모터 제어 기술의 모든 것

모터를 자주 접하는 환경이 아니다 보니 주로 DC 모터만 사용해 봤는데 모터제어라고 해봤자 모터 드라이버 IC에 DC 모터를 연결하여 동작시키는게 전부였습니다. 이렇게 연결하는 것만으로도 쉽게 DC 모터의 사용 및 제어가 가능하였습니다.

이러한 구성을 사용하여 예전에 안드로이드 블루투스 BLE 애플리케이션과 DC 모터 구동체를 동작시켜 본 적이 있는데 감쇄가 있는 저속 DC 모터의 경우에는 그나마 원하는 방향으로 수월하게 이동 및 전환을 할 수 있었지만 조금 속도가 있는 DC 모터를 사용할 경우에는 정확한 위치 제어가 되질 않아 원하는 방향으로 이동하기가 쉽지 않았던것이 기억납니다.

적용 프로젝트

적용된 프로젝트는 "블루투스 RC 카" 프로젝트로 nRF52833 프로세서와 안드로이드 모바일 폰을 블루투스로 연결하여 제어하는데 사용하였습니다.

 

사용했던 드라이버 솔루션

TI사의 DRV8833 Dual H-Bridge Motor Driver를 사용하였습니다.

DRV8833은 아래와 같은 특징을 가지고 있습니다.

• 두개의 DC모터 혹은 한개의 스텝퍼 모터 동작가능
• 2.7‌‌–10.8 V 동작
• 모터당 연속 전류 1.2 A (2 A peak)
• 모터 출력은 한개의 모터에 2.4A의 연속 전류 출력이 가능(피크시 4A)
• 입력은 3V, 5V 호환
• 저전압, 과전류, 과열 보호 기능
• 역전압 보호 회로
• sense resistor 추가하여 전류 제한 가능

 

사용했던 이유

구현되어질 하드웨어 스펙을 만족하면서도 저렴하고 쉽게 구현 가능한 TI사의 DRV8833를 선정하였습니다.

제가 사용했던 DC 모터는 왼쪽 그림과 같은 모터로 일반적으로 많이 사용되는 영구자석을 사용하는 DC 모터입니다.

이 모터가 아무래도 정밀성 보다는 구동의 목적에 초점을 맞춰 사용하는 모터이다 보니 모터 관련 자세한 파라미터 값들을 찾을 수 없었습니다. 

그래서 매트랩에서 제공되는 Permanent Magnet DC Motor에서 사용된 Faulhaber Series 0615 DC-Micromotor의 파라미터값들을 사용하여 시뮬레이션을 해 보았습니다.

 

 

사용된 parameter 는 아래와 같습니다

parameter	parameter value
R	16.2 Ohm
L	39 uH
K	0.136 mV/rpm
J	0.01 gcm^2
Mr	0.02 mNm
DC source volt	3.3 V

영구자석을 사용한 DC모터의 모델은 아래와 같으며 무부하 조건을 위해 Load Torque의 입력 step값을 0.1초로 설정하였고 rotor쪽 rpm과 모터 전류를 측정을 위해 scope에 연결하여 측정해 보았습니다.

 

공급전압 3.3V일 경우

모터의 입력 전압을 3.3V를 공급한 후 시뮬레이션을 해 보면 No-load 구간에서 0.016A, Load 구간에서 0.185A로 동작되며, No-load 구간에서 20200 RPM으로 구동되다가 부하가 걸리는 0.1초 후 부터는 2300 RPM으로 회전되고 있습니다.

 

 

만약 일정 전압이 소모되어 3V 정도로 떨어지면 전류가 약간 줄어들지만 RPM은 거의 0에 가까운 155 RPM으로 회전되는것을 알 수 있습니다.