아두이노 모터 쉴드 (R3) 사용법을 정리해 보았다. 이것을 이용하면 DC모터를 아두이노로 쉽게 제어할 수 있다.

   Arduino Motor Shield R3 page

일단 기본적인 특성은 다음과 같다.

• 동작전압 : 5V to 12V

• 모터제어IC: L298P (두 개의 DC모터 혹은 1개의 스테핑모터 제어 가능)

• 최대 전류 :채널당 2A 혹은 4A(두 채널을 병렬로 연결시)

• 전류 센싱 : 1.65V/A

• 강제 정지(brake) 기능

 모터의 전원은 반드시 별도로 연결해 주어야 하는데 아두이노의 2.1파이 DC잭에 연결해도 되고 쉴드의 스크류단자에 전선으로 연결해도 된다. 그런데 사용 설명에는 모터 전압이 9V 이상이면 아두이노와 쉴드의 전원(Vin)을 분리하는 것이 바람직하며 '쉴드 뒷면의 "Vin Connect" 점퍼를 절단하면 된다'고 설명되어 있다. 이 경우 쉴드에 직접 인가할 수 있는 전압의 최대값은 18V이다.

 사용되는 핀은 다음과 같다.

[표 1] 모터쉴드 R3의 핀 배열

[그림 1] 모터 쉴드 R3의 핀 기능

모터 회전 시에 PWM을 0 으로 인가하면 전압이 0으로 떨어지고 모터 축은 관성에 따라 천천히 멈추게 되지만 이에 반해서 Brake는 강제 정지를 할 때 사용되는 핀으로 HIGH가 되는 순간 모터가 곧바로 멈추게 된다.

 이것을 아두이노Due 와 연결해서 동작시킬때 Due의 동작 전압이 3.3V이므로 맞지 않을 것이라고 짐작했으나 다음 페이지에 설명된 대로 직접 연결해도 아무런 문제가 없다.

   Arduino Due + Motor Shiled : DC motor

단 모터 전원이 9V이상일 때는 Vin은 분리하는 것이 좋을 것 같다.

 이 쉴드에 대해서 한 가지 아쉬운 점은 PWM(A) 핀으로 3번 핀을 사용하고 있어서 인터럽트 하나를 쓰지 못하게 한다는 것이다.

 DC모터는 영구자석의 자기장과 그 자기장 속에 놓여 있는 도체에 흐르는 전류에 의해 발생한 전자력 간의 반발력으로 회전하는 구동기이며 DC전원을 사용한다. 기동 토크가 크며 인가되는 전압에 대해 회전 특성이 선형적으로 비례하며 가격이 저렴한 장점이 있는 반면에 구조상 브러시(brush)와 정류자(commutator)에 의한 기계적 점점이 있다는 단점이 있다. 이 접점으로 인해 회전 시 전기적인 불꽃이나 잡음이 발생하며 이는 uC로 제어할 때는 고려하여 제거하여야 한다. DC모터는 인가 전압의 극성을 바꾸어 인가하면 방향을 바꾸어 회전한다.

[그림 1] 다양한 DC모터들

 만약 아두이노의 전원이 PC의 USB에서만 공급된다면 DC모터를 직접 구동하는 것은 무리가 있다. DC모터는 보통 큰 전류가 필요하기 때문에 최대 공급 전류가 최대 500mA 정도인(노트북인 경우 공급 전류량은 더 작아진다.) USB로 직접 구동할 수는 없다. 그러나 구동 전류가 작은 초소형 모터의 경우 USB전원으로도 충분해 제어할 수 있으며 이 경우 높은 회전 속도나 큰 토크(회전력)을 기대할 수는 없다. 중형 DC모터를 아두이노로 제어하려면 전용 모터 제어 쉴드를 사용하는 것이 유리하다.

소형 DC모터의 제어

 실험을 위해서 [그림 2]와 같은 3V로 구동되는 소형 DC모터를 선택하였으며 드라이버 IC로는 소형 DC모터의 구동에 많이 쓰이는 BA6208을 사용하였다. 소전류로도 구동이 가능한 초소형 모터이므로 USB전원만으로도 제어하는데 충분하다.

[그림 2] 실험에 사용된 초소형 DC모터

BA6208은 소형 DC모터 구동 IC이다. SIP패키지의 BA6208 외형은 [그림 3]과 같다. 그림에서 보면 홈이 파인 쪽이 1번 핀이다. 논리부와 출력부로 구성되는데 논리부는 모터의 회전 방향을 제어하며, 출력부는 논리 제어에 따라 100mA까지 출력 전류를 공급할 수 있다. 공급 전압의 최대 값은 18V이다

[그림 3] BA6208의 외형과 핀 기능

다음 표는 BA6208의 논리 값에 따른 동작을 정리한 것이다.

[표 1] BA6208의 입력 신호에 따른 모터 동작 표

아두이노 우노의 5번과 6번 핀을 BA6208로 연결하여 모터를 제어하도록 하겠다. 결선도는 다음 그림과 같다. VCC는 아두이노 우노의 3.3V핀과 연결한다.

[그림 4] 아두이노와 BA6208 그리고 모터의 결선도

 한 가지 유의할 것은 DC모터가 회전하면서 발생하는 전기적인 잡음 때문에 전원이 불안정해질 가능성이 있으며 이것은 전체 시스템이 불안정하게 만드는 요인이 되기도 한다. 이를 억제하기 위해서 BA6208단의 VCC와 GND 사이에 커패시터(10uF)을 연결하여 전원을 안정시키는 것이 좋으나 아두이노 우노 보드를 사용하는 경우 전원을 안정화 시키는 회로가 포함되어 있으므로 별도로 커패시터를 달아 줄 필요는 없다.

 다음 예는 1초 간격으로 모터의 회전 속도를 바꾸는 예제이다.

PWM을 이용한 속도제어

 이제 analogWrite() 함수를 이용하여 속도를 제어해보도록 하겠다. 다음 예제는 시리얼 통신으로 PC에서 -255~255 사이의 정수를 입력하면 그 값을 analogWrite()함수로 내보내어 모터의 속도를 조절하는 예제이다.

이전에 언급한 바와 같이 아두이노의 PWM 주파수는 490Hz, 980Hz인데 소형 모터를 제어하기에는 무리가 없다.

 고휘도 LED는 이전 실험에서 사용된 일반 LED보다 밝기가 대폭 개선된 LED이다.

[그림 1] 고휘도 LED

일반적인 LED와 외형은 큰 차이가 없지만 밝기가 획기적으로 개선된 것이고 전력 효율이 높아서 가정용 조명이나 신호등, 차량의 전조등 등으로 널리 사용된다.

 구동 회로는 일반 LED와 다르지 않게 저항을 직결하여 전원이 연결하면 되는데 문제는 저항값으로 어떤 값을 사용하는가이다. 데이터쉬트를 살펴보면 최대 허용 전류는 20mA 이고 (전류가 클수록 더 밝다.) 이 전류가 흐를 때 다이오드 양단의 전압 강하는 3.0~3.6V 이다. 따라서 만약 5V 전원을 사용하고 최대 전류를 흘릴 때 전압강하가 3.0V라고 가정하면 저항값은 오옴의 법칙에 의해서 다음과 같이 간단히 계산할 수 있다.

이 저항값이 허용되는 가장 최소 저항이므로 이것보다 큰 용량의 저항을 선택하면 구동하는데 무리가 없을 것이다. 실습에는 100 Ω의 저항을 선택했다.

첫 번째 실험

 첫 번째 예제로 서서히 밝아졌다가 다시 서서히 어두워지는 동작을 하는 프로그램을 작성해 보자.

위 프로그램에서 delay(15) 함수를 이용하여 서서히 밝아지거나 서서히 어두워지는 효과를 내었다.

두 번째 실험

 두 번째로 스위치를 누르면 고휘도 LED가 서서히 켜지는 프로그램을 작성해 보자. 완전히 꺼진 상태에서 최고 밝기로 켜지는 시간은 4초로 설정한다. 버튼을 떼면 그 즉시로 고휘도 LED가 꺼져야 한다.

전술한 바와 같이 analogWrite()함수의 두 번째 인수의 범위는 0~255이다. 따라서 ❶에서 이 범위를 넘으면 (즉 256이 되면) 255값을 계속 가지도록 if 문으로 처리했음을 유의해서 보자.

세 번째 실험

 이전 실험에서는 스위치를 떼면 그 즉시 꺼졌지만 이번 예제에서는 서서히 꺼지는 부분을 추가해 보자. 꺼지는 속도는 완전히 켜졌을 때에서 완전히 꺼질 때까지의 시간이 4초 정도 되게 설정한다.

이 프로그램의 동작은 스위치를 누르고 있으면 서서히 켜지고 떼면 다시 서서히 꺼지게 된다. analogWrite()함수의 두 번째 인수의 범위는 0~255이다. 따라서 ❶과 ❷에서 이 범위를 넘으면 그 한계값을 계속 가지도록 if 문으로 처리했음을 유의해서 보자.