KR100390315B1 - 절대 회전 각도 측정 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

높은 정밀도의 회전 구동 및 절대 회전각도 측정이 요구되는 계측 및 서보 시스템에 사용가능한 절대 회전 각도 측정 장치 및 그 방법을 제공한다. 상기 절대 회전 각도 측정 장치은 리졸버에 연결된 구동 회전부와 상기 구동 회전부에 결합된 구동기 고정부 및 상기 구동기 회전부의 회전 상태를 검출하는 센서를 가지는 회전 메카니즘과; 회전 제어에 응답하여 상기 회전 메카니즘을 구동하는 액츄에이터부와; 상기 리졸버로부터 출력되는 회전감지신호를 디지탈 리졸버 값으로 변환하는 리졸버 인터페이스와; 상기 액츄에이터부에 회전 제어신호를 제공하며, 상기 디지탈 리졸버값 및 상기 회전 감지신호를 입력하여 상기 회전 메카니즘의 초기 회전 기준 위치점을 설정하고, 상기 설정된 초기 회전 기준 위치점을 기준으로 상기 디지탈 리졸버값이 급변시 회전 각도를 보상하여 절대 회전 각도를 계산하는 제어기를 포함하여 구성된다.

Description

절대 회전 각도 측정 장치 및 그 제어 방법{APPARATUS FOR MEASURING ABSOLUTE ANGLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 높은 정밀도의 회전 구동 및 절대 회전각도 측정이 요구되는 계측 및 서보 시스템에 사용가능한 절대 회전 각도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

회전 구동을 하는 많은 계측 및 서보 시스템은 점정 높은 정밀도의 구동 및 회전 각도 측정이 요구되고 있다. 또한 이러한 회전구동시스템은 대부분의 경우에 있어서 절대적인 회전각도의 실시간 측정이 요구되고 잇다. 현재 회전 각도 센서로는 엔코더, 리졸버, 싱크로 등이 있으며, 측정 회전 각도에 따라 상대, 절대 회전 각도 값을 측정하게 된다. 최근에는 정밀도를 향상하기 위해 다속도 리졸버(multi speed resolver)가 많이 사용되고 있다. 그러나, 다속도 리졸버와 상용의 RDC(resolver to digital converter)를 사용하여 회전각을 측정할 때 제한된 각도 내에서는 절대적인 회전각도 값을 측정할 수 있으나, 제한된 각도 범위 밖에서는 상대적인 회전 각도 값만을 알 수 있다는 문제점을 가지고 있다.

도 1은 일반적인 리졸버의 구성을 도시한 도면이다.

도 2는 일반적인 리졸버의 입출력 신호 및 RDC의 디지털 출력을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 하나의 회전자 12와 두 개의 고정자 14, 16을 가지고 있으며, 회전자 12에 도 2와 같은 정현파(AC)를 여자시키면, 두 개의 고정자 14 및 16으로부터는 사인 및 코사인 신호가 얻어진다. 도 1과 같은 1속도 리졸버는 리졸버의 출력을 디지털로 변환하는 RDC를 사용하여 쉽게 절대 회전각을 측정할 수 있다. 반면에 다속도 리졸버, 예를 들면 2속도 리졸버는 상대적으로 높은 정밀도를 가지지만, 도 2의 2속 출력 E1 및 E2와 같은 출력 파형을 가지기 때문에 제한된 각도 내에서는 절회전각도 값을 제공하지만, 제한각도 밖에서는 상대적인 회전각을 알수 밖에 없다. 그러므로, 높은 정밀도의 절대 회전각을 측정하고자 하는 계측 및 서보 시스엠에 다속도 리졸버를 사용하기 위해서는 새로운 메커니즘이 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 높은 정밀도의 절대 회전각도 값을 측정하고자 하는 디지털 계측 및 서보 시스템에 사용이 가능한 기구 메카니즘 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 리졸버에 연결된 구동 회전부와 상기 구동 회전부에 결합된 구동기 고정부 및 상기 구동기 회전부의 회전 상태를 검출하는 센서를 가지는 회전 메카니즘과; 회전 제어에 응답하여 상기 회전 메카니즘을 구동하는 액츄에이터부와; 상기 리졸버로부터 출력되는 회전감지신호를 디지탈 리졸버 값으로 변환하는 리졸버 인터페이스와; 상기 액츄에이터부에 회전 제어신호를 제공하며, 상기 디지탈 리졸버값 및 상기 회전 감지신호를 입력하여 상기 회전 메카니즘의 초기 회전 기준 위치점을 설정하고, 상기 설정된 초기 회전 기준 위치점을 기준으로 상기 디지탈 리졸버값이 급변시 회전 각도를 보상하여 절대 회전 각도를 계산하는 제어기로 구성함을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 리졸버의 구성을 도시한 도면이다.

도 2는 일반적인 리졸버의 입출력 신호 및 RDC의 디지털 출력을 나타낸 도면이다.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 절대회전 각도 측정 장치의 기구 메카니즘을 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 절대회전 각도 측정 장치의 전자 회로 블록도.

도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 제어기의 동작 제어 흐름도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 절대 회전 각도 측정 장치 및 방법이 설명될 것이다. 또한, 다음의 설명에서, 그러한 구성에 대한 상세한 항목들이 본 발명의 보다 철저한 이해를 제공하기 위해 자세하게 설명된다. 그러나, 당해 기술분야에 숙련된 자들에게 있어서는 본 발명이 이러한 상세한 항목들이 없이도 실시될 수 있다는 것이 명백할 것이다.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 절대회전 각도 측정 장치로서, 이는 리졸버의 회전부에 결합되어 리졸버의 절대 회전 상태를 검출하기 위한 메카니즘의 도면이다.

도 3을 참조하면, 중공을 가지고 회전 기구물을 고정시키는 구동기 고정부 26 및 중공의 하부에 위치되는 회전축 24를 가지고 그 상부에서 회전되는 구동기 회전부 28이 결합되어 있으며, 상기 회전축 24의 하부에는 리졸버 회전부 20가 결합되어 리졸버를 고정시키기 위한 리졸버 고정부(22)가 부착되어 있다. 또한, 구동기 회전부 28의 일측면에는 돌출편 30이 부착되며, 구동기 고정부 26이 고정된 부분에는 광전 스위치(optical switch)32가 고정부착 된다.

상기와 같이 구성된 메카니즘은 구동기 회전부28의 회전을 검출하여 절대위치를 검출하며, 리졸버를 이용하여 상대 회전 각도를 검출한다. 이때, 광전 스위치의 기구물의 크기는 다속도 레졸버의 폴 쌍(pole pair)를 고정하여 설정하여야 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 절대회전 각도 측정 장치로서, 이는 도 3에 도시된 광전 스위치 26 및 구동기의 제어 및 리졸버의 출력을 검출하여 절대 각도 및 상대 각도를 검출하기 위한 전자 회로를 도시한 것이다. 이와 같은 장치는 크게 제어부, 리졸버 인터페이스, 광전 스위치 인터페이스 및 구동부로 구성되어 있다.여기서, 제어부는 마이크로 프로세(MPU) 혹은 디지털 신호 처리기(DSP)로 구성되는 프로세서 34와 메모리 36로 구성된다. 구동부는 DAC(digital to analog converter) 38, 저역통과필터(LPF) 40, 액츄에이터 드라이버 42 및 액츄에이터 44로 구성되며, 리졸버 인터페이스는 리졸버 46, 리졸버 발진기(resolver oscillator), RDC 50 및 RDC용 전압안정기로 구성된다. 그리고, 광전 스위치 인터페이스는 광전 스위치 26내의 LED를 구동하기 위한 LED드라이버 52 및 과정 스위치의 출력을 정합하기 위한 광전 인터페이스 54 및 버퍼 56로 구성되어 있다.

도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 제어기 34의 동작 제어 알고리즘를 나타낸 도면으로서, 도 5는 초기 절대 위치를 설정하는 흐름도이고 도 6은 절대 회전 각도를 계산하는 흐름도이다.

이하 상기한 도 3 내지 도6을 참조하여 본 발명에 따른 절대 회전 각도 측정 장치의 동작을 상세하게 설명한다.

지금, 도 4와 같이 구성된 절대 회전 각도 측정 장치가 동작되면, 제어기 34는 DAC 38로 도 3의 구동기를 구동하기 위한 제어 데이터를 출력한다. 이때, 상기 DAC 38은 구동 제어 데이터를 아나로그 신호로 변환하여 LPF 40로 공급하며, 상기 LPF 40은 상기 변환된 아나로그 신호를 저역 통과 필터링하여 액츄에이터 드라이버 42로 제공한다. 상기 액츄에이터 드라이버 42는 상기 필터링된 신호의 전압에 따라 액츄에이터 44를 구동하여 도 3과 같이 구성된 구동기 회전부 28를 회전시킨다. 이때, 리졸버 발진기는 도 2에서 언급한 바와 같은 리졸버 구동신호를 발생하여 리졸버 46에 제공하며, LED드라이버 52는 광전 스위치 32내의 LED를 구동한다.

상기 구동기 회전부 28이 회전되면, 그 측면에 부착된 돌출편 30이 약 360도 회전시 마다 광전 스위치 32를 통과하게 되며, 리졸버 회전부 20가 회전하여 리졸버 46내의 회전자를 회전시킨다. 따라서, 상기 리졸버 46내의 다수의 고정자들로부터는 도 2에서 설명한 바와 같은 다속 출력이 발생되어 RDC 50으로 공급되며, 광전 스위치 인터페이스 54를 통해서 구동기 회전부 28의 회전 검출 신호가 버퍼 56로 입력된다.

상기 RDC 50은 도 2에 도시한 바와 같이 리졸버 46로부터 출력되는 다속 검출신호를 디지털 신호로 변환하여 제어기 34로 공급하며, 상기 버퍼 56은 광전 스위치 32의 출력을 제어기 34로 공급한다. 이때, 상기 제어기 34는 상기 버퍼 56로부터 출력되는 광전 스위치 32의 온/오프 스위칭 검출 신호와 RDC 50의 출력을 분석하여 초기 절대 위치를 설정하고, 절대 회전 각도 값을 계산한다. 이러한 초기 절대 위치의 설정과 절대 회전각도 값의 계산은 하기의 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

제어기 34는 도 5의 60과정에서 RDC 50의 출력을 읽고, 62과정에서 버퍼 56의 출력을 읽어 과정 스위치 32가 "온"상태인지를 판단한다. 상기 62과정의 검색결과 광전 스위치 32가 "오프"상태라면, 상기 제어기 34는 DAC 38로 구동 제어 데이터를 출력하여 액츄에이터 44를 전방향으로 구동하며, 광전 스위치 32가 "온"상태라면 64과정에서 상기 구동 제어 데이터의 출력을 차단하여 액츄에이터 44의 오프시킨다. 즉, 액츄에이터 44를 구동하여 돌출편 30이 광전스위치 32에 검출되는 위치에서 액츄에이터 44의 구동을 정지하고, 제어기 34는 66과정에서 각도 보상값을"0"으로 설정한다. 그리고, 제5도 68과정에서 상기 제어기 34는 상기 RDC 50의 출력값에 앵글 보상값을 가산한 값을 절대 회전각의 값으로 설정한다. 상기한 바와 같이 도 4와 같은 장치는 도 3과 같은 구동기를 천천히 한 방향으로 구동하여 광전 스위치 32에 "온"되는 순간이 되면, 그때의 리졸버 값을 회전 각도의 기준값(초기값)으로 설정한다.

제5도와 같은 제어 과정에 의해 초기 절대 위치를 설정한 제어기 34는 도 6과 같은 제어 과정에 의해 회전 구동기의 절대 회전 각도를 계산하며, 이는 하기와 같다.

절대 회전 각도의 계산은 제어기 34가 도 6의 72과정에서 RDC 50의 출력을 읽어 내부 메모리에 저장하는 것에 의해 개시된다. RDC 50의 출력을 읽어 들인 제어기 34는 현재 RDC 50로부터 읽어 들인 현재의 RDC값(present RDC data) P_RDC에서 내부 메모리에 저장된 이전의 RDC값(old RDC data) O_RDC을 감산하여 RDC 데이타 차의 값 RDCDD를 제6도의 74과정에서 계산한다.

그리고, 76과정에서 제어기 34는 상기 RDC 데이타 차의 값 RDCDD이 1의 근사 값(약 0.7~0.8)으로 설정된 계수 α에 RDC 분해능을 곱한 값보다 큰지를 검색판단 한다. 상기 검색결과 RDC 데이타 차의 값 RDCDD이 "계수 α에 RDC 분해능을 곱한 값"보다 크다고 판단되면, 제어기 34는 78과정에서 "각도 보상값-RDC분해능"의 값을 각도 보상값으로 설정하여 각도를 보상한다.

만약, 상기 검색결과 "RDCDD＜α×RDC분해능"의 결과로 판단되면, 상기 제어기 34는 80과정에서 앞서 설정한 "각도 보상값"에 RDC분해능의 값을 가산하여 각도를 보상한다. 상기 80과정을 수행한 제어기 34는 82과정에서 현재 RDC 50로부터 읽어 들인 현재의 RDC 값 P_RDC에 각도 보상값을 가산하여 절대 회전각도를 계산하고, 84과정에서 메모리에 저장된 이전 RDC의 값 O_RDC를 현재 RDC 50에서 읽어 들인 현재의 RDC값 P_RDC으로 세트하여 절대 회전 각도 계산을 종료한다.

상기한 바와 같이 초기 회전 기준점(기준값)을 기준으로 RDC 50의 출력이 급변하면, 회전각도 보상하여 절대 회전 각도를 계산하므로 절대 회전 각도의 계산 정확성을 꾀할 수 있다.

상술한 바와 같이 구동부의 회전 상태를 검출하여 초기 절대 위치를 설정하고, 초기 회전 기준점을 바탕으로 RDC의 출력이 급변할 때 각도를 보상하여 절대 회전각도를 측정하므로써, 연속 회전하는 시스템에서 높은 정밀도의 회전각도를 측정할 수 있다. 또한, 다속도 리졸버를 이용하여서도 절대 회전 각도를 용이하게 검출할 수 있다.

Claims (7)

1. 절대 회전 각도 측정 장치에 있어서,

   리졸버에 연결된 구동 회전부와 상기 구동 회전부에 결합된 구동기 고정부 및 상기 구동기 회전부의 회전 상태를 검출하는 센서를 가지는 회전 메카니즘과;

   회전 제어에 응답하여 상기 회전 메카니즘을 구동하는 액츄에이터부와;

   상기 리졸버로부터 출력되는 회전감지신호를 디지탈 리졸버 값으로 변환하는 리졸버 인터페이스와;

   상기 액츄에이터부에 회전 제어신호를 제공하며, 상기 디지탈 리졸버값 및 상기 회전 감지신호를 입력하여 상기 회전 메카니즘의 초기 회전 기준 위치점을 설정하고, 상기 설정된 초기 회전 기준 위치점을 기준으로 상기 디지탈 리졸버값이 급변시 회전 각도를 보상하여 절대 회전 각도를 계산하는 제어기를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 절대 회전 각도 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 회전 메카니즘은 중공을 가지고 회전 기구물을 고정시키는 구동기 고정부와, 상기 중공의 하부에 위치되는 회전축을 가지고 그 상부에서 결합되어 회전되는 구동기 회전부와, 상기 회전축의 하부에는 리졸버 회전부가 결합되어 리졸버를 고정시키기 위한 리졸버 고정부와, 상기 구동기 회전부의 일측면에는 돌출편이 부착되며 상기 구동기 고정부가 고정된 부분에는 상기 돌출편의 통과를 검출하는 센서가 고정부착됨을 특징으로 하는 절대 회전 각도 측정 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 센서는 광전 스위치임을 특징으로 하는 절대 회전 각도 측정 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터부는 상기 제어기로부터 출력되는 회전 제어신호를 아나로그신호로 변환하는 디지탈 아나로그 변환기와, 상기 디지탈 변환된 신호를 저역 통과 필터링하는 저역통과필터 및 상기 필터링된 신호에 응답하여 상기 회전 메카니즘의 구동기 회전부를 회전시키는 액츄에이터로 구성함을 특징으로 하는 절대 회전 각도 측정 장치.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 리졸버 인터페이스는 리졸버내의 회전자에 정현파신호를 공급하는 리졸버 발진기와, 상기 리졸버의 고정자들로부터 출력되는 사인파 및 코사인파를 디지탈 신호로 변환하여 상기 제어기로 공급하는 리졸버 디지탈 변환기로 구성함을 특징으로 하는 절대 회전 각도 측정 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 광전 스위치의 LED를 구동하는 LED드라이버와, 상기 광전 스위치로부터 출력되는 신호를 상기 제어기로 제공하는 광전 인터페이스를 더 포함함을 특징으로 하는 절대 회전 각도 측정 장치.
7. 다속 리졸버에 결합되며, 액츄에이터의 구동에 의해 회전되는 회전부의 회전상태를 검출하는 센서를 가지는 회전 메카니즘 및 상기 리졸버에 의해 감지된 신호를 디지탈 신호로 변환하는 리졸버 디지탈 변환기를 구비한 절대 회전 각도 측정 방법에 있어서,

   상기 액츄에이터를 구동하여 상기 리졸버 디지탈 변환기를 출력을 읽고, 상기 센서의 출력이 검출될 때 상기 액츄에이터를 오프하여 각도 보상값을 미리 설정된 값으로 세트하며, 초기 절대 위치를 상기 리졸버 디지탈 변환기의 출력값에 각도 보상값을 가산하여 설정하는 초기 회전 기준점 설정과정과,

   상기 리졸버 디지탈 변환기의 출력을 읽어 저장하며 상기 리졸버 디지탈 변환값과 이전에 저장된 리졸버 디지탈 값의 차를 구하고, 상기 리졸버 디지탈 값의 차가 리졸버 디지탈 변환기 분해능 보다 큰 경우에는 각도 보상값에 상기 분해능을 가산하여 절대 회전각도를 연산하는 절대 회전각도 산출과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 절대 회전 각도 측정 방법.