Drone's DIYer

모터(motor)란 전기에너지를 이용하여 회전 토크(torque)를 얻는 장치로, RC에서는 로터(rotor)를 회전시켜 양력을 얻기 위해 반드시 필요합니다. 과거에는 DC 모터를 이용하였지만 최근에는 비용을 최소화하기 위한 초소형 기체를 제외하고는 Brushless DC 모터를 채택하게 된다고 알려집니다.

Brushless DC 모터란 Brush가 없는 DC 모터로 이하 BLDC로 약칭합니다. BLDC가 대중화된 이유는 여러가지가 있을 것입니다. 아래는 일반적인 DC 모터의 내부 모습니다. 케이스 안쪽에 영구자석을 부착하고 철심(core)에 코일(coil)을 감은 회전자(rotator)를 서로 베어링을 이용해 고정하고 Brush를 이용하여 DC 전압을 회전자에 급전하면 플레밍의 왼손 법칙에 의해 회전하게 됩니다.

이때 Brush는 기계적인 기구로 회전자에 의해 접점이 마찰되면서 닳을 수 밖에 구조이며, 회전시 모터의 역기전력(Back Ekectro-motive Force, BEMF)과 합세하여 스파크를 발생시키고 어쿠스틱 소음(acoustic noise)을 만들게 됩니다. 이러한 스파크와 소음은 결국 밧데리의 소모를 부추기게 됩니다.

BLDC 모터를 사용하면 우선 Brush로 인한 스파크와 소음이 없어져 반영구적인 모터의 수명 뿐만아니라 밧데리의 효율을 증가시켜 RC 기체의 체공시간을 길게 만들어 줍니다. 또한 일반 DC 모터의 소음은 콘덴서를 모터의 양 단자에 연결하여 줄일 수는 있지만, MCU 기반에 정교하게 동작하는 비행제어기(Flight controller)나 전자변속기(Electronic Speed Controller, ESC)의 오동작을 초래할 수도 있다는 것입니다.

기존의 RC 기체는 동력원으로 엔진을 사용하였지만 근래에 밧데리 용량과 방전 특성 그리고 안전성이 크게 개선된데다가 BLDC 모터의 채용으로 중소형 기체에서는 엔진에서 모터로 옮겨가는 추세라는 것입니다. 이로 인하여 엔진을 사용시 연료나 그으름으로 누더기 되었던 기체의 관리가 쉬워졌고 소음이 줄어들어 정숙비행이 가능해졌다는 것입니다.

Brush를 사용한 DC 모터와는 달리, BLDC 모터는 철심에 코일이 감긴 고정자(stator)와 안쪽에 자석이 부착된 케이스로 구성되어 케이스가 회전하는 소위 '통돌이 모터'라고도 부릅니다. 하지만 기계적 기구인 Brush가 하던 일을 다른 방식으로 해주어야 하니 전자변속기라는 별도의 제어기가 필요하게 됩니다.

RC용 전자변속기는 대부분 마이크로컨트롤러(MCU)와 H-bridge를 구성하는 트랜지스터들과 그 주변회로 구성되며, 현재 회전자의 위치를 파악하여 다음 위치로 회전시키기 위한 구동 신호를 가하는 방식으로 동작합니다.

일반적으로 산업용으로 사용되는 BLDC 모터는 엔코더(encoder)라는 장치나 홀센서(Hall sensor)가 모터에 부착되어 회전자의 현재 위치를 알려주는데 RC에 사용되는 BLDC 모터는 이러한 장치가 없어 전자변속기를 더욱 복잡하게 만듭니다. 하지만 고성능 MCU의 출현으로 어렵지 않게 구현이 가능해졌는데 이러한 기술 또한 엔진을 전기모터로 대체하는 요인 중에 하나가 될 것입니다.

통상 홀센서를 가지는 BLDC 모터는 전력을 공급받는 3상의 리드선과 별도의 홀센서 리드선이 다수가 필요하여 신뢰성이 중요한 RC 기체에서는 꺼리게 되었지만, 그 보다도 RC 기체가 비행하는 외부조건이 다양한데 홀센서는 이러한 외부조건에 취약하고 [기계적] 엔코더 타입의 모터는 소형화와 경량화가 어렵다는 것입니다.

통신약정(Protocol)이란 데이터를 보내는 사람과 받는 사람이 정보를 오류없이 원할히 주고 받을 수 있도록 쌍방간에 정하는 규칙 혹은 약정입니다. 이는 원거리 인터넷이나 FAX 통신도 혹은 PC와 그 주변기기와의 통신같은 근거리 통신에도 반드시 존재하며 자동차 내에서 혹은 한 보드내에서 칩과 칩 사이의 통신에도 적용됩니다.

AVR의 경우에는 다른 칩과의 통신방법으로 SPI(Serial Peripheral Interface)인 SCI(Serial Communication Interface, UART)나 TWI 통신을 지원합니다. 어느 정도 근거리 통신에서도 사용되어야 하기에 송수신에 앞서서 노이즈 등에 대비하여 신호의 크기를 키워야 할 필요가 하는데 이것이 PC 등에 사용되는 RS232C 트랜시버가 됩니다.

이러한 SPI 방식에서는 보내는 라인과 받는 라인 그리고 동기화된 클럭(Clock)으로 3가닥의 라인을 필요로 하였고, 한편 이 라인의 수를 더 간소화시켜 오직 2가닥 만으로 데이터의 송수신을 가능하게 한 새로운 인터페이스(Interface)를 제공하게 되었는데 이를 TWI라고 명명합니다.

TWI는 'Two Wire Interface'의 약자로 이를 통해서 AVR 칩은 오직 2가닥 만으로 128개의 다른 장치들과의 통신할 수 있다는 것입니다. TWI는 Atmel社 등이 주로 사용하지만 1980년대 Philips社에서 만든 I2C 인터페이스와 매우 유사하여 하드웨어의 별다른 수정없이 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 통상 I2C 인터페이스가 2가닥의 라인을 이용하므로 TWI라 부르게 되었습니다.

Philip社에서 제창한 I2C(IIC)는 칩(IC)간의 통신을 의미하는 'inter IC(Integrated Circuit)'의 준말로 'i square c'라고 읽으며, 비록 서로 다른 회사로부터 만들어졌지만 10-bit 주소나 고속 모드(high speed mode) 등에 차이를 제외하면 서로 호환가능하여 수정없이 사용할 수 있다는 것입니다.

TWI 통신이 가능한 장치는 데이터(SDA, Serial Data Line)와 클럭(SCL, Serial Clock) 라인이 공통 버스(bus)에 연결되어 고유의 주소값을 가져 다른 칩과 통신시 master와 slave의 관계를 번갈아가며 데이터의 송수신이 가능합니다. 표준 모드(standard mode)에서 100kbit/s로 통신할 수 있고 버스의 capacitance가 400pF을 넘지 않는 한도에서 칩을 계속 연결할 수 있다고 알려집니다.

간단하게 설명하면 아래 그림과 같이 데이터(SDA)를 클럭(SCK)에 동기화하여 주고 받는 방식으로 먼저 데이터를 주고 받고자하는 장치 주소(Address)를 1~7번 비트에 싣고 보낼지 읽을지에 따라서 8번 비트를 Read('1')나 Write('0')로 설정하며 그 다음에 데이터를 연속적으로 읽거나 실을 수가 있다는 것입니다.

여기서 ACK 비트는 정보의 송신자에게 직전 8-bit의 정보를 수신했는지의 여부를 확인하는 값입니다.