안녕하세요!! 드린이입니다 ::))
오늘은 드론 입문자 혹은 초심자를 위한 드론의 비행 원리 4탄입니다. 4탄은 드론의 구동부의 핵이라고 할 수 있는 모터 그리고 변속기에 대한 내용을 포스팅하겠습니다.
모터
모터의 종류
드론이 하늘을 비행하기 위하여 어느 하나의 요소도 필수가 아닌 부품이 없어 보인다. 모터는 전기에너지를 이용하여 회전 토크를 얻는 장치로, 드론에서는 로터를 회전시켜 양력을 얻어 비행하기 때문에 반드시 필요한 장치이다. 일반적으로 모터의 종류는 브러시(Brush) DC 모터와 브러시리스(Brushless) 모터(BLDC) 모터로 구분된다.
브러시 모터
DC 브러시 모터의 내부 구조는 전기코일의 극성을 바꿔주는 역할을 하는 브러시가 내장되어 있으며, 간단하게 DC 전원만 인가하면 회전하므로 구동 제어부가 필요 없다. 하지만 소음이 있고 기계적 마모로 인해서 열이 발생한다. 보통의 경우는 작은 사이즈의 저가형으로 만들기에 적합하다. 그래서 주로 완구 등 저가형 드론을 만드는 데 사용된다. 하지만 브러시 마모 등의 이유로 내구성이 약해서 오래 사용하기 어려운 단점이 있다.
브러시리스 모터
브러시리스(Brushless) 모터(BLDC)는 3상 교류전원을 인가해서 모터를 구동시키는 방식 즉, 브러시 대신 코일 극성을 변경시켜 주는 변속기(ESC; Electronic Speed Controller)를 추가로 연결하여 사용하는 모터이다. 이 모터는 전류의 방향을 전자적으로 검출하여 주기 때문에 브러시가 필요 없다. 그래서 브러시에 의한 스파크 및 소음이 없어서 반영구적으로 사용할 수 있으며 이에 따라 배터리의 효율이 높아져 드론의 체공시간을 상대적으로 증가시킨다. 하지만 사용 온도 특성에 따라 특정 범위 이상을 넘어가면 효율성이 저하되는 단점도 있다.
주의 사항
브러시리스 모터의 최초 구입 시 왼쪽 나사선으로 프롭과 조립되는 것과 오른쪽 나사선으로 조립되는 것이 다르기 때문에 이를 구분하여 필요한 모터를 확인 후 사용하여야 한다. 그리고 모터의 회전 방향 변경 시 BLDC모터는 3선(U상, V상, W상) 중에서 2선 만을 서로 바꿔서 연결하면 회전 방향이 반대로 바뀐다.
전자 변속기(ESC)
전자 변속기(ESC, Electric Speed Controller)
전자 변속기(ESC)는 BLDC모터의 방향과 속도를 제어할 수 있도록 해주는 장치로 FC(비행제어기)로부터 받은 명령 값에 따라 적정 전압과 전류를 조절하여 모터의 회전수를 조절하여 기체를 제어하는 역할을 한다. 만약 전자 변속기(ESC)가 없다면 프로펠러는 항상 모터가 낼 수 있는 최대 속도로 회전하여 원활한 비행이 불가능할 것이다.
입력 신호
전자 변속기는 비행제어기(FC)로부터 3핀 커넥터를 통해서 PWM 신호 형태로 명령 값을 받는다. 일반적으로 3핀 커넥터 배선 중에서 검정색은 접지(GND)이고, 흰색(노란색) 선은 PWM 신호 입력 선이며 최소 폭 1.0(ms) ~ 최대 폭 2.0(ms)의 PWM 펄스를 입력으로 받는다. 여기서 1.5(ms)가 모터 출력을 중간 정도의 RPM으로 회전시키는 펄스폭, 입력신호 레벨은 0~5(V) 수준이다.
출력신호
3개의 선으로 연결되는 BLDC모터에 모터 회전용 3상 출력전력을 전달하며 출력신호의 크기는 기체에 인가된 전압의 크기와 같다. 이때 출력신호는 U, V, W의 3상 교류로써 BLDC 모터의 회전수에 해당하는 주파수의 출력 형태로 신호를 출력한다.
내부 제어
PWM 펄스를 입력으로 받아서, 그 펄스의 폭 비율에 비례하는 3상 교류출력을 내주는 역할을 하며, 3상 교류 출력의 주파수는 일반적으로 5∼10(KHz)이다.
주의 사항
전자 변속기(ESC)는 동작 간에 열이 발생하므로 기체에 설치할 때는 외부 공기에 의해 직접 냉각되는 위치에 설치하는 것이 바람직하며, 소음에 민감한 수신기와는 가능한 한 분리해서 설치해야 한다. 또, 진동과 충격에 약하기 때문에 케이블 타이, 벨크로, 양면테이프 등으로 단단하게 고정하여야 한다.
오늘 포스팅에서는 드론의 구동부의 핵 모터와 변속기에 대해서 알아보았습니다. 다음 포스팅은 드론에 사용되는 베터리에 대한 포스팅을 예고해 드리며 오늘의 포스팅을 마치도록 하겠습니다.
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