한 다른 유형의 센서도 사용될 수 있으며, 항상 동일한 디코딩 알고리즘을 유지하고 위에 소개된 성능 및 전자적 제약 조건의 준수에 특히 주의를 기울인다.

주요 이점 중 하나는, 여러 정의된 방향에 대해 전계 강도 값을 외삽함으로써, 선형 및 각도 변위를 모두 측정할 수 있는 단일의 센서를 사용할 수 있다는 것이다.

따라서, 본 발명의 제1 목적에 따르면, 병진 및 회전 운동에서 기계 요소의 위치를 확인하기 위한 장치가 설명되며, 이는 미리 결정된 스트로크를 수행하고 첨부된 독립 청구항의 장치에 설명된 특성을 갖는다.

본 발명의 다른 목적에 따르면, 위치 신호를 디코딩하기 위한 방법이 설명되며, 첨부된 독립 청구항의 방법에 설명된 특성을 갖는다.

바람직한 및/또는 특히 유리한 전술한 플랜트의 추가적인 실시예들은 첨부된 종속 청구항들에서 설명된 특성들에 따라 설명된다.

본 발명은 이제 실시예의 몇몇 비제한적 예시를 도시하는 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다:
- 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 확인 장치의 개별 부품의 개략도를 도시하고,
- 도 2는 도 1의 자기 부품의 조립도이고,
- 도 3은 도 1의 장치의 최종 솔루션을 개략적으로 나타낸 것이다.

이제 위의 도면을 참조하여, 이하에서는 병진 운동 또는 회전 운동에서 기계 요소의 위치를 확인하기 위한 장치(10)가 설명된다. 이 장치는 그 위치가 결정되는 기계 요소와 통합된 자기 부품(4) 및 고정식 자기 센서(3)를 포함한다.

자기 부품(4)은 특정 자기장 형태를 생성할 수 있어야 한다. 그러한 결과를 얻기 위한 하나의 가능한 해결책은 자기 부품(4)이 복수의 구멍(6)을 구비한 비자성 재료, 예를 들어 알루미늄의 바(1)를 포함하는 것이며, 상기 복수의 구멍(6)에는 복수의 자기 실린더(2)(각 구멍(6)마다 하나의 실린더(2))가 인터퍼런스(interference)로 고정(접착 또는 내장)되어 있고, 여기서 실린더(2)는 필드 벡터 B로 식별되는 동일한 방향에 따라 편광된다.

개별 자기 실린더(2)는 나선형 패턴을 따르는 비자성 바(1)를 따라 배열된다. 나선을 따른 자기 실린더의 수와 배열은, 값의 효율적 해석을 보장하기에 충분히 큰 각도(예를 들어 90°와 270° 사이의 각도)와 동일한 단부 자기 실린더(2', 2") 사이의 자기장의 각 변위를 얻도록 결정된다(도면에서 예를 들어 참조된 각도는 대략 평평하다는 점에 유의해야 한다). 각도 변위와 연속적인 자기 실린더들 사이의 거리가 임의로 부여될 수 있고, 비자성 바(1)의 길이도 부여되며, 그러므로, 이는 액추에이터의 스트로크에 비례할 수 있다.

따라서, 이 기술로는 측정 가능한 최대 스트로크 한계가 없다고 할 수 있다. 이러한 이유로, 실제 측정되는 스트로크에 의존하여, 항상 자기 실린더의 나선이 제공되고 서로 다른 길이를 갖는 다양한 비자성 바를 개발할 수 있다.

이 솔루션의 대안으로, 자기 부품은 자기장의 동일한 모양을 복제할 수 있는 한 다른 디자인을 가질 수 있다. 앞서 설명한 케이스에서, 자기 실린더의 배열에 의해 주어진 나선형 모양을 복제하는데, 높은 자기 특성을 가진 플렉서블한 재료를 사용하는 것이 예가 될 수 있다. 그렇지 않으면, 추가 예에 따르면, 자기 부품은 비자성 바가 없을 수 있고, 또한 이 경우에서는 나선형 프로파일을 재구성하는 방식으로 그들 사이에 위상 편이 각도로 배열된 복수의 작은 프리즘형 자석을 포함할 수 있다.

적절하게 제약된, 자기장에 민감한 센서(3)는 기존에 정의된 여러 방향에서 동시에 자기장을 감지할 수 있도록 선택되어야 한다. 유리하게는, 솔루션은 3차원 자기 센서(3)로 표현되며, 이것은 그 내부에 서로 직각으로 배열되어 기준 데카르트 트라이어드를 형성하고 단일 전자 보드에 압축되어 있는 3개의 개별 홀 효과 센서(5)가 들어있다. 이는 센서 자체의 공간적 방향에 강하게 연결된 개별 홀 효과 센서(5)의 방향에 의해 주어진 기준 트라이어드(reference triad)에 의해 정의된 3개의 축에서 자기장의 강도를 얻을 수 있게 한다. 따라서, 센서(3)는 위치 값을 직접 반환하는 것이 아니고, 트라이어드의 3축에 있는 3개의 자기장 부품인 Bx, By, Bz를 반환한다. 따라서, 여러 방향으로 자기장의 강도를 반환할 수 있는 다른 유형의 센서에서도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 전체 장치의 개략도가 도 3에 나와 있다.

기계 요소의 순간 위치 값의 외삽은 디코딩 알고리즘을 기반으로 하는 특정 방법 덕분에 얻어진다. 이 방법의 목적은 자기장과 관련된 양을 센서와 자기 부품 사이의 상대 위치와 연관시키는 것이다. 궁극적으로 이 방법에는 다음 단계가 포함된다:

- 생성된 자기장에 연결된 하나 이상의 수량을 감지하는 단계

- 기계 요소의 위치를 자기장과 관련된 양과 연관시키는 단계

이를 위해 두 가지 다른 접근 방식이 개발되었다. 첫 번째는 자기장의 힘선의 추세 분석을 기반으로 한다. 이것은 힘선들 자체에 접선적인 개별 자기장 벡터 B의 기울기 각도를 점별로 계산하는 것과 일치하는 작업인, 힘선들의 기울기를 정량화하는 것과 동등하다. 입체각을 가진 복잡한 고려사항을 피하기 위해, 필드의 기하학적 구조와 센서와 자기 부품 사이의 상대적인 방향에 기초하여 선택된 데카르트 기준면에 투영된 힘선의 추세를 결정할 필요가 있다.

이것은, 이전에 선택된 데카르트 기준면에 대응하는 자기장의 두 부품을 선택함으로써, 아크탄젠트를 이용하고 사용자가 설정한 스케일팩터 k로 그 경향을 수정함으로써 힘선의 기울기의 경향을 표현하는 수학적 함수를 위치와의 관계에서 결정하는 것이 이론적으로 가능하다는 것을 의미한다. 예를 들어, XY 평면을 데카르트 기준면으로 선택한다고 가정하고 다음 센서로부터 외삽된 Bx와 By 성분을 사용하면, 다음을 계산할 수 있다:

장점은, 나선 바(helix bar)에 의해 발생된 자기장을 고려하였을 때, 문제의 수학적 함수가 단조롭고 직선으로 쉽게 보간할 수 있는 것이다. 따라서, 직선을 보간하는 방정식이 얻어지면, 선형 관계는 기계 시스템의 위치와 힘선의 기울기 사이에서 이용할 수 있을 것이다. 따라서, 역의 공식을 이용함으로써, 자기장의 데카르트 성분으로부터 목표 변수(기계 요소의 위치)로 반환하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로 선형 곡선이 고려되기 때문에 비선형성의 문제는 크게 감소한다. 또한, 측정의 최적의 반복성 덕분에, 동일한 위치 값이 항상 각 기울기 값에 해당한다는 것을 확신할 수 있다.

자기장의 총 강도와 그 기울기 각도를 측정하는 자기 저항 센서(magneto-resistive sensor)를 사용함으로써, 아크탄젠트 함수를 사용한 각도 계산에 의존하지 않고 동일한 결론에 도달할 수 있다.

디코딩 알고리듬의 두 번째 접근법은 대신 세 가지 데카르트 성분 Bx, By, Bz를 모두 이용한다. 실제로, 동일한 값을 가정함으로써 공간의 어떤 점에서도 Bx, By, Bz가 어떻게 반복되는지 관찰할 수 있다. 즉, 센서(3)를 자기 부품(4)에 대해 임의의 방향으로 이동시킴으로써, 비록 어떠한 경우에도 측정에서 적절한 값을 얻는 것과 같은 거리가 남지만, 서로 다른 3원값 Bx, By, Bz가 항상 얻어진다. 이것은 적절하게 정의된 로크업 테이블 덕분에 또는 각 지점에서 자기장의 구성 요소의 정확한 값을 결정할 수 있는 수학적 함수를 참조함으로써, 상당한 이점을 구성하고, 센서와 자기 바 사이의 정확한 상대 위치를 정의할 수 있다. 또한, 이 알고리즘을 활용하면, 공간의 어느 지점에서나 자기장의 정확한 값을 알고 있기 때문에, 기계 시스템의 정확한 위치만을 외삽함으로써, 실제 상황에서 불가피한 작은 변위나 진동의 존재를 감지될 움직임의 방향으로만 식별할 수 있다. 이 기능은 시스템이 한 축에서만 작동하고 제어할 수 있고 조정기 외부에서 작은 움직임이 발생할 때에, 심지어 다른 방향에서도 특히 유용하다.

본 발명의 실시예들 외에도, 전술한 바와 같이, 다수의 추가 변형들이 존재하는 것이 이해되어야 한다. 또한, 상기 실시예들은 단지 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명의 목적, 본 발명의 적용 및 가능한 구성을 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 반대로, 상기 설명은 숙련자가 적어도 그 예시적인 구성에 따라 본 발명을 구현하는 것을 가능하게 하지만, 이에 따라, 본 발명의 목적을 벗어나지 않고, 첨부된 청구범위에서 정의된 것처럼 설명된 구성요소의 수많은 변형이 가능하다는 것을 이해해야 한다.

Claims (13)

1. 병진 운동 또는 회전 운동에서 미리 결정된 스트로크를 수행하는 기계 요소의 위치를 확인하기 위한 장치(10)로서, 위치가 결정되는 기계 요소와 통합되는 자기 부품(4) 및 고정식 자기 센서(3)를 포함하고, 상기 장치(10)는 자기 부품(4)이 나선형 패턴에 따라 배열된 적어도 하나의 자기 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치(10).
2. 제1항에 있어서,
   자기 부품(4)은 복수의 구멍(6)을 구비한 비자성 재료의 바(1)를 포함하며, 상기 복수의 구멍(6)에는 복수의 자기 실린더(2)(각 구멍(6)마다 하나의 실린더(2))가 인터퍼런스로 고정되며, 동일한 방향에 따라 편광되는 자기 실린더(2)인, 장치(10).
3. 제2항에 있어서,
   비자성 재료의 바(1)를 따라 배열된 개별 자기 실린더(2)는 나선형 패턴을 따르는 것인, 장치(10).
4. 제3항에 있어서,
   단부 자기 실린더(2', 2") 사이의 자기장의 각 위상 편이는 90°와 270° 사이의 각도와 같은 것인, 장치(10).
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   비자성 재료의 바(1)의 길이는 액추에이터의 미리 결정된 스트로크에 비례하는 것인, 장치(10).
6. 제1항에 있어서,
   자기 부품(4)은 복수의 작은 프리즘형 자석을 포함하는 것인, 장치(10).
7. 제1항에 있어서,
   자기 부품(4)은 자성을 가진 플렉서블한 재료로 만들어지며 나선형 패턴을 갖는 것인, 장치(10).
8. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
   자기 센서(3)는 3차원이며, 내부에는 그들 사이에서 직교하도록 배열되어 데카르트 기준 트라이어드를 형성하는 3개의 서로 다른 홀 효과 센서(5)로 구성되는 것인, 장치(10).
9. 제8항에 있어서,
   상기 자기 센서(3)는 트라이어드의 3축 상에서 3개의 필드 성분(Bx, By, Bz)을 반환하는 것인, 장치(10).
10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    자기 센서(3)는 자기 저항 센서인, 장치(10).
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 장치(10)에 의해 위치 신호를 디코딩하는 방법으로서,
    a. 생성된 자기장과 관련된 하나 이상의 양을 검출하는 단계; 및
    b. 기계 요소의 위치를 자기장과 관련된 하나 이상의 양과 연관시키는 단계;
    를 포함하는, 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 단계 a는,
    a1. 자기장의 플럭스 라인 기울기의 추세를 나타내는 수학적 함수를 결정하는 단계;
    a2. 수학적 함수의 직선을 보간하는 방정식을 도출하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 단계 b는 직선을 보간하는 방정식의 역 공식을 이용하여 기계 요소의 위치를 획득하는 단계의 국면을 포함하는 것인, 방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 단계 a는, 각 지점에서 자기장의 부품의 정확한 값을 결정할 수 있는 룩업 테이블 또는 수학적 함수를 정의하는 단계 a.3의 국면을 포함하는 것인, 방법.
    

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