RVDT(Rotary Variable Differential Transformer)는 각도 변위를 측정하는 센서로써 출력 신호는 DSBSC-AM(Double SideBand Suppressed Carrier AM) 신호이기 때문에 출력 신호로부터 각도 변위를 알아내기 위하여 DSBSC-AM 복조 과정이 필요하다. 본 논문에서는 DSBSC-AM 신호의 복조기인 코스타스 루프를 수정하여 RVDT 출력 신호로부터 각도 변위를 추출하는 DADC(Digital Angle to DC)를 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현하였다. 본 논문에서 설계된 DADC는 4선식과 5선식 RVDT에 적용가능하며, 코스타스 루프의 사용으로 기존의 아날로그 신호처리기와는 달리 외부의 소자를 사용하지 않고 RVDT 입력여기신호와 출력신호 사이의 위상 차이를 정확하게 보정할 수 있다. 또한 선형성 향상을 위하여 디지털 신호처리 기법이 적용되어 DADC는 기존의 아날로그 신호처리기의 선형성 오차 0.05%보다 적은 0.035%의 선형성 오차를 보였다. 구현된 DADC의 기능과 성능 테스트는 상용 RVDT 센서와 ADC(Analog to Digital Converter), 아날로그 출력단으로 구성된 통합 실험환경을 구성하여 진행하였다.
RVDT(Rotary Variable Differential Transformer)는 각도 변위를 측정하는 센서로써 출력 신호는 DSBSC-AM(Double SideBand Suppressed Carrier AM) 신호이기 때문에 출력 신호로부터 각도 변위를 알아내기 위하여 DSBSC-AM 복조 과정이 필요하다. 본 논문에서는 DSBSC-AM 신호의 복조기인 코스타스 루프를 수정하여 RVDT 출력 신호로부터 각도 변위를 추출하는 DADC(Digital Angle to DC)를 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현하였다. 본 논문에서 설계된 DADC는 4선식과 5선식 RVDT에 적용가능하며, 코스타스 루프의 사용으로 기존의 아날로그 신호처리기와는 달리 외부의 소자를 사용하지 않고 RVDT 입력여기신호와 출력신호 사이의 위상 차이를 정확하게 보정할 수 있다. 또한 선형성 향상을 위하여 디지털 신호처리 기법이 적용되어 DADC는 기존의 아날로그 신호처리기의 선형성 오차 0.05%보다 적은 0.035%의 선형성 오차를 보였다. 구현된 DADC의 기능과 성능 테스트는 상용 RVDT 센서와 ADC(Analog to Digital Converter), 아날로그 출력단으로 구성된 통합 실험환경을 구성하여 진행하였다.
A RVDT is a sensor that measures angular displacement and the output signal of RVDT is a DSBSC-AM signal. For this reason, a DSBSC-AM demodulation processor is required to determine the angular displacement from the output signal. In this paper, DADC(Digital Angle to DC) which extracts the angular d...
A RVDT is a sensor that measures angular displacement and the output signal of RVDT is a DSBSC-AM signal. For this reason, a DSBSC-AM demodulation processor is required to determine the angular displacement from the output signal. In this paper, DADC(Digital Angle to DC) which extracts the angular displacement from the output signal of a RVDT is implemented based-on modified Costas Loop usually used in the demodulation of DSBSC-AM signal by using FPGA. DADC can used with both 4-wire and 5-wire RVDTs and can exactly compensate the phase difference between the input excitation and output signals of a RVDT unlike the conventional analog RVDT signal conditioners which require external components. Since digital signal processing technique that can enhance the linearity is exploited, DADC shows 0.035% linearity error, which is smaller than 0.005% that of a conventional analog signal conditioner. The DADC are tested in an integrated experimental environment which includes a commercial RVDT sensor, ADC and an analog output block.
A RVDT is a sensor that measures angular displacement and the output signal of RVDT is a DSBSC-AM signal. For this reason, a DSBSC-AM demodulation processor is required to determine the angular displacement from the output signal. In this paper, DADC(Digital Angle to DC) which extracts the angular displacement from the output signal of a RVDT is implemented based-on modified Costas Loop usually used in the demodulation of DSBSC-AM signal by using FPGA. DADC can used with both 4-wire and 5-wire RVDTs and can exactly compensate the phase difference between the input excitation and output signals of a RVDT unlike the conventional analog RVDT signal conditioners which require external components. Since digital signal processing technique that can enhance the linearity is exploited, DADC shows 0.035% linearity error, which is smaller than 0.005% that of a conventional analog signal conditioner. The DADC are tested in an integrated experimental environment which includes a commercial RVDT sensor, ADC and an analog output block.
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문제 정의
본 논문에서는 코스타스 루프를 바탕으로 RVDT 센서에 내장할 수 있는 고성능 신호처리부의 구현을 목표로, RVDT 신호처리기의 핵심 과정인 위상 보정을 자동으로 할 수 있는 DADC (Digital Angle to DC)를 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현하였다. 구현한 DADC는 RVDT 센서의 아날로그 출력 신호가 ADC(Analog to Digital Converter)를 거쳐 디지털 신호로 변화되면 그 신호를 입력받아 각도 변환에 비례하는 DC 값을 출력하는 회로이며 DSBSC- AM 복조기로 널리 사용되는 코스타스 루프 구조를 Verilog HDL로 구현하였다.
제안 방법
구현한 DADC는 RVDT 센서의 아날로그 출력 신호가 ADC(Analog to Digital Converter)를 거쳐 디지털 신호로 변화되면 그 신호를 입력받아 각도 변환에 비례하는 DC 값을 출력하는 회로이며 DSBSC- AM 복조기로 널리 사용되는 코스타스 루프 구조를 Verilog HDL로 구현하였다. 4선식과 5선식 센서를 모두 지원할 수 있도록 설계하였으며 상용 RVDT 센서와 ADC, 그리고 DADC의 디지털 신호 출력을 아날로그 신호 출력으로 변환해주는 인터페이스 회로를 연결하여 통합 실험을 진행하였다.
DADC는 1차 MATLAB을 이용한 모델 시뮬레이션을 진행하여 표 1과 같은 최적의 설계 조건을 구하고 Verilog HDL로 구현 후 FPGA로 검증하였다. 필터의 샘플링 주파수는 160kHz이고 NCO의 출력 비트는 ADC의 분해능인 12비트와 같다.
그림 7과 그림 8은 DADC의 통합 테스트를 위하여 구성한 실험 블록도와 실제 테스트 사진이다. FPGA 기반 DADC와 PGA281[8], ADC, 아날로그 출력단, 상용RVDT 센서[9]를 연결하여 테스트하였다. RVDT 센서는 4선식-5선식 겸용인 R30을 사용하였으며, PGA 281은 - 15V ∼+15V 에서 동작하는 RVDT 센서의 신호를 0V ∼ 5V 크기로 변환하고 ADC에 필요한 차동 신호로 바꾸어 주는 역할을 한다.
본 논문에서는 코스타스 루프를 바탕으로 RVDT 센서에 내장할 수 있는 고성능 신호처리부의 구현을 목표로, RVDT 신호처리기의 핵심 과정인 위상 보정을 자동으로 할 수 있는 DADC (Digital Angle to DC)를 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현하였다. 구현한 DADC는 RVDT 센서의 아날로그 출력 신호가 ADC(Analog to Digital Converter)를 거쳐 디지털 신호로 변화되면 그 신호를 입력받아 각도 변환에 비례하는 DC 값을 출력하는 회로이며 DSBSC- AM 복조기로 널리 사용되는 코스타스 루프 구조를 Verilog HDL로 구현하였다. 4선식과 5선식 센서를 모두 지원할 수 있도록 설계하였으며 상용 RVDT 센서와 ADC, 그리고 DADC의 디지털 신호 출력을 아날로그 신호 출력으로 변환해주는 인터페이스 회로를 연결하여 통합 실험을 진행하였다.
최종 디지털 출력 값에서 - 90°∼ 90°구간에 해당하는 값을 구하고 이에 대한 BFSL(Best Fit Straight Line)을 구한 다음 두 값에 대한 편차를 이용하여 선형값을 구한다.
대상 데이터
6V이고 아날로그 출력단의 입력 범위는 5V이다. ADC와 아날로그 출력단은 TSMC 018um 공정으로 자체 설계하여 보유한 칩을 사용하였다.
RVDT 센서는 4선식-5선식 겸용인 R30을 사용하였으며, PGA 281은 - 15V ∼+15V 에서 동작하는 RVDT 센서의 신호를 0V ∼ 5V 크기로 변환하고 ADC에 필요한 차동 신호로 바꾸어 주는 역할을 한다.
4MHz를 분주하여 출력하였다. 센서의 여기신호와 DADC 내부의 복조를 위한 신호의 동기 불일치에 의한 오류를 방지하기 위하여 DADC에서 10kHz의 사인파를 재생하여 여기신호로 이용하였다. 4선식과 5선식 방식에 대하여 테스트하였고, 그 결과는 그림 9과 그림 10에 보였다.
RVDT 센서는 4선식-5선식 겸용인 R30을 사용하였으며, PGA 281은 - 15V ∼+15V 에서 동작하는 RVDT 센서의 신호를 0V ∼ 5V 크기로 변환하고 ADC에 필요한 차동 신호로 바꾸어 주는 역할을 한다. 실험에 이용된 ADC의 입력 범위는 3.6V이고 아날로그 출력단의 입력 범위는 5V이다. ADC와 아날로그 출력단은 TSMC 018um 공정으로 자체 설계하여 보유한 칩을 사용하였다.
이론/모형
035% 이다. FPGA는 Altera사의 코어를 장착한 Cyclon V FPGA 개발 키트이며 시뮬레이션 툴은 Quaters를 이용하였다.
성능/효과
본 논문에서는 변경된 코스타스 루프를 적용하여 디지털적으로 위상이 자동 보정 되는 RVDT용 DADC를FPGA로 구현하였고 테스트 결과에서 여기 신호와RVDT 센서의 출력신호 차이의 위상차를 정확히 보상함을 알 수 있었다. 기존의 AD698 아날로그 신호처리기와 코스타스 루프를 소프트웨어 및 FPGA로 구현한 결과와 신호처리기에서 가장 중요한 성능인 선형성을 비교한 결과, 제안된 DADC는 각각 30%, 50%, 65% 향상된 성능을 보였다. 또한 제안된 DADC는 UART를 통하여 이득과 옵셋 조정이 가능하기 때문에 RVDT의 특성에 따른 미세 조정을 위한 외부 소자의 추가 없이 이용가능하다.
따라서 본 논문의 DADC는 SoC 구현이 가능하여 하드웨어의 복잡도를 줄일 수 있으며 선형계수의 사용자 조정으로 센서의 성능에 관계없이 최상의 선형성을출해 낼 수 있다. 향후 DADC를 포함한 모든 신호처리부의 블록을 SoC화하여 RVDT 센서에 내장함으로써 저가의 신호처리기 일체형 RVDT 제작이 가능할 것으로 기대되며, 이는 RVDT 외부에 별도의 모듈로 사용되는 기존의 아날로그 신호처리기를 대체할 수 있을 것로 기대된다.
기존의 AD698 아날로그 신호처리기와 코스타스 루프를 소프트웨어 및 FPGA로 구현한 결과와 신호처리기에서 가장 중요한 성능인 선형성을 비교한 결과, 제안된 DADC는 각각 30%, 50%, 65% 향상된 성능을 보였다. 또한 제안된 DADC는 UART를 통하여 이득과 옵셋 조정이 가능하기 때문에 RVDT의 특성에 따른 미세 조정을 위한 외부 소자의 추가 없이 이용가능하다.
본 논문에서는 변경된 코스타스 루프를 적용하여 디지털적으로 위상이 자동 보정 되는 RVDT용 DADC를FPGA로 구현하였고 테스트 결과에서 여기 신호와RVDT 센서의 출력신호 차이의 위상차를 정확히 보상함을 알 수 있었다. 기존의 AD698 아날로그 신호처리기와 코스타스 루프를 소프트웨어 및 FPGA로 구현한 결과와 신호처리기에서 가장 중요한 성능인 선형성을 비교한 결과, 제안된 DADC는 각각 30%, 50%, 65% 향상된 성능을 보였다.
기존 DSP 코스타스 루프[7]는 기존의 코스타스 루프를 소프트웨어로 구현한 것이다. 비교 결과, AD698은 0.05%, DSPCostas는0.07%의 선형값을 보였고 구현한 회로는 0.035%의 결과 값이 계산되었다.
그림 9의 결과는 4선식 테스트 결과이다. 센서 신호의 크기는 2.93V이고 여기신호의 크기는 3.91V일 때 아날로그 출력단의 측정 전압은 1.06V로 계산치 1.04V와 비교하여 1.8%의 실험오차를 보였다. 그림 10는 5선식의 통합 테스트 결과이다.
그림 5는 DADC의 FPGA 최종 출력 코드 값을 나타낸 것이다. 시뮬레이션 출력 범위는 0x0 ~ 0x7FC이고,FPGA의 출력범위는 0x0 ~ 0x7F8로 정확도는 0.19%의 오차를 보였다.
후속연구
따라서 본 논문의 DADC는 SoC 구현이 가능하여 하드웨어의 복잡도를 줄일 수 있으며 선형계수의 사용자 조정으로 센서의 성능에 관계없이 최상의 선형성을출해 낼 수 있다. 향후 DADC를 포함한 모든 신호처리부의 블록을 SoC화하여 RVDT 센서에 내장함으로써 저가의 신호처리기 일체형 RVDT 제작이 가능할 것으로 기대되며, 이는 RVDT 외부에 별도의 모듈로 사용되는 기존의 아날로그 신호처리기를 대체할 수 있을 것로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
RVDT센서는 무엇인가?
RVDT(Rotary Variable Differential Transformer) 센서는 각도 변위를 측정하는데 사용되는 변압기 원리에 기초한 전기적 센서이며 회전 변위를 계산하는 구조에 따라 여러 선식으로 구분할 수 있다. 일반적으로 2차측 코일의 중심 탭의 접선 방식에 따라 4선식과 5선식 센서로 달라진다.
RVDT를 시스템에 적용하기 위해서 어떤 것이 필요한가?
RVDT를 시스템에 적용하기 위해서 RVDT 센서의 회전변위 각도를 DC 레벨로 변환하여 사용자의 인터페이스에 맞도록 전기적 신호를 출력하는 신호 처리기가 필요하다. 이때 센서로 유입된 AC 출력 전압이 각도에 비례하여 출력되기 때문에 RVDT의 동작 영역에서의 각도에 대한 출력 전압의 선형성을 유지하는 것이 중요하다.
RVDT센서는 2차측 코일의 중심 탭의 접선 방식에 따라 어떻게 구분되는가?
RVDT(Rotary Variable Differential Transformer) 센서는 각도 변위를 측정하는데 사용되는 변압기 원리에 기초한 전기적 센서이며 회전 변위를 계산하는 구조에 따라 여러 선식으로 구분할 수 있다. 일반적으로 2차측 코일의 중심 탭의 접선 방식에 따라 4선식과 5선식 센서로 달라진다. 4선식은 코일의 중간 탭을 플로팅하여여기신호 대비 출력 신호는 역상이며 5선식은 코일의 중간 탭을 접지시켜 출력 신호는 여기 신호와 동상인 신호가 출력된다.
참고문헌 (10)
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