KR100189937B1 - 정현파 신호를 사용한 회전각 추정 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

센서로부터 검출된 정현파 신호들의 크기가 다른 경우에도 정확히 회전자의 회전각 또는 각속도를 추정할 수 있는 장치 및 방법을 공개한다.

본 발명의 회전각 추정장치는 상기 입력 2상 신호에 대하여 각각의 원점 분할 신호들을 생성하는 2개의 영준위검출기들; 상기 영준위검출기들의 출력을 토대로 제2 가변이득을 계산하는 이득계산부; 상기 제2 정현파 신호에 상기 제2 가변이득을 승산하는 제2 가변이득기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

정현파 신호를 사용한 회전각 추정 장치 및 방법

본 발명은 정현파 신호를 사용한 회전각 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 센서로부터 검출된 정현파 신호들의 크기가 다른 경우에도 정확히 회전자의 회전각 또는 각속도를 추정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 콘버터의 역률을 제어하고자 하는 경우, 또는 회전각 센서인 리졸버(Resolver)로부터 검출된 데이타를 사용하여 회전자 디지탈 각도 추정이나 자기형 엔코더 신호의 미세 분주 등을 하기 위해서는, 2상 또는 3상의 정현파 신호로부터 회전자의 회전각을 추정하는 기술이 요구된다.

즉, 리졸버나 싱크로 등의 센서로부터

와 같은 2상의 신호나 또는

와 같은 3상의 신호가 출력된다고 할 때, 이들 신호로부터 회전자의 회전각을 나타내는 θ를 추정하는 것이 필요하게 된다.

상기 수학식 1과 같은 2상 신호가 검출되는 경우에 있어서, 종래의 회전각 추정 방법의 일예를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 PLL을 이용하는 종래의 회전각 추정 장치의 일례를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 회전각 추정 장치는 입력되는 2개의 정현파 신호와 코사인 테이블(7) 및 사인 테이블(8)의 출력을 각각 곱하는 곱셈기들(1, 2)과, 상기 곱셈기(1)의 출력으로부터 곱셈기(2)의 출력을 감산하는 감산기(3)와, 상기 감산기(3)의 출력에 대하여 저역통과 필터링을 행하는 루프 필터(4)와, 상기 루프 필터(4)의 출력 전압에 따라 주파수가 가변하는 전압을 출력하는 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscillator: VCO)(5)와, 상기 전압제어발진기(5)의 출력에 대하여 아크사인(arcsine) 연산을 행하여 회전각 추정치 φ를 출력하는 아크사인 연산기(6)와, 상기 회전각 추정치 φ를 아규먼트로 하는 사인값 및 코사인값을 출력하는 코사인 테이블(7) 및 사인 테이블(8)로 구성된다.

상기와 같은 종래의 회전각 추정 장치는 다음과 같이 동작한다. 상기 감산기(3)의 출력신호인 w(θ,φ)는

와 같이 된다. 만약 θ가 φ보다 크다면(θφ), 상기 w(θ,φ)는 양이 되고, 이 신호는 루프 필터(4)에서 증폭되어, φ를 증가시키고 이에 따라 θ와 φ의 차이를 줄이게 된다. 한편 θ가 φ보다 작다면(θφ), 상기 w(θ,φ)는 음이 되고, 이 신호는 φ를 감소시켜 마찬가지로 θ와 φ의 차이를 줄이게 된다. 결국 φ는 θ와 같은 값을 가지는 상태에서 안정되고, 출력되는 값 φ는 θ와 같은 값을 나타내게 된다.

종래의 회전각 추정 방법의 다른 예를 설명하면 다음과 같다. 상기 수학식 1로부터 다음 식을 얻을 수 있다.

따라서

가 되며, 결국 θ는

에 의해 구할 수 있게 된다. 즉 θ는 임의의 시점에서 한쌍의 2상 정현신호 함수의 순시값에 대하여 제산을 행하고 아크탄젠트(arctangent) 연산을 수행함으로써 쉽게 구할 수 있다.

한편 센서들로부터 출력되는 신호가 상기 수학식 2와 같이 3상인 경우에는, 상기 3상 신호함수를 수학적 연산을 통해 2상 함수로 변환한 후 2상 신호에 대한 추정방법을 적용하면 된다. 상기 수학적 연산은 삼각함수에 관한 간단한 대수적 조작만을 포함한다.

그런데 상기와 같은 종래의 회전각 추정방법들은 센서로부터 검출되는 2개의 신호의 크기가 같다는 것을 전제로 하고 있다. 그렇지만 실제 센서에 의해 검출되는 신호는 통상 그 크기가 정확히 같다고 보기가 어려우며, 이처럼 2상 신호의 크기가 다른 경우 추정계의 성능은 상당한 영향을 받게 된다. 즉, 센서로부터 출력되는 신호들의 크기가 달라서 상기 수학식 1 대신에

로 표시되는 경우에, 종래의 방법에 의하면 회전각 추정치는

로 구해지게 된다. 따라서 추정치 φ는 θ를 정확히 표시하지 못하고, 2상 신호의 크기가 다름으로 인한 추정오차를 포함하게 된다. 그런데 상기 추정오차는 두 신호의 크기 차이에 따라 다르기 때문에 이를 일률적으로 보정하는 것은 매우 어렵다.

이와 같이 종래의 회전각 추정방법들은 2상 신호의 크기 차이로 말미암아 추정오차를 내포하며, 더욱이 상기 크기 차이가 커질수록 추정오차가 커진다는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 센서로부터 검출된 2상 정현파 신호의 크기가 다른 경우에도 정확히 회전자의 회전각 또는 각속도를 추정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래의 회전각 추정장치의 일례를 도시한 블록도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전각 추정장치의 블록도.

도 3은 영준위 검출기 기능을 설명하기 위한 파형도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전각 추정장치의 블록도.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 회전각 추정장치는 입력되는 제1 및 제2 정현파 신호에 코사인 테이블 및 사인 테이블의 출력을 각각 곱하는 곱셈기들과, 상기 곱셈기들의 출력을 감산하는 감산기와, 상기 감산기의 출력에 대하여 저역통과 필터링을 행하는 루프 필터와, 상기 루프 필터의 출력 전압에 따라 주파수가 가변하는 전압을 출력하는 전압제어발진기와, 상기 전압제어발진기의 출력에 대하여 아크사인 연산을 행하여 회전각 추정치를 출력하는 아크사인 연산기와, 상기 회전각 추정치를 아규먼트로 하는 사인값 및 코사인값을 출력하는 코사인 테이블 및 사인 테이블을 구비하는 회전각 추정 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 정현파 신호의 크기를 같게 하는 이득 조정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 회전각 추정 방법은 크기가 다른 제1 정현파 신호 A1sinθ 및 제2 정현파 신호 A2cosθ를 입력하여, PLL회로에 의해 회전자의 회전각 θ를 추정하는 회전각 추정 방법에 있어서, 상기 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호에 각각 제1 이득 및 제2 이득을 곱하여, 크기 차이를 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 회전각 추정장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전각 추정장치의 블록도이다. 도 2의 실시예에 따른 회전각 추정장치는 입력되는 2개의 정현파 신호에 각각 가변이득을 승산하는 제1 가변이득기(11) 및 제2 가변이득기(12)와, 상기 가변이득기들(11,12)의 출력에 코사인 테이블(19) 및 사인 테이블(20)의 출력을 각각 곱하는 곱셈기들(13,14)과, 상기 곱셈기(13)의 출력으로부터 곱셈기(14)의 출력을 감산하는 감산기(15)와, 상기 감산기(15)의 출력에 대하여 저역통과 필터링을 행하는 루프 필터(16)와, 상기 루프 필터(16)의 출력 전압에 따라 주파수가 가변하는 전압을 출력하는 전압제어발진기(VCO:17)와, 상기 전압제어발진기(17)의 출력에 대하여 아크사인(arcsine) 연산을 행하여 회전각 추정치 φ를 출력하는 아크사인 연산기(18)와, 상기 회전각 추정치 φ를 아규먼트로 하는 사인값 및 코사인값을 출력하는 코사인 테이블(19) 및 사인 테이블(20)과, 상기 수학식 3으로 표시되는 입력신호에 대하여 각각 원점 분할 신호 Zx(θ), Zy(θ)를 생성하는 영준위검출기들(21,22)과, 상기 영준위검출기들(21,22)의 출력을 토대로 상기 가변이득기들(13,14)의 가변이득을 계산하여 출력하는 이득계산부(23)로 구성된다.

상기 이득계산부(23)는 마이크로프로세서 등을 사용하여 구성된다.

상기와 같은 본 발명의 회전각 추정 장치는 다음과 같이 동작한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 영준위검출기들(21,22)은 수학식 3의 2상 정현파 신호의 크기 즉 부호에 따라 일정한 크기의 전위와 영전위사이를 스위칭하는 펄스를 생성한다. 예를 들어, 영준위검출기(21)는 입력되는 신호 Sx(θ)의 부호가 양(+)인 경우에는 일정한 크기의 전위를 출력하고, Sx(θ)의 부호가 음(-)인 경우에는 영전위를 출력한다. 마찬가지로, 영준위검출기(22)는 입력되는 신호 Sy(θ)의 부호가 양(+)인 경우에는 일정한 크기의 전위를 출력하고, Sx(θ)의 부호가 음(-)인 경우에는 영전위를 출력한다.

상기 이득계산부(23)는 입력되는 2상 신호 Sx(θ), Sy(θ)의 크기 A1 및 A2를 검출하여, 각각의 진폭을 갖게 하기 위한 가변이득 K1 및 K2를 출력한다. 이를 상술하면 다음과 같다.

영준위검출기(22)에서 출력되는 Zy(θ)가 0이 되는 도 3상의 시점 b에서 Sx(θ)의 값을 읽는다. 이 값이 바로 A1이다. 마찬가지로, 영준위검출기(21)에서 출력되는 Zx(θ)가 0이 되는 도 3상의 시점 d에서 Sx(θ)의 값을 읽으면, 이 값이 A2이다. 한편, A1은 시점 c에서 읽은 값의 절대값으로 할 수도 있고, 시점 a에서 읽은 값 및 c에서 읽은 값의 절대값의 평균으로 할 수도 있다. A2에 대하여도, 정확한 값을 판단하기 위해 이러한 변형이 가능하다.

결정된 진폭 A1 및 A2에 대하여 평균을 구하고, 이 값을 A라 하면, A1과 A2는

와 같이 쓸 수 있다. 여기서 α는 A1과 A간의 차인데, A1및 A2의 차를 2로 나누어 구할 수도 있다.

상기 이득계산부(23)는 상기와 같은 A 및 α의 계산을 토대로, 가변이득 K1 및 K2를

로 결정하여 출력한다.

상기 가변이득들이 가변이득기들(11,12)에서 입력 정현파 신호와 곱해지면,

와 같이 되어, 크기의 차이가 보상되게 된다.

이후 본 발명의 회전각 추정 장치의 동작은 종래의 장치에 있어서와 유사하다. 즉, 감산기(15)의 출력신호인 w(θ,φ)는

와 같이 된다. 만약 θ가 φ보다 크다면(θφ), 상기 w(θ,φ)는 양이 되고, 이 신호는 루프 필터(4)에서 증폭되어, φ를 증가시키고 이에 따라 θ와 φ의 차이를 줄이게 된다. 한편 θ가 φ보다 작다면(θφ), 상기 w(θ,φ)는 음이 되고, 이 신호는 φ를 감소시켜 마찬가지로 θ와 φ의 차이를 줄이게 된다. 결국 φ는 θ와 같은 값을 가지는 상태에서 안정되고, 출력되는 값 φ는 θ와 같은 값을 나타내게 된다.

상기 실시예에 있어서, 가변이득기들(11,12)의 위치를 곱셈기들(13,14)의 후단으로 할 수 있음은 자명하다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전각 추정장치의 블록도이다. 도 4에 있어서, 도 2와 동일한 부분에 대하여는 도 2에 있어서와 동일한 참조번호를 부여하였다.

도 4의 실시예에 있어서, 도 2의 실시예와 다른 점은 도 2에서의 가변이득 중 K1을 1로 설정하고, K 즉 도 2에 있어서의 K1만을 구하여 보정을 행한다는 것이다. 즉, 이득계산부(43)를 사용하여 가변이득 K를

와 같이 설정하면, 두 신호의 크기의 차이를 보상할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 회전각 추정 장치는 센서로부터 검출되는 신호의 크기가 다른 경우에도, 추정 오차가 없이 회전자의 회전각을 추정할 수 있게 해준다.

아울러 크기 차이를 보정하기 위한 연산이 센서를 통해 검출되는 신호를 토대로 마이크로프로세서 등에 의해 즉시 행하여지므로, 신호간의 크기 차이가 시간에 따라 변화하는 경우에도 즉각적으로 그리고 지속적으로 이루어지게 하는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 입력되는 제1 및 제2 정현파 신호에 코사인 테이블 및 사인 테이블의 출력을 각각 곱하는 곱셈기들과, 상기 곱셈기들의 출력을 감산하는 감산기와, 상기 감산기의 출력에 대하여 저역통과 필터링을 행하는 루프 필터와, 상기 루프 필터의 출력 전압에 따라 주파수가 가변하는 전압을 출력하는 전압제어발진기와, 상기 전압제어발진기의 출력에 대하여 아크사인 연산을 행하여 회전각 추정치를 출력하는 아크사인 연산기와, 상기 회전각 추정치를 아규먼트로 하는 사인값 및 코사인값을 출력하는 코사인 테이블 및 사인 테이블을 구비하는 회전각 추정 장치에 있어서, 상기 장치는

   상기 제1 및 제2 정현파 신호의 크기를 같게 하는 이득 조정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 추정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 이득 조정부는

   상기 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호에 대하여 각각의 원점 분할 신호들을 생성하는 2개의 영준위검출기들;

   상기 영준위검출기들의 출력을 토대로 제2 가변이득을 계산하는 이득계산부;

   상기 제2 정현파 신호에 상기 제2 가변이득을 승산하는 제2 가변이득기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 추정 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호는 각각

   이고, 상기 제2 가변이득은

   인 것을 특징으로 하는 회전각 추정 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1 정현파 신호에 제1 가변이득을 승산하는 제1 가변이득기를 더 포함하며, 상기 이득계산부는 상기 제1 가변이득을 더 계산하는 것을 특징으로 하는 회전각 추정 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호는 각각

   이고, 상기 제1 가변이득 및 제2 가변이득은 각각

   인 것을 특징으로 하는 회전각 추정 장치.
6. 크기가 다른 제1 정현파 신호 A1sinθ 및 제2 정현파 신호 A2cosθ를 입력하여, PLL회로에 의해 회전자의 회전각 θ를 추정하는 회전각 추정 방법에 있어서, 상기 회전각 추정 방법은

   상기 제1 정현파 신호 및 제2 정현파 신호에 각각 제1 이득 및 제2 이득을 곱하여, 크기 차이를 보상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 추정 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 이득은 1이고, 제2 이득은

   인 것을 특징으로 하는 회전각 추정 방법.
8. 제6항에 있어서, 제1 이득 및 제2 이득은 각각

   인 것을 특징으로 하는 회전각 추정 방법.