로봇의 구성요소 - 전기식 모터 (ft. DC모터)

전기식 모터의 구분

모터는 크게 사용전원에 따라 직류모터와 교류모터로 구분된다. 직류모터는 직류 타여자 모터와 직류 자여자 모터(직류 분권 모터, 직류 직권 모터, 직류 복권 모터)로 나누어지며, 교류 모터는 유도모터, 동기모터로 나누어진다. 산업용으로 널리 사용되고 있는 유도모터는 단상전 원을 사용하는 단상유도 모터와 3상전원을 사용하는 3상유도 모터로 분류되며, 사용전압, 보호 형식 등에 분류된다.

모터의  기본법칙

ㆍ오른나사법칙(=앙페르의  법칙)  :  전류에  의해서  발생되는  자력선은  언제나  오른나사가  진행 하는  방향으로  전류가  흐르면  자력선은  오른나사가  회전하는  방향과  일치하는  자력선이  발생되어  나오는  것을  자력선의  오른나사법칙  또는  앙페르의  법칙이라  한다.

ㆍ오른손  엄지손가락  법칙  :  코일이나  전자석의  자력선  방향을  알려고  할  때  이용하는  법칙으 로  오른손의  엄지손가락을  제외한  네  손가락을  전류의  방향에  맞추어  잡았을  때  엄지손가락 의  방향으로  자력선이  나온다(N극).

ㆍ플레밍의  왼손법칙  :  자계의  방향,  전류의  방향  및  도체가  움직이는  방향에는  일정한  관계가  있으며  이것을  왼손을  이용하여보면  도체의  움직이는  방향으로  정확하고도  쉽게  알  수  있다.  왼손의  엄지손가락,  인지,  가운데  손가락을  직각이  되게  펴고  인지는  자력선방향에  가운데  손가락은  전류의  방향에  일치시키면  도체에는  엄지손가락  방향으로  전자력이  작용하는데  이것을  플레밍의  왼손법칙이라  한다.

DC모터

DC 모터는 고정자로 영구자석(혹은 전자석)을 사용하고, 회전자(전기자)로 코일을 사용하여 구성한 것으로, 전기자에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 자력의 반발, 흡인력으로 회전력을 생성시키는 모터이다. 큰 기동 토크, 입력전압의 변화에 대한 직선적인 회전특성, 입력전류에 대한 출력 토크의 직선성, 출력효율의 높이, 가격이 저렴하다는 등 제어용 모터로서 우수한 특성을 지니고 있다.

그 반면에 브러시나 정류자(commutator) 등 기계적 접점을 가지기 때문에 소음이나 수명 등의 문제가 있다. 모형 자동차, 무선조정용 장난감 등을 비롯하여 여러 방면에서 가장 널리 사용되고 있는 모터이다. 도체가 회전할 때 기계적으로 항상 N극 가까이에서는 ◉, S극 가까이에서는 ⊗의 방향으로 전류가 흐르게 하는 구조로 만들어 주면 계속적으로 일정한 방향으로 회전하는 직류 모터가 된다.

실제로는 토크를 크게 하기 위하여 코일을 많이 감는다. 일반적으로 도체에 전기에너지를 공급하여 기계적 에너지로 바꾸는 기계를 모터라 하는데 전자력을 이용하여 동력을 얻는 편리한 기계이다. 플레밍의 왼손법칙(전자력 이용)은 직류모터, 전류계, 전압계 등에 이용된다.

DC 모터의 특징

① 기동 토크가 크다.

② 인가전압에 대하여 회전특성이 직선적으로 비례한다.

③ 입력전류에 대하여 출력 토크가 직선적으로 비례하며, 또한 출력 효율이 양호하다

④ 가격이 저렴하다

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제어성의 장점을 실제 특성면에서 보면

① T-I 특성(토크 대 전류) : 흘린 전류에 대해 깨끗하게 직선적으로 토크가 비례한다. 즉, 큰 힘이 필요한 때는 전류를 많이 흘리면 되는 것이다.

② T-N 특성(토크 대 회전수) : 토크에 대하여 회전수는 직선적으로 반비례한다. 이것에 의하면 무거운 것을 돌릴 때는 천천히 회전시키게 되고, 이것을 빨리 회전시키기 위해서는 전류를 많이 흘리게 된다. 그리고 인가전압에 대해서도 비례한다.

이들 2가지 특성은 서로 연동하고 있기 때문에 3가지 요소는 이 그래프에서 관계를 지을수 있다. 즉, 이들 특성에서 알 수 있는 것은 회전수나 토크를 일정하게 하는 제어를 하려는 경우에는 여하튼 전류를 제어하면 양자를 제어할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 이것은 제어회로나 제어방식을 생각할 때, 매우 단순한 회로나 방식으로 할 수 있는 것이다. 이것이 DC 모터는 제어하기 쉽다고 하는 이유이다. 그러므로 회전특성을 중요시하는 제어 장치에는 우선적으로 DC 모터를 사용한다.

DC 모터의 결점

DC 모터의 가장 큰 결점으로는 그 구조상 브러시(brush)와 정류자(commutator)에 의한 기계식 접점이 있다는 점이다. 이것에 의한 영향은 전류가 흐를 때 전기불꽃(spark), 회전 소음, 수명이라는 형태로 나타난다. 그리고 마이크로컴퓨터 제어를 하려는 경우는 “노이즈”가 발생하게 된다. 따라서 이 노이즈 대책이 유일한 과제가 될 수 있다.

이 노이즈 대책을 위해서는 각 단자와 케이스 사이에 0.01 μF∼0.1μF 정도의 세라믹 콘덴서를 직접 부착한다. 이것으로 정류자에서 발생하는 전기불꽃을 흡수하여 노이즈를 억제할 수 있다. DC 모터의 노이즈 대책에는 콘덴서를 케이스와 단자 간에 직접 부착한다. 콘덴서의 리드는 가급적 짧게 한다.