2.6 pwm 기능으로 서보모터 제어하기     c{mpy0206}

 아두이노 우노의 경우 PWM주파수가 980Hz (5,6번 핀)와 490Hz(3, 9, 10, 11번 핀)로 고정되어 있다. 보통의 경우(LED의 밝기를 제어한다든가 소형 모터를 돌릴 때)에는 이 주파수를 사용하는 것에 별 문제는 없다.

[표 1] 아두이노 우노의 pwm 주파수

하지만 중소형 이상의 DC모터를 구동하는 경우에는 보통 10KHz 이상의 PWM 주파수를 사용하므로 아두이노에서 제공하는 기본 주파수로는 DC모터를 구동하기에 적절하지 않다. 이 주파수가 중요한 이유는 만약 PWM주파수가 너무 낮다면 모터의 속도를 정밀하게 제어할 수 없으며 모터에서 소음이 발생하는 경우도 있기 때문이다.

 이런 경우에 PWM 주파수를 변경해야 하는데 아두이노의 표준 API에는 아쉽게도 PWM의 주파수를 조절할 수 있는 함수를 제공하지 않지만 사용자가 만들어 놓은 라이브러리가 있다. 아래의 페이지에 자세하게 설명되어 있다.

• pwm.h 라이브러리

• pwm.h 라이브러리 다운로드 링크

다운로드 받은 파일의 압축을 풀면 세 개의 폴더가 있는데 이 중 PWM 폴더를 아래의 폴더에 복사하여 붙여넣는다.

<아두이노 IDE 설치 폴더>\Arduino\libraries

윈도우즈 시스템에서는 보통 아래의 폴더이다.

C:\Program Files\Arduino\libraries

그러면 아두이노 IDE에 다음 [그림 6.6.1]과 같은 항목이 생성된다. 이 항목을 선택하면 텍스트 에디터에 다음과 같이 인클루드문이 추가된다.

#include <PWM.h>

이것으로 이 라이브러리를 사용할 준비가 된 것이다.

[그림 1] pwm.h를 메뉴에서 인클루드하는 방법

이 라이브러리에서는 다음과 같이 다섯 개의 전역 함수를 제공한다.

[표 1] pwm.h에서 제공하는 전역 함수들

여기서 보면 InitTimers() 와 SetPinFrequency() 함수는 함께 사용되는데 이 함수들은 내부적으로 timer0번을 초기화시킨다. 따라서 시간 관련 함수인 millis(), micros(), delay(), delayMicroseconds() 함수들이 정상 동작하지 않는다. 그리고 3, 5, 9, 10번 핀을 PWM 핀으로 사용할 수 있다.

 반면 InitTimersSafe()와 SetPinFrequency() 함수는 역시 쌍으로 사용되는데 timer0를 초기화시키지 않으므로 시간 관련 함수들이 정상적으로 동작한다. 그리고 3,9,10번 핀을 PWM으로 사용할 수 있다. 두 경우 모두 PWM값을 쓰기 위해서는 analogWrite()함수 대신 pwmWrite()함수를 사용한다.

[표 2] pwm.h 의 두 함수 그룹 비교

시간 관련 함수들이 정상적으로 동작 하지 않는 것은 큰 문제이므로 InitTimersSafe() 과 SetPinFrequencySafe() 함수를 사용하는 것이 좋을 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.

 아두이노의 디지털핀은 오직 HIGH(5V) 아니면 LOW(0V) 두 가지 신호 외에는 출력할 수 없으며 전압의 관점에서 보면 5V와 0V만 가질 수 있다. 하지만 PWM (pulse width modulation, 펄스 폭 변조) 기능을 이용하면 마치 아날로그 전압처럼 0V와 5V 사이의 전압으로 (예를 들면 2V, 3.5V 등) 출력을 낼 수 있다. 따라서 LED의 밝기를 제어한다든가 모터의 회전 속도를 제어하는데 사용할 수 있다.

 PWM은 진정한 의미의 아날로그 출력은 아니고 흉내를 내는 것인데 그 원리는 다음 그림과 같다. (출처 : arduino.cc)

[그림 1] PWM의 원리

이 그림에서 보면 주기적인 구형파를 발생하고 이 구형파의 폭을 조절하여 그 듀티비 (HIGH 구간 대비 LOW 구간의 비율)로 아날로그 전압값을 가지도록 한다. 이 구형파의 주기를 매우 빠르게 (아두이노 우노의 경우 490Hz 혹은 980Hz이다.) 하면 상대적으로 반응 속도가 느린 기계 장치(모터 등)는 이것을 아날로그 전압으로 인식하게 된다.

 예를 들어서 그림 1(b)의 경우 주기의 1/4동안만 on 이 되므로 평균 출력 전압도 5V * ¼ 인 1.25V 정도가 된다. 만약 LED가 연결되었다면 LED는 정확하게 on구간에서만 켜지고 off구간에서는 꺼진다. 하지만 눈으로 보기에는 이것이 인식하지 못 할만큼 고속으로 동작하므로 밝기가 다르게 보이는 것이다.

 아두이노의 모든 핀이 PWM 출력을 낼 수 있는 것은 아니고 아두이노 우노의 경우 3, 5, 6, 9, 10, 11번 핀이 PWM출력을 낼 수 있으며 이것은 정품 보드의 경우 다음 그림과 같이 ~로 표시되어 있다.

[그림 2] 아두이노 우노의 PWM 핀들

PWM의 동작 주파수는 다음과 같다.

• 3, 9, 10, 11번 핀 - 490Hz

• 5, 6번 핀 – 980Hz (5,6번 핀이 좀 더 고속으로 동작)

PWM기능을 사용하기 위해서는 다음과 같은 analogWrite()함수를 이용한다.

그리고 PWM 기능을 사용하기 위해서는 해당 핀을 출력으로 설정하여야 한다.