제작자를 위한 모터 — 1부: Adafruit 키트로 헤드 이동 문제 해결

저는 현재 약간 곤란에 쳐해 있음을 인정해야 합니다. 몇 가지 취미 프로젝트에 움직임을 추가하기로 결정했지만 사용 가능한 다양한 종류의 모터 및 액추에이터를 선택하고 배포하는 데 있어 초보자이기 때문입니다. 또한 이 종류의 토크, 기어비 및 기타 항목과 같은 것을 결정하는 데 필요한 것을 속속들이 알지 못합니다.

대학 학위 과정의 일부로 이러한 종류의 강의에 참석했던 기억이 있습니다. 그러나 그때는 1970년대 후반이라고 부르던 암흑 시대였습니다. 지금으로부터 40여년 전의 일입니다. 교수님들이 온갖 종류의 유용한 지식을 가르쳐 주셨다고 확신하지만, 제 작은 뇌가 일에 빠지는 것이 두렵습니다.

제가 항상 말하듯이, "반짝이는 LED를 보여주세요. 그러면 침 흘리는 남자를 보여드리겠습니다!" 저를 '구식'이라고 놀려도 괜찮습니다. 따라서 내 취미 프로젝트의 첫 번째는 안구에 3색 LED를 사용하는 로봇 헤드와 관련이 있습니다. 시작 당시, 저는 저렴하고 좋은(일부는 빠르고 간편한) 플랫폼을 만들려고 했기 때문에 나무와 판지로 무언가를 만들고 모든 것들을 열간 접착제로 고정시켰습니다.

나비가 더 크고 꽃이 더 선명하고 새가 더 달콤하게 노래하는 'Max's World'에서는 모든 것이 좋고 옳았습니다. 그러나 친구 중 한 명이 일련의 행위에 움직임을 추가하면 훨씬 더 굉장할 것이라고 말했습니다. 특히 그는 눈을 좌우로 움직이고, 앞뒤로 기울일 수 있다고 제안했습니다. 또한 헤드 전체를 좌우로 회전하고, 젖히고, 기울일 수 있다고 했습니다.

그 모든 것이, 사용 가능한 다양한 유형의 모터와 액추에이터 중에서 선택할 때 제가 머리가 좋지 않다는 사실로 돌아가게 합니다. 브러시 DC 모터, 브러시리스 3상 모터, 스테퍼 모터, 서보 및 리니어 액츄에이터 간의 차이점을 이해하는 데 있어서는 제 스스로 어느 정도 높은 수준임을 인정할 수 있지만 다양한 응용 제품(예: 로봇 헤드)에 어떤 것을 사용해야 하는지에 대해서는 그다지 알지 못합니다.

서보로 시작

이 모든 것은 어느 정도의 연구를 필요로 하며, 이는 의심할 여지 없이 미래의 블로그로 이어질 것입니다. 그 동안에 제가 즐길 수 있는 무언가를 갖기 위해 방금 Adafruit의 1967 미니 팬/틸트 로봇 공학 키트 2개를 주문했습니다(그림 1).

그림 1: 완전히 조립된 상태로 공급되는 1967 팬/틸트 키트에는 2개의 마이크로 서보(SG-90 또는 SG-92 유형)가 장착되어 있어 좌우로 180° 회전하고 위아래로 150° 기울일 수 있습니다 (이미지 출처: Adafruit)

이제는 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 마이크로 컨트롤러의 디지털 출력 핀으로 이러한 서보를 직접 제어할 수 있다는 것을 알지만, 지금까지 저는 마이크로 컨트롤러와 외부 사이에 일종의 분리 형태를 유지하는 것을 선호해 왔습니다. 이 분리가 전계 효과 트랜지스터(FET)에 지나지 않아도 마찬가지입니다.

최종 구현에서 서보 모터를 사용하기로 결정했다고 가정하고 때가 되면 각 눈에 대해 최소 2개의 서보를, 메인 헤드에 대해 최소 3개~4개의 서보를 제어해야 합니다. 저는 Adafruit의 815 16채널, 12비트 PWM 구동기 기판 중 하나에 투자하기로 결정했습니다(그림 2).

그림 2: I2C 인터페이스를 통해 2개의 마이크로 컨트롤러 핀만 사용하는 이 16채널 PWM 기판은 LED와 서보 모터를 모두 제어하는 데 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Adafruit)

이 기판의 가장 큰 장점은 I2C 인터페이스를 사용하여 제어되므로 마이크로 컨트롤러의 디지털 출력 핀이 2개만 필요하다는 것입니다. 16개의 PWM 출력 각각은 LED 또는 서보 모터를 구동하는 데 사용할 수 있습니다.

브러시리스 DC 모터

무슨 기이한 운명의 장난인지 저는 최근에 모터 노하우가 필요한 또 다른 프로젝트를 고민하기 시작했습니다. 이 모든 것은 3년~4년 전 친구가 저에게 선물했던 왕년의 멋진 가변 커패시터로부터 시작되었습니다(그림 3).

그림 3: 이 가변 커패시터는 한 세트의 금속판을 사용하여 고정자를 형성하고 공기를 유전체로 사용하여 이동식 로터를 형성하는 두 번째 판 세트와 인터리브를 형성합니다. (이미지 출처: Max Maxfield)

공기 유전체를 사용하는 가변 커패시터가 헝가리 엔지니어 Dezső Korda에 의해 발명되었다는 것을 아무도 모를 때였지만 저에게는 빠른 Google이 있었습니다. 그는 1893년 이 발명품으로 독일 특허를 받았습니다.

약 30cm x 30cm x 30cm의 입방체 영역을 차지하는 이 장치는 보기에도 감탄스럽습니다. 기본 구조는 서로 다른 금속으로 형성되었으며 커패시터를 형성하는 구조는 절연 유리 분리기를 통해 프레임과 전기적으로 분리됩니다. 지금도 생산되는지는 모르지만(다소 의심스럽기는 합니다.) 만약 생산 중이라면 그 비용이 얼마나 할까 생각하니 떨립니다.

친구는 제게 선물하기 전에 커패시터를 나무 받침대에 실장하고(더 멋진 것으로 교체하려고 함), 360°로 계속 회전할 수 있도록 엔드 스톱을 제거하고, 모터와 구동 벨트를 추가했습니다(사진의 오른쪽 아래에서 볼 수 있음).

이 멋진 아름다움을 지난 몇 년 동안 사무실 책꽂이 위에서 먼지를 모으는 데 사용했다고 말하는 것이 부끄럽습니다. 몇 주 전에 우연히 이 장치를 보았고 이것으로 무언가를 해야 한다는 생각이 들었습니다.

솔직히 말해서 내부 모터를 살펴보고 3개의 전선이 있는 것을 볼 때까지 이것이 큰 문제가 될 것이라는 생각을 하지 않았습니다. '저런!' 저는 이것이 12볼트 3상 브러시리스 모터임을 확인시켜준 친구에게 전화를 걸었습니다. 친구는 청각적으로나 전기적으로 매우 조용하기 때문에 이 유형의 모터를 사용했다고 말합니다. 따라서, 이제 저는 이 작은 스캠프의 속도와 회전 방향을 제어할 방법을 찾아야 합니다.

결론

제가 어떤 일에 뛰어드는 경향이라는 것도 알고 있고 그러한 행동이 제 미래의 취미 프로젝트에서 더 많은 부분을 차지할 것이라는 것도 확신하기 때문에, 저는 모터와 액추에이터에 대해 자세히 알아보기 시작할 것입니다. Adafruit의 1967 팬 앤 틸트 키트와 817 PWM 기판은 시작하는 데 매우 유용한 것으로 판명되었으며 향후 프로젝트에 사용될 가능성이 가장 높습니다.

저는 방금 Matthew Scarpino의 'Motors for Makers: A Guide to Steppers, Servos, and Other Electrical Machines' 책도 주문했습니다.

이후 블로그에서 더 자세히 알려드리겠습니다. 그동안 공유하고 싶은 아이디어가 있으신가요? 언제든지 의견, 질문 및 제안 사항을 보내주세요.