쿼드콥터 하드웨어 선정 - 모터, 변속기 편

쿼드콥터에서 제일 기본이 되는 모터입니다.

모터는 BLDC모터를 사용하는데 BLDC모터에 대해 간략한 설명을 해보겠습니다. DC모터와 BLDC모터의 자세한 설명은 http://www.kyungmintech.com/bbs/skin/ggambo7002_boardgallery/print.php?id=techinfo&no=8 를 참고하시면 될거 같습니다. 정말 자세하게 설명 되어있네요.

옛날 달려라부메랑같은 만화가 유행할때 미니카를 해보신 분이라면 이해가 훨씬 쉽겠네요. 거기에 쓰이는 모터가 DC모터(brushed Direct Current Motor)입니다. 분해해보면 가운데 코일이 감겨있고 모터 내벽에 자석이 달려있고 코일이 돌아가는 구조죠. 돌아가면서 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌면서 계속 한방향으로 돌아가는 구조입니다. 이것의 단점이 왼쪽 그림의 bursh(브러쉬)인데요, 코일이 돌아가면서 저곳에 닿아서 전류의 방향이 바뀌는건데 마찰때문에 뜨거워지고 브러쉬가 닳아서 영구적으로 사용 못한다는 단점이 있습니다.

그에 반해 BLDC모터는 약자인 Brushless Driect Current Motor 처럼 브러쉬가 없고 대신 자석이달린 모터 내벽이 돌아가는 구조로 되어있습니다. 마찰이 없어서 영구적으로 사용 가능한데다가 DC모터보다 더 좋은 속도비 토크를 낼 수 있고 같은 속도비 저소음 이라고 합니다. 

자, 쿼드에 쓰이는 모터는 물론 속도(RPM)도 중요하지만 토크도 중요합니다. 제가 쓴 모터 보면서 설명 할게요.

KV는 v(볼트)당 RPM이라고 보시면 되겠습니다. 물론 전류가 충분히 공급될때 말이죠. 저 모터는 900KV니까 11.1v배터리에 전류, 쿨롱 모두 충분하다면, 그리고 아무것도 달려있지 않아서 부하가 0이라면 9990RPM의 속도로 회전한다 라고 보시면 됩니다. 이거는 높으면 좋다고 생각하시는 분들이 많은데, 보통 모터의 최대 회전속도와 토크는 trade-off관계에 있기 때문에 무작정 높다고 좋은게 아니예요. 자세 제어를 하기에 토크가 모자라면 아무리 신호를 빠르게 주어도 회전속도가 안바뀌기 때문에 제어가 소용없게 되는 불상사가 일어납니다.. 쿼드에서는 최대 회전속도도 중요하지만 회전속도 변화속도(토크)도 중요하다고 알아두세요. 이 중 최대 회전속도는 쿼드의 무게에 따라 결정하셔야됩니다~

shaft지름은 모터 중심에 돌아가는 축의 지름이죠 위 모터는 위에 샤프트 축을 새로 끼기 때문에 3mm이 아니라 5mm입니다. 

나머지 외형에 관한건 읽는 그대로니까 넘어가기로 하고요

Idel Current는 연결후 회전하지 않는 상태, 즉 돌기위해 준비되어있는 상태에서 0.3A가 흐른다는 말입니다. BLDC모터는 일반 DC모터와 달라서 돌기 전에 준비하는 상태가 있다고 하네요.

No.of Cells는 사용 배터리의 셀 개수입니다. 2~4s니까 배터리도 2~4s중에 골라서 써야한단 말이죠. 전압으로는 7.4v~14.5 까지 쓸 수 있단 소리네요.

그리고 Max Contiuous Power은 17A인데 이거는 부하가0이고 11.1v배터리에 900KV모터라면 17A를 공급 받아야 무부하에서 9990RPM까지 돌아갈 수 있단 소립니다.

Max efficiency current는 80%정도로 사용해야 부담 없이 모터가 돌아간단 소리지요. 만약에 10A가 모터에 흐르는데 정해진 속도만큼 회전속도가 안나온다면 더 많이 흐르게 합니다. 이게 변속기의 역할이죠. 

모터가 돌고있는데 손으로 세게 잡는다면 회전속도가 줄어들테고, 변속기는 이를 감지하여 더 전류를 흘려보내서 속도를 높여서 원래 속도를 맞추려고 합니다.  음.. 요부분은 제가 이렇게 알고있는 좀 애매하네요.. 혹시 틀린점이 있다면 지적 부탁드립니다~

이제 위 그림의 표를 보시면 Prop은 장착할 프로펠러의 종류입니다. 프로펠러와 프레임에 대해서는 다음 포스팅에서 다루기로 하고, 저의 경우를 풀어 쓰면 

1047프로펠러를 달고 11.1v전압에 10.5A전류를 공급한다면 한 모터에서 960g의 무게를 들어올릴 수 있다 

라는 말이죠. W나 oz나 능률은 그냥 계산이 이렇다~란 소리니 넘어가겠습니다. 즉, 쿼드는 4개니까 약 4Kg의 무게를 들어올릴 수 있고, 모터 최대 효율을 고려했을 때 80%인 3.2Kg을 들어올릴 수 있단 계산결과가 나옵니다. 하지만 실제 안정성을 위해서는 최대 2.5~3.0이라고 보아야되겠네요..

참고로 제 쿼드는 1.3Kg정도였습니다. 

모터에 관한 설명은 이정도로 하고 변속기 설명을 해볼게요.

변속기 설명을 하기에 앞서, PWM에 대해 아셔야 합니다. (모르시면 http://aerowaysg.tistory.com/14 참고하시구요.) 변속기와 모터가 연결되어있다면, 우리의 할 일은 변속기에게 PWM신호를 주는겁니다. PWM신호란 간단히 말해 모터에 전류를 얼마나 흘려라 라는 신호입니다. 

왜 번거롭게 제어보드에서 변속기로 신호를 보내고 변속기에서 모터로 전류를 보내느냐~ 그냥 제어보드에서 바로 모터로 전류를 보내면 되지 않느냐 라고 생각하시는분들이 계신데 ! 불가능합니다. 제어보드 특히 아두이노같은 경우는 몇십~몇백mA의 전류만 흐르도록 설계되었기 때문에 모터가 필요로 하는 10A이상이나 그 이상의 고전류는 흐르지 못합니다.. 칩이 타버리니까요.. 

DC모터도 마찬가지로 모터드라이브라는게 있죠.. 우리 모두 조심하여 칩을 보호해줍시다 ㅠ

그리고 변속기마다 세팅 방법이 존재하는데요, 보드에서 출력해주는 PWM값이 0~100까지라 가정한다면 어느부분이 최소값인지 변속기한테 알려줘야 합니다. 그래야 어느 PWM에 얼만큼 전류를 보내야하는지 아니까요. 설정 방법은 변속기 제조회사에서 메뉴얼을 받으셔야 할겁니다. 저는 하비윙 스카이워커 20A x4 를 썼는데 메뉴얼이 영어로되어있어서 애먹었어요 ㅠ 

세팅 후 throttle bottom 하신 후 천천히 스로틀을 올리시면 모터속도도 같이 올라가는게 보이실겁니다. 

생각나는 대로 두서없이 막 적었는데.. 한번 검토 해봐야겠습니다.. ㅠ