마이크로공학의 기본-모터

1.모터의 종류와 특징

⦁DC모터

DC모터는 광범위하고 높은 정밀도의 속도제어가 가능하며, 또한 여자방식에 따라 다른 특성이 나타나기 때문에 부하에 대한 적응성이 뛰어나며 시동토크가 커서 가변속 제어나 큰 시동 토크가 요구되는 용도에 사용된다.

DC모터의 특징

1. 광범위한 속도제어가 용이하며 속도 제어를 하는 경우에도 효율이 좋다.

2. 시동, 가속토크를 임의로 선택할 수 있어 토크효율도 좋다

3. 유도 전동기에 비해 고가이다.

4. 정류자와 브러시가 있기 때문에 정기적인 보수 점검이 필요하다.

5. 정류자를 갖고 있기 때문에 고속화나 고전압화에 제한이 있다.

DC모터의 토크는 자속과 전기자 전류의 곱에 비례하며 회전수는 거의 전기자 전압에 비례하고 자속에 반비례한다. DC모터는 전기자회로와 계자회로의 접속방법에 따라 상기의 기본특성이 조합되어 여러 가지 특성을 나타낸다.

 

⦁스테핑 모터

스테핑 모터(Stepping Motor)는 일명 스텝 모터, 펄스 모터, 스테퍼 모터 등이라고 불려지고 있는데 이것을 번역하면 보진 전동기 또는 계동 전동기라고 할 수 있다. 보진은 한 발 한 발 단계적으로 움직이는 것을 말하고 스테핑 모터의 동작 이미지를 잘 표현하고 있다. 그런데 스테핑 모터의 최대 특징은 펄스 전력에 대응하여 회전한다는 것이다. 게다가 입력 펄스수에 비례하여 회전각이 변위되고 또 입력 주파수에 비례하여 회전 속도가 변화하기 때문에 피드백함이 없이 모터의 동작을 제어할 수 있다. 이러한 이점을 가진 스테핑 모터는 피드백계가 없는 위치 결정 제어의 구동원으로 FA, OA관계를 비롯해서 폭넓게 사용되고 있다. 위치 결정 제어를 다른 모터에서 실현하려면 피드백제어가 필요하게 된다. 스테핑 모터를 분류하는 경우 자기회로, 즉 모터의 구조에 의한 분류법이 일반적이다. 이것에는 로터부를 영구 자석으로 만든 PM형(Permanent Magnet Type), 로터부를 기어 모양의 철심으로 만든 VR형(Variable Reluctance Type), 그리고 로터부를 기어 모양의 철심과자석으로 구성한 HB형(Hybrid Type)이 있다. PM형은 로터부에 다극착자된 영구 자석을 사용하고 그 둘레에 구동 계자(스테이터)를 설치한 것이다. 이 PM형은 판금 모양의 요크에 발톱을 세운, 크로 폴(craw pole)형이 많이 보급되어 있다. VR형은 로터부에 고투자율 재료를 사용한 기어 모양 회전체를 사용하고 이것과 스테이터 코일에서 발생 하는 회전력을 이용한 것이다. HB형은 PM형과 VR형의 장점을 잘 짜맞춘 것인데 스테핑 모터 중에서 가장 우수한 회전 특성르 나타낸다. 또 스테핑 모터의 분류 방법으로는 회전형, 직진형 등의 운동 형태에 의한 분류, 원통형, 박형등의 외형에 의한 분류, 2상, 3상, 5상 등의 구동 권선에 의한 분류, 1상 여자, 2상 여자, 1-2상 여자 등의 여자 모드에 의한 분류법도 있다.

 

⦁Brushles DC Motor (BLDC)

브러시리스 모터(Brushles Motor)는 DC 모터에서 브러시와 정류자(Commutator)를 없애고

전자적인 정류 기구를 설치한 모터이다. 따라서 기계적인 노이즈뿐만 아니라 전기적인 노이즈

도 발생되지 않는다. 브러시리스 모터의 장점은 특히 원리적으로 노이즈가 발생하지 않는 것이다. 기타 초저속 또는 초고속, 다극(자석의 수가 많다.)긴 수명의모터가 간단히 만들어지는 점도 장점이라고 할 수 있다. 그런데 브러시리스 모터의 구조는 중심에 회전하는 마그넷이 있고 그 둘레에 구동코일이 설치되어 있다. 브러시리스 모터의 작동원리는 DC 모터와 같이 플레밍의 왼손 법칙이며 코일 또는 영구 자석의 어느 쪽이 회전해도 그 작동 원리는 같다. 단, 브러시리스 모터에는 정류자가 없기 때문에 이것에 대신하는 전자 정류 회로가 필요하게 된다. 이 회로는 홀 소자 등의 자극 센서를 사용하여 마그넷 로터가 어느 위치에 있는가를 검지하고, 이 신호를 기초로 전자 회로를 제어하여 회전 자기장을 발생시킨다. 이것이 브러시리스 모터의 구동회로인데 매우 회로구성이 복잡하게 되기 때문에 보통은 전용 IC가 사용되고 있다. 브러시리스 모터의 주요한 용도는 VTR의 실린더, 카세트 데크의 캡스턴, FDD, CD 플레이어 등이며 높은 회전 성능, 긴 수명이 요구되는 모터로 사용 되고 있다. 본래부터 브러시나정류자를 필요로 하지 않는 AC 모터는 브러시리스 모터로 분류되지 않는다.

 

⦁인덕션 모터

인덕션 모터(Induction Motor)는 AC 모터의 일종이며 회전 자계형으로 분류되어 있는 모터

이다. 이 모터의 작동 원리는 고정자 권선에 흐르는 교번(교류)전류에 의해 발생하는 회전 자기장과 로터부에 발생하는 유도 전류와의 상호작용에 의해 생기는 회전력이다. 이 때문에 인덕션 모터를 유도모터라고 부르는 경우도 있다. 그 내부 구조는 로터부(회전자)는 규소 강판을 적층한 것, 슬롯부는 구리나 알루미늄 등으로 농형으로 권선을 형성한 것이 사용되고 있다. 또 이 종류의 인덕션 모터의 토크 발생부는 로터나 스테이터(고정자)의 권선부가아니고 그 대 부분이 철심에 집중되어 있다. 그리고 인덕션 모터는 부하(토크)에 대응한 회전수로 회전하는데 이것에는 어느정도의 정속성이 있다. 따라서 그다지 엄밀한 정속성이 요구되지 않는 동력용 모터로서 널리 사용되고 있다. 인덕션 모터에도 여러가지 종류가 있으며 소형의 것으로는 단상 콘덴서 구동형이 가장 많이 보급되어 있다. 특성적으로는 입력 전압이 AC 10V, 20V(50/60Hz), 출력 파워가 수 W 이상, 폴수(자극수)는 2극과 4극이 일반적이다. 또 그 회전수 N[RPM]은 다음 식으로 구할 수 있다. 식 중의 f는전원 주파수, P는 폴수, S는 미끄럼을 나타낸다(S는 동기 속도[전원 주파수에 의존한다]와 회전 속도의 차를 나타내고 회전 속도는 동기 속도보다 조금 낮게 된다.

 

⦁ 리버시블 모터

리버시블(Reversible Motor)는 인덕션 모터의 일종이며 우회전, 좌회전 어느 방향으로도 같은 특성이 얻어지는 모터이다. 원리적으로도 인덕션 모터와 같으나 빈번한 정역전에 견디고 큰 시동 토크를 얻기 위해 일반 인덕션 모터와 같이 주코일, 보조 코일의 관계는 없다. 주요한 용도는 세탁기의 소용돌이 발생용 모터, 각종 자동 기기의 구동원 등이다. 리버시블(가역) 모터의 특징을 정리하면 다음과 같다.

1.빈번한 정역전에 적합하다.

2. 시동 특성이 우수하다.

3. 단시간이면 크기에 비해 큰 출력이 얻어진다.

 

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⦁ 셰이드형 모터

셰이드형 모터(Shaded Pole Motor)는 단상 교류 모터의 일종이며 1차 코일과는 별도로 1-2 회전의 단락 코일(셰이딩 코일)을 감고 이것에 의해 회전 자기장을 발생시키는 모터이다. 일반적으로 AC 모터를 회전시키기 위해서는 2상 이상의 교류를 필요로 하는데 일반 가정용에는 단상 교류밖에 공급되지 않는다. 그 때문에 AC 모터를 움직이기 위해서는 어떤 대책이 필요하게 된다. 예를 들면 콘덴서를 사용하여 위상이 다른 별도의 전원을 만드는 방법도 있다. 셰이드형 모터에서는 콘덴서 대신에 몇 회전의 단락 코일을 감고 이것에 의해 3.14 / 2 이상 위상이 지연된 교류를 만들어 내고 있다. 즉 보통 공급되고 있는 단상 교류와 셰이딩 코일에 의해 만들어 낸 단상 교류를 조합하여 간단한 2상 교류를 실현하고 있다. 세이드형 모터의 특징은 구조가 간단하고 저가격이라는 점인데 수십 W가 한계이고 출력 효율이 낮다고 하는 결점도 있다. 주요한 용도는 소형의 선풍기나 엄밀한 회전특성(회전 변동, 토크 변동) 을 필요로 하지 않는장치 등이다. 셰이딩 코일은 인덕션 모터나 다음 항에서 설명하는 싱크로너스 모터에도 사용할 수 있으며 현재는 수 W의 인덕션 모터에도 많이 사용되고 있다. 또 세이드형 모터는 그 외관에 의해 스켈린턴 모터(skeletom Motor)라고도 불려지고 있다.

 

⦁ 싱크로너스 모터

싱크로너스 모터(Synchronous Motor)는 교류 모터의 일종이며 전원 주파수에 동기하여 회

전하는 모터이다. 이 모터는 전원 주파수와 동기되었을 때 비로소 안정된 회전 특성이 얻어진다는 특징이 있다. 그 때문에 싱크로너스(동기) 모터라는 명칭으로 불려지고 있다. 이 모터는 로터가 동기 속도로 되지 않으면 토크의 발생 방향이 정해지지 않고 진동 등을 수반하여 정지된다. 또 모터에 최대 토크 이상의 부하를 가하면 동기 속도를 유지할 수 없게 되어 로터가 정지된다. 일반적으로 이 현상을 동기이탈, 또는 탈조라고 부르고 있다. 또 동기 이탈에 대하여는 앞에서 설명한 스테핑 모터에도 같은 현상이 나타난다. 싱크로너스 모터의 회전수 n[RPM] 은 위의 식으로 구할 수 있다. 여기서 f[Hz]는 전원 주파수, P는 폴수(자극수)이다. 예를 들면 2폴의 싱크로너스 모터를 50 Hz로 회전시키는 경우 그 회전수는 위의 계산식에 각각의 수치를 대입하면 120*50/2, 즉 300회전으로 회전하게 된다. 그리고 이것이 60Hz이면 120*60/2이며 360회전이 된다. 이와같이 전원 주파수를 안정시키면 모터의 회전수도 안정되기 때문에 시계나 타임 스위치 등에 많이 사용되고 있다. 또 싱크로너스 모터에는 영구 자석형, 히스테리시스형, 인덕터형 등이 있으며 용도에 따라 각각 적합 것이 사용되고 있다.

 

⦁유니버설 모터

유니버설 모터(Universal Motor)는 직류나 교류로 회전시킬 수 있는 정류자 모터를 말한다. 유니버설이라는 말은 [여거가지 목적에 사용되는 만능]이라는 뜻이며 이 모터를 직류나 교류로 사용할 수 있기 때문에 이 명칭으로 불려지고 있다. 이 모터의 구조는 앞에서 설명한 직류 직권모터와 같으며 스테이터 코일과 로터 코일에 동일 전류를 흐르게 하며 회전력을 발생시킨다. 따라서 직류나 교류에서 토크의 발생 방향이 일정하게 되어 항상 일정한 방향로 회전할 수 있게 된다. 또 유니버설 모터는 입력 단자에 공급하는 전압의 극성을 바꾸어도 회전 방향은 변하지 않는다. 유니버설 모터를 교류 전원으로 사용하는 경우 전원주파수의 2배로 맥동하는데 50/60Hz 정도의 주파수이면 그 맥동은 별로 문제가 되지 않는다. 특징은 시동 토크가 크고 고속 회전이 쉽게 얻어진다는 것이다. 그 때문에 전차 등의 구동

모터로 많이 사용되고 있다. 한편, 결점으로는 브러시와 정류자가 있기 때문에 전기 노이즈, 기계 노이즈가 크고 수명도 그다지 길지 않다는 점 등을 들 수 있다.

 

⦁리니어 모터

Linear Motor 란 Direct로 직선 운동을 하는 모터의 총칭이다. 우리 주변에서 사용되고 있는 모터의 대부분은 회전식인데 각종의 가전제품이나 정보 기기에는 여러 곳에서 직선 운동형 모터가 사용되고 있다. 예를 들면 HDD, FDD의 헤드 이송 장치, 프린터, 재봉틀, 편직기, 자동 도어 컨베이어 등에는 리니어 모터가 사용되고 있다. 그런데 단순히 직선 운동만 시키는 것이면 회전형 모터에 볼나사를 병용하면 된다. 그러나 그 동작의 정밀도, 속도 등의 대한 요구가 높아지면 회전용 모터로는 대응할 수 없게 된다. 그래서 등장한 것이 리니어 모터이다. 이 모터는 다이렉트로 직선 운동을 하기 때문에 정밀도와 속도가 상당히 높아진다. 리니어 모터의 종류로는 직류 교류에 한정하지 않고 대체로 어떤 모터로도 리니어 모터로 될 수 있다. 단, 그 성능, 경제성을 고려하면 그 종류도 자연히 한정된다. 예를 들면 직류이면 스테핑 모터나 브러시리스 모터, 교류이면 싱크로너스 모터, 인덕션 모터등이 사용되고 있다. 리니어 모터의 장점은 앞에서도 설명한 바와 같이 다이렉트인 직선 운동이나 고속 작동이 가능한 것 외에 백래시가 없고 수명이 긴 것이다. 한편 단점으로는 일반적으로 고가 라는 것이다.

 

⦁ 초음파 모터

초음파 모터는 자석이나 권선을 필요로 하지 않느 새로운 형의 구동원이다. 작동원리는 복수의 압전 세라믹을 사용하고 이것에 고주파 전압을 가하여 압전 세라믹을 진동시킨다. 그리고 이 진동력에서 탄성체, 마찰판을 거쳐 일정 방향의 구동력(회전력)을 얻는 것이다. 또 그 구동력은 회전형 외에 직진형(리니어 구동형)도 있다. 앞에서 초음파 모터는 새로운 형의 구동원이라고 하였는데, 종래 모터라고 하면 자석이나 권선을 사용하는 전자기의 모터를 지칭하였다. 그런데 이 초음파 모터는 20kHz 이상의 초음파 영역을 사용하는 전기력 모터인 것이다. 초음파 모터의 용도는 저속 회전에서 큰 힘을 필요로 하는 다이렉트 드라이브용 또, 현장 여건상 자기 에너지를 쓸 수 없는 장치의 구동원, 또는 초소형 사이즈의 구동원, 버니어 구동(미크론 단위의 미소 구동원) 등에 이용되고 있다. 초음파 모터에는 정재파 방식과 진행파 방식이 있으며 일반적으로는 후자의 진행파 방식이 이용되고 있다. 진행파 방식이란 압전 세라믹스를 금속의 탄성체에 맞붙인 스테이터와 로터부를 마주 접촉시켜 탄성체에 발생하는 종파와 횡파에 의한 진행파에서 구동력을 얻는 방법이다. 또 초음파 모터는 그 진동 주파수에 20kHz 이상의 초음파를 사용하고 있으며 이것은 모터 내부에서 그 대부분 이 회전력으로 변환되기 때문에 인간이나 기타 생물에게 위해를 주지 않는다.

 

 

 

 

 

2. 마이크로컨트롤의 종류와 특징

⦁마이크로컨트롤러

칩 위의 컴퓨터를 말한다. PC에 쓰이는 일반 목적의 마이크로프로세서와는 반대로 높은 집적, 낮은 전력 소비, 비용 절감, 자동 처리를 강조하는 마이크로프로세서의 일종이다. 일반 목적의 마이크로프로세서의 일반 산술, 논리 요소뿐 아니라 데이터 저장을 위한 읽기 쓰기 메모리, 코드 저장을 위한 플래시와 같은 읽기 전용 메모리, 계속적인 데이터 저장을 위한 EEPROM, 주변 기기, 입출력 인터페이스 등의 부가 요소를 통합한다. 마이크로컨트롤러는 현대에 쓰이는 마이크로프로세서보다 매우 낮은 속도로 동작하며 일반적인 응용 프로그램들에 적절한 편이다. 마이크로컨트롤러는 자동차 엔진 제어 시스템, 리모컨, 사무 기기, 전자 기기, 전원 도구, 장난감과 같은 자동 조정 제품과 장치에 쓰인다.

 

⦁80 계열 MCU

인텔(Interl)은 PC용 프로세서를 만드는 회사로 가장 유명하지만 여러 종류의 임베디드용 프로세서도 생산한다. 80 계열 MCU는 인텔 사의 임베디드 프로세서 가운데 산업용 주력 컨트롤러이다. 인텔DSM 프로세서 사업을 시작하면서 PC용과 산업용을 따로 분리하여 개발했으며, 1980년도에 8051을 발표한이후 80196, 80296 등의 MCU 등을 국내에서 가장 많이 사용하고 있다. 현재 마이크로 마우스 및 기타 로봇 대회 등에서 가장많이 사용하는 컨트롤러가 80 계열의 MCU이다. 80 계열 MCU의 한 부류인 8051, 80196 임베디드 프로세서의 장점은 학생들이 배우기에 가장 적합한 16bit 컨트롤러이며, 또가격에 비해 성능이 우수하다는 것이다. 80 계열의 컨트롤러는임베디드 시스템의 구조와 시스템 속 프로그램의 역할에 대해서 알 수 있는 가장 적합한 CPU이다.

⦁ 68000

핸드폰제조업체로 유명한 모토로라(Motorola)사의 프로세서이다. 모토롤라 사가 PowerPC라는 프로젝트에 참여하기 전까지의 주력 프로세서는 68000시리즈이다. 8bit 프로세서 6800을 시작으로 68000 시리즈, 드래곤볼, 콜드파이어 등으로 발전했으며, 프로세서 개발 초기에 모토로라 사는 유닉스 기반 컴퓨터만을 설계하다가, 지금은 광범위한 임베디드 시스템을 목표로시장을 점유하고 있다.아키텍처와 기능이 우수하고 주변 디바이스와 인터페이스를쉽게 연결할 수 있도록 설계하고, 코드 작성이 쉽도록 설계하는 것이 특징이다. 또한. 컴파일러의 종류가 20여개가 넘을 정도로 소프트웨어가 다양하고 상용 운영체제를 대부분 지원한다. 특히 GNU 개발 도구들은 68000을 완벽하게 지원한다.

 

⦁ PIC

마이크로칩(Microchip)사의 주력 마이크로 컨트롤러이다. 1980년대 말에 개발되어 8bit 컨트롤러 시장에 획기적인 돌풍을 일으킨 컨트롤러이다. 이 컨트롤러 내부에는 ROM과 RAM을 내장하고 있으며, 또 종류에 따라 UART, SPI, I2C 등의 다양한 통신규격에 따른 컨트롤러를 내장하고 있다. 이와 같은 타입의 컨트롤러를 ‘원칩마이컴‘이라고 하며, 복잡한 하드웨어를 구성하지 않고도 칩 하나로 필요한 작업을 수행할 수 있다. 또 주변의 소자들이 하나의 칩으로 구성되어 있어서 가격도 기타 시스템에 비해 월등히 저렴하기 때문에 시중에 나온 간단한 장난감들에 이와 같은 컨트롤러를 많이 사용한다. 임베디드 시스템과 관련된 회사에서도 대부분의 간단한 제어에 많이 이용한다.

 

⦁ AVR

ATMEL 사의 주력 마이크로 컨트롤러이다. 1990년대 후반에 PIC의 아성에 도전장을 내민 제품으로 PIC과 같이 내부에 대부분의 기능을 내장하고 있어서 사용이 편리하다. 현재 원칩마이컴 시장에서 PIC와 함께 쌍벽을 이루고 있다. 소비전력과 실행속도에 중점을 두고 설계한 컨트롤러이므로 같은 C 코드를 수행할 때, 같은 계열의 컨트롤러들에 비해 상당히 빠른 속도를자랑한다. 코드의 집약도 또한 높아서 상당수의 AVR 매니아들을 보유한 제품이며, PIC과 같이 소규모 시스템에 많이 사용한다.

 

⦁ DSP

Digital Signal Processor의 약어로, 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing)를 목적으로 하는 신호처리 전용 프로세서이다. 일반적인 컨트롤러나 프로세서들은 곱셈을 수행할 때 덧셈기를 가지고 곱셈을 수행한다. 즉 하드웨어적으로 곱셈기는 복잡한 구조를 가지기 때문에 상대적으로 간단한 덧셈기를 이용해서 곱셈을 수행하였다. 여기서 더하고 곱하는 연산, 즉 ∑ 연산을 수행하기 위해 곱셈기를 최적화하여 설계한 프로세서가 바로 DSP이다. DSP가 곱셈에 탁월한 성능을 보이는 것 외에는 기타 컨트롤러나 프로세서와 큰 차이는 없지만 프로세서나 컨트롤러라고 하지 않고 DSP라는 독자적인 명칭으로 부르는 이유는 상업적인 전략 때문이다. DSP의 가장 유명한 제품으로 TI(Texas Instrument)사의 TMS시리즈 제품이 있다. 현재 TI 사는 그들 회사의 장점인 DSP에ARM Core를 합성시킨 OMAP라는 프로세서로 시장 석권을 노리고 있다.

 

⦁ PowerPC

PowerPC는 애플(Apple), IBM, 모토롤라 사가 합작하여 개발한32bit 기반 프로세서이다. MS사가 인텔과 연합하여 윈도우+인텔 프로세서 조합으로 시장을 장악할 때, 이에 대향하기 위해위의 세 회사가 연합하여 PowerPC라는 프로세서를 선보이게된다. IBM의 연구 결과 ‘간단한 명령어가 가장 자주 사용된다’는 것에 기초하는 RISC 이론으로 설계된 PowerPC는 현재 IBM의 유닉스 기반 운영체계 AIX를 얹은 RS/6000 워크스테이션과, 맥(Mac) 운영체제를 사용하는 애플사의 매킨토시 컴퓨터, 그리고 여러 분야의 임베디드 시스템에 주로 사용되고 있다. PowerPC 연합으로 구성된 이 세 회사들은 PowerPC 아키텍처

를 개방형 표준으로 만들어, 다른 회사들이 이 아키텍처를 더욱발전시키도록 장려하고 있다.

 

⦁SuperH

히타치(Hitachi)사의 주력 프로세서 이다. 세가(Sega)사의 드림

캐스트 게임기에 히다찌의 SH4 프로세서를 사용한다.

⦁ARM

개발 초기부터 저전력을 가장 큰 목적으로 설계된 컨트롤러이다. 휴대용 32bit 제품에 가장 많이 사용하는 것으로 ARM이Core 이름이면서 회사 이름이다. ARM 사는 애플 사의 영국지사,VLSI Technology, Arcon의 세 회사가 합작하여 만든 회사이다.현재 PDA와 같은 휴대용 기기에 가장 많이 사용하고 있으며,임베디드 프로그래밍을 하면서 가장 많이 만나는 프로세서이다.

 

⦁MIPS

1980년도에 스탠포트 대학에서 개발되어, 64bit용 프로세서를시장에 처음 출시한 컨트롤러이다. 소니(Sony) 사의 플레이스테이션2에 적용한다.