[제어] OpenCM 9.04에서 모터제어하기

[한창호]

1. 토크 (Torque)

회전력, 물체를 동작시키려는 힘, 하나의 축에 1m 길이의 막대를 직각으로 달고 그 끝에 1kg 추를 달았을 때 축에 전달되는 회전력이 1kg*f*m이다. 단위는 kg*f*m 또는 N*m(뉴턴미터 1kg*f*m = 9.80665Nm)

바퀴의 Pivot 점과 무게중심 사이의 거리 (L)이 12cm 이고, 최대 tilt angle ()이 40도이며, robot의 무게 (m)가 0.7kg일 때 최소한의 토크는 얼마인가?

torque = L x mg x sin θ = 0.12 x 0.7 x 9.81 x sin(40deg) = 0.530 Nm

2. DC 모터 용어 정리

① 시동 토크 (Starting Torque)
  모타가 기동 할 때 발생되는 회전력으로 회전자 구속회전력 (Locked Rotor Torque)이라고도 하고 기동 Torque라 하기도 하며 이 회전력 보다 큰 힘을 모터에 가하면 모터는 회전되지 않는다.
② 정격 토크 (Rated Torque)
  전동기의 정격 속도 시의 토크로 이때 모터에는 정격 전압을 가해 정격 출력을 연속적으로 낼 때의 토크라고 하며 정상 운전시에는 이 토크 이하에서 사용하며 전부하 토크라고도 한다.
③ 최대 토크 (Pullout Torque)
  전동기가 낼 수 있는 회전력의 최대치로서 정동 회전력이라고도 하며 운전중에 최대 토크 이상의 부하가 걸리면 전동기는 정지된다.
④ 정마찰 토크
  전자 브레이크, 크러치 브레이크 등이 정지해 있는 상태에서 부하를 유지 할 때의 토크이다.
⑤ 허용 토크 (Pullup Torque)
  모터를 운전 할 때 사용 가능한 최대 토크를 말하며 모터의 정격 토크, 온도 상승, 조립된 기어 헤드 강도에 따라 한정된다.

DC 모터는 torque와 speed가 서로 반비례한다. 또한 가운데 빨간 면적이 power를 의미한다.

3. 모터 드라이버

L298N을 이용하여 모터를 제어해보자. 다음 그림과 같이 H-Bridge 방식으로 전압을 바꾸어 정회전/역회전을 동작시킬수 있다.

모터의 속도와 방향을 제어하기 위해서는 6개의 핀을 이용한다. PIN1과 PIN2의 High/Low신호를 서로 바꾸면 정회전/ 역회전을 제어할 수 있다. 속도는 PWM 신호로 발생하여 입력을 해주면 된다. 

4. 모터 연결

두 개의 모터를 연결한 그림이다. 아두이노를 이용해서 모터를 제어한다.

5. 모터 제어 실험

OpenCM 9.04에 모터와 모터 드라이버 (L298N)을 연결하여 PWM신호로 속도를 제어해 보자.

다음 소스코드를 이용하여 정회전/역회전, 그리고 속도를 제어해 보자. PWM 신호는 아날로그 A2, A3에 연결한다.

int ENA_MOTOR_LEFT = 2;  // PWM 신호
int IN1_MOTOR_LEFT = 10;  // digital 신호
int IN2_MOTOR_LEFT = 11;  // digital 신호
int IN3_MOTOR_RIGHT = 12;  // digital 신호
int IN4_MOTOR_RIGHT = 13;  // digital 신호
int ENB_MOTOR_RIGHT = 3;  // PWM 신호

void setup()
{
 SerialUSB.println("Start Setup");
 pinMode(ENA_MOTOR_LEFT, PWM);       // ENA
 pinMode(IN1_MOTOR_LEFT, OUTPUT);    // IN1
 pinMode(IN2_MOTOR_LEFT, OUTPUT);    // IN2

 pinMode(IN3_MOTOR_RIGHT, OUTPUT);   // IN3
 pinMode(IN4_MOTOR_RIGHT, OUTPUT);   // IN4
 pinMode(ENB_MOTOR_RIGHT, PWM);      // ENB
}

void loop()
{
 SerialUSB.println("test DC Motor");
 int dir = 0;
 int pwm = 0;
 int cnt = 0;

 while (cnt<4) {
  SerialUSB.print("Motor dir: ");
  SerialUSB.print(dir);
  SerialUSB.print(", PWM: ");
  SerialUSB.println(pwm);

  // set direction

  digitalWrite(IN1_MOTOR_LEFT, (dir == 0) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(IN2_MOTOR_LEFT, (dir == 1) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(IN3_MOTOR_RIGHT, (dir == 0) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(IN4_MOTOR_RIGHT, (dir == 1) ? HIGH : LOW);

  // set speed
  analogWrite(ENA_MOTOR_LEFT, pwm);
  analogWrite(ENB_MOTOR_RIGHT, pwm);

  // increase speed

  pwm += 100;

  // change direction
  if (pwm >= 65535) { pwm = 0; dir = (dir + 1) % 2; cnt++; }
 }

 // stop motor
 digitalWrite(IN1_MOTOR_LEFT, LOW);
 digitalWrite(IN2_MOTOR_LEFT, LOW);
 digitalWrite(IN3_MOTOR_RIGHT, LOW);
 digitalWrite(IN4_MOTOR_RIGHT, LOW);
}