KR0155878B1

KR0155878B1 - 리니어 스텝핑 모터의 위치검출방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR0155878B1
Application number: KR1019950029689A
Authority: KR
Inventors: 박인오
Original assignee: 이대원; 삼성항공산업주식회사
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1995-09-12
Publication date: 1998-12-15
Also published as: KR970018977A; JP3667465B2; US5793834A; JPH09121578A

Abstract

본 발명은 리니어 스텝핑 모터의 위치검출방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명은 발진기를 이용하여 리니어 스텝핑 모터의 위치검출을 위한 기준 클록을 발생시키고, 카운터에 의해 카운트하는 단계; 상기 카운터의 출력을 sin, cos 함수를 내장하고 있는 롬(ROM)에 입력하여 캐리어 정현파 sinωt, cosωt의 디지탈 값을 발생시키는 단계; 상기 sinωt, cosωt의 디지탈 값을 아날로그 정현파 신호로 각각 변환하여 출력시키는 단계; 상기 sinωt, cosωt의 아날로그 정현파 신호와 리니어 스케일로부터의 sinθ, cosθ 정현파 신호를 각각 곱셈처리하여 소정의 신호로 변조시키는 단계; 상기 변조된 각각의 신호를 덧셈처리하여 sin(ωt+θ)의 신호로 변조시키는 단계; 상기 sin(ωt+θ)의 변조신호를 비교기에 의해 소정의 구형파 신호로 변조시키는 단계; 및 상기 비교기로부터의 구형파 신호를 토대로 기준 정현파 sinωt와의 위상차를 검출하여 리니어 스텝핑 모터의 위치를 검출하는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명의 방법은 기준 정현파와 구형파 신호를 1주기당 2회 비교하므로, 검출정밀도를 한층 향상시킬 수 있고, 기준 정현파에 동기되어 리얼 타임으로 리니어 스텝핑 모터의 이동변위량을 검출하므로 고속이동에도 대응할 수 있는 장점이 있다.

Description

리니어 스텝핑 모터의 위치결정방법 및 그 장치

제1도는 종래 리니어 스텝핑 모터의 위치결정방식을 설명하는 개략적인 시스템 구성도.

제2도는 본 발명에 따른 리니어 스텝핑 모터의 위치검출장치에 있어서, 위상변조부의 개략적인 시스템 구성도.

제3도는 본 발명에 따른 리니어 스텝핑 모터의 위치검출장치에 있어서, 위치검출부의 개략적인 시스템 구성도.

제4도는 제3도의 위치검출부의 입, 출력 신호에 대한 타이밍 챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 발진기 22 : 카운터

23a,23b : 롬(ROM) 24a,24b : 디지탈/아날로그 변환기

25a,25b : 승산기 26 : 가산기

27 : 비교기 31,38 : 제1,제2 R-S플립플롭

32,39 : 제1,제2 D플립플롭 33,37,40 : 제1,제2,제3 AND게이트

34 : 업/다운 카운터 36 : NOT게이트

본 발명은 리니어 스텝핑 모터(Linear Stepping Motor)의 위치검출 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 리니어 스텝핑 모터의 위치를 리니어 스케일의 정보를 내삽함으로써 정밀하게 검출할 수 있음은 물론 일반적인 회전형 모터의 위치검출에도 적용할 수 있는 리니어 스텝핑 모터의 위치 검출방법 및 그 장치에 관한 것이다.

리니어 모터는 직선운동을 하는 전동기로서, 그 기본적인 원리는 유도전동기와 같다고 할 수 있다. 즉, 유도전동기는 교류전원이 공급되면 고정자권선에 회전자계가 발생하고, 그 회전자계에 의해 회전자권선에 흐르는 전류에 플레밍의 왼손법칙에 따르는 힘이 작용하여 회전자가 회전하게 되는 것은 이미 잘 알려진 사실이다. 다만, 리니어 모터에서는 회전자계 대신 이동자계로, 그리고 회전운동대신 직선운동으로 된다는 것이 다를 뿐이다.

리니어 스텝핑 모터는 그와 같은 리니어 모터의 변형으로서, 스텝핑 모터의 원리(고정자에 다상 권선을 마련하고, 고정자 철심과 피치가 조금 어긋난 돌출극을 가지는 가동자를 배치하여, 고정자 권선을 차례로 여자(勵磁)함에 따라서 가동자의 돌출극을 흡인하여 가동자를 이동시킴)를 응용하여 전기적 펄스에 응답하고 일정거리씩 직선적으로 이동하도록 되어 있다.

이와 같은 리니어 스텝핑 모터에 있어서, 종래에는 그 위치검출을 위해 스케일의 1피치를 1주기 T로써 1피치내의 위치정보를 캐리어 신호의 위상정보와 비교하여 내삽 체배하는 방법을 사용해왔다. 즉, 센서로부터 얻어지는 sinθ, cosθ 신호는 다음과 같이 각주파수 ω의 캐리어신호와 합성된다.

그런 후, 기준이 되는 캐리어 신호와의 위상차를 신호처리하여 위치정보로서 계산한다. 그 결과, 캐리어 신호 sinωt와 sin(ωt+θ) 사이의 위상차 θ가 리니어 스텝핑 모터의 이동변위량이 된다. 이와 같은 종래의 기술은 20㎛ 피치의 스케일로부터 얻어지는 신호를 100체배하여 0.2㎛ 분해능으로 리니어 스텝핑 모터의 변위량을 검출하게 된다. 이에 대해 좀더 상세히 설명해 보기로 한다.

우선, 제1도에서와 같이 1주기중에 100개의 클록(clock)을 삽입하여 리니어 스텝핑 모터의 변위량 θ를 카운트한다. 여기서, 20㎛마다 얻어지는 스케일의 신호는 별도의 카운터를 이용하여 카운트하고, 20㎛이하에 대해서는 ωt의 100배의 주파수의 클록을 카운터에 의해 카운트한다. 이때, A의 펄스로 카운터를 리셋(reset)하고 B의 펄스로 카운터를 래취(latch)하는 방법을 반복하여 사용하게 된다. 이와 같은 방법에 의해 래취된 값이 20㎛이하의 리니어 스텝핑 모터의 변위량 θ가되고, 그 래취된 값을 CPU 등에 의해 20㎛마다 카운트하는 별도의 카운터 값과 합산하여 총체적인 변위량을 계산하게 된다.

그런데, 이와 같은 종래 방법은 sinωt의 라이징 에지(rising edge)와 sin(ωt+θ)의 라이징 에지만을 비교하므로 비교적 정밀하지 못하고, 또한 B의 펄스로 카운터를 래취하기 전에는 리니어 스텝핑 모터의 변위량을 검출할 수 없어, 고속으로 이동하는 경우에는 대응할 수 없다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 리니어 스텝핑 모터의 변위량을 검출하기 위하여 사용되는 클록을 캐리어 신호의 1주기마다 읽으므로써 고속이동에 대응할 수 있고, 각각의 신호에 대하여 라이징 에지뿐만이 아니라 폴링(falling)에지도 비교함으로써 정밀도를 한층 향상시킬 수 있는 리니어 스텝핑 모터의 위치검출방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 리니어 스텝핑 모터의 위치검출방법은, 발진기를 이용하여 리니어 스텝핑 모터의 위치검출을 위한 기준 클록을 발생시키고, 그 기준 클록을 카운터에 의해 카운트하는 단계; 상기 카운터의 출력을 sin, cos 함수를 내장하고 있는 롬(ROM)에 입력하여 캐리어 정현파 sinωt, cosωt의 디지탈 값을 발생시키는 단계; 상기 sinωt, consωtz의 디지탈 값을 디지탈/아날로그 변환기를 이용하여 sinωt, cosωt의 아날로그 정현파 신호로 각각 변환하여 출력시키는 단계; 상기 sinωt, cosωt의 아날로그 정현파 신호와 리니어 스케일로부터의 sinθ, cosθ정현파 신호를 각각 승산기에 의해 처리하여 소정의 신호로 변조시키는 단계; 상기 변조된 각각의 신호를 가산기에 의해 처리하여 sin(ωt+θ)의 신호로 변조시키는 단계; 상기 sin(ωt+θ)의 변조신호를 비교기에 의해 소정의 구형파 신호로 변조시키는 단계; 및 상기 비교기로부터의 구형파 신호를 받아 캐리어 신호 sinωt와의 위상차를 검출하여 리니어 스텝핑 모터의 위치를 검출하는 단계를 포함하여 된 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 리니어 스텝핑 모터의 위치검출장치는, 리니어 스텝핑 모터의 위치검출을 위한 소정의 기준 클록을 발생시키는 발진기와, 상기 기준 클록을 카운팅하는 카운터와, 상기 카운터를 거쳐 출력되는 기준 클록을 캐리어 정현파 sinωt, cosωt의 디지탈 값으로 각각 변환하여 출력하는 복수의 롬(ROM)과, 상기 롬으로부터의 캐리어 정현파 sinωt, cosωt의 디지탈 값을 sinωt, cosωt의 아날로그 정현파 신호로 각각 변환하여 출력시키는 디지탈/아날로그 변환기와, 상기 sinωt, cosωt의 아날로그 정현파 신호와 리니어 스케일로부터의 sinθ, cosθ 정현파 신호를 곱셈 연산하여 각각 소정의 신호로 변조시켜 출력하는 복수의 승산기와, 상기 승산기로부터의 변조된 각각의 신호를 덧셈 연산하여 sin(ωt+θ)의 신호로 변조시켜 출력하는 가산기와, 상기 sin(ωt+θ)의 변조신호를 소정의 구형파 신호로 변조시켜 출력하는 비교기와, 상기 비교기로부터의 구형파 신호를 받아 캐리어 신호 sinωt와의 위상차를 검출하여 리니어 스텝핑 모터의 위치를 검출하는 위치검출 회로부를 구비하여 된 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명에 따른 리니어 스텝핑 모터의 위치검출장치에 있어서, 위상변조부의 개략적인 시스템 구성도이다.

이를 참조하면서 본 발명의 리니어 스텝핑 모터의 위치검출방법에 의해 리니어 스텝핑 모터의 위치를 검출하는 과정에 대해 설명해 보기로 한다. 여기서, 특히 본 발명의 설명을 위하여 20㎛ 피치의 스케일로부터 얻어지는 신호를 128체배하여 0.15625㎛ 분해능으로 리니어 스텝핑 모터의 변위량을 검출하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

제2도를 참조하면, 리니어 스텝핑 모터의 위치검출을 위한 전초 작업으로서 먼저 발진기(21)로부터 소정 주파수(예컨대, 16MHz)의 기준 클록을 발생시키게 된다. 그런 후, 그 클록을 7비트의 카운터(22)에 의해 카운팅하게 된다. 그리고, 그 카운터(22)의 출력은 싸인(sin), 코싸인(cos) 함수를 내장하고 있는 롬(ROM:23a, 23b)에 입력된다. 그러면, 롬(23a, 23b)에서는 sinωt와 cosωt의 디지탈값을 발생시키고, 그것은 디지탈/아날로그 변환기(24a, 24b)에서 다시 sinωt와 cosωt의 아날로그 정현파 신호로 변환된다.

한편, 리니어 스케일로부터의 sinθ, cosθ 신호는 다른 루트를 통하여 승산기(25a, 25b)에 입력되고, 그것은 상기 sinωt와 cosωt의 아날로그 정현파 신호와 곱셈 연산되어 각각 sinωtcosθ와 cosωtsinθ의 신호로 변조된다. 그리고, 그 변조된 신호는 출력되어 가산기(26)에 입력되며, 가산기(26)에서는 그 2개의 신호, 즉 sinωtcosθ와 cosωtsinθ의 신호를 덧셈 연산하여 sin(ωt+θ)의 합성 신호를 만들게 된다. 그런 후, 그 sin(ωt+θ)의 합성 신호는 다시 비교기(27)를 거치면서 소정 형태의 구형파 신호로 출력된다. 이 단계까지가 위상변조의 단계이며, 이 위상변조 단계에서 최종적으로 얻어진 구형파 신호를 토대로 리니어 스텝핑 모터의 위치검출을 위한 다음 단계가 이어진다.

제3도는 본 발명에 따른 리니어 스텝핑 모터의 위치검출장치에 있어서, 위상차 검출 및 위치검출부의 개략적인 시스템 구성도이다.

이를 참조하면, 기준 정현파 sinωt의 제로-크로싱(zero-crossing)점을 검출하여 만들어진 펄스 A1(제4도참조)과 상기 제2도의 위상변조단계에서 최종적으로 얻어진 구형파 신호 B1의 에지를 검출하여 만들어진 펄스 A2(제4도참조)는 제1R-S플립플롭(31)에 입력되는데, A1펄스는 출력펄스인 A3를 1로 세트하고 A2펄스는 0으로 리셋시키게 된다. 그리고, 이 A3 출력펄스는 상기 제2도의 발진기(21)로부터 출력된 기준 클록(CLK)과 함께 제1D플립플롭(32)에 입력된다. 그러면, 그 제1D플립플롭(32)은 A3를 기준 클록에 동기시켜 1펄스 지연된 펄스 A4를 출력하게 된다. 그리고, A1과 A4는 발진기(21)의 출력 펄스에 동기하여 제1AND게이트(33)에 입력되며, 이곳에서 논리곱에 의해 소정의 펄스 A5가 출력된다. 여기서, 펄스 A5에서 1펄스가 리니어 스텝핑 모터의 이동 변위량 10㎛를 의미한다. 또한, A4 출력펄스는 NOT게이트(36)에 입력되어 반전된 펄스 A6를 출력하게 된다. 그리고, A2펄스와 A6펄스는 제2AND게이트(37)에 입력되며, 이곳에서 논리곱에 의해 소정의 펄스 A7이 출력된다. 또한, 펄스 A7과 펄스 A1은 제2R-S플립플롭(38)에 입력되며, 여기서 A7펄스는 출력펄스인 A8을 1로 세트하고, A1펄스는 0으로 리셋시키게 된다. 그리고, 이 A8 출력펄스는 상기 제2도의 발진기(21)로부터 출력된 기준 클록(CLK)과 함께 제2D플립플롭(39)에 입력된다. 그러면, 그 제2D플립플롭(39)은 출력펄스 A8을 기준 클록에 동기시켜 1펄스 지연된 펄스 A9를 출력하게 된다. 그리고, A1펄스와 A9펄스는 기준 클록과 동기하여 제3AND게이트(40)에 입력되며, 이곳에서 논리곱에 의해 소정의 펄스 A10이 출력된다. 여기서, 펄스 A10에서 1펄스가 리니어 스텝핑 모터의 이동변위량 -10㎛에 해당하며, 마이너스(-) 부호는 반대 방향으로의 이동을 의미한다. 여기서, 특히 상기 제1, 제3AND게이트(33, 40)는 기준 정현파 sinωt와 구형파 신호 B1의 위상차가 180°이상이 되면 소정의 펄스를 발생시키도록 되어 있다.

또한, 10㎛ 이하의 이동량은 A2의 펄스가 발생될 때의 카운터(22:제2도참조)의 출력인 V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7의 값이 되고, 특히 V3의 값과, 이때 발생되는 A5 펄스와 A10펄스를 벼로로 카운트하는 업/다운(up/down) 카운터(34)의 값을 합한 결과가 그 순간의 리니어 스텝핑 모터의 이동 변위량이 된다.

한편, 상기 A5펄스와 A10펄스는 상기 업/다운 카운터(34)에 입력하여 펄스수를 카운트하고, 그 업/다운 카운터(34)를 거친 출력 신호와 제2도에서의 카운터(22)의 출력신호(C0..C5: 0부터 63까지 카운트하며, 카운터(22)에 동기되어 만들어진 기준 정현파 sinωt의 주파수의 2배가 된다)는 래치부(35)에 메모리된 후, 시스템을 총체적으로 제어하는 CPU로 전송된다.

이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 상기 제2도의 위상변조단계에서 최종적으로 얻어진 구형파 신호 B1의 반주기 내에 기준 정현파 sinωt의 에지가 2번 있는 경우가 기준 정현파 sinωt와의 위상차가 180°이상이 되는 것을 의미하며, 이 순간에 A5 퍼스 신호를 만들게 된다. 그리고, 스케일로부터 얻어지는 신호는 20㎛마다 한 주기의 정현파 신호가 얻어지므로, 180°만큼의 위상차는 10㎛를 의미한다. 한편, 기준 정현파 sinωt의 반주기 내에 구형파 신호 B1의 에지가 2번 있는 경우는 기준 정현파 sinωt와의 위상차가 -180°이상이 되는 것을 의미하며, 이 순간에 A10펄스 신호를 만들게 된다. 그러므로, -180°만큼의 위상차는 -10㎛를 의미한다. 따라서, 이 A5펄스와 A10펄스를 업/다운 카운터(34)에 입력하여 펄스수를 카운트하고, 제2도에서의 카운터(22)의 출력값(C0..C5)과 합하면 리니어 스텝핑 모터의 이동변위량을 속도에 관계없이 기준 정현파 sinωt의 주기마다 정확하게 검출할 수 있게 된다.

또한, 카운터의 비트수와 카운터의 입력 펄스의 주파수와의 관계도 변화된다. 카운터의 입력클록의 주파수 f는 n비트 카운터를 사용하고 기준 정현파 sinωt의 주파수를 F라고 할 때, 그 상호 관계를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

예를 들면, 6비트 카운터를 사용하고 기준정현파 sinωt의 주파수, F를 125kHz라고 하면 카운터의 입력클록의 주파수 F는 16MHz가 된다.

결과적으로, 종래의 방법이 기준 정현파와 구형파 신호를 1주기당 1회 비교하여 리니어 스텝핑 모터의 이동변위량을 검출하는 반면에 본 발명에서의 방법은 1주기당 2회 비교하므로, 검출정밀도를 한층 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 방법에 의하면 기준 정현파 sinωt에 동기되어 실시간(real time)으로 리니어 스텝핑 모터의 이동변위량을 검출할 수 있으며, 따라서 고속이동에도 대응할 수 있다.

Claims

발진기를 이용하여 리니어 스텝핑 모터의 위치검출을 위한 기준 클록을 발생시키고, 그 기준 클록을 카운터에 의해 카운트하는 단계; 상기 카운터의 출력을 sin, cos 함수를 내장하고 있는 롬(ROM)에 입력하여 캐리어 정현파 sinωt, cosωt의 디지탈 값을 발생시키는 단계; 상기 sinωt, cosωt의 디지탈 값을 디지탈/아날로그 변환기를 이용하여 sinωt, cosωt의 아날로그 정현파 신호로 각각 변환하여 출력시키는 단계; 상기 sinωt, cosωt의 아날로그 정현파 신호와 리니어 스케일로부터의 sinθ, cosθ 정현파 신호를 각각 승산기에 의해 처리하여 소정의 신호로 변조시키는 단계; 상기 변조된 각각의 신호를 가산기에 의해 처리하여 sin(ωt+θ)의 신호로 변조시키는 단계; 상기 sin(ωt+θ)의 변조 신호를 비교기에 의해 소정의 구형파 신호로 변조시키는 단계; 및 상기 비교기로부터의 구형파 신호를 토대로 기준 정현파 sinωt와의 위상차를 검출하여 리니어 스텝핑 모터의 위치를 검출하는 단계를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 리니어 스텝핑 모터의 위치검출방법.
제1항에 있어서, 상기 위상차 검출 방식은 기준 정현파와 상기 카운터에 동기되어 변조된 구형파 신호의 에지마다 카운터의 값을 읽도록 된 것을 특징으로 하는 리니어 스텝핑 모터의 위치검출방법.
리니어 스텝핑 모터의 위치검출을 위한 소정의 기준 클록을 발생시키는 발진기와, 상기 기준 클록을 카운팅하는 카운터와, 상기 카운터를 거쳐 출력되는 기준 클록을 캐리어 정현파 sinωt, cosωt의 디지탈 값으로 각각 변화하여 출력하는 복수의 롬(ROM)과, 상기 롬으로부터의 캐리어 정현파 sinωt, cosωt의 디지탈 값을 sinωt, cosωt의 아날로그 정현파 신호로 각각 변환하여 출력시키는 디지탈/아날로그 변환기와, 상기 sinωt, cosωt의 아날로그 정현파 신호와 리니어 스케일로부터의 sinθ, cosθ 정현파 신호를 곱셈 연산하여 각각 소정의 신호로 변조시켜 출력하는 복수의 승산기와, 상기 승산기로부터의 변조된 각각의 신호를 덧셈 연산하여 sin(ωt+θ)의 신호로 변조시켜 출력하는 가산기와, 상기 sin(ωt+θ)의 변조신호를 소정의 구형파 신호로 변조시켜 출력하는 비교기와, 상기 비교기로부터의 구형파 산호를 토대로 기준 정현파 sinωt와의 위상차를 검출하여 리니어 스텝핑 모터의 위치를 검출하는 위치검출 회로부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 리니어 스텝핑 모터의 위치검출장치.
제3항에 있어서, 상기 위치검출회로부는 2개의 입력신호에 의해 1개의 출력신호를 1로 세팅 및 0으로 리셋팅시키는 제1, 제2R-S플립플롭과, 상기 제1, 제2R-S플립플롭으로부터의 출력신호를 상기 발진기로부터 출력된 기준 클록에 동기시켜 1펄스 지연된 소정 펄스를 출력하는 제1, 제2 D플립플롭과, 상기 제1D플립플롭으로부터의 출력신호를 입력받아 반전된 펄스를 출력하는 NOT게이트와, 2개 이상의 소정 펄스를 입력받아 논리곱에 의해 소정 펄스를 출력하는 제1, 제2, 제3AND게이트와, 상기 제1, 제3AND게이트로부터 출력된 펄스를 입력받아 그 펄스수를 카운팅하는 업/다운 카운터와, 그 업/다운 카운터로부터의 출력신호와 상기 카운터로부터 출력신호를 메모리하는 한편 시스템을 총체적으로 제어하는 CPU로 전송하는 래치부의 조합회로로 구성된 것을 특징으로 하는 리니어 스텝핑 모터의 위치검출장치.
제4항에 상기 제1, 제3AND게이트는 기준 정현파와 구형파 신호의 위상차가 180°이상이 되면 소정의 펄스 신호를 발생시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 리니어 스텝핑 모터의 위치검출장치.