직류전동기 제어 기술(실용 모터제어 시리즈 1)

대학의 전기공학과에서는 대부분 전기기기나 전동기를 필수과목으로 가르치고 있다. 요즈음에는 서보제어용으로 전자공학과나 제어계측공학과, 메카트로닉스 공학과 등에서도 전동기를 많이 교육하고 있는 추세이다. 그러나, 안타깝게도 대학에서의 이러한 전동기 교육은 구조나 동작원리를 설명하는 정도이고 이를 제어하는 구체적인 기술은 거의 가르치거나 실습하지 않는 실정이며, 이런 실용적인 전동기 제어기술을 다루는 교재조차도 거의 없는 것이 현실이다. 국내외를 막론하고 그렇다.



근래에 들어 각 대학의 IT분야(전기/전자/제어/컴퓨터/통신)의 학부과정에서는 4학년의 학생들에게 전공기술을 익히거나 졸업 자격을 심사하기 위하여 개별적으로 졸업작품을 만들도록 요구하는 경향이 두드러지고 있다. 이것은 학생들이 이러한 과정을 통하여 자기 전공분야의 기술을 적극적이고 구체적으로 공부함으로써 졸업 후에 산업체 또는 연구소로 진출하거나 대학원에 진학할 경우 절실하게 필요한 전공지식이나 실무기술을 좀더 깊이 있게 익힐 수 있는 계기를 만든다는 점에서 매우 바람직한 일이라고 생각된다. 이러한 졸업작품 중에는 전동기를 이용하는 것도 많은데, 학교에서 전동기 제어기술을 제대로 배우지 못하고 스스로 이를 공부할 수 있는 전문서적도 거의 없는 현실이기 때문에 많은 학생들이 적지 않은 어려움을 겪고 있다.



저자는 대학에서 전기공학을 공부하고 대학원에서 전동기 제어기술을 전공한 이후에 평생동안 전동기 제어분야의 기술개발 및 교육에 몰두하여 왔고, 이러한 분야에 필요한 기술중의 하나인 마이크로프로세서 응용 기술에 관한 서적을 여러권 집필하여 출판하기도 하였다. 현재도 대학 및 대학원에서 마이크로프로세서와 전동기 서보제어에 관한 과목을 강의하고 있으나 이를 위한 교재가 부족하여 늘 애로사항을 겪어오던 중에 이제는 더 기다릴 수 없다는 생각으로 직접 용기를 내어 실용 모터제어 시리즈의 책을 구상하고 집필하게 되었다. 이미 학술적으로 전동기 제어기술을 다루고 있는 대학 및 대학원의 교재는 상당히 많이 나와 있으므로 이 실용 모터제어 시리즈의 책에서는 실제로 전동기 제어 시스템의 하드웨어를 설계하고 제어 프로그램을 작성하는 실용적인 기술을 다루고자 한다. 이 책은 대학의 교재로 사용할 수도 있고, 스스로 이 분야의 기술을 익혀서 졸업작품을 만들고자 하는 관련 학과의 학생이나 산업체에서 이 분야의 기술개발 업무를 수행하는 현장 엔지니어들에게도 도움이 될 것이다.



이 책은 실용 모터제어 시리즈의 첫번째로서 전동기의 가장 기본에 해당하는 직류전동기의 제어 기술을 취급한다. 가급적이면 직류전동기의 구조나 원리는 간단히 설명하고, 이를 제어하는 시스템의 하드웨어를 설계하고 제어 프로그램을 작성하는 기술을 직접 독자들이 따라하면서 단계적으로 익힐 수 있도록 설명할 것이다.



2015년 3월 저자 尹 德 鏞 씀

제1장 전동기란 무엇인가





1.1 전동기의 정의 및 분류 11

1. 전동기의 정의 11

[휴게실] 전류의 3대 작용 14

2. 전동기의 분류 15

3. 전동기에 관한 기술용어 정리 18

[휴게실] 전동기의 회전 방향 21

1.2 서보모터 및 서보제어 시스템 22

1. 서보모터의 정의 22

2. 서보제어와 피드백 제어 24

3. 전동기 서보제어에 필요한 액세서리 부품 26

[휴게실] 기어드 모터 28





제2장 RC 서보모터의 제어기술





2.1 RC 서보모터의 구조와 동작원리 31

1. RC 서보모터란 무엇인가 31

2. RC 서보모터의 구조와 동작원리 32

3. RC 서보모터 HS-311 34

2.2 RC 서보모터 HS-311의 제어 프로그램 41

1. 타이머의 PWM 출력을 사용한 제어 프로그램 41

2. 많은 RC 서보모터를 사용할 때의 제어 프로그램 46



제3장 스테핑 모터의 제어기술





3.1 스테핑 모터의 구조와 동작원리 53

1. 스테핑 모터의 구조와 특징 53

2. 스테핑 모터의 종류 및 동작원리 54

3. 스테핑 모터와 관련된 기술 용어 59

3.2 스테핑 모터의 구동방법 64

1. 스테핑 모터의 권선 구조와 결선 방법 64

[휴게실] 스테핑 모터의 권선 확인 방법 69

2. 유니폴라 구동 70

3. 바이폴라 구동 73

4. 5상 스테핑 모터의 구동 75

5. 스테핑 모터의 고속운전 기법 78

3.3 스테핑 모터 NK243의 제어 프로그램 82

1. 유니폴라 구동 방식의 제어 프로그램 82

2. 바이폴라 구동 방식의 제어 프로그램 93





제4장 직류전동기의 제어기술





4.1 직류전동기의 구조와 동작원리 107

1. 직류전동기의 구조와 동작원리 107

2. 직류전동기의 종류 및 특성 109

4.2 직류전동기의 속도제어 기술 111

1. 직류전동기의 수학적 모델링 111

2. 직류전동기의 구동회로와 PWM 제어 117

3. PI 제어의 원리 및 응용 124

4.3 전력용 반도체 스위칭 소자의 사용 기술 130

1. 전력용 반도체 스위칭 소자의 종류 130

2. 다이오드 132

3. 바이폴라 트랜지스터 139

4. MOSFET 150

5. IGBT 163

6. MOSFET의 게이트 구동 방법 164

7. 전력용 반도체 스위칭 소자의 손실 167

4.4 전동기의 회전속도 측정 기술 173

1. 전동기 회전속도 측정 방법의 분류 173

2. 증분형 로터리 엔코더를 사용한 회전속도 측정 177

4.5 전류 측정 기술 185

1. 전류 측정 방법의 분류 185

2. 션트저항을 사용하는 방법 186

3. C/T를 사용하는 방법 189

4. 홀전류센서를 사용하는 방법 191







제5장 초소형 직류전동기의 속도제어





5.1 초소형 직류전동기 FM1502 197

1. 초소형 직류전동기 FM1502 197

2. FM1502의 구동회로 198

5.2 FM1502의 단방향 속도제어 프로그램 200

1. 주기적인 가변속 제어 프로그램 200

2. 가변저항을 이용한 가변속 제어 프로그램 203





제6장 소형 직류전동기의 속도제어





6.1 소형 직류전동기 RA-35GM 207

1. 로터리 엔코더 내장 소형 직류전동기 RA-35GM 207

2. RA-35GM의 구동회로 209

3. 소형 직류전동기 드라이버 소자 L298 214

6.2 RA-35GM의 단방향 속도제어 프로그램 222

1. RA-35GM의 개루프 속도제어 프로그램 222

2. RA-35GM의 속도측정 프로그램 227

3. RA-35GM 제어 실시간 그래픽 프로그램 234

4. RA-35GM의 PI 제어 프로그램 244

6.3 RA-35GM의 양방향 속도제어 프로그램 258

1. RA-35GM의 속도측정 프로그램 258

2. RA-35GM 제어 실시간 그래픽 프로그램 265

3. RA-35GM의 PI 제어 프로그램 276





제7장 OK-128DCM 직류전동기 제어 키트





7.1 OK-128DCM 키트의 구조와 기능 293

1. OK-128DCM 키트의 사양 및 개요 293

2. OK-128DCM 키트의 하드웨어 구조 294

3. TFT-32A 보드의 하드웨어 구조 302

4. OK-128DCM 키트의 조립 및 테스트 308

7.2 AVR ISP 다운로드 케이블 316

1. AVRISP mkII 다운로드 케이블 316

2. AVR Studio를 사용한 프로그램 다운로드 318

7.3 프로그램 개발환경의 구축 326

1. AVR Studio와 WinAVR의 설치 326

2. 예제 프로그램의 설치 332

3. C언어 프로그램의 작성 과정 332

7.4 WinAVR C컴파일러의 기능 정리 334

1. WinAVR의 주요 기능 요약 334

2. 기본적인 헤더파일 및 라이브러리 함수의 요약 346

3. OK-128DCM 키트용 헤더파일 OK-128DCM.h 367

윤덕용 저자 윤덕용은

학력

1981. 2. 서울대학교 전기공학과 졸업

1983. 2. 서울대학교 대학원 전기공학과 졸업(공학석사)

1995. 2. 단국대학교 대학원 전기공학과 졸업(공학박사)



주요 경력

1982. 12.～1984. 5. 삼성전자(주) 종합연구소 근무

1984. 6. ～1985. 2. 한독(주) 컴퓨터기술연구소 근무

1985. 3. ～2006. 2. 국립 천안공업대학 전자계산기과/제어계측과 교수

2005. 3. ～현재 국립 공주대학교 천안공과대학 전기전자제어공학부 교수



저서

마이크로프로세서 응용실습 (1988, 자유아카데미)

16비트 마이크로프로세서 및 IBM PC 하드웨어 입문 (1991, 조원사)

마이크로프로세서 응용 -Z80 MASTER- (1998, Ohm사)

DSP 마스터 시리즈 ① - TMS320C31 마스터 (1998, Ohm사)

DSP 마스터 시리즈 ② - TMS320C32 마스터 (1999, Ohm사)

어셈블리와 C언어로 익히는 80C196KC 마스터(I) (2000, Ohm사)

어셈블리와 C언어로 익히는 80C196KC 마스터(II) (2000, Ohm사)

어셈블리와 C언어로 익히는 8051 마스터 (2001, Ohm사)

어셈블리와 C언어로 익히는 AT89S52 마스터 (2006, Ohm사)

프로세서 응용 시리즈 ① - LCD 모듈의 철저 활용 (2002, Ohm사)

프로세서 응용 시리즈 ② - LCD 모듈 활용 마스터 (2004, Ohm사)

프로세서 응용 시리즈 ③ - ATmega128을 활용한 졸업작품 만들기(I) (2005, Ohm사)

프로세서 응용 시리즈 ④ - 졸업작품 만들기(VII) TFT-LCD 모듈 활용 마스터 (2009, Ohm사)

AVR 마스터 시리즈 ① - AVR ATmega128 마스터 (2004, Ohm사)

AVR 마스터 시리즈 ② - AVR ATmega162 마스터 (2004, Ohm사)

AVR 마스터 시리즈 ③ - AVR ATmega8515 마스터 (2004, Ohm사)

고성능 AVR 정복 시리즈 ① - AVR ATmega128 정복 (2006, Ohm사)

고성능 AVR 정복 시리즈 ② - AVR ATmega1281/2561 정복 (2006, Ohm사)

고성능 AVR 정복 시리즈 ③ - AVR ATmega1280/2560 정복 (2006, Ohm사)

고성능 AVR 정복 시리즈 ④ - AVR ATxmega 패밀리 정복 (2010, Ohm사)

고성능 AVR 정복 시리즈 ⑤ - AVR ATmega128A 바이블 (2011, Ohm사)

ARM 시작하기 시리즈 ① - ARM7TDMI AT91SAM7S256으로 시작하기 (2007, Ohm사)

ARM 시작하기 시리즈 ② - ARM Cortex-M0 STM32F051 마스터 (2013, Ohm사)

실용 모터제어 시리즈 ① - 직류전동기 제어 기술 (2015, Ohm사)

실용 모터제어 시리즈 ② - BLDC 전동기 제어 기술 (계획중)

실용 모터제어 시리즈 ③ - 단상 유도전동기 제어 기술 (계획중)

실용 모터제어 시리즈 ④ - 벡터제어 인버터 설계 기술 (계획중)



주 관심 분야

벡터제어 인버터를 이용한 유도전동기 및 동기전동기 서보제어 시스템 설계

마이크로프로세서를 이용한 자동화 시스템 및 제어계측 시스템 설계

기타 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러 및 DSP 응용 시스템 개발

마이크로프로세서와 마이크로컨트롤러의 기초 및 응용분야 교육