KR101980981B1

KR101980981B1 - 고속 감지 시스템

Info

Publication number: KR101980981B1
Application number: KR1020177001560A
Authority: KR
Inventors: 레이 왕; 알프레드 제이. 산토스; 마크 이. 라크로악
Original assignee: 더 팀켄 컴퍼니
Priority date: 2014-08-13
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2019-05-21
Also published as: EP3180589A1; CN106662462A; CN106662462B; KR20170020882A; EP3180589B1; US10151604B2; WO2016024959A1; US20170184419A1

Abstract

센서 시스템은 클록 생성 모듈, 센서, 조절 모듈, 및 출력 모듈을 포함한다. 클록 생성 모듈은 변조 신호 및 출력 샘플링 신호를 생성하도록 구성된다. 변조 신호는 변조 주파수를 가지며, 샘플링 신호는 샘플링 주파수를 가진다. 센서는 출력 값을 갖는 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 출력 신호는 변조 신호에 의해 변조되며, 출력 값은 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함한다. 조절 모듈은 출력 신호를 수신하고, 출력 신호를 조절하며, 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함하는 조절된 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 출력 모듈은 조절된 출력 신호 및 출력 샘플링 신호를 수신하도록 구성된다. 출력 샘플링 신호는 센서 출력 값에 대응하는 값으로 조절된 출력 신호를 샘플링하도록 구성된다.

Description

고속 감지 시스템{HIGH SPEED SENSING SYSTEM}

본 발명은 홀 효과 센서(Hall Effect sensor)를 포함하는 고속 감지 시스템과 관련된다.

예를 들어, 위치 또는 속력 검출을 위해 인코더 장치 또는 센서 시스템이 사용된다. 예를 들면, 인코더가 이동 부재 및 상기 이동 부재의 위치 또는 속력을 검출하는 데 사용될 수 있는 센서의 어레이를 포함할 수 있다. 센서로부터의 출력 신호를 기초로, 인코더에 대한 정밀한 위치 또는 속력 정보가 결정될 수 있다. 회전 증분 인코더(rotary incremental encoder)에 대해, "스피닝 전류" 기법을 이용해 센서가 90도 위상 차이를 갖는 출력 신호들(가령, 사인파형)(즉, 출력 신호들은 서로 직교 위상 관계임)의 쌍을 생성하도록 제어된다. 출력 신호는 고분해능 파형을 생성하기 위한 보간기로서 알려진 회로를 이용해 보간되기 전에 조정되고 샘플된다. 그러나 출력 신호가 보간기에 제공되기 전에, 다양한 오프셋 오차가 출력 신호의 정확도를 감소시키는 출력 신호로 도입될 수 있다.

인코더 또는 센서 시스템 내 존재하는 전압 오프셋이 다양한 인자, 가령, 기계적 응력, 온도 변경, 센서 오정렬, 센서 자체의 동작, 증폭기, 변조 신호 등에 의해 야기될 수 있다. 센서 자체의 오프셋은 예를 들어, 스피닝 전류 기법을 구현함으로써 감소 또는 완화될 수 있다. 그러나 그 밖의 다른 오프셋, 가령, 센서로부터의 출력 신호가 변조될 때 도입되는 오프셋이, 센서의 출력에서, 후속 저역 통과 필터("LPF") 회로에 의해 제거되어야 할 고주파수 리플(ripple)을 만든다. 리플의 크기는 오프셋의 크기에 비례한다. 센서의 출력 신호에서 이들 고주파수 성분을 적절하게 제거하기 위해, LPF는 고주파수 리플을 제거하고 센서로부터 고품질 출력 신호를 획득할 수 있도록 충분히 낮은 차단 주파수(cut-off frequency)(가령, 변조 주파수의 약 10분의 1인 약 25-50kHz 등)를 가져야 한다.

그러나 LPF를 이용해 고주파수 리플을 필터링 제거하는 것의 단점이 존재한다. LPF는 센서의 출력의 샘플링되는 속력(즉, 시스템의 응답 속력)을 감소시킨다. 그 밖의 다른 기법, 가령, 메모리를 갖는 트리밍 회로의 사용이 이들 오프셋을 보상하기 위해 제안되지만, 이러한 기법은 감지 회로의 복잡도를 바람직하지 않게 증가시킨다. 본 발명은 센서로부터 고주파수 리플을 포함하지 않는 출력 신호를 생성하는 샘플-유지(sample-hold)형 방법을 이용해 감지 시스템에 존재하는 오프셋을 보상하며, 이러한 리플을 필터링하기 위한 저역 통과 필터가 사용될 필요가 없다(또는 회로 응답 속력을 감소시키지 않는 훨씬 더 높은 차단 주파수(가령, 변조 주파수에 가까운 주파수, 가령, 약 250-500kHz 등)를 갖는 필터가 사용된다).

특히, 본 명세서에 기재된 발명은 센서의 출력을 감지하고, 예를 들어, 센서, 변조 신호, 증폭기, 외부 요인(가령, 온도 변동), 등으로부터의 오프셋 오차에 독립적인 센서와 연관된 출력 신호를 제공할 수 있는 센서 시스템과 관련된다. 센서 시스템은 예를 들어 이동 부재, 가령, 회전 부재, 센서 어레이, 및 센서로부터의 출력 신호를 수신하는 회로를 포함한다. 회로는 프론트 엔드(가령, 센서의 출력 신호를 조절하기 위한 증폭기, 필터 등) 및 제어기, 예컨대 타깃의 위치 또는 속력, 자기장 강도, 자기장 강도의 변경 등과 관련된 고분해능 신호를 생성하기 위한 보간 모듈, 또는 비교기를 포함할 수 있다. 프론트 엔드 회로는 출력 신호를 변조하기 위해 센서에 인가되는 신호의 스위칭을 제어하고, 센서로부터의 출력 신호를 증폭하며, 출력 신호를 복조하고, 복조된 출력 신호를 필터링하며, 필터링된 신호를 샘플링하여 제어기 또는 보간 모듈에 제공될 수 있는 출력을 생성할 수 있다. 샘플링된 신호의 값이 센서의 출력에 실질적으로 대응하고 센서로부터의 오프셋 오차, 변조 신호, 증폭기, 외부 요인(가령, 온도 변동) 등에 실질적으로 독립적이도록 필터링된 신호가 출력 게이트 신호를 이용해 샘플링된다.

하나의 실시예에서, 본 발명은 클록 생성 모듈, 센서, 조절 모듈, 및 출력 모듈을 포함하는 센서 시스템을 제공한다. 상기 클록 생성 모듈은 변조 신호 및 출력 샘플링 신호를 생성하도록 구성된다. 변조 신호는 변조 주파수를 가지며, 샘플링 신호는 샘플링 주파수를 가진다. 변조 신호 및 출력 샘플링 신호는 서로에 대해 위상 변이되어, 변조 신호와 출력 샘플링 신호 간 위상차를 생성할 수 있다. 상기 센서는 출력 값을 갖는 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 출력 신호가 변조 신호에 의해 변조되고 출력 값이 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함한다. 조절 모듈은 출력 신호를 수신하고, 출력 신호를 조절하며, 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함하는 조절된 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 출력 모듈은 조절된 출력 신호 및 출력 샘플링 신호를 수신하도록 구성된다. 출력 샘플링 신호가 사용되어, 센서 출력 값에 실질적으로 대응하는 값에서 조절된 출력 신호를 샘플링할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 센서에 대한 출력 값을 결정하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 변조 주파수 및 제1 위상각을 갖는 변조 신호를 생성하는 단계 및 샘플링 주파수 및 제2 위상각을 갖는 출력 샘플링 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 변조 신호 및 출력 샘플링 신호가 서로에 대해 위상 편이되어, 변조 신호의 제1 위상각과 출력 샘플링 신호의 제2 위상각 간 위상차를 생성할 수 있다. 상기 방법은 또한 출력 값을 갖는 센서로부터의 출력 신호를 생성하는 단계, 출력 신호를 조절하여 조절된 출력 신호를 생성하는 단계, 출력 모듈에서 조절된 출력 신호 및 출력 샘플링 신호를 수신하는 단계, 및 출력 샘플링 신호를 이용해 조절된 출력 신호를 샘플링하는 단계를 포함한다. 출력 신호는 변조 신호에 의해 변조되고 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함한다. 조절된 출력 신호는 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함하고 조절된 출력 신호는 센서 출력에 실질적으로 대응하는 값으로 샘플링된다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 회전 부재, 홀 효과 센서 및 제어기를 포함하는 센서 시스템을 제공한다. 회전 부재는 자극의 패턴을 포함하며 홀 효과 센서는 자극의 패턴을 기초로 출력 신호를 생성하도록 구성된다. 제어기는 센서로부터의 출력 신호를 수신하도록 구성된다. 제어기는 변조 주파수 및 제1 위상각을 갖는 변조 신호를 생성하며, 샘플링 주파수 및 제2 위상각을 갖는 출력 샘플링 신호를 생성하고, 변조 신호를 이용해 센서로부터의 출력 신호를 변조한다. 출력 신호는 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함하는 출력 값을 가진다. 제어기는 출력 신호를 조절하여, 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함하는 조절된 출력 신호를 생성하고, 센서 출력 값에 실질적으로 대응하는 값에서 조절된 출력 신호를 샘플링하도록 더 동작한다. 변조 신호 및 출력 샘플링 신호가 서로에 대해 위상 편이되어 변조 신호의 제1 위상각과 출력 샘플링 신호의 제2 위상각 간 위상차를 생성할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태가 상세한 설명과 도면을 고려하여 자명해질 것이다.

도 1은 센서 시스템의 일부분을 도시한다.
도 2는 교번 자극을 갖는 회전 부재에 인접하게 위치하는 센서 어레이를 포함하는 센서 시스템을 도시한다.
도 3a 및 3b는 홀 효과 센서를 도시한다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따르는 센서 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 센서 시스템의 블록도이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따르는 센서 및 프론트 엔드 회로의 블록도이다.
도 6b는 본 발명의 실시예에 따르는 조정 모듈의 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따르는 클록 변조 신호를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따르는 복조된 출력 신호를 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따르는 필터링된 출력 신호를 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따르는 클록 출력 게이트 신호를 도시한다.
도 11은 도 9의 필터링된 신호를 샘플링하는 데 사용되는 도 10의 출력 게이트 신호를 도시한다.

본 발명의 임의의 실시예가 상세히 설명되기 전에, 본 발명은 이하의 상세한 설명에 제공되거나 도면에 도시된 구성요소의 구성 및 배열의 상세사항에 적용되는 데 한정되지 않는다. 본 발명은 다양한 방식으로 실시되거나 수행되는 그 밖의 다른 실시예를 가질 수 있다. 또한 본 명세서에 사용되는 어법 및 단어가 설명을 목적으로 가지며 한정으로 간주되지 않는다. "~ 를 포함하는" 및 이의 변형 형태의 사용이 앞에 나열되는 아이템들과 이의 균등물뿐 아니라 추가 아이템까지 포함하는 것을 의미한다. 용어 "장착된", "연결된", 및 "결합된"은 직접 및 간접 장착, 연결 및 결합을 모두 포함한다. 또한, "연결된(connected)" 및 "결합된(coupled)"은 물리 또는 기계적 연결 또는 결합으로 한정되지 않으며 직접 또는 간접 전기적 연결 또는 결합을 포함할 수 있다. 또한 임의의 알려진 수단, 가령, 직접 연결, 무선 연결 등을 이용해 전자 통신 및 통지가 수행될 수 있다.

복수의 하드웨어 및 소프트웨어 기반 장치뿐 아니라 복수의 서로 다른 구조적 구성요소까지 본 발명을 구현하는 데 사용될 수 있다. 덧붙여, 다음의 문단에서 기재되는 바와 같이, 도면에 도시된 특정 구성이 본 발명의 실시예의 예시를 들기 위한 것이며 그 밖의 다른 대안적 구성이 가능하다. 용어 "프로세서", "중앙 처리 유닛", 및 "CPU"가 달리 명시되지 않는 한 상호 교환 가능하지 않다. 용어 "프로세서" 또는 "중앙 처리 장치" 또는 "CPU"가 특정 기능을 수행하는 유닛을 식별하는 데 사용되는 경우, 이는, 달리 언급되지 않는 한, 해당 기능이 단일 프로세서, 또는 임의의 형태로 배열된 복수의 프로세서, 가령, 병렬 프로세서, 직렬 프로세서, 탠덤 프로세서(tandem processor) 또는 클라우드 프로세싱/클라우드 컴퓨팅 구성에 의해 수행될 수 있다.

본 명세서에 기재된 발명은 인코더의 다양한 부분에 의해 생성된 오프셋 에러에 실질적으로 독립적인 센서 출력 신호를 제공할 수 있는 인코더, 가령, 선형 또는 회전 인코더와 관련된다. 예를 들어, 회전 증분 인코더는 위치 및 속력을 결정하기 위한 회전 부재 및 센서 어레이를 포함한다. 회전 부재는 예를 들어, 센서 어레이에 의해 검출된 자기 플럭스를 생성하는 교번하는 자석 북극과 남극을 갖는 패턴을 포함한다. 오프셋 에러가 다양한 소스에 의해 센서 어레이 내 센서의 출력 신호로 도입될 수 있다. 예를 들어, 센서 자체, 변조 신호, 증폭기, 외부 인자(가령, 온도 변동, 마모 및 파열, 오정렬 등) 등이 모두 오프셋 오차를 초래할 수 있다. 이러한 오프셋 오차는 정확하고 신뢰할만한 센서 출력 신호의 획득 및 처리를 복잡하게 한다. 특정 예시로서, (센서를 통한 바이어스 전류 흐름을 제어하는 데 사용될 수 있는) 변조 신호로부터의 변조 오프셋의 도입이 비교적 낮은 차단 주파수(cut-off frequency)를 갖는 저역 통과 필터("LPF")가, 센서 및 증폭기 오프셋 오차를 제거하기 위해 필요할 수 있다. 낮은 차단 주파수를 갖는 이러한 LPF를 이용하는 것의 부작용이 센서 시스템 또는 인코더의 대응하는 응답 시간(가령, 센서 출력 신호를 제공하는 데 걸리는 시간)의 감소이다

본 발명은 앞서 언급된 LPF가 필요 없이 센서의 출력 신호의 값을 샘플링하거나 래칭(latch)하는 회로를 구현하는 것을 포함한다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 센서(가령, 홀 효과 센서) 및 이동 부재(가령, 회전 증분 인코더)를 포함할 수 있다. 스위칭 회로는 제어 신호에 응답하여, 바이어스 전류의 인가를 제어하고 하나 이상의 센서에 대한 출력 전압 감지를 제어할 수 있다. 스위칭 회로는 변조 클록 신호에 대응하는 주파수로 하나 이상의 센서로부터의 출력 신호를 변조한다. 하나 이상의 센서로부터의 변조된 출력 신호가 증폭 및 복조되어 비교적 높은(즉, 앞서 기재된 바람직하지 않은 LPF보다 높은) 차단 주파수를 포함하는 필터가 제공된다. 대략 90도(즉, 4분의 1 주기)만큼 위상 편이되는 출력 게이트 신호(output gating signal)가 생성된다. 출력 게이트 신호가 사용되어 필터의 출력 신호를 샘플링(가령, 신호에 대한 값을 래칭)할 수 있다. 출력 신호의 샘플링된 값이 예를 들어 추가 처리되도록 제어기 또는 보간기에 제공된다. 출력 신호에 대한 샘플링된 값이 인코더로부터의 오프셋 오차에 실질적으로 독립되며 오프셋을 필터링 제거하는 데 사용되는 종래의 LPF가 필요하지 않다. 일부 실시예에서, 추가 필터링이 요구되지 않더라도, 상당히 더 높은 차단 주파수(가령, 변조 주파수에 가까운 주파수, 대략 250-500kHz 등)를 갖는 제2 필터가 제공된다. 이러한 필터는 센서 시스템 또는 인코더의 응답 시간을 감소시키지 않는다. 본 발명은 예를 들어 액추에이터, 가령, 모터와 연관된 모션 또는 속력 검출 시스템에 의해 구현될 수 있다.

본 발명이 자극(magnetic pole)을 이용하는 회전 증분 인코더 및 홀 효과 센서에 의해 주로 설명되지만, 본 발명은 절대 인코더(absolute encoder), 선형 인코더, 및 홀 효과 센서가 아닌 다른 센서를 이용하는 인코더에 적용될 수 있다. 설명 목적으로, 본 발명은 홀 효과 센서를 이용한 회전 증분 인코더와 관련하여 기재된다. 특히, 도 1은 고분해능 홀 효과 센서 어레이(105) 및 하나 이상의 독립 홀 효과 센서(110)를 포함하는 홀 효과 센서 시스템 또는 인코더(100)의 일부분을 도시한다. 일부 구성에서, 센서 시스템(100)의 센서 요소가 단일 집적 회로(115) 상에 포함된다. 또 다른 구성에서, 독립 홀 효과 센서(110)는 고분해능 홀 효과 센서 어레이(105)로의 연결과 별개인 전력, 출력 및 접지 연결(120)을 가진다(즉, 전력, 출력 및 접지 연결(120) 중 어느 것도 고분해능 홀 효과 센서 회로에 연결되지 않는다). 개별 전력, 출력 및 접지 연결(120)을 갖는 이점들 중 하나가 고분해능 센서 어레이(105) 및 독립적 홀 효과 센서(110)의 정전기 방전("ESD") 손상 위험이 감소된다는 것이다. 독립적인 홀 효과 센서(110)는 아날로그 또는 디지털 출력 신호를 생성한다. 일부 구성에서, 고분해능 홀 효과 센서 어레이(105)가 Timken 모델 MPS32XF 또는 MPS 160 센서 어레이와 유사하다. 일부 실시예에서, 센서 어레이(105)는 하나의 센서를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 센서 어레이는 둘 이상의 센서를 포함한다.

도 1의 센서 시스템(100)의 일부분이 도 2에 도시된 이동형 부재, 가령, 회전 부재(130)(가령, 회전 인코더의 휠 또는 샤프트)(가령, 회전 인코더의 바퀴 또는 축)와 함께 사용될 수 있다. 도 1의 센서 시스템(100)의 일부분이 도 2에 회로 기판(125) 상에 장착된 집적 회로(115)로서 도시된다. 고분해능 센서 어레이(105)가 여기에 매립되는 복수의 교번 자극(145)을 갖는 외부 에지에 자기 영역(140)을 갖는 원판(135)에 인접하게 배치된다. 원판(135)은 회전 부재(130)에 부착되거나 회전 부재(130)의 일체 부분일 수 있다.

도 3a 및 3b는 4개의 전극(205, 210, 215, 및 220)을 포함하는 단일 홀 효과 센서(200)를 도시한다. 이른바 "스피닝 전류(spinning current)" 기법을 이용해 홀 효과 센서(200)에 대한 출력 신호들이 직교위상으로 생성된다. 스피닝 전류 기법에서, 스위칭 회로는 주기적으로 스위치 오프, 즉, 제1 전극 쌍(205 및 215)으로부터 전류원을 연결해제하여, 제1 방향(225)으로의 홀 효과 센서(200)를 통한 바이어스 전류의 흐름을 막고 바이어스 전류를 제2 전극 쌍(210 및 220)에 인가하여 바이어스 전류가 제2 방향(230)으로 홀 효과 센서를 통해 흐르게 할 수 있다. 마찬가지로 스위칭 회로는 프론트 엔드 회로(가령, 출력 증폭기)를 제2 전극 쌍(210 및 220)으로부터 연결해제하며, 프론트 엔드 회로가 제1 전극 쌍(205 및 215)에 연결한다(도 4 참조). 따라서 도 3a에서, 바이어스 전류가 제1 전극 쌍(205 및 215)에 초기에 인가되고 제2 전극 쌍(210 및 220)이 감지하도록 사용된다. 따라서 도 3b에서, 바이어스 전류가 홀 효과 센서(200)를 통해 도 3a에 도시된 바이어스 전류의 방향(225)을 가로지르는 방향(230)으로 흐른다.

일부 실시예에서, 하나의 클록 단계에서, 전극(210)이 프론트 엔드 회로의 양의 입력으로 스위칭되고 전극(220)은 프론트 엔드 회로의 음의 입력으로 스위칭된다. 그 후 다음 클록 단계에서, 전극(215)은 프론트 엔드 회로의 양의 입력으로 스위칭되며 전극(205)은 프론트 엔드 회로의 음의 입력으로 스위칭된다. 이러한 실시예에서, 복조 모듈이 저역 통과 필터(가령, 레지스터, 커패시터, 액티브 필터, 이들의 조합 등)이다(이하 참조).

또 다른 실시예에서, 하나의 클록 위상에서, 전극(210)은 프론트 엔드 회로의 양의 입력으로 스위칭되고 전극(220)은 프론트 엔드 회로의 음의 입력으로 스위칭된다. 그 후 다음의 클록 위상에서, 전극(205)이 프론트 엔드 회로의 양의 입력으로 스위칭되고 전극(215)은 프론트 엔드 회로의 음의 입력으로 스위칭된다. 이러한 실시예에서, 복조 모듈이 구현되어 (가령, 클록 주파수를 기초로) 오프셋 오차를 나타내는 리플(ripple) 및 복조 모듈의 출력의 평균 값을 포함하는 출력 신호를 생성할 수 있다. 덧붙여, 전극(205 및 215)의 극성의 결과로, 추가 복조 모듈 또는 인버터가 포함될 수 있다.

전극(205, 210, 215, 및 220)의 스위칭은 예를 들어, 제어기, 마이크로제어기, 마이크로프로세서, ASIC, FPGA 등을 이용해 이뤄질 수 있다. 스피닝 전류 기법과 연관된 스위칭이 종래 기술에 알려져 있다. 본 발명은 또한 복수의 홀 효과 센서, 가령, 둘 이상의 홀 효과 센서와 함께 사용될 수 있으며 2개의 홀 효과 센서가 차등 설계로 함께 연결될 수 있다(가령, 홀 효과 센서 오프셋을 상쇄하는 것을 보조하기 위해).

도 4는 도 1 및 2의 센서 시스템(100)의 시스템 블록도(300)를 도시한다. 시스템(100)은 센서(305)(가령, 도 3a 및 3b에 도시된 것과 유사한 하나 이상의 홀 효과 센서(305)), 프론트 엔드 회로(310), 보간기(315), 및 출력 장치(320)를 포함한다. 프론트 엔드 회로(310)는 예를 들어, 센서(305)의 출력 신호를 조절하는 능동 및 수동 회로 구성요소의 조합이다. 프론트 엔드 회로(310)는 조절된 출력 신호가 보간기(315)로 제공되기 전에 센서(305)로부터의 출력 신호를 조절하기 위한 증폭기, 필터, 이득 제어 회로, 아날로그-디지털 변환기("ADC") 등을 포함할 수 있다.

보간기(315)는 출력 장치(320)로 제공될 수 있는 센서 시스템(100)에 대한 고분해능 출력 신호를 생성한다. 다양한 구성에서, 보간기(315)는 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 이용해 구현된다. 보간기(315)는, 예를 들어, 제어기, 마이크로제어기, 마이크로프로세서, 주문형 집적 회로("ASIC"), 필드 프로그래머블 게이트 어레이("FPGA"), 논리 회로, 전압 비교기 등으로 구현될 수 있다. 보간기(315)의 동작은 이하에서 더 상세하게 기재된다. 출력 장치(320)는, 예를 들어, 보간기로부터 고분해능 신호를 수신하고 검출된 위치 및/또는 속력을 기초로 시스템(가령, 모터 시스템)에 대한 추가 처리 또는 제어를 수행하는 장치이다. 일부 구성에서, 출력 장치(320)는 제어기, 마이크로제어기, 마이크로프로세서, ASIC, FPGA 등이다. 일부 구성에서, 본 발명은 알려진 인코더 ASIC, 예컨대, Timken이 제조한 ASIC으로 일체 구성된다.

일부 구성에서, 보간기(315) 및/또는 출력 장치(320)는 제어 또는 처리 장치에 의해 구현된다. 예를 들어, 보간기(315) 및 출력 장치(320)가 홀 효과 센서(305)에 대한 고분해능 출력 신호를 생성하는 마이크로프로세서-기반 시스템을 이용해 구현되며, 인코더에 대한 위치, 속력, 및 가속도를 결정할 수 있고, 시스템(가령, 모터 시스템)을 제어하기 위한 하나 이상의 출력 제어 신호를 생성할 수 있다. 이러한 구성이 도 5에 도시되어 있다.

특히, 도 5는 제어기(405)를 포함하는 센서 시스템(400)을 도시한다. 상기 제어기(405)는 시스템(400)의 다양한 모듈 또는 구성요소에 전기적 및/또는 통신 가능하게 연결된다. 예를 들어, 도시된 제어기(405)는 하나 이상의 액추에이션 장치(즉, 모터) 및 드라이브(410), 전력 공급 모듈(415), 출력 장치(420), 및 복수의 센서(425A-425N)(대응하는 프론트 엔드 회로(430A-430N))에 연결되며, 여기서 N은 시스템(400)에 포함되는 센서의 유한한 개수를 가리킨다. 제어기(405)는 시스템(400)의 동작을 모니터링 및/또는 제어하고, 액추에이션 장치(410)의 운동을 제어하고, 홀 효과 센서(425)의 출력을 모니터링하도록 동작 가능한 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 포함한다. 일부 구성에서, 프론트 엔드 회로(430A-430N)가 제어기(405)에 포함된다.

일부 실시예에서, 제어기(405)는 시스템(400)으로 전력, 모니터링 및 제어를 제공하는 복수의 전기 및 전자 구성요소를 포함한다. 예를 들어, 제어기(405)는 처리 유닛(435)(가령, 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 또는 또 다른 적합한 프로그래머블 장치), 메모리(440), 입력 유닛(445), 및 출력 유닛(450) 등을 포함한다. 처리 유닛(435)은, 제어 유닛(455), 산술 논리 유닛("ALU")(460) 및 복수의 레지스터(465)(도 5에서 레지스터 그룹으로 나타남)를 포함하며 알려진 컴퓨터 아키텍처, 가령, 수정 하바드 아키텍처, 폰 노이만 아키텍처 등을 이용해 구현된다. 처리 유닛(435), 메모리(440), 입력 유닛(445), 및 출력 유닛(450)뿐 아니라 제어기(405)에 연결되는 다양한 모듈까지 하나 이상의 제어 및/또는 데이터 버스(가령, 공통 버스(470))에 의해 연결된다. 일반적으로 설명 목적으로 제어 및/또는 데이터 버스가 도 5에 도시된다. 다양한 모듈과 구성요소들 간 상호접속 및 통신을 위한 하나 이상의 제어 및/또는 데이터 버스의 사용이 본 명세서에 기재된 발명을 고려할 때 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 일부 실시예에서, 제어기(405)는 반도체(가령, 주문형 집적 회로["ASIC"], 필드-프로그래머블 게이트 어레이 ["FPGA"] 반도체 등) 상에 부분적으로 또는 전체적으로 구현된다.

메모리(440)는 예를 들어 프로그램 저장 영역 및 데이터 저장 영역을 포함한다. 상기 프로그램 저장 영역 및 데이터 저장 영역이 서로 다른 유형의 메모리, 가령, 리드-온리 메모리("ROM"), 랜덤 액세스 메모리("RAM")(가령, 동적 RAM[DRAM], 동기식 DRAM["SDRAM"] 등), 전기 소거 가능 프로그래머블 리드-온리 메모리("EEPROM"), 플래시 메모리, 하드 디스크, SD 카드, 또는 그 밖의 다른 적합한 자기, 광학, 물리, 또는 전자 메모리 장치를 포함할 수 있다. 처리 유닛(435)은 메모리(440)로 연결되고 (가령, 실행 동안) 메모리(440)의 RAM, 메모리(440)의 ROM(가령, 일반적으로 영구적), 또는 또 다른 비일시적 컴퓨터 판독형 매체, 가령, 또 다른 메모리 또는 디스크에 저장될 수 있는 소프트웨어 명령을 실행한다. 시스템(400)의 구현예에 포함되는 소프트웨어는 제어기(405)의 메모리(440)에 저장될 수 있다. 소프트웨어는, 예를 들어, 펌웨어, 하나 이상의 애플리케이션, 프로그램 데이터, 필터, 규칙, 하나 이상의 프로그램 모듈, 및 그 밖의 다른 실행 명령을 포함한다. 제어기(405)는 본 발명의 제어 프로세스 및 방법과 관련된 명령을 메모리로부터 불러오고 실행하도록 구성된다. 또 다른 구성에서, 제어기(405)는 더 많거나 더 적거나 상이한 구성요소를 포함한다.

전력 공급 모듈(415)은 명목 AC 또는 DC 전압을 시스템(400)의 제어기(405) 또는 그 밖의 다른 구성요소 또는 모듈에 공급한다. 전력 공급 모듈(415)은 예를 들어, 100V 내지 240V AC 명목 라인 전압과 대략 50-60Hz의 주파수를 갖는 전원에 의해 전력을 공급 받는다. 전력 공급 모듈(415)이 또한 제어기(405) 내 회로 및 구성요소를 동작시키도록 더 낮은 전압을 공급하도록 구성된다. 또 다른 구성에서, 제어기(405) 또는 그 밖의 다른 시스템(400) 내 구성요소 및 모듈에 하나 이상의 배터리 또는 배터리 팩 또는 또 다른 그리드-독립적 전원(가령, 발전기, 태양열 패널 등)에 의해 전력이 공급된다.

도 6a는 센서 시스템(100)의 일부분(500)을 도시하고 프론트 엔드 회로(510)에 연결된 센서(505)를 보여준다. 프론트 엔드 회로(510)에 의해 홀 효과 센서(505)로부터의 출력 신호가 변조, 증폭 및 복조된다. 프론트 엔드 회로(510)는 스위칭 모듈(515), 조절된 출력 신호를 생성하는 신호 조절 모듈(520), 클록 생성 모듈(525), 및 출력 게이트 모듈(530)을 포함한다. 스위칭 모듈(515)은 프론트 엔드 회로(510)에 포함되는 것으로 도시되지만, 대안적으로, 스위칭 모듈(515)은 프론트 엔드 회로(510)로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 회로(515)는 센서(505)와 프론트 엔드 회로(510) 사이에 연결되거나 센서(505)와 일체 구성될 수 있다. 프론트 엔드 회로(510)는 예를 들어, 홀 효과 센서, 증폭기, 변조 신호 등으로부터 오프셋에 감응하지 않은 고속 응답 홀 효과 스위치 시스템을 제공하도록 구성된다. 프론트 엔드 회로(510) 및 시스템(500)은 낮은 차단 주파수(가령, 변조 주파수의 약 10분의 1, 개략 25-50kHz 등)를 갖는 LPF를 필요로 하지 않는다. 따라서 홀 효과 센서(505)에 대한 응답 시간이 개선되며, 예를 들어, 이는 파워-온 리셋에 대한 홀 효과 센서(505)로부터의 고속 응답을 가능하게 한다. 언급된 LPF를필요로 하지 않는 것에 추가로, 센서 시스템(500)은 오프셋 트리밍 회로 및 관련된 프로토콜을 필요로 하지 않는다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 조정 모듈(520)은 적어도 하나의 증폭 모듈(535), 복조 모듈(540), 및 필터 모듈(545)을 포함한다. 증폭 모듈(535)은 예를 들어 적어도 하나의 증폭기, 가령, 차동 증폭기를 포함한다. 증폭기는 홀 효과 센서(505)로부터의 양의 출력 전압과 음의 출력 전압 간 차이(즉, 홀 효과 센서(505) 양단의 전압)의 크기와 동일한 값을 갖는 증폭기 출력 신호를 생성한다. 증폭기 출력 신호는 비-단위 이득을 더 포함하여, 출력이 홀 효과 센서(505)의 양의 출력 및 음의 출력 간 차이의 크기와 직접 동일하지 않다. 오히려, 증폭기 출력이 증폭기의 구성을 기초로 하는 증폭률에 의해 증폭된다. 복조 모듈(540)은 출력 증폭기 신호를 수신하며 복조 출력 신호를 생성한다. 복조 모듈(540)의 일반적인 동작이 종래 기술에 알려져 있으며 예를 들어 샘플- 또는 추적-및-고정(track-and-hold) 유형 복조 회로를 포함한다. 복조 출력 신호가 하나 이상의 필터를 포함하는 필터 모듈(545)에 제공된다. 필터는 커패시터, 저항기-커패시터("RC") 필터, 능동 필터, 복조 회로와 일체 구성될 수 있는 변조-유형 필터 등일 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 모듈로부터의 특정 출력 신호가 도 7-11을 참조하여 기재될 것이다.

도 7은 변조 클록 신호(600)를 도시한다. 변조 클록 신호(600)는 위상각(가령, 0°)을 가지며 제1 위상

동안 양의 값과 제2 위상

동안 음의 값을 주기적으로 교대한다.

및

의 조합이 변조 클록 신호(600)의 하나의 주기에 대응한다. 변조 클록 신호(600)는 스위칭 모듈(515)에 제공된다. 변조 클록 신호(600)가 사용되어, 예를 들어, 홀 효과 센서(505)를 통한 전류 흐름의 방향을 제어할 수 있다(도 3a 및 3b 참조). 따라서 변조 클록 신호(600)에 의해 센서(505)가 변조 클록 신호(600)의 주파수를 갖는 주기적으로 변하는 출력 신호를 출력할 수 있다.

어떠한 자기장도 홀 효과 센서(505)에 의해 검출될 때, 홀 효과 센서(505)의 변조된 출력은, 예를 들어, 도 3a 및 3b에 기재된 2개의 전극 쌍 중 각각의 전극으로부터의 각각의 클록 위상에서 교대로 제공될 것이다. 2개의 위상 신호의 조합이 센서 시스템의 조합된 오프셋(가령, 센서 자체로부터의 오프셋, 프론트 엔드 회로로부터의 오프셋 등)에 대응하는 진폭을 갖는 가변 신호이다. 이러한 출력은 0볼트에 대해 대략 대칭이고 따라서 0의 평균 값을 가진다. 자기장이 존재하고 홀 효과 센서(505)에 의해 검출될 때, 홀 효과 센서(505)의 출력이 홀 효과 센서(505)의 홀 효과 전압과 변조된 출력 신호와 연관된 오프셋의 조합에 대응하는 전압을 가진다. 홀 효과 센서(505)로부터의 출력 신호가 증폭 모듈(535)(가령, 차동 증폭기)로 제공되며, 상기 증폭 모듈(535)은 앞서 기재된 바와 같이, 홀 효과 센서로부터의 양의 출력 전압과 음의 출력 전압 간 차이(즉, 홀 효과 센서(505) 양단의 전압)의 크기와 관련된 값을 갖는 증폭기 출력 신호를 생성한다. 증폭 후에, 증폭 모듈로부터의 증폭된 출력 신호가 복조 모듈(540)에 의해 복조되어 복조 출력 신호(605)를 생성할 수 있다.

도 8을 참조하면, 복조 모듈(540)로부터의 복조 출력 신호(605)가 도시된다. 신호(605)가 시간에 따라 달라지고 센서 출력 값 및 센서(505)와 연관된 조합된(가령, 양과 음의) 오프셋(610)에 대응하는 피크간 진폭(peak-to-peak amplitude)을 가진다. 일부 실시예에서, 오프셋(610)은 프론트 엔드 회로의 오프셋을 더 포함한다. 그러나 신호(605)의 대칭의 결과로서, (오프셋 오차에 독립적인) 홀 효과 센서(505)의 감지된 자기장 강도 출력 값(615)이 신호(605)의 평균 값에 대응한다. 출력이 설명 목적으로 일정한 값(즉, 직선 수평선)으로 도시된다. 정규 동작 동안, 홀 효과 센서(505)의 출력 값(615)의 진폭이 시간에 따라 달라질 수 있다.

도 8의 신호(605)가 필터 모듈(545)에 제공된다. 필터 모듈(545)은 커패시터, RC 필터, 능동 필터, 복조 회로와 일체 구성될 수 있는 변조-유형 필터 등을 포함할 수 있다. 앞서 기재된 바와 같이, 필터 모듈(545)이 오프셋 오차, 가령, 변조 오프셋과 연관된 고주파수 리플(ripple)을 제거하는 데 사용되는 종래의 LPF가 아니다. 오히려, 필터 모듈(545)은 오프셋 오차를 제거하도록 구성되지 않는 더 높은 차단 주파수를 가진다. 필터 모듈(545)의 출력이 대략 삼각파형인 신호(620)이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 신호(620)의 최대 양의 피크가 도 8의 신호(605)의 최대 양의 값에 대략 대응하며 신호(605)의 하강 에지와 동기화된다. 마찬가지로, 신호(620)의 최소 또는 음의 피크가 도 8의 신호(605)의 최소 피크에 대응하고 신호(605)의 상승 에지와 동기화된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 홀 효과 센서 출력(615)의 값이 신호(620)의 최대 피크와 최소 피크 간 중앙점에 대략 대응한다. 또 다른 실시예에서, 필터 파라미터가 사용되어, 사각파의 최대 값보다 낮은 양의 피크 값 및 사각파의 최소 값보다 높은 음의 피크 값을 갖는 삼각파형 신호를 생성할 수 있다.

도 10은 샘플링 또는 출력 게이트 클록 신호(625)를 도시한다. 출력 게이트 클록 신호(625)는 변조 클록 신호(600)에 대응하는 위상각을 갖지만 90도 위상차를 가진다. 이하에서 기재된 바와 같이, 출력 게이트 클록 신호(625)가 사용되어 필터링된 센서 출력 신호로부터의 데이터를 샘플링 또는 래치(latch)할 수 있다. 특히, 도 11에 도시된 바와 같이 필터링된 신호(620)는 도 10의 출력 게이트 클록 신호(625)를 이용해 샘플링된다. 출력 게이트 클록 신호(625)가 변조 클록 신호(600)로부터 90도의 각 θ만큼 위상 편이되었기 때문에, 출력 게이트 클록 신호(625)의 상승 및 하강 에지가 삼각파형 필터링된 신호(620)의 상승 및 하강 에지의 중앙점(630 및 635)에 대략 대응하고, 홀 효과 센서(615)의 출력에 대략 대응한다. 따라서 출력 게이트 클록 신호(625)가 홀 효과 센서(505)의 출력 값을 샘플링하는 데 사용된다. 홀 효과 센서의 출력을 이러한 방식으로 샘플링함으로써, 출력이 앞서 기재된 센서 시스템의 다양한 부분에 의해 도입된 오프셋(610)에 독립적이다. 따라서 보간기(가령, 보간기(315))에 제공될 홀 효과 센서로부터의 출력 신호가 더는 낮은 차단 주파수(가령, 대략 25-50kHz)를 갖는 LPF를 필요로 하지 않는다. 대신, LPF는 완벽하게 생략될 수 있거나, 대안으로서, 필터가 실질적으로 더 높은 차단 주파수(가령, 250kHz)를 갖는 필터가 사용될 수 있다. 이러한 높은 차단 주파수를 갖는 필터가 센서 시스템의 응답 시간을 한정하지 않는다.

일부 실시예에서, 필터링된 신호가 출력 게이트 클록 신호(625)의 상승 에지, 출력 게이트 클록 신호(625)의 하강 에지, 또는 출력 게이트 클록 신호(625)의 상승 에지와 하강 에지 모두에서 샘플링될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로 필터링된 신호가 출력 게이트 클록 신호의 매 2 주기마다 또는 교대로 더 낮은 속도로 샘플링될 수 있다. 따라서 출력 신호로 도입되는 잡음의 추가 감소가 바람직한 경우, 필터링된 신호의 샘플링 주파수가 감소될 수 있다.

따라서 본 발명은 홀 효과 센서의 출력 값에 대응하는 출력을 생성할 수 있고 낮은 차단 주파수를 갖는 저역 통과 필터를 필요로 하지 않는 홀 효과 센서 시스템을 제공한다. 오히려, 위상 편이된 출력 게이트 신호가 홀 효과 센서의 전압 출력에 실질적으로 대응하는 값에서 홀 효과 센서로부터의 조절된 출력 신호를 샘플링하는 데 사용된다. 본 발명의 다양한 특징 및 이점이 이하의 청구범위에서 제공된다.

Claims

센서 시스템으로서, 상기 센서 시스템(100)은
변조 신호(600) 및 출력 샘플링 신호(625)를 생성하도록 구성된 클록 생성 모듈(525) - 상기 변조 신호(600)는 변조 주파수를 가지며, 샘플링 신호(625)는 샘플링 주파수를 가지며, 변조 신호(600) 및 출력 샘플링 신호(625)는 서로에 대해 위상 편이 되어 변조 신호(600)와 출력 샘플링 신호(625) 간 위상 차를 생성함 -,
출력 값을 갖는 출력 신호(615)를 생성하도록 구성된 센서(200) - 출력 신호(615)는 변조 신호(600)에 의해 변조되고, 출력 값은 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함함 -,
출력 신호(615)를 수신하도록 구성된 신호 조절 모듈(520) - 상기 신호 조절 모듈(520)은 출력 신호(615)를 조절하여 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함하는 조절된 출력 신호(620)를 생성하도록 구성됨 -, 그리고
조절된 출력 신호(620) 및 출력 샘플링 신호(625)를 수신하도록 구성된 출력 모듈(530) - 상기 출력 샘플링 신호(625)는 센서 출력 값에 대응하며 오프셋 에러로부터 독립된 값으로 조절된 출력 신호(620)를 샘플링하도록 사용됨 - 을 포함하는, 센서 시스템.
제1항에 있어서, 센서(200)는 홀 효과 센서(Hall Effect sensor)인, 센서 시스템.
제1항에 있어서, 위상차는 90도 위상차인, 센서 시스템.
제1항에 있어서, 신호 조절 모듈(520)은 증폭기(535) 및 필터(545)를 포함하는, 센서 시스템.
제4항에 있어서, 상기 증폭기(535)는 차동 증폭기인, 센서 시스템.
제4항에 있어서, 신호 조절 모듈(520)은 복조 모듈(540)을 더 포함하는, 센서 시스템.
제6항에 있어서, 복조 모듈로부터의 복조 출력 신호가 사각파형 신호(ractangular shaped signal)이고 복조 출력 신호는 필터(545)로 제공되는, 센서 시스템.
제7항에 있어서, 필터(545)의 출력이 조절된 출력 신호(620)이고, 조절된 출력 신호(620)는 삼각파형 신호인, 센서 시스템.
제8항에 있어서, 삼각형의 신호는, 삼각형 신호의 극댓값과 삼각형 신호의 극솟값 사이의 중앙점에서 출력된 샘플링 신호(625)를 이용해 샘플링되는, 센서 시스템.
센서(200)에 대한 출력 값을 결정하는 방법으로서, 상기 방법은
변조 신호(600)를 생성하는 단계 - 상기 변조 신호는 변조 주파수 및 제1 위상각을 가짐 - ,
출력 샘플링 신호(625)를 생성하는 단계 - 상기 출력 샘플링 신호는 샘플링 주파수 및 제2 위상각을 가지며, 변조 신호(600)와 출력 샘플링 신호(625)는 서로에 대해 위상 편이되어 변조 신호(600)의 제1 위상각과 출력 샘플링 신호(625)의 제2 위상각 간 위상차를 생성함 - ,
출력 값을 갖는 센서(200)로부터 출력 신호(615)를 생성하는 단계 - 출력 신호(615)는 변조 신호(600)에 의해 변조되고, 출력 값이 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함함 - ,
출력 신호(615)를 조절하여, 센서 출력 값과 오프셋 값을 포함하는 조절된 출력 신호(620)를 생성하는 단계,
출력 모듈(530)에서, 조절된 출력 신호(620)와 출력 샘플링 신호(625)를 수신하는 단계, 및
센서 출력에 대응하며 오프셋 에러로부터 독립된 값으로 출력 샘플링 신호(625)를 이용해 조절된 출력 신호(620)를 샘플링하는 단계
를 포함하는, 센서에 대한 출력 값을 결정하는 방법.
제10항에 있어서, 상기 센서(200)는 홀 효과 센서인, 센서에 대한 출력 값을 결정하는 방법.
제10항에 있어서, 위상차는 90도 위상차인, 센서에 대한 출력 값을 결정하는 방법.
제10항에 있어서, 출력 신호(615)를 증폭하여 증폭된 출력 신호를 생성하는 단계 및 증폭된 출력 신호를 복조하여 복조 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 센서에 대한 출력 값을 결정하는 방법.
제13항에 있어서, 복조 신호를 필터링하여 조절된 출력 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 센서에 대한 출력 값을 결정하는 방법.
제14항에 있어서, 조절된 출력 신호(620)는 삼각형의 신호인, 센서에 대한 출력 값을 결정하는 방법.
제15항에 있어서, 삼각형의 조절된 출력 신호(620)는, 삼각형의 조절된 출력 신호(620)의 극댓값과 삼각형의 조절된 출력 신호의 극솟값 사이의 중앙점에서 출력 샘플링 신호(625)를 이용해 샘플링되는, 센서에 대한 출력 값을 결정하는 방법.
센서 시스템으로서, 상기 센서 시스템은
자극(magnetic pole)의 패턴을 포함하는 회전 부재(rotary member),
자극의 패턴을 기초로 출력 신호를 생성하도록 구성된 홀 효과 센서(Hall Effect sensor), 및
상기 센서로부터 출력 신호를 수신하도록 구성된 제어기를 포함하며, 상기 제어기는
변조 주파수와 제1 위상각을 갖는 변조 신호를 생성하고,
샘플링 주파수 및 제2 위상각을 갖는 출력 샘플링 신호를 생성하며,
변조 신호를 이용해 상기 센서로부터의 출력 신호를 변조하고 - 상기 출력 신호는 출력 값을 가지며, 상기 출력 값은 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함함 - ,
출력 신호를 조절하여, 센서 출력 값 및 오프셋 값을 포함하는 조절되는 출력 신호를 생성하며,
센서 출력 값에 대응하며 오프셋 에러로부터 독립된 값으로 출력 샘플링 신호를 이용해 조절된 출력 신호를 샘플링하도록 구성되며,
상기 변조 신호 및 출력 샘플링 신호가 서로에 대해 위상 편이되어, 변조 신호의 제1 위상각과 출력 샘플링 신호의 제2 위상각 간 위상차를 생성하는, 센서 시스템.
제17항에 있어서, 위상차는 90도 위상차인, 센서 시스템.
제17항에 있어서, 출력 신호를 조절하여 조절된 출력 신호를 생성하는 것은 출력 신호를 증폭하여 증폭된 출력 신호를 생성하는 것 및 증폭된 출력 신호를 복조하여 복조 신호를 생성하는 것을 포함하는, 센서 시스템.
제19항에 있어서, 출력 신호를 조절하여 조절된 출력 신호를 생성하는 것은 복조 신호를 필터링하여 조절된 출력 신호를 생성하는 것을 더 포함하는, 센서 시스템.
제20항에 있어서, 조절된 출력 신호는 삼각형의 신호인, 센서 시스템.
제21항에 있어서, 삼각형의 조절된 출력 신호는 삼각형의 조절된 출력 신호의 극댓값과 삼각형의 조절된 출력 신호의 극솟값 사이의 중앙점에서 출력 샘플링 신호를 이용해, 샘플링되는, 센서 시스템.