KR102419489B1 - 모터 속도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

모터 속도 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 속도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 모터의 회전에 따른 신호를 출력하는 인코더 및 상기 인코더의 출력신호에 따라 모터의 기계각을 검출하고, 상기 검출된 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정하며, 상기 추정된 실제각을 미분하여 모터의 속도를 계산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터 속도 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING SPEED OF MOTOR}
본 발명은 모터 속도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저분해능 인코더를 사용하여 모터의 속도를 측정하는 모터 속도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 모터의 속도는 로터리 인코더(rotary encoder)를 이용하여 측정한다. 이러한 로터리 인코더에는 축(shaft)의 절대위치를 출력하는 앱솔루트형 인코더(absolute encoder)와 축의 움직임에 대한 정보를 출력하는 증분형 인코더(incremental encoder)가 있다.
이와 같이 인코더를 사용하여 모터의 속도를 측정할 때, 그 측정의 정확도는 인코더의 분해능(PPR)에 의해 결정되는 것이 일반적이다. 즉 고분해능의 인코더를 사용하면 저분해능의 인코더를 사용하는 경우보다 측정되는 모터 속도의 정확도를 높일 수 있다.
그러나 고분해능의 인코더는 저분해능의 인코더보다 가격이 비싸기 때문에 원가적인 측면에서 불리하다는 문제점이 존재한다.
한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2004-0017954호(2004.03.02.)에 개시되어 있다.
본 발명은 저분해능의 인코더를 사용하는 경우에도 속도 측정의 정확성을 확보할 수 있는 모터 속도 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 모터 속도 측정 장치는 모터의 회전에 따른 신호를 출력하는 인코더; 및 상기 인코더의 출력신호에 따라 모터의 기계각을 검출하고, 상기 검출된 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정하며, 상기 추정된 실제각을 미분하여 모터의 속도를 계산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제어부는, 상기 실제각 추정 시, 모터의 각속도를 추정하고, 상기 추정된 각속도에 근거하여 보정 각도를 산출하며, 상기 산출된 보정 각도에 근거하여 상기 실제각을 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제어부는, 상기 기계각에 상기 보정 각도를 가산하여 상기 실제각을 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제어부는, 상기 모터의 속도 계산 시, 상기 추정된 실제각을 미분하여 각속도를 계산하고, 상기 계산된 각속도를 RPM(revolution per minute)으로 변환하여 상기 모터의 속도를 계산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 모터 속도 측정 장치는 상기 계산된 모터의 속도를 로우 패스 필터링하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 모터 속도 측정 방법은 제어부가 인코더의 출력신호에 따라 모터의 기계각을 검출하는 단계; 상기 제어부가 상기 검출된 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 추정된 실제각을 미분하여 모터의 속도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 실제각을 추정하는 단계는, 상기 제어부가 모터의 각속도를 추정하는 단계; 상기 제어부가 상기 추정된 각속도에 근거하여 보정 각도를 산출하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 산출된 보정 각도에 근거하여 상기 실제각을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 산출된 보정 각도에 근거하여 상기 실제각을 추정하는 단계에서, 상기 제어부는, 상기 기계각에 상기 보정 각도를 가산하여 상기 실제각을 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 모터의 속도를 계산하는 단계는, 상기 제어부가 상기 추정된 실제각을 미분하여 각속도를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 각속도를 RPM(revolution per minute)으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 모터 속도 측정 방법은 상기 모터의 속도를 계산하는 단계 이후, 상기 제어부가 상기 계산된 모터의 속도를 로우 패스 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 모터 속도 측정 장치 및 방법은 인코더를 통해 검출되는 모터의 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정하고, 이를 통해 모터의 속도를 계산함으로써, 저분해능의 인코더를 사용하는 경우에도 속도 측정의 정확성을 확보할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치의 속도 측정 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치의 효과를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 방법의 실제각 추정 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모터 속도 측정 장치 및 방법의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치의 속도 측정 방법을 설명하기 위한 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치의 효과를 설명하기 위한 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치는 제어부(100), 인코더(110) 및 필터부(120)를 포함한다.
인코더(110)는 모터의 회전에 따른 신호를 출력한다. 즉 인코더(110)는 모터의 회전에 따라 펄스를 출력할 수 있으며, 이러한 펄스는 모터의 1회전 당 PPR(Pulse Per Revolution)개가 출력될 수 있다. 여기서 인코더(110)의 PPR은 인코더의 분해능을 나타내는 지표이며, PPR이 높을수록 고분해능이라고 할 수 있다.
또한 인코더(110)는 모터의 회전 방향을 판별할 수 있도록 서로 90도의 위상차를 갖는 50% 듀티비의 A펄스 및 B펄스를 각각 출력할 수도 있다. 즉 모터가 정방향으로 회전하는 경우에는 A펄스의 위상이 B펄스보다 90도 앞서서 출력될 수 있고, 이와 반대로 모터가 역방향으로 회전하는 경우에는 B펄스의 위상이 A펄스보다 90도 앞서서 출력될 수 있다.
제어부(100)는 인코더(110)의 출력신호에 따라 모터의 기계각을 검출할 수 있다. 즉 도 2에서 볼 수 있듯이, 제어부(100)는 인코더(110)의 출력신호에 따라 모터의 위치를 검출할 수 있다. 예를 들어 모터가 도2에 도시된 위치에 위치하는 경우에, 저분해능 인코더를 사용한 경우에는 1번 위치가 모터의 위치로 검출될 수 있고, 고분해능 인코더를 사용하는 경우에는 2번 위치가 모터의 위치로 검출될 수 있다. 이렇게 인코더를 사용하여 검출되는 모터의 위치에 해당하는 각도를 기계각이라고 지칭할 수 있으며, 도 2에서 볼 수 있듯이 이러한 기계각은 계단 형태로 검출되게 된다.
제어부(100)는 이렇게 검출된 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정할 수 있다. 즉 도 2에서 볼 수 있듯이, 저분해능 인코더를 사용하는 경우에는 모터의 실제 위치와 기계각 사이의 오차가 크게 발생할 수 있으며, 이는 속도 측정의 정확도를 저하시키는 원인이 된다.
또한 계단 형태로 검출되는 기계각에 대한 미분을 통해 모터의 속도를 계산한다면 미분의 결과가 매끄럽게 나타나지 않기 때문에 신호의 품질을 저하시킬 수 있다.
따라서 제어부(100)는 검출된 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정함으로써, 모터의 실제 위치를 보다 정확하게 파악할 수 있을 뿐만 아니라 모터 각도의 기울기를 매끄러운 형태로 만들어줄 수 있다.
보다 구체적으로 제어부(100)는 모터의 각속도를 추정하고, 추정된 각속도에 근거하여 보정 각도를 산출할 수 있다. 여기서 보정 각도는 검출된 기계각과 모터의 실제 위치 사이의 차이의 추정값을 의미한다.
즉 도 2에서 볼 수 있듯이, 제어부(100)는 추정된 각속도에 보정 시간(Δt)를 곱하여 보정 각도를 산출할 수 있다. 이때 보정 시간은 제어부(100)의 샘플링 시간(즉 모터의 속도를 측정하는 시간 간격)과 인코더(110)의 출력신호가 검출되는 시간을 통해 계산될 수 있다.
제어부(100)는 이렇게 산출된 보정 각도에 근거하여 모터의 실제각을 추정할 수 있다. 예를 들어 제어부(100)는 검출된 기계각에 보정 각도를 가산하여 모터의 실제각을 추정할 수 있다.
이렇게 추정된 모터의 실제각은 모터의 실제 위치와 정확히 일치하지 않을 수도 있으나, 모터의 기계각을 사용하는 경우에 비해 상대적으로 정확하므로, 속도 측정의 정확도를 향상시켜줄 수 있다.
또한 이러한 모터의 실제각은 계단 형태로 나타나지 않기 때문에(즉 인코더에 의한 식별 위치들 사이에 위치할 수 있으므로), 그 그래프의 기울기가 비교적 매끄러운 형태로 나타난다. 따라서 미분을 통한 모터의 속도 계산 결과에 노이즈가 줄어들게 된다.
한편 이러한 모터의 실제각 추정 시, 제어부(100)는 피드백 제어를 통해 모터의 각속도를 추정할 수 있다. 즉 제어부(100)는 이후에 설명할 모터의 속도 계산 과정에서 모터의 각속도를 계산하므로, 이를 피드백 하여 모터의 각속도를 추정할 수 있다.
제어부(100)는 상술한 과정을 거쳐 추정된 모터의 실제각을 미분하여 모터의 속도를 계산할 수 있다. 예를 들어 제어부(100)는 추정된 실제각을 시간에 대해 미분하여 각속도를 계산할 수 있고, 이렇게 계산된 각속도를 RPM(revolution per minute)으로 변환하여 모터의 속도를 계산할 수 있다.
필터부(120)는 이렇게 계산된 모터의 속도를 로우 패스 필터링 할 수 있다. 즉 필터부(120)는 계산된 모터의 속도 신호에서 노이즈를 제거할 수 있으며 이때 필터부(120)의 필터링 주파수는 종래의 방식을 사용한 경우보다 증가될 수 있다.
즉 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치의 측정 결과와 종래의 방식을 이용한 결과를 비교해보면 다음과 같다.
예를 들어, 본 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치는 차량의 전동식 파워 스티어링(MDPS: Motor Driven Power Steering) 시스템 구동용 모터의 속도를 측정할 수 있으며, 이러한 경우 계산된 모터의 속도는 필터링 과정을 거쳐 모터의 제어로직을 수행하기 위한 파라미터로 사용될 수 있다.
이때 필터링 주파수의 영향으로 일정 정도의 지연이 발생하게 되는데, 이러한 지연 요소는 조향 제어로직의 성능 저하 요인으로 작용할 수 있으므로, 이를 최소화할 필요가 있다. 다만 이를 최소화하기 위해 필터의 대역폭을 증가 시키면 노이즈의 영향이 커지게 되는 부작용이 발생할 수 있으나, 본 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치를 이용한 모터의 속도 측정은 계산된 신호의 품질이 향상되므로 필터링 주파수를 증가시켜도 노이즈의 영향이 커지지 않음을 볼 수 있다.
또한 도 3에서 볼 수 있듯이, 본 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치를 이용한 모터의 속도 측정은, 저분해능 인코더를 사용하는 경우에도 그 품질이 고분해능 인코더를 사용한 경우와 비슷한 수준이며, 종래의 방식에 비해 향상된 정확도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 속도 측정 방법의 실제각 추정 단계를 설명하기 위한 흐름도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 모터 속도 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 것과 같이, 제어부(100)는 먼저 인코더(110)의 출력신호에 따라 모터의 기계각을 검출한다(S200). 즉 인코더(110)는 모터의 회전에 따라 펄스를 출력할 수 있으며, 제어부(100)는 이를 통해 모터의 위치 즉 기계각을 검출할 수 있다.
이어서 제어부(100)는 상기 단계(S200)에서 검출된 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정한다(S210). 즉 제어부(100)는 검출된 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정함으로써, 모터의 실제 위치를 보다 정확하게 파악할 수 있을 뿐만 아니라 모터 각도의 기울기를 매끄러운 형태로 만들어줄 수 있으며, 상기 단계(S210)를 도 5를 참조하여 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 5에 도시된 것과 같이, 제어부(100)는 먼저 모터의 각속도를 추정한다(S300). 예를 들어 제어부(100)는 피드백 제어를 통해 모터의 각속도를 추정할 수 있다. 즉 제어부(100)는 이후에 설명할 모터의 속도 계산 과정에서 모터의 각속도를 계산하므로, 이를 피드백 하여 모터의 각속도를 추정할 수 있다.
이어서 제어부(100)는 상기 단계(S300)에서 추정된 각속도에 근거하여 보정 각도를 산출한다(S310). 여기서 보정 각도는 검출된 기계각과 모터의 실제 위치 사이의 차이의 추정값을 의미한다. 즉 제어부(100)는 추정된 각속도에 보정 시간(Δt)를 곱하여 보정 각도를 산출할 수 있다. 이때 보정 시간은 제어부(100)의 샘플링 시간(즉 모터의 속도를 측정하는 시간 간격)과 인코더(110)의 출력신호가 검출되는 시간을 통해 계산될 수 있다.
상기 단계(S310) 이후, 제어부(100)는 상기 단계(S310)에서 산출된 보정 각도에 근거하여 모터의 실제각을 추정한다(S320). 예를 들어 제어부(100)는 검출된 기계각에 보정 각도를 가산하여 모터의 실제각을 추정할 수 있다.
한편 도 4의 상기 단계(S210) 이후, 제어부(100)는 상기 단계(S210)에서 추정된 실제각을 미분하여, 각속도 및 RPM(revolution per minute)을 계산한다(S220). 예를 들어 제어부(100)는 추정된 실제각을 시간에 대해 미분하여 각속도를 계산할 수 있고, 이렇게 계산된 각속도를 RPM으로 변환하여 모터의 속도를 계산할 수 있다.
이어서 제어부(100)는 상기 단계(S220)에서 계산된 RPM을 로우 패스 필터링한다(S230). 즉 제어부(100)는 필터링을 통해 계산된 모터의 속도 신호에서 노이즈를 제거할 수 있으며 이때의 필터링 주파수는 종래의 방식을 사용한 경우보다 증가될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 모터 속도 측정 장치 및 방법은 인코더를 통해 검출되는 모터의 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정하고, 이를 통해 모터의 속도를 계산함으로써, 저분해능의 인코더를 사용하는 경우에도 속도 측정의 정확성을 확보할 수 있도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 제어부
110: 인코더
120: 필터부

Claims (10)

  1. 모터의 회전에 따른 신호를 출력하는 인코더; 및
    상기 인코더의 출력신호에 따라 모터의 기계각을 검출하고, 상기 검출된 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정하며, 상기 추정된 실제각을 미분하여 모터의 속도를 계산하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 실제각 추정 시, 모터의 각속도를 추정하고, 상기 추정된 각속도에 근거하여 보정 각도를 산출하며, 상기 기계각에 상기 보정 각도를 가산하여 상기 실제각을 추정하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 모터의 속도 계산 시, 상기 추정된 실제각을 미분하여 각속도를 계산하고, 상기 계산된 각속도를 RPM(revolution per minute)으로 변환하여 상기 모터의 속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 계산된 모터의 속도를 로우 패스 필터링하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 측정 장치.
  6. 제어부가 인코더의 출력신호에 따라 모터의 기계각을 검출하는 단계;
    상기 제어부가 상기 검출된 기계각에 근거하여 모터의 실제각을 추정하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 추정된 실제각을 미분하여 모터의 속도를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 실제각을 추정하는 단계는,
    상기 제어부가 모터의 각속도를 추정하는 단계;
    상기 제어부가 상기 추정된 각속도에 근거하여 보정 각도를 산출하는 단계; 및
    상기 기계각에 상기 보정 각도를 가산하여 상기 실제각을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 측정 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 모터의 속도를 계산하는 단계는,
    상기 제어부가 상기 추정된 실제각을 미분하여 각속도를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 각속도를 RPM(revolution per minute)으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 측정 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 모터의 속도를 계산하는 단계 이후,
    상기 제어부가 상기 계산된 모터의 속도를 로우 패스 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 속도 측정 방법.
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