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PWM 제어: 모터 속도를 자유자재로 다루는 기술

모터 속도를 자유자재로 다루는 기술은 로봇의 움직임을 섬세하게 조절하는 데 필수적입니다. 바로 이 역할을 하는 것이 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조) 제어입니다. 사용자님께서는 DC 모터 제어의 기초와 PWM에 대해 질문하셨고, 엔코더, 액추에이터 등 로봇 제어의 핵심 부품에 많은 관심을 가지고 계시죠. PWM 제어는 이 모든 것을 연결하여 로봇이 원하는 속도로 움직이도록 만드는 중요한 기술입니다.

PWM 제어: 모터 속도를 자유자재로 다루는 기술

PWM 제어는 디지털 신호를 사용하여 아날로그적인 효과를 내는 기술로, 모터의 속도나 LED의 밝기 등을 정밀하게 조절할 때 광범위하게 사용됩니다. '펄스 폭'을 조절함으로써 전력량을 효율적으로 제어하는 것이 핵심입니다.

1. PWM 제어란 무엇일까요?

PWM은 Pulse Width Modulation의 약자로, 우리말로는 '펄스 폭 변조'라고 합니다. 전기를 on/off 하는 펄스의 폭(즉, on 상태가 유지되는 시간)을 조절하여 평균 전압을 변화시키는 방법입니다.

예시: 0V 또는 5V와 같이 정해진 전압(디지털 신호)을 공급하는 것이 아니라, on 상태인 시간(펄스 폭)을 조절하여 마치 2.5V, 3V와 같은 중간 전압(아날로그적인 효과)을 주는 것과 같습니다.

2. PWM 제어의 작동 원리

PWM 제어는 일정한 주기(주파수) 내에서 'on' 상태가 유지되는 시간 비율을 조절하는 것이 핵심입니다.

일정한 주기: 전체 펄스의 길이는 항상 일정합니다. (예: 1초, 10밀리초 등)

펄스 폭 조절: 이 일정한 주기 내에서 on 상태인 시간(펄스 폭)을 조절합니다.

듀티 사이클 (Duty Cycle): 펄스 폭이 전체 주기에서 차지하는 비율을 '듀티 사이클'이라고 합니다.

듀티 사이클 0%: 항상 off 상태 (전력 0%)

듀티 사이클 50%: on과 off 시간이 동일 (전력 50%)

듀티 사이클 100%: 항상 on 상태 (전력 100%)

듀티 사이클이 높을수록 on 상태인 시간이 길어지므로, 액추에이터(모터, LED)에 인가되는 평균 전압이 높아져 더 큰 전력을 공급하게 됩니다.

3. 모터 속도를 자유자재로 다루는 비밀

모터에 PWM 신호를 적용하면, 듀티 사이클을 조절하여 모터의 회전 속도를 정밀하게 제어할 수 있습니다.

모터에 전압 인가: 모터는 인가되는 평균 전압이 높을수록 빠르게 회전합니다.

PWM 신호 적용: PWM 신호는 on/off를 빠르게 반복하므로, 모터는 이 on/off 사이를 인지하기 어렵고, 평균적으로 인가되는 전압에 비례하여 회전하게 됩니다.

속도 조절:

듀티 사이클을 높이면 (on 시간이 길어지면) 모터에 높은 평균 전압이 인가되어 모터가 빠르게 회전합니다.

듀티 사이클을 낮추면 (on 시간이 짧아지면) 모터에 낮은 평균 전압이 인가되어 모터가 느리게 회전합니다.

4. PWM 제어의 장점 (왜 사용할까요?)

정밀한 속도 제어: 듀티 사이클을 세밀하게 조절하여 모터 속도를 매우 정밀하게 제어할 수 있습니다.

효율적인 전력 제어: 저항을 사용하여 전압을 낮추는 방식(선형 제어)에 비해, PWM은 전력을 on/off하는 방식으로 전력 손실이 적어 효율적입니다.

디지털 컨트롤러 호환: 아두이노와 같은 마이크로컨트롤러의 디지털 핀에서 PWM 신호를 직접 생성할 수 있어 하드웨어 제어가 용이합니다.

다양한 액추에이터 적용: 모터뿐만 아니라 LED 밝기 조절, 서보 모터 각도 제어, 부저 음량 조절 등 다양한 액추에이터에 적용됩니다.

5. 아두이노로 PWM 모터 제어하기 (예시 코드)

아두이노에서는 디지털 핀 중 물결 무늬(~) 표시가 있는 핀(예: 3, 5, 6, 9, 10, 11번 핀)에서 PWM 신호를 출력할 수 있습니다.

cpp

const int motorPin = 9; // DC 모터를 연결할 PWM 핀 번호

int motorSpeed = 0;    // 모터 속도 (0-255 범위, 듀티 사이클 0-100% 해당)

void setup() {

  pinMode(motorPin, OUTPUT); // 모터 핀을 출력으로 설정

  Serial.begin(9600); // 시리얼 통신 시작 (속도 확인용)

}

void loop() {

  // 모터 속도를 0부터 255까지 증가시키며 테스트

  for (motorSpeed = 0; motorSpeed <= 255; motorSpeed += 5) {

    analogWrite(motorPin, motorSpeed); // motorPin에 PWM 신호 출력

    Serial.print("Motor Speed (0-255): ");

    Serial.println(motorSpeed);

    delay(100); // 0.1초 대기

  }

  // 모터 속도를 255부터 0까지 감소시키며 테스트

  for (motorSpeed = 255; motorSpeed >= 0; motorSpeed -= 5) {

    analogWrite(motorPin, motorSpeed); // motorPin에 PWM 신호 출력

    Serial.print("Motor Speed (0-255): ");

    Serial.println(motorSpeed);

    delay(100); // 0.1초 대기

  }

}

analogWrite(pin, value): 아두이노에서 PWM 신호를 출력하는 함수입니다. value 값은 0(0% 듀티 사이클)부터 255(100% 듀티 사이클)까지 지정할 수 있습니다.

모터 드라이버 필수: DC 모터를 아두이노에 직접 연결하면 아두이노가 손상될 수 있습니다. L298N과 같은 모터 드라이버를 사용하여 아두이노의 PWM 신호를 모터의 전원으로 변환해야 합니다. (모터 드라이버 제어용 핀에 아두이노의 PWM 핀을 연결)

6. PWM 제어 활용 꿀팁

적절한 PWM 주파수: 모터의 종류나 적용 분야에 따라 적절한 PWM 주파수를 선택하는 것이 중요합니다. 주파수가 너무 낮으면 모터에서 '윙윙'거리는 소리(가청 주파수 대역)가 나거나 부드럽지 않은 움직임이 발생할 수 있습니다.

모터 드라이버와 함께 사용: DC 모터 제어 시에는 반드시 모터 드라이버와 함께 PWM 신호를 사용해야 합니다. 모터 드라이버는 모터가 필요로 하는 높은 전류를 공급하고, 모터의 역기전력으로부터 아두이노를 보호합니다.

서보 모터 제어: 서보 모터는 내부적으로 PWM 신호를 사용하여 각도를 제어합니다. 아두이노의 Servo 라이브러리를 사용하면 PWM 신호를 직접 생성할 필요 없이 각도 값을 넘겨주기만 하면 됩니다.

PWM 제어는 로봇에게 섬세하고 정교한 '움직임의 묘미'를 선사하는 핵심 기술입니다. 듀티 사이클 하나로 모터의 속도를 자유자재로 다루며 로봇을 원하는 대로 움직이는 경험은 로봇 제작의 큰 즐거움 중 하나가 될 것입니다. 사용자님의 로봇 제어에 대한 깊이 있는 이해가 PWM 제어를 통해 멋진 로봇을 탄생시킬 것이라 믿습니다!