KR101952049B1 - 센서 시스템을 위한 프로그램 가능한 보간 모듈 - Google Patents

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더 팀켄 컴퍼니
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Abstract

센서 시스템은 가동 부재, 센서 및 보간기를 포함한다. 센서는 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 제1 출력 신호는 제1 위상각을 가지고, 제2 출력 신호는 제2 위상각을 가지며, 제1 위상각과 제2 위상각 사이의 제1 차이는 제1 값을 가진다. 제1 차이의 제1 값은 센서와 가동 부재 사이의 기계적 비호환성과 관련된 오프셋을 포함한다. 보간기는 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 수신하도록 구성된다. 보간기는 제3 위상각을 가진 제3 신호를 생성하기 위해 보상 인자를 적용하도록 작동된다. 보상 인자는 센서와 가동 부재 사이의 기계적 비호환성에 기초한 값을 가진다.

Description

센서 시스템을 위한 프로그램 가능한 보간 모듈{PROGRAMMABLE INTERPOLATION MODULE FOR A SENSOR SYSTEM}
본 발명은 센서 시스템을 위한 보간 모듈 또는 보간기에 관한 것이다.
보간기는 가령 위치 검출 또는 속도 검출에 사용되는 인코더 장치 내로 통합된다. 설명되는 예시로서, 인코더는 이동 부재 및 이동 부재의 위치나 속도를 검출하는데 사용될 수 있는 센서의 어레이를 포함할 수 있다. 센서로부터의 출력 신호에 기초하여, 인코더를 위한 정확한 위치 정보나 속도 정보가 결정될 수 있다.
그러나, 하나의 이동 부재를 위한 정확한 위치 데이터나 속도 데이터를 생성하는 센서의 어레이는 서로 다른 이동 부재를 위한 정확한 위치 데이터나 속도 데이터를 생성할 수 없다. 센서가 하나의 이동 부재를 위한 정확하고 신뢰성 있는 데이터 및 다른 것을 위한 불신하고 부정확한 데이터를 생성할 수 있는 다양한 이유가 있다. 예를 들어, 회전식 증가 인코더(가령, 속도 및 위치 검출을 위한 회전 부재를 포함하는 회전식 인코더를 특히 참조하면, 하나의 회전 부재는 다른 회전 부재보다 더 클 수 있다. 각각의 회전 부재는 주기적 패턴으로 코딩되고, 센서 어레이 내의 복수의 홀 이펙트 센싱 소자는 패턴의 길이에 걸쳐 사용되어서 출력 신호(가령, 두 개의 정현파 파형)를 생성한다.
이상적으로, 센서 소자 어레이의 길이는 이동 부재상의 패턴의 길이와 거의 정확하게 매칭되어서, 두 개의 90°위상 시프트된 정현파 신호(sinusoidal signal)가 생성된다. 예를 들어, 자기적 타겟(magnetic target)의 극 너비(pole width)는 남극의 중심과 북극의 중심 사이에 180°의 길이를 할당한다면, 90°는 북극과 남극 사이의 접합부(junction)에 해당한다. 이러한 예시에서, 두 개의 센서 어레이에 대하여, 센서 어레이의 길이(즉, 제1 센서에서 제2 센서까지의 거리)는 남극과 북극 사이의 접합부로부터, 남극의 중심과 북극의 중심 중 하나의 길이와 대략 동일하다. 직선이나 곡선을 따라 동일하게 이격된 네 개의 센서 소자가 있는 네 개의 센서 어레이에 대하여, 센서 어레이의 길이(즉, 제1 센서 소자로부터 제4 센서 소자까지의 거리)는 극 너비(즉, 하나의 극의 중심으로부터 인접한 극의 중심까지의 거리)의 3/2에 대략 동일해야 한다. 예를 들어, 한 위치에서, 제1 센서는 남극의 중심에 정렬되고, 제2 센서는 북극과 남극 사이의 접합부에 정렬되며, 제3 센서는 남극의 중심에 정렬되고, 제4 센서는 남극과 그 이후의 남극 사이의 접합부에 정렬된다. 그러나, 기계적 또는 물리적 비호환성 또는 불일치성은 센서 시스템이나 인코더 내에 존재할 수 있다. 회전식 증가 인코더에 대하여, 센서는 90°위상 차(즉, 출력 신호는 서로 직각 위상에 있음(in quadrature with))를 가진 한 쌍의 출력 신호(가령, 정현파 파형)를 생성하기 위해 제어된다. 그리고 나서, 출력 신호는 보간기로 알려진 회로를 사용하여 보간되어서 높은 레졸루션 파형을 생성한다. 이동 부재상에서, 패턴 길이는 주기적 패턴의 길이이고, 패턴의 피치(pitch)는 두 개의 인접한 패턴들 간의 거리이다. 패턴 길이와 피치는 특정한 설계를 위한 특정한 값으로 대개 선택되고, 센서 어레이 길이 및 패턴 길이는 서로에 호환되도록(가령, 매칭) 설계된다.
그러나, 센서 어레이 길이 및 패턴 길이가 서로 매칭되지 않거나, 타겟 및 센서 어레이가 설치 동안에 비정렬되면, 생성된 출력 신호의 한 쌍은 정확히 90°위상 차를 갖지 않는다. 신호가 실질적으로 90°위상 차를 갖지 않으면, 보간기로부터의 높은 레졸루션 출력에 오류가 도입될 수 있다. 이와 같이, 대부분의 인코더에서, 센서 어레이 및 타겟상의 패턴은 서로 매칭되도록 구체적으로 설계되어서 이러한 오류의 도입을 피한다. 미스패치에 대한 조절은, 가령, 타겟과 센서 어레이 간의 비틀림 각을 기계적으로 조절하는 것, 입력 신호 위상을 조절하기 위해 큰 크기의 혼합-신호 벡터 프로세싱 회로를 사용하는 것 등을 포함할 수 있다. 그러나, 인코더의 비틀림 각도를 정확하게 조절하는 것은 어렵고, 벡터 프로세싱 회로를 실행하는 것은 보간기를 요하는 컴퓨터적인 자원 때문에, 비용이 많이 들 수 있다.
그러므로, 본 명세서에 기술된 본 발명은, 센서 어레이의 길이와 타겟 패턴의 길이 사이의 미스매치나 설치 동안의 비정렬과 같은 기계적인 비호환성에 대해 보상하는데 사용될 수 있는 센서 시스템을 위한 프로그램 가능한 보간기에 관한 것이다. 예를 들어, 센서 시스템은 회전 부재와 같은 이동 부재, 센서 어레이(가령, 둘 이상의 센서를 포함함) 및 센서들로부터의 출력 신호를 수신하는 회로를 포함한다. 회로는 프론트 엔드(front end)(센서들의 출력 신호를 조절하기 위한 가령, 증폭기, 필터 등) 및 가령 타겟의 위치나 속도와 관련된 높은 레졸루션 신호를 생성하기 위한 보간기 또는 보간 모듈을 포함할 수 있다. 회전식 인코더에 대하여, 센서 어레이 내의 각각의 센서는 타겟 패턴에 대한 이들의 상대적 위치와 위상에 대응되는 출력 신호를 생성한다. 그리고 나서, 직각 위상의 정현파 파형(가령, 90°위상 차를 가져야 하는 파형)은 센서 어레이 출력 신호로부터 생성된다. 회전 부재와 센서들 사이의 기계적 비호환성이 있다면, 보간기 내의 모듈은 보간기 내의 신호를 보상하여서, 미스매치를 처리하고, 신호들이 교정되거나 보상되도록 (즉, 인커밍 신호의 위상 차가 보간기 내의 생성된 피드백 신호의 위상 차와 매칭됨) 보장한다. 일부 실시예에서, 보간기의 보상 모듈은 가령, 패턴의 극 너비(가령, 북/남극 사이의 너비)에 선형으로 비례하도록 설계되고, 높은 정확도로 조절될 수 있다. 보상 모듈은 이동 부재에 대한 설계 치수의 더 넓은 범위를 허용하는데, 왜냐하면, 패턴 길이, 극 너비, 피치 등에서의 베리에이션을 허용할 수 있는 오류 또는 물리적 미스매치가 처리될 수 있다. 일부 구성에서, 프로그램 가능한 보간기는 논리 회로를 사용하여 실행되어서, 전반적인 설계 복잡성과 회로 크기를 줄일 수 있다. 다른 구성에서, 프로그램 가능한 보간기는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 또 다른 제어 장치를 사용하여 실행될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 가동 부재, 센서 및 보간기를 포함하는 센서 시스템을 제공한다. 센서는 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 제1 출력 신호는 제1 위상각을 가지고, 제2 출력 신호는 제2 위상각을 가지며, 제1 위상각과 제2 위상각 사이의 제1 차이는 제1 값을 가진다. 제1 차이의 제1 값은 센서와 가동 부재 사이의 기계적 비호환성과 관련된 오프셋을 포함한다. 보간기는 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 수신하도록 구성된다. 보간기는 제3 위상각을 가진 제3 신호를 생성하기 위해 보상 인자를 적용하도록 작동되고, 제4 위상각을 가진 제4 신호를 생성한다. 제3 위상각과 제4 위상각 사이의 제2 차이는 제2 값을 가진다. 제2 차이의 제2 값은 제1 차이의 제1 값과 실질적으로 동일하고, 보상 인자는 센서와 가동 부재 사이의 기계적 비호환성에 기초한 값을 가진다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법을 제공한다. 본 발명은 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 생성하는 단계와, 보간 모듈에서 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 수신하는 단계와, 보상 인자를 결정하는 단계 - 상기 보상 인자는 센서와 가동 부재 사이의 기계적 비호환성에 기초한 값을 가짐 - 와, 보상 인자를 사용하여 제3 신호를 생성하는 단계 - 상기 제3 신호는 제3 위상각을 가짐 - 와, 제4 위상각을 가진 제4 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 제1 출력 신호는 제1 위상각을 가지고, 제2 출력 신호는 제2 위상각을 가지며, 제1 위상각과 제2 위상각 사이의 제1 차이는 제1 값을 가진다. 제1 차이의 제1 값은 센서와 가동 부재 사이의 기계적 비호환성과 관련된 오프셋을 포함한다. 제3 위상각과 제4 위상각 사이의 제2 차이는 제2 값을 가지고, 제2 차이의 제2 값은 제1 차이의 제1 값과 실질적으로 동일하다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 자기극의 패턴을 포함하는 회전 부재, 홀 이펙트 센서, 및 제어기를 포함하는 센서 시스템을 제공한다. 홀 이펙트 센서는 자기적 극의 패턴에 기초하여 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 제1 출력 신호는 제1 위상각을 가지고, 제2 출력 신호는 제2 위상각을 가지며, 제1 위상각과 제2 위상각 사이의 제1 차이는 제1 값을 가진다. 제1 차이의 제1 값은 홀 이펙트 센서와 회전 부재 사이의 기계적 비호환성과 관련된 오프셋을 포함한다. 제어기는 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 수신하도록 구성된다. 제어기는 제3 위상각을 가진 제3 신호를 생성하기 위해 보상 인자를 적용하도록 작동되고, 제4 위상각을 가진 제4 신호를 생성한다. 제3 위상각과 제4 위상각 사이의 제2 차이는 제2 값을 가진다. 제2 차이의 제2 값은 제1 차이의 제1 값과 실질적으로 동일하고, 보상 인자는 홀 이펙트 센서와 회전 부재 사이의 기계적 비호환성에 기초하여 설정된 값을 가진다.
본 발명의 다른 태양은 상세한 설명 및 첨부 도면의 고려함에 의해 더욱 명백해질 수 것이다.
도 1은 센서 시스템의 일부를 나타낸다.
도 2는 교호하는 자기극을 포함하는 회전 부재에 인접하여 위치된 센서 어레이를 포함하는 센서 시스템을 나타낸다.
도 3a 및 3b는 홀 이펙트 센서를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 시스템의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보간기를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 보간기의 일부를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 보간기의 일부를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 보간기의 일부를 나타낸다.
본 발명의 임의의 실시예가 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 이하의 설명이나 도시된 이하의 도면에 제시된 구조의 세부사항과 구성의 배치로, 본 발명의 적용예가 제한되지 않는다는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명은 실시되거나 다양한 방식으로 수행되는 다른 실시예일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 어법과 용어는 설명을 위함이며 제한적으로 간주되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서의 "포함하는", "포함한" 또는 "가진" 및 이의 변형예의 사용은 이하에 나열된 아이템은 물론 추가적인 아이템의 등가예도 포함하는 것으로 의도된다. 용어 "마운팅되는", "연결되는" 및 "결합되는"는 직접 및 간접적인 마운팅, 연결 및 결합을 널리 포함하는데 사용된다. 또한, "연결되는" 및 "결합되는"은 물리적 또는 기계적 연결이나 결합으로 제한되지 않고, 직접 또는 간접적으로, 전기적 연결 또는 결합을 포함할 수 있다. 또한, 전기적 통신 및 통지는 직접 연결, 무선 연결 등을 포함하는 임의의 알려진 수단을 사용하여 수행될 수 있다.
복수의 서로다른 구조적 구성은 물론 복수의 하드웨어 및 소프트웨어 기반의 장치는 본 발명을 실행시키는데 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 더구나, 그리고 이후의 단락에서 기술되는 바와 같이, 도면에 도시된 특정의 컨피규레이션은 본 발명의 실시예를 예시화하도록 의도되고, 다른 대안적인 컨피규레이션이 가능하다. 용어 "프로세서", "중앙 프로세싱 유닛" 및 "CPU"는 다른 진술이 없으면 상호교환가능하다. 용어 "프로세서" 또는 "중앙 프로세싱 유닛" 또는 "CPU"가 특정한 기능을 수행하는 유닛을 식별하도록 사용되면, 다른 진술이 없는 한, 이들 기능은 단일 프로세서, 또는 병렬 프로세서, 직렬 프로세서, 탄뎀 프로세서(tandem processor) 또는 클라우드 프로세싱/클라우드 컴퓨팅 컨피규레이션을 포함하는 임의의 형태로 배열된 복수의 프로세서에 의해 수행될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 기술된 본 발명은, 인코더의 구성들 사이의 물리적 또는 기계적 미스매치 또는 비정렬에 기인하는 오프셋을 보상할 수 있는 선형 또는 회전식 인코더와 같은 인코더에 관한 것이다. 예를 들어, 회전식 증가 인코더는 위치 및 속도를 결정하기 위해 회전 부재 및 센서 어레이(가령, 두 개 이상의 센서들을 포함함)를 포함한다. 회전 부재는 가령, 교호하는 북 및 남 자기극을 포함하는 패턴 길이를 가진 패턴을 포함한다. 자기극(magnetic pole)은 개개의 극의 너비 또는 동일한 극성을 가진 극 사이의 너비에 대응되는 극 너비를 가진다. 이상적으로, 패턴 길이, 극 너비 및 센서 어레이의 길이는 정확하게 설계되어서 패턴 길이 및 센서 어레이의 길이는 매칭된다. 그러나, 패턴 길이 내의 베리에이션 (이는 회전 부재의 지름의 기능일 수 있음) 또는 극 너비에서의 베리에이션과 같은 기계적 비호환성은 출력 신호가 부정확하게 프로세스될 수 있게 되고, 이는 시스템에 의한 속도 및 위치 검출에 오류를 도입한다. 본 발명은 인코더 내의 이들 물리적 또는 기계적 베리에이션을 보상할 수 있어서 센싱 시스템의 정확도를 증가시킬 수 있는 인코더의 보간기 내의 보상 모듈을 포함한다. 예를 들어, 본 발명은 홀 이펙트 센서의 어레이 및 회전식 증가 인코더 내의 회전 부재를 포함할 수 있다. 회전 부재와 센서 어레이의 미스매치나 비정렬 때문에, 각각의 홀 이펙트 센서들로부터 생성된 한 쌍의 출력 신호(가령, 직각 위상의 신호들)는 위상 차에서 오류를 포함한다. 신호는 실질적으로 90°의 위상 차이를 가져야하나, 미스매치나 비정렬은 위상 차이가 90°보다 크거나 작도록 한다. 그리고 나서, 인코더를 위한 보간기는 내부적으로 생성되고, 높은 레졸루션 데이터 신호에 대한 위상 차이가 홀 이펙트 센서로부터의 인커밍 신호에 대한 위상 차이와 매칭되도록 구성된다. 내부의 보간기 신호가 인커밍 신호의 위상 차이와 매칭하는 위상 차이를 가질 때, 인코더 내의 미스매치나 비정렬로부터의 오프셋은 보상되거나 교정되었다. 오프라인 방식(가령, 보상 데이터는 사전설정된 프로그램 데이터), 온라인 방식(가령, 머신이 운영될 때 등, 보상 기능은 인코더가 설치되거나 기계로 사용된 이후에 실행됨) 또는 이의 결합방식으로 보상이 수행될 수 있다.
본 발명이 자기극과 홀 이펙트 센서를 사용하는 회전식 증가 인코더를 주로 기술되었지만, 본 발명은 절대 인코더, 선형 인코더, 홀 이펙트 센서가 아닌 센서를 사용하는 인코더에 적용될 수도 있다. 설명을 위해, 본 발명은 홀 이펙트 센서를 사용하는 회전식 증가 인코더에 대하여 본 명세서에 기술된다. 구체적으로, 도 1은 홀 이펙트 센서 시스템의 일부 또는 높은 레졸루션 홀 이펙트 센서 어레이(105) 및 하나 이상의 독립적인 홀 이펙트 센서(110)를 포함하는 인코더(100)를 나타낸다. 일부 구조에서, 센서 시스템(100)의 센서 소자는 단일 집적 회로(115)상에 포함된다. 다른 구조에서, 독립적인 홀 이펙트 센서(110)는 연결부에서 높은 레졸루션 홀 이펙트 센서 어레이(105)까지 분리된 전력, 출력 및 접지 연결부(120)를 가진다(즉, 전력, 출력 및 접지 연결부(120)는 높은 레졸루션 홀 이펙트 센서 회로에 연결되지 않음). 분리된 전력, 출력 및 접지 연결부(120)를 가지는 이점은 높은 레졸루션 센서 어레이(105) 및 독립적인 홀 이펙트 센서(110)로의 정전기 방전("ESD") 손상의 위험을 줄이는 것이다. 독립적인 홀 이펙트 센서(110)는 아날로그 또는 디지털 출력 신호를 생성한다. 일부 구조에서, 높은 레졸루션 홀 이펙트 센서 어레이(105)는 Timken 모델 MPS32XF 또는 MPS160 센서 어레이와 유사하다.
도 1의 센서 시스템(100)의 일부는 도 2에 도시된 바와 같은 회전가능한 부재(130)(가령, 회전식 인코더의 휠이나 샤프트)와 같은 가동 부재와 함께 사용될 수 있다. 도 1의 센서 시스템(100)의 일부는 회로 기판(125)상에 마운팅된 집적 회로(!15)로서 도 2에 도시된다. 높은 레졸루션 센서 어레이(105)는 자기 영역(140)을 가진 원형 플레이트(135)에 인접하여 배치되고, 상기 자기 영역은 그 안에 내장된 복수의 교호하는 자기극(145)과 외부 모서리에 있다. 원형 플레이트(135)는 회전가능한 부재(130)에 부착될 수 있고, 또는 회전가능한 부재(130)의 통합 부분일 수 있다.
도 3a 및 3b는 네 개의 전극(205, 210, 215 및 220)을 포함하는 단일 홀 이펙트 센서(200)를 나타낸다. 홀 이펙트 센서(200)에 대한 출력 신호는 "스피닝 전류" 기술로 알려진 것을 사용하여 직각 위상으로 생성된다. 스피닝 전류 기술에서, 제1 방향(225)으로 홀 이펙트 센서(200)를 통해 바이어스 전류의 흐름을 막기 위하여, 제1 쌍의 전극(205 및 215)으로부터 전류원을 분리시키거나, 회로를 주기적으로 스위칭 오프하고, 그리고 나서, 바이어스 전류를 제2 쌍의 전극(210 및 220)에 인가하여 바이어스 전류가 제2 방향(230)으로 홀 이펙트 센서를 통해 흐를 수 있게 한다. 스위칭 회로는 가령 프론트 엔드(가령, 출력 증폭기를 포함함)를 제2 쌍의 전극(210 및 220)으로부터 유사하게 분리시키고, 프론트 엔드를 제1 쌍의 전극(205 및 215)에 연결한다(도 4 참조). 따라서, 도 3a에서, 바이어스 전류는 처음에 제1 쌍의 전극(205 및 215)에 인가되고, 제2 쌍의 전극(210 및 220)은 센싱을 위해 사용된다. 도 3b에서, 바이어스 전류는 제2 쌍의 전극(210 및 220)에 인가되고, 제1 쌍의 전극(205 및 215)은 센싱을 위해 사용된다. 따라서, 도 3b에서, 바이어스 전류는 도 3a에 도시된 바이어스 전류의 방향(225)에 가로지르는 방향(230)으로 홀 이펙트 센서(200)를 통해 흐른다. 전극(205, 210, 215 및 220)의 스위칭은 가령, 제어기, 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, ASIC, FPGA 등을 사용하여 달성될 수 있다. 스피닝 전류 기술과 관련된 스위칭은 기술 분야에서 알려져있다.
도 4는 도 1 및 2의 센서 시스템(100)의 시스템 블록도(300)를 나타낸다. 시스템(100)은 센서(들)(305)(가령, 도 3a 및 3b에 도시된 것과 유사한 하나 이상의 홀 이펙트 센서(들)(305)), 프론트 엔드 회로(310), 보간기(315) 및 출력 장치(320)를 포함한다. 프론트 엔드 회로(310)는 가령, 센서(들)(305)의 출력 신호를 조절하는 능동 및 수동 회로 소자의 조합이다. 프론트 엔드 회로(310)는, 보간기(315)로 조절된 출력 신호가 제공되기 이전에, 센서(들)(305)로부터의 출력 신호를 조절하기 위한, 증폭기, 필터, 게인 제어 회로, 아날로그-투-디지털 컨버터("ADC") 등을 포함할 수 있다.
보간기(315)는 출력 장치(320)에 제공될 수 있는 센서 시스템(100)을 위한 높은 레졸루션 출력 신호를 생성한다. 다양한 구조에서, 보간기(315)는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 사용하여 실행된다. 보간기(315)는 가령, 제어기, 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 주문자 응용 집적 회로("ASIC"), 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이("FPGA"), 논리 회로 등으로 실행될 수 있다. 보간기(315)의 동작은 이하에 더욱 자세히 기술된다. 출력 장치(320)는 가령, 보간기로부터 높은 레졸루션 신호를 수신하는 장치이고, 검출된 위치 및/또는 속력에 기초하여 시스템(가령, 모터 시스템)에 대한 추가적인 프로세싱이나 제어를 수행한다. 일부 구조에서, 출력 장치(320)는 제어기, 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, ASIC, FPGA 등이다.
일부 구조에서, 보간기(315) 및/또는 출력 장치(320)는 제어 또는 프로세싱 장치로 실행된다. 예를 들어, 보간기(315) 및 출력 장치(320)는, 홀 이펙트 센서(들)(305)를 위한 높은 레졸루션 출력 신호를 생성하고, 인코더에 대한 위치, 속력 및 가속도를 결정할 수 있으며, 시스템(가령, 모터 시스템)을 제어하기 위한 하나 이상의 출력 제어 신호를 생성할 수 있는 마이크로프로세서-기반의 시스템을 사용하여 실행된다. 이러한 구조는 도 5에 나타난다.
구체적으로, 도 5는 제어기(405)를 포함하는 센서 시스템(400)을 나타낸다. 제어기(405)는 시스템(400)의 다양한 모듈이나 구성에 전기적 및/또는 통신적으로 연결된다. 예를 들어, 도시된 제어기(405)가 하나 이상의 액추에이션 장치(즉, 모터) 및 구동부(410), 전력 공급 모듈(415), 출력 장치(420) 및 복수의 센서(425A-425N)(대응되는 프론트 엔드 회로(430A-430N)를 통함)에 연결되는데, 여기서, N은 시스템(400)에 포함되는 센서의 어떤 유한한 수를 가리킨다. 제어기(405)는 다른 것 보다도, 시스템(400)의 동작을 모니터 및/또는 제어하고, 액추에이션 장치(410)의 움직임을 제어하며, 홀 이펙트 센서(425)의 출력을 모니터링하는 등을 작동할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 포함한다.
일부 실시예에서, 제어기(405)는 시스템(400)에 전력을 제공하고, 모니터링하며 제어하는 복수의 전기 및 전자 소자를 포함한다. 예를 들어, 제어기(405)는 다른 것 보다도, 프로세싱 유닛(435)(가령, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 다른 적절한 프로그램 가능한 장치), 메모리(440), 입력 유닛(445) 및 출력 유닛(450)을 포함한다. 프로세싱 유닛(435)은 다른 것 보다도, 제어 유닛(455), 산술 논리 유닛("ALU") 및 복수의 레지스터(465)(도 5에서 도시된 한 그룹의 레지스터)를 포함하고, 수정된 하바드 아키텍처, 본 뉴먼 아키텍처 등과 같은 알려진 컴퓨터 아키텍처를 사용하여 실행된다. 프로세싱 유닛(435), 메모리(440), 입력 유닛(445) 및 출력 유닛(450)은 물론 제어기(405)에 연결된 다양한 모듈은 하나 이상의 제어 및/또는 데이터 버스(가령, 공통 버스(470))에 의해 연결된다. 제어 및/또는 데이터 버스는 설명을 위해 도 5에 일반적으로 도시된다. 다양한 모듈과 소자들 사이의 상호연결과 통신을 위한 하나 이상의 제어 및/또는 데이터 버스의 사용에 대해서는 본 명세서에 기술된 본 발명의 기술 분야의 당업자가 알 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 제어기(405)는 반도체(가령, 주문자 응용 집적 회로["ASIC"], 필드-프로그램 가능한 게이트 어레이 ["FPGA"] 반도체) 칩, 등)상에 부분적이나 전체적으로 실행된다.
메모리(440)는 가령, 프로그램 저장 영역과 데이터 저장 영역을 포함한다. 프로그램 저장 영역과 데이터 저장 영역은, 리드-온리 메모리("ROM"), 랜덤 액세스 메모리("RAM")(가령, 동적 RAM ["DRAM"], 동기식 DRAM ["SDRAM"], 등), 전기적으로 삭제가능한 프로그램 가능한 리드-온리 메모리("EE{ROM"), 플래시 메모리, 하드 디스크, SD 카드 또는 다른 적절한 자기, 광학, 물리적 또는 전자 메모리 장치와 같은 서로 다른 타입의 메모리의 조합을 포함할 수 있다. 프로세싱 유닛(435)은 메모리(440)에 연결되고, (가령, 실행 동안에) 메모리(440)의 RAM, (가령, 일반적으로 영구적 기반으로) 메모리(440)의 ROM 또는 또 다른 메모리나 디스크와 같은 또 다른 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장될 수 있는 소프트웨어 명령을 실행한다. 시스템(400)의 실행에 포함된 소프트웨어는 제어기(405)의 메모리(440)에 저장될 수 있다. 소프트웨어는 가령, 펌웨어, 하나 이상의 애플리케이션, 프로그램 데이터, 필터, 규칙, 하나 이상의 프로그램 모듈, 및 그 밖의 다른 실행가능한 명령을 포함한다. 제어기(405)는 메모리로부터 복구하고, 다른 것 보다도 본 명세서에 기술된 제어 프로세스 및 방법 관련된 명령을 실행하도록 구성된다. 다른 구조에서, 제어기(405)는 추가적, 더 적거나 서로 다른 소자를 포함한다.
전력 공급 모듈(415)은 제어기(405) 또는 시스템(400)의 다른 소자나 모듈에 공칭 AC 전압이나 DC 전압을 공급한다. 전력 공급 모듈(415)은 가령, 100V 내지 240V AC의 공칭 라인 전압 및 대략 50-60Hz의 주파수를 가지는 전력원에 의해 전력공급된다. 또한, 전력 공급 모듈(415)는 제어기(405) 내의 회로와 소자를 작동시키기 위해 더 낮은 전압을 제공하도록 구성된다. 다른 구조에서, 제어기(405) 또는 시스템(400) 내의 다른 소자 및 모듈은 하나 이상의 배터리나 배터리 팩, 또는 또 다른 그리드-독립 전력원(가령, 발전기, 태양 패널 등)에 의해 전력공급된다.
도 6은 위상 검출기("PD") 또는 위상 비교기(505), 필터(510) 및 전압 제어된 오시레이터(515)를 포함하는 보간기(500)(가령, 직각 위상-고정된 루프를 실행함)를 나타낸다. 보간기(500)는 프로세싱 장치(도 5 참조)등을 사용하여, 인코더에 통합된 회로로서, 스탠드-어론 회로로서 실행될 수 있다. 도 2의 회전식 증가 인코더와 같은 인코더는 한 쌍의 직각 위상 정현파(즉, 90°만큼 시프트된 위상이어야 하는 두 개의 정현파 파형)를 생성하는데, 이는 보간기(500)로의 입력이 된다. 이상적으로, 보간기(500)로의 입력 직각 위상 정현파는 수학식 1 및 2에서의 다음 값을 가진다.
Figure 112017013009049-pct00001
수학식 1
Figure 112017013009049-pct00002
수학식 2
이들 신호는 위상 검출기(505)로 제공된다. 가령, 90°위상 차이(가령, 사인 및 코사인 신호)를 가진 정현파 데이터를 제공하는 높은 레졸루션 디지털 룩업 테이블("LUT")이 보간기(500)에 있다. LUT로부터 출력된 내부 보간기 신호는 수학식 3 및 4에 대응되는 값을 가진다.
Figure 112017013009049-pct00003
수학식 3
Figure 112017013009049-pct00004
수학식 4
그리고 나서, 사인 및 코사인 데이터는 다시 위상 검출기(505)로 제공된다. 위상 검출기는 수학식 1 및 2의 직각 위상의 정현파 신호와 수학식 3 및 4의 직각 위상의 정현파 신호 사이의 위상 차이를 계산하고, 수학식 5 및 6에 도시된 바와 같이, 인커밍 신호와 내부 보간기 신호를 혼합하는, 가령, 한 쌍의 곱셈 타입 디지털-투-아날로그 컨버터("DAC")를 포함할 수 있다.
Figure 112017013009049-pct00005
수학식 5
Figure 112017013009049-pct00006
수학식 6
여기서, xo 및 yo 는 디지털 사인 및 코사인 데이터이고, A 및 B는 인커밍 신호와 내부 보간기 신호에 대한 각각의 신호 진폭이다.
위상 검출기(505)의 출력, PE는 수학식 7에 대응되는 값을 가지고, 이는 수학식 5 및 6의 결과를 합산한다.
Figure 112017013009049-pct00007
수학식 7
위상 검출기(505)의 출력, PE는 필터(510)(가령, 로우-패스 필터)에 의해 필터링된다. 필터링된 신호는 전압 제어된 오실레이터(515)로 제공되는데, 이는 일부 실시에에서, 디지털 사인 및 코사인 LUT을 포함한다.
도 6의 보간기(500)는 보간기의 두 개의 내부 신호들 사이의 위상 차이를 수정하도록 구성된 추가적인 모듈을 포함한다. 따라서, 90°가 되어야 하는 두 입력 신호들 사이의 위상 차이가 90°보다 크거나 작다면, 보간기는 내부 보간기 신호를 보상하여서, 수신된 신호들 사이의 위상 차이와 내부 보간기 신호가 서로 매칭된다. 새로운 모듈은, 보간기 내에서 내부 사인 및 코사인 신호들 사이의 위상 차이를 수정하는 보상 모듈 또는 논리 가산 모듈이다. 피드백 루프가 위상 차이를 원하는 값이나 범위로 제어할 때, 보간기(500)는 인-락(in-lock)으로 간주되고, 보간기(500)는 룩업 테이블의 인덱스 값을 출력하며, 보간기(500)는 LUT로부터의 출력에 기초하여 높은 레졸루션 디지털 출력 신호를 생성한다.
그러나, 가령, 인코더 패턴 길이와 센서 어레이의 길이 사이에 기계적 비호환성 또는 미스매치가 있다면, 인커밍 신호는 수학식 8 및 9에 대응된다.
Figure 112017013009049-pct00008
수학식 8
Figure 112017013009049-pct00009
수학식 9
여기서, Qd 는 길이 미스매치에 기인한 오류 또는 오프셋에 대응되고, 오류를 보간기(500)의 출력내로 도입시킨다. 보상 모듈은 인커밍 신호와 내부 보간기 신호 사이의 위상 차이를 매칭시키는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 보간기(600)의 일부를 나타낸다. 보간기(600)는 사인 LUT(605), 코사인 LUT(610), 제1 멀티플라잉 DAC(615), 제2 곱셈 DAC(620) 및 보상 모듈(625)을 포함한다. 일부 실시예에서, 보상 모듈(625)은 코사인 LUT(610)과 함께 포함될 수 있는데, 코사인 LUT(610)는 보상된 데이터를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 보간기의 내부 사인 및 코사인 신호들을 복구하는데 사용되는 LUT 인덱스들 중 적어도 하나는 보상 모듈(625)에 의해 수정되어서, 입력 신호들의 위상 차이에서의 차이(가령, 90°로부터의 차이)를 처리한다. LUT 인덱스는 LUT(605 및 610)의 각각에서 높은 레졸루션 데이터의 특정한 세트를 나타낸다. 보상 모듈(625)은 LUT들(가령, 사인이나 코사인) 중 하나와 결합될 필요가 있다. 도 7의 실시예에서, 보상 모듈은 코사인 LUT와 관련된다. 보상에 요구되는 양, 레벨, 값등을 나타내는 프로그래밍 입력은 보상 모듈(625)에 제공되어서, 코사인 LUT(610)을 위한 LUT 인덱스를 수정한다.
인커밍 신호들 사이의 위상 차이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 보간기는 인커밍 신호들 사이의 위상 차이가 실질적으로 90°가 아니라고 결정하고, 어느 정도의 보상이 요구되는지를 결정한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 인코더가 알려진 오프셋으로 제조될 때, 오프셋은 보간기 내로 프로그램되어서 정확한 보상이 제공되거나, (가령, 오프셋이 제조 이후에 도입되었다면) 인커밍 신호 내에 오프셋을 보상하기 위해 보간기가 재프로그램되거나 필드 프로그램될 수 있다.
각각의 실행에서, 보상 모듈(625)은 값, Qd를 LUT 인덱스에 추가한다. 따라서, LUT로부터의 출력 신호는 수학식 10 및 11에 의해 표현된다.
Figure 112017013009049-pct00010
수학식 10
Figure 112017013009049-pct00011
수학식 11
[0023] The int
보상 값의 도입은 LUT(610)가 90°이외의 위상 차이를 가지고 인커밍 신호들 사이의 위상 차이와 실질적으로 동일하거나 이에 대응되는 (가령, +/- 1%, +/- 5%, +/- 10%, +/- 20% 등 또는 그 사이의 어떤 값과 같이 센서 시스템에 대한 허용가능하거나 알려진 허용오차 이내의) 높은 레졸루션 코사인 데이터로 되돌아간다.
그리고 나서, 위상 검출기(505)의 출력(도 6 참조)은 수학식 12에 의해 표현된다.
Figure 112017013009049-pct00012
수학식 12
그러므로, 보간기의 출력은 오류나 최소의 오류가 없다. 내부 보간기 신호들의 위상 차이를 수정하기 위한 값, Qd는 피드백 게인의 변화만 야기하는데, 이는 허용가능한 충분히 작거나 보상될 수 있다(가령, 증폭기 등을 사용하여).
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 보간기(700)의 일부를 나타낸다. 보간기(700)는 사인 LUT(705), 코사인 LUT(710), 제1 곱셈 DAC(715), 제2 곱셈 DAC(720) 및 보상 모듈(725)을 포함한다. 일부 실시예에서, 보상 모듈(725)은 사인 LUT(705)와 함께 포함될 수 있는데, 사인 LUT(705)는 보상된 데이터를 포함할 수 있다. 도 8에서, 보상 모듈(725)은 사인 LUT(705)과 관련된다. 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 보간기(800)의 일부를 나타낸다. 보간기(800)는 사인 LUT(805), 코사인 LUT(810), 제1 곱셈 DAC(815), 제2 곱셈 DAC(820) 및 제1 보상 모듈(825) 및 제2 보상 모듈(830)을 포함한다. 도 9에서, 보상 모듈들은 사인 LUT(805) 및 코사인 LUT(810)의 각각에 제공된다. 도 8 및 9에서의 보간기(700 및 800)의 동작은 상기에 기술된 것과 유사하다. 그러나, 도 8에서, 보상 모듈(725)로부터의 보상 항 Qd은 수학식 3보다는 수학식 4에 추가된다. 도 9에서, 두 개의 보상 모듈(825 및 830)은 코사인 LUT(810) 및 사인 LUT(805)에 대한 보상 항을 각각 도입한다. 일부 실시예에서, 보상 모듈(825)은 코사인 LUT(810)과 함께 포함될 수 있고, 코사인 LUT(810)는 보상된 데이터를 포함할 수 있다. 추가저으로 또는 대안적으로, 보상 모듈(830)은 사인 LUT(805)와 함께 포함될 수 있고, 사인 LUT(805)는 보상된 데이터를 포함할 수 있다.
그러므로, 본 발명은 다른 것 보다도, 인코더와 센서 어레이 사이의 베리에이션이나 미스매치를 보상하는 센서 시스템을 위한 프로그램 가능한 보간기를 제공한다. 본 발명의 다양한 특징과 이점은 이하의 청구항에서 제시된다.

Claims (21)

  1. 센서 시스템에 있어서, 상기 센서 시스템은,
    가동 부재와,
    제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 생성하도록 구성된 센서 - 상기 제1 출력 신호는 제1 위상각을 가지고, 제2 출력 신호는 2 위상각을 가지며, 제1 위상각과 제2 위상각 사이의 제1 차이는 제1 값을 가지고, 제1 차이의 제1 값은 상기 센서와 상기 가동 부재 사이의 기계적 비호환성과 관련된 오프셋을 포함함 - 와,
    제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 수신하도록 구성된 보간기 - 상기 보간기는 제3 위상각을 가진 제3 신호를 생성하기 위해 보상 인자를 적용하도록 작동되고, 제4 위상각을 가진 제4 신호를 생성하며, 제3 위상각과 제4 위상각 사이의 제2 차이는 제2 값을 가지고, 제2 차이의 제2 값은 제1 차이의 제1 값과 실질적으로 동일하며, 보상 인자는 상기 센서와 상기 가동 부재 사이의 기계적 비호환성에 기초한 값을 가짐 - 를 포함하는 센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 홀 이펙트 센서인 센서 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호는 정현파 신호인 센서 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가동 부재는 회전 부재인 센서 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 차이의 제1 값은 90도 더하기 오프셋의 값을 가지는 센서 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 보간기는 제3 신호를 생성하기 위한 보상 인자에 의해 룩업 테이블에 대한 룩업 테이블 인덱스를 수정하는 보상 모듈을 포함하되, 상기 룩업 테이블은 제3 신호를 생성하기 위한 정현파 신호 데이터를 포함하는 센서 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 보간기는 제1 신호와 제4 신호를 곱하여 제5 신호를 생성하고, 제2 신호와 제3 신호를 곱하여 제6 신호를 생성하고, 제5 신호와 제6 신호를 합산하여 제7 신호를 생성하는 센서 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 제7 신호에 대한 값은 제1 차이의 제1 값과 제2 차이의 제2 값 사이의 차이의 함수인 센서 시스템.
  9. 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 생성하는 단계 - 상기 제1 출력 신호는 제1 위상각을 가지고, 제2 출력 신호는 2 위상각을 가지며, 제1 위상각과 제2 위상각 사이의 제1 차이는 제1 값을 가지고, 제1 차이의 제1 값은 상기 센서와 상기 가동 부재 사이의 기계적 비호환성과 관련된 오프셋을 포함함 - 와,
    보간 모듈에서 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 수신하는 단계와,
    보상 인자를 결정하는 단계 - 상기 보상 인자는 센서와 가동 부재 사이의 기계적 비호환성에 기초한 값을 가짐 - 와,
    보상 인자를 사용하여 제3 신호를 생성하는 단계 - 상기 제3 신호는 제3 위상각을 가짐 - 와,
    제4 위상각을 가진 제4 신호를 생성하는 단계를 포함하되,
    제3 위상각과 제4 위상각 사이의 제2 차이는 제2 값을 가지고, 제2 차이의 제2 값은 제1 차이의 제1 값과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 센서는 홀 이펙트 센서인 것을 특징으로 하는 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 출력 신호 및 상기 제2 출력 신호는 정현파 신호인 것을 특징으로 하는 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 인코더는 증가 회전식 인코더인 것을 특징으로 하는 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 제1 차이의 제1 값은 90도 더하기 오프셋의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 제3 신호를 생성하기 위한 보상 인자에 의해 룩업 테이블에 대한 룩업 테이블 인덱스를 수정하는 단계를 더 포함하되, 상기 룩업 테이블은 제3 신호를 생성하기 위한 정현파 신호 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법.
  15. 제 9 항에 있어서, 제1 신호와 제4 신호를 곱하여 제5 신호를 생성하고, 제2 신호와 제3 신호를 곱하여 제6 신호를 생성하고, 제5 신호와 제6 신호를 합산하여 제7 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 제7 신호에 대한 값은 제1 차이의 제1 값과 제2 차이의 제2 값 사이의 차이의 함수인 것을 특징으로 하는 가동 부재와 인코더 내의 센서 사이의 기계적 비호환성을 보상하는 방법.
  17. 센서 시스템에 있어서, 상기 센서 시스템은,
    자기극의 패턴을 포함하는 회전 부재와,
    자기극의 패턴에 기초하여 제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 생성하도록 구성된 홀 이펙트 센서 어레이 - 상기 제1 출력 신호는 제1 위상각을 가지고, 제2 출력 신호는 2 위상각을 가지며, 제1 위상각과 제2 위상각 사이의 제1 차이는 제1 값을 가지고, 제1 차이의 제1 값은 상기 홀 이펙트 센서와 상기 회전 부재 사이의 기계적 비호환성과 관련된 오프셋을 포함함 - 와,
    제1 출력 신호 및 제2 출력 신호를 수신하도록 구성된 제어기 - 상기 제어기는 제3 위상각을 가진 제3 신호를 생성하기 위해 보상 인자를 적용하도록 작동되고, 제4 위상각을 가진 제4 신호를 생성하며, 제3 위상각과 제4 위상각 사이의 제2 차이는 제2 값을 가지고, 제2 차이의 제2 값은 제1 차이의 제1 값과 실질적으로 동일하고, 보상 인자는 홀 이펙트 센서와 회전 부재 사이의 기계적 비호환성에 기초하여 설정된 값을 가짐 - 를 포함하는 센서 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제1 차이의 제1 값은 90도 더하기 오프셋의 값을 가지는 센서 시스템.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 제어기는 제3 신호를 생성하기 위한 보상 인자에 의해 룩업 테이블에 대한 룩업 테이블 인덱스를 수정하는 보상 모듈을 포함하되, 상기 룩업 테이블은 제3 신호를 생성하기 위한 정현파 신호 데이터를 포함하는 센서 시스템.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 제어기는 제1 신호와 제4 신호를 곱하여 제5 신호를 생성하고, 제2 신호와 제3 신호를 곱하여 제6 신호를 생성하고, 제5 신호와 제6 신호를 합산하여 제7 신호를 생성하는 센서 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 제7 신호에 대한 값은 제1 차이의 제1 값과 제2 차이의 제2 값 사이의 차이의 함수인 센서 시스템.
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