드론도전기 #14_20.02.27

/**  <드론도전기> 에 있는 글은 드론 직접 제작에 도전하고, 시행착오를 겪은 글들의 모음입니다.

만약 드론을 직접 만들고 성공한 글을 확인하고 싶으시면 <how to, 아두이노드론> 카테고리를 방문해 주세요:)  **/

 

#1. 모터드라이버의 원리

 

기존에 우리가 사용하던 모터드라이버를 바꿔야한다. 하지만 기존 제품들 중에서는 알맞은 제원을 찾기가 굉장히 힘들었고, 적당한 제품을 찾으면 가격대가 부담스러웠다. 그래서 우리가 직접 우리에게 필요한 DC모터 드라이버를 만들기로 했다. 

 

모터드라이버를 만들기 위해서는 다이오드, 트랜지스터, 저항이 필요하다.

 

저항: 우리는 가변저항을 이용해서 원하는 증폭값을 조절할 것이다.

저항, 출처: https://www.viking.com.tw/ko/category/-CFR-/Resistor-CFR.html

 

다이오드: 전류가 흐르는 방향을 제어한다. 전류가 트랜지스터로 들어갈때 역방향으로 들어가면 역기전력이 발생해서 고장이 날 수 있다. 따라서 한 방향으로만 흐를 수 있도록 다이오드를 달아준다.

다이오드, 출처: http://wiki.vctec.co.kr/opensource/arduino/dcmotorcontrol

 

트랜지스터: 트랜지스터를 통해서 전류를 증폭시켜준다. 트랜지스터의 종류는 pnp 트랜지스터와, npn 트랜지스터가 있는데 이들의 차이는 가운데 부분(base)에 n도핑이 되어있나, p도핑이 되어있나의 차이이다. 

트랜지스터, 출처: https://mathphysics.tistory.com/455

트랜지스터가 전류를 증폭시키는 원리는 다음과 같다.

ㄱ. base와 emitter에 연결되어 있는 작은 회로에 전류를 흘려보낸다.

ㄴ. emitter와 collector에 큰 회로를 연결하고 전류를 흘려보낸다.

ㄷ. b와 e를 연결한 작은 회로에서 돌던 전하들이 b를 통과해서 e와 c에 연결된 큰 회로로 넘어간다.

ㄹ. 모터를 큰 회로에 연결하면, 작은 회로에 걸려있는 작은 전류를 이용해서 훨씬 큰 전류가 모터로 들어가게 된다. 

 

이를 다음과 같은 흐름도로 표현할 수 있다. 

 

트랜지스터 흐름도, 출처: https://www.youtube.com/watch?v=1fdQ_8k1sLU&feature=emb_title

 

#2. 모터드라이버의 역할

 

모터드라이버의 역할은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 

ㄱ. 방향제어

      +,- 극을 바꿈으로써 방향을 바꿀 수 있다. npn, pnp 트랜지스터의 역할이라고도 이해할 수 있다.

 

ㄴ. 속도제어

      dc모터에 들어가는 전압을 제어함으로써 속도를 제어할 수 있는데, 우리는 아두이노 핀에서 나오는 전력을 제어해야 하기 때문에 

PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 이용해서 전류가 흐르는 ratio를 조절한다. 

PWM duty ratio, 출처: https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=lagrange0115&logNo=220625887280&proxyReferer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F

 

#3. 모터드라이버의 설계

 

우리는 이 모터드라이버를 최대한 작게 만들어야 한다. 그래서 정말 최소한으로 필요한 부품만을 최소한 작은 기판에 설계한다. 

설계도

보이는 것과 같이, 우노를 기판으로 하고 브레드보드, 빵판에 저항과 트랜지스터, 다이오드를 연결한 뒤에 저항을 바꿔가며 실험을 해서 최적값을 찾는다. 

 

위에 보이는 기본 빵판은 맨 가장자리 두 줄이 +와 -극이고 세로줄이 모두 연결되어 있다. 안쪽에 있는 5줄씩 2 세트는 가운데 나뉘어져 있는 선을 기준으로 왼쪽 오른쪽이 구분되며, 가로줄끼리 연결되어 있다. 따라서 설계상으로는 5줄짜리 가로줄 하나에 모터 3개를 연결 할 수 있다는 계산이 나온다. 우리는 모터를 2개씩 연결해서 드라이버 2개에 모터 4개를 연결한다.

 

그럼 이제 위의 구상대로 재료들을 사서 만들 일만 남았다. 

 

#4. 은하수를 항해하는 히치하이커를 위한 안내문

 

만일 여러분이 자금이 풍부하다면, 만들고자 하는 드론의 크기와 목적에 맞는 모터와 모터드라이버를 처음부터 구매하시기를 권장한다. 우리처럼 직접 만드려고 하면 벌써부터 눈앞이 캄캄해지는 것을 체험할 수 있을 것이다. 

 

모터는 크게 3가지 종류로 나눌 수 있는데, dc모터, 스텦모터, 서보모터의 분류이다. 이 모터들을 보면, 각각에 정격전압이라는 것이 있다. 모터가 가장 빠르게 돌아갈 수 있는 전압을 말하는 것인데, 이를 넘기면 고장나기 때문에 정격전압에 맞추어서 전압을 가하는 것을 추천한다. 또, 피크 전류도 고려해야한다. 일반적인 모터의 정격전압은 거의 3.5v로 일정한 반면, 피크전류는 모두 제각각이다. 이 피크전류를 전류 측정기 등을 이용해서 확인한 뒤에 피크전류에 맞는 모터드라이버를 구매해야 한다. 

 

모터드라이버는 지금까지 신나게 설명했으므로, 모터에 맞는 모터드라이버를 구하는 과정만 간략하게 설명하자면, 모터드라이버가 방출하는 일반 전류와 피크 전류가 있다. 이 피크 전류가 모터의 피크 전류를 넘어서게 되면 역시 고장난다. 한 개의 모터드라이버에 모터를 총 몇 개까지 제어할 수 있는지와  pwm핀이 있는지를 확인하고 구매하면 된다. 

 

여러분은 위와 같은 고생을 하지 않길 바라며,

 

 

publisher, 환