2015년 2학기 PULSE 4 전자물리실험 09 - Servo Motor 제어 - DSU 메카트로닉스 융합공학부 -

1. 실험 주제 서보 모터(Servo Motor)와 스텝핑 모터(Stepping Motor)의 작동을 통해 원리를 탐구하고 실제 생활에서의 다양한 쓰임을 조사해 본다. 아두이노를 이용하여 간단하게 작동될 수 있는 서보 모터 시스템을 구성하고 이를 구현해 본다.

2. 기초 이론 2.1 서보 모터 서보라는 용어는 “추종하다.” 혹은 “따른다.”의 의미 명령을 따르는 모터 : 서보 모터 명령을 따르는 모터 : 서보 모터 공작기계, CCTV 카메라, 캠코더, DVD, 프린터 등에 사용되는 모터처럼 명령에 따라 정확한 위치와 속도를 맞출 수 있는 모터 서보 시스템 = 모터 + 기계부 + S/W 소형, 탈부착 용이, 고정밀  로봇의 관절에 많이 사용됨

2.2 서보 모터 연결선 3개의 단자는 검은색(또는 갈색), 붉은색, 황색(또는 주황색, 흰색)이며 붉은색 선은 (+)전원, 검은색 선은 (-)전원에 연결된다. 붉은색과 갈색선은 서보 모터에 전기를 공급하는 역할을 하며, 노란색 선은 서보 모터의 동작을 제어하는 신호선이다.

2.3 서보 모터의 회전 서보 모터는 일반적으로 약 0~270도 범위의 회전각을 가진다. 서보 모터는 PWM (펄스폭변조) 방식으로 제어된다. 매 20ms마다 펄스를 받게 되는데, 이 펄스가 1ms 폭이면 각은 0도, 1.5ms 폭이면 각은 90도, 2ms 폭이면 180도 회전하게 된다.

= 50Hz 4.8V ~ 5V

2.4 스테핑 모터 스텝모터는 서보 모터같이 일정 전압을 입력시켜야 회전하는 것이 아니라 펄스로 동작한다. Resolution에 따라 다르지만 만약 10도짜리면, 한 펄스에 10도가 회전이 된다. 스텝모터의 장점은 펄스에 의해 회전이 결정되므로 제어가 쉽지만 서보 모터보다 토크가 작아서 강한 회전력을 필요로 하는 곳에는 서보 모터를 사용하는 게 좋다. 모터의 속도가 빠른데 토크가 작으면, 토크가 떨어지고 탈조 현상이 일어나게 된다. 여기서 토크(Torque)는 회전 능력을 나타내는 용어이다.

직류브러쉬 모터는 전극의 전압이 적용됨에 따라 연속적으로 회전하는 반면에, 스텝모터는 다수의 톱니모양 전자석이 금속기어를 중심으로 배치되어 있다. 이때, 전자석은 마이크로-컨트롤러와 같은 외부 제어 회로로부터 전류를 받아 작동한다. 모터의 한 축을 돌리기 위해선 일단 한 전자석이 전력을 받게 하여 기어의 톱니를 전자석으로 끌어 당기게 한다. 첫 번째 전자석에 기어의 톱니가 일직선으로 맞춰지면 기어는 서서히 다음 전자석으로 치우쳐지게 된다. 다음 전자석이 전력을 받게 되면 이전의 전자석은 꺼지게 되며, 기어의 톱니는 다음 전자석에 일직선이 되며, 이런 작용들을 반복시킨다. 이때, 회전의 각각 작용을 '스텝'이라 하며 수많은 스텝들이 전체의 회전을 만들어 낸다. 이를 통해서 모터는 정밀한 각도로 회전할 수 있다.

전류는 자기장을 만든다! 2.5 발전 / 발전기 전류가 흐르니 나침반이 회전한다. 1820년, 외르스테드는 전류가 흐르는 도선 근처에 있던 나침반이 회전하는 것을 우연히 관찰하였다. 전류가 자기장을 만든다는 것을 발견한 것이다. 전류가 흐르니 나침반이 회전한다. 전류는 자기장을 만든다!

전류가 흐르니 나침반이 회전한다. 전류는 자기장을 만든다!

패러데이의 생각 내가 밀면 나도 밀린다. 전류는 자기장을 만들어 낸다. Well… 그렇다면… 자기장은 전류를 만들어내야 하지 않을까?

패러데이의 실험 G 자기장 생성 전류가 생길까? 자기장은 철심을 따라 오른쪽 코일 통과

코일을 통과하는 자기장이 변하면 전류가 생긴다! 실험 결과 검류계 대신 나침반으로 회로에 전류 유무 탐지 Oh! 일정한 전류 (자기장)  나침반 회전 않음 But... 스위치를 열거나 닫을 때 나침반 회전 코일을 통과하는 자기장이 변하면 전류가 생긴다!

변하는 자기장  전류 생성 I Got It!! 이를 전자유도라고 한다.

쌤이 직접 찍은 동영상

전자유도 현상의 발견은 산업적으로 대단히 중요하다. 전기에너지를 만드는 혁신적인 방법이기 때문이다! 전기에너지를 만드는 혁신적인 방법이기 때문이다! 코일 근처에서 자석을 움직이기만 하면 전기에너지가 만들어진다!

3. 실험 장비 및 부품 실험장비 디지털 멀티미터 1대 직류전원공급기 (5V) 부품 아두이노 UNO R3 1개 DC 서보 모터 스테핑 모터

- + 4. 실험 절차 (1) 스테핑 모터는 동작 확인을 위해 다음과 같이 연결한 후 LED의 점등 상태를 확인 해 본다.

- + GND DC 5V 입력 GND와 (-) 단자를 연결한다. (2) 서보 모터와 아두이노를 다음과 같이 연결한다.

아두이노 Coding #include <Servo.h> 헤더 파일 Servo My_Servo; 서보 모터의 이름을 지정 void attach(pin) : 서보 모터가 연결된 핀 지정 void write(angle) : 서보 모터의 각도 지정 int read() : 현재 서보 모터의 각도를 읽음 boolean attached() : 서보 모터 핀이 지정되어 있는지 검사 void detach() : 연결된 핀 제거

(4) 90도, 180도 회전 아두이노 기본 두 함수 하드웨어 선언문 서보모터를 90도 회전 시킨다. 서보 모터를 180도 회전 시킨다. 서보 모터를 원래 위치로 되돌린다. 아두이노 기본 두 함수

(5) 연속 회전 서보 모터를 0도에서 부터 2도씩 180도까지 증가시킨다. 서보모터를 180도에서 1도씩 감소시키며 0도까지 되돌린다.

5. 보고서 실험제목 목적 실험방법 실험결과 - 스테핑 모터를 돌려서 LED 점등 확인  발전 실험 - 서보 모터의 다양한 동작을 구현