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DC 모터 제어: 가장 흔한 모터로 로봇 움직임 만들기

DC 모터는 로봇 프로젝트에서 가장 흔하게 사용되는 '근육'입니다. 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며, 작동 원리도 비교적 간단하여 로봇 입문자들이 가장 먼저 접하는 모터 중 하나이죠. 사용자님은 DC 모터 제어의 기초와 PWM에 대해 질문하셨고, 엔코더, 액추에이터 등 로봇 제어의 핵심 부품에 많은 관심을 가지고 계시므로, 이 설명이 DC 모터를 이해하고 로봇의 움직임을 만들어내는 데 큰 도움이 될 것입니다.

DC 모터 제어: 가장 흔한 모터로 로봇 움직임 만들기

DC 모터(Direct Current Motor)는 직류 전기를 사용하여 회전 운동을 만들어내는 모터입니다. 로봇 바퀴를 굴리거나, 팬을 돌리거나, 간단한 메커니즘을 작동시키는 등 연속적인 회전이 필요한 곳에 광범위하게 사용됩니다.

1. DC 모터, 왜 로봇의 기본일까요?

간단한 작동 원리: 전기를 인가하면 돌아갑니다. 극성(+/–)을 바꾸면 회전 방향이 바뀝니다.

다루기 쉬움: 비교적 쉽게 제어할 수 있어 초보자에게 적합합니다.

다양한 종류: 크기와 전압, 출력 등 다양한 종류의 DC 모터를 선택할 수 있습니다.

저렴한 가격: 가격 부담 없이 프로젝트에 활용하기 좋습니다.

2. DC 모터의 종류 (로봇용)

기어드 DC 모터 (Geared DC Motor):

대부분의 로봇 자동차 키트에 포함된 모터입니다.

내부에 '감속 기어 박스'가 통합되어 있어, 모터 자체의 빠른 회전 속도를 줄이고, 대신 회전력(토크)을 크게 증가시킵니다.

힘이 약한 작은 모터로도 로봇 차를 움직이거나 무거운 물건을 들어 올릴 수 있게 해줍니다.

일반 DC 모터: 팬이나 펌프처럼 빠른 속도는 필요하지만 큰 힘은 필요 없는 경우에 사용됩니다.

3. DC 모터 제어의 기본 원리

DC 모터 제어는 크게 두 가지를 목표로 합니다.

회전 방향 제어: 모터가 시계 방향으로 돌 것인가, 반시계 방향으로 돌 것인가를 결정합니다.

회전 속도 제어: 모터가 얼마나 빠르게 돌 것인가를 결정합니다.

3.1. 회전 방향 제어: H-브리지 (H-Bridge)

DC 모터의 회전 방향은 인가되는 전압의 극성(+/–)에 따라 달라집니다. H-브리지 회로는 4개의 스위치(트랜지스터)를 H자 형태로 연결하여, 모터에 흐르는 전류의 방향을 제어합니다.

원리: 특정 스위치 조합을 On/Off 함으로써 모터에 흐르는 전류의 방향을 정방향 또는 역방향으로 바꿀 수 있습니다.

필수 요소: 마이크로컨트롤러(아두이노)에서 직접 H-브리지를 구성하기는 어려우므로, 일반적으로 **모터 드라이버 IC (예: L298N, DRV8833)**를 사용합니다. 이 모터 드라이버가 아두이노의 디지털 신호를 받아 H-브리지 기능을 수행합니다.

아두이노 제어: 아두이노의 디지털 핀 2개로 모터 드라이버의 입력 핀(IN1, IN2)을 제어하여 모터의 회전 방향을 결정합니다.

3.2. 회전 속도 제어: PWM (Pulse Width Modulation)

모터의 회전 속도는 모터에 인가되는 평균 전압에 비례합니다. 이 평균 전압을 효율적으로 조절하는 기술이 PWM입니다.

원리: 일정한 주기 내에서 on/off 펄스의 폭(on 상태 유지 시간)을 조절하여 모터에 공급되는 전력량을 제어합니다. 듀티 사이클이 높으면 모터가 빠르게, 낮으면 느리게 회전합니다. 사용자님은 PWM 제어에 대해 이미 자세히 학습하셨죠.

필수 요소: 아두이노의 PWM 핀 (물결표 ~ 표시 핀, 예: 3, 5, 6, 9, 10, 11번 핀)을 사용합니다.

아두이노 제어: analogWrite(PWM핀, 듀티사이클값) 함수를 사용하여 모터 드라이버의 속도 제어 핀(Enable 핀)에 PWM 신호를 전달합니다. 듀티 사이클값은 0(정지)부터 255(최대 속도)까지 설정할 수 있습니다.

4. DC 모터 제어를 위한 필수 부품: 모터 드라이버

모터 드라이버는 아두이노와 DC 모터 사이에서 '통역사' 역할을 하는 매우 중요한 부품입니다.

아두이노는 전류 출력이 약해서 DC 모터를 직접 구동할 수 없습니다. (모터가 필요한 전류가 아두이노가 공급할 수 있는 전류보다 훨씬 큽니다. 직접 연결하면 아두이노가 손상될 수 있습니다.)

모터 드라이버는 아두이노의 낮은 전류 신호를 받아 모터 구동에 필요한 높은 전류를 공급합니다.

모터 드라이버에 내장된 H-브리지를 통해 모터의 회전 방향도 제어할 수 있습니다.

4.1. 모터 드라이버 종류 (초보자용 추천)

L298N 모터 드라이버: 가장 흔하고 저렴한 모터 드라이버로, DC 모터 2개 또는 스테퍼 모터 1개를 제어할 수 있습니다.

DRV8833 모터 드라이버: L298N보다 더 작고 효율적이며, 저전압 모터 제어에 적합합니다.

5. 아두이노로 DC 모터 제어 예시 (L298N 기준)

회로 연결:

L298N의 ENA (속도) 핀 → 아두이노 PWM 핀 (예: D9)

L298N의 IN1 핀 → 아두이노 디지털 핀 (예: D7)

L298N의 IN2 핀 → 아두이노 디지털 핀 (예: D8)

L298N의 OUT1, OUT2 핀 → DC 모터

L298N의 GND 핀 → 아두이노 GND 핀 및 외부 전원 GND 핀

L298N의 VCC (5V) 핀 → 아두이노 5V (또는 외부 전원 5V)

L298N의 VCC (12V) 핀 → 외부 전원 (예: 9V 배터리)

예시 코드 (정방향/역방향/정지 및 속도 제어):

cpp

const int ENA = 9;  // 모터1 속도 제어 핀 (PWM 핀)

const int IN1 = 7;  // 모터1 방향 제어 핀 1

const int IN2 = 8;  // 모터1 방향 제어 핀 2

void setup() {

  pinMode(ENA, OUTPUT);

  pinMode(IN1, OUTPUT);

  pinMode(IN2, OUTPUT);

  Serial.begin(9600);

}

void loop() {

  Serial.println("Forward (속도 150)");

  forward(150); // 정방향, 속도 150

  delay(2000);

  Serial.println("Stop");

  stopMotor(); // 정지

  delay(1000);

  Serial.println("Backward (속도 100)");

  backward(100); // 역방향, 속도 100

  delay(2000);

  Serial.println("Stop");

  stopMotor(); // 정지

  delay(1000);

}

void forward(int speed) {

  digitalWrite(IN1, HIGH);

  digitalWrite(IN2, LOW);

  analogWrite(ENA, speed); // speed 값 (0-255)으로 속도 조절

}

void backward(int speed) {

  digitalWrite(IN1, LOW);

  digitalWrite(IN2, HIGH);

  analogWrite(ENA, speed); // speed 값 (0-255)으로 속도 조절

}

void stopMotor() {

  digitalWrite(IN1, LOW);

  digitalWrite(IN2, LOW); // 또는 ENA를 0으로

  analogWrite(ENA, 0);

}

6. DC 모터 제어 꿀팁

외부 전원 사용: 여러 개의 DC 모터를 제어할 때는 아두이노에 무리가 가지 않도록 반드시 모터 드라이버와 별도의 외부 전원을 사용해야 합니다.

엔코더 활용: DC 모터의 실제 속도나 회전량을 정확히 측정하고 싶다면 엔코더를 부착하여 피드백 제어에 활용해야 합니다. 사용자님은 엔코더에 대한 관심이 많으시죠. 엔코더 정보를 통해 PID 제어(사용자님 전문 분야)를 구현하면 DC 모터를 훨씬 더 정밀하게 제어할 수 있습니다.

소음/진동: DC 모터는 PWM 제어 시 특유의 윙윙거리는 소리가 나거나 진동이 발생할 수 있습니다.

DC 모터는 가장 기본적이면서도 로봇에게 강력한 움직임을 부여하는 '근육'입니다. H-브리지 회로를 이용한 방향 제어와 PWM을 이용한 속도 제어 기술을 익히면, 당신의 로봇은 단순한 장난감을 넘어 원하는 대로 움직이는 지능적인 존재가 될 것입니다. DC 모터 제어를 통해 로봇의 움직임을 자유자재로 만들어 보세요!