출처 : http://www.wowdro.com/bbs/board.php?bo_table=diy&wr_id=15
안녕하세요 와우드로입니다.
입문용 드론으로 맛보기를 하신분들은 항공촬영에 재미를 붙여 팬텀등으로 가시는 분들이 계시고
DIY 자작 드론으로 레이싱쪽으로 입문하시는 분들도 계신데요
제가 요즘 자작 DIY 드론에 관심이 가서 아직 자료도 별로 없고 해서
자료수집겸 해서 포스팅을 하기로 하였습니다.
같이 배워보는 입장이니 틀린점 있으면 지적해주시고 리플로 많은 의견 달아주세요.
1장에 이어 2장에서는 프로펠러, 배터리, ESC(Electronic Speed Controller), 배터리에 대해 알아보겠습니다.
4. 프로펠러
쿼드콥터는 두개의 시계방향(CW)과 두개의 반시계방향(CCW) 프로펠러를 사용합니다. 프로펠러는 길이와 피치(pitch)에의해 분류됩니다. 예를들면 5 x 3(5030) 프로펠러는 5인치 길이의 3피치 프로펠러를 말합니다. 프로펠러의 길이가 길면 풍량도 커지고 더 큰 추력을 얻을 수 있습니다. 하지만 그만큼 모터에 큰 힘을 요구하기 때문에 모터의 회전수는 줄어들게 됩니다. 피치란 프로펠러가 한번 회전할때 이동하는 거리를 뜻하는데 프로펠러가 휘어있는 각에 따라 다릅니다. 간단히 말하면 높은 피치는 느린 회전을 의미하고 더 많은 전력을 사용하며 속도를 증가시킵니다.
일반적으로 낮은 피치일수록 더 많은 토크(회전력)가 생성되기 때문에 모터는 큰 힘을 들이지 않고 회전 할 수 있습니다. 곡예 비행이나 드론레이싱처럼 급격하게 방향을 틀어야 하는 경우에는 낮은 피치가 필요합니다. 또 낮은 피치 프로펠러는 안정성을 향상 시킵니다. 이것 저것 복잡하다 싶으면 보통은 모터 사양에 추천 프로펠러의 크기와 피치가 표시되어 있습니다. 거기에 맞추어 고르시면 됩니다. 다만 추천사양보다 큰 프로펠러를 사용하면 모터는 설정된 회전수(Kv)에 맞게 돌리기 위해 더욱 많은 전류를 뽑아낼것이고 그러면 ESC나 모터가 타버리는 경우도 있으니 모터의 능력보다 큰 프로펠러는 금물입니다. 또한 너무 작은 프로펠러를 쓰면 모터가 지나치게 빨리 돌게 되므로 모터에 손상이 올 수도 있습니다.
레이싱용 미니쿼드는 5~6인치 프로펠러를 사용합니다. 프로펠러는 일종의 소모품으로 특히나 빠른 스피드로 나무 사이나 작은 구멍을 헤집고 다니는 레이싱 드론에게는 특히 자주 부러지는 소모품입니다. 요즘엔 미니 쿼드 드론레이싱이 엄청난 붐이 일고 있기때문에(외국의 경우 입니다.. 한국도 점차 관심은 많아지는것 같습니다) 프로펠러 브랜드와 재질이 다양해 졌습니다. 프로펠러는 쿼드콥터 부품중에선 싼 편이기 때문에 몇종류를 선택해서 테스트 해보는 것이 좋습니다.
이름 | 재질 | 가격(1쌍) |
플라스틱 | $1.1 | |
플라스틱 | $1.9 | |
나일론 | $1.3 | |
플라스틱 | $1.75 | |
카본 | $5.22 | |
HQ 5030 | 유리섬유 | $2.5 |
HQ 5040 | 유리섬유 | $2.5 |
HQ 5040 Triblade | 유리섬유 | $3.5 |
HQ 5045 Bullnose – cut down 6045 | 유리섬유 | $3.5 |
HQ 6030 | 유리섬유 | $3.5 |
HQ 6045 | 유리섬유 | $3.5 |
ABS | $1.8 | |
FC 5045 Triblade |
| $2 |
카본 | $30 |
5. 배터리
쿼드콥터의 배터리는 가벼운 리튬폴리머 배터리가 주로 쓰입니다. 하지만 저렴한 가격의 니켈수소 배터리가 쓰이기도 하는데 리튬폴리머 배터리보다 훨씬 무겁습니다. 배터리를 선택할때 고려해야 할 사항은 세가지입니다.
셀 수(cell count) - 전체 배터리를 구성하고 있는 내부 소형 배터리의 개수를 보통 셀(CELL) 이라고 합니다. 즉 3S 란 말은 3개의 소형 배터리가 직렬(series)로 연결되어 있다는 말입니다. 3SP1 배터리는 3개의 배터리가 직렬로 연결되어 1개의 병렬(parallel)을 이룬다는 말입니다. 일반적으로 선택한 모터의 제조사 스펙에 보면 추천 셀 수 가 표시되어있습니다. 4S 배터리가 3S배터리보다 빠르다는 말은 무조건 적인것은 아니며 프로펠러와 모터의 궁합에 따라 3S배터리를 사용하는 쿼드콥터가 4S배터리의 쿼드콥터보다 빠를 수 있습니다.
용량(Capacity) - 미니쿼드의 가장 인기있는 배터리 용량은 1300mAh ~ 2200mAh 사이 입니다.더 많은 용량은 더 긴 비행시간의 이점이 있지만 배터리는 용량이 커질수록 무거워 지기 때문에
배터리용량에 따른 비행시간 그래프
위의 그래프처럼 배터리 용량이 커질수록 비행시간의 증가량은 적어지게 됩니다. 그래서 결국은 더 커진 배터리 용량으로 비행시간의 상승을 얻을수 없는 지점에 도달하게 됩니다.(심지어는 비행시간이 오히려 적어 질 수 있음) 무게와 용량 사이의 균형점을 찾는것이 중요합니다.
방전률(C rating) - C rating은 배터리의 최대 방전률을 의미하며 배터리의 Discharge(방전)스펙에서도 찾을 수 있습니다. 이 방전률로 공급가능한 최대 전류를 구할 수 있습니다.
최대 전류 소모량 = 배터리용량 * C rating
예를들어 30C 2000mAh 배터리의 최대 전류 소모량은 30C * 2000mAh = 60A 인 것입니다. 이 배터리는 60A까지 전류를 안전하게 소비 가능하며 60A를 넘는 방전률로 소비할 경우 배터리가 과열되거나 저전압 상태가 될 수 있습니다. 따라서 이때 모터의 총 소모 전류량이 60A를 넘지 말아야 합니다.
배터리 브랜드는 Turnigy Nano-Tech, Zippy, Gens Ace등이 있습니다. 서로 다른 용량과 방전률을 가지고 있으니 스펙을 꼭 확인하셔서 선택하시기 바랍니다.
Turnigy nano-tech 1300mAh 3S 45~90C Lipo Pack
ZIPPY Compact 1300mAh 3s 40c Lipo Pack
6. ESC
변속기(Electronic Speed Controller)는 FC에서 보낸 신호로 모터의 속도를 제어하고 배터리에서 모터에 사용되는 전력을 뽑아내기 위해 사용됩니다. ESC 선택은 모터 스펙에서 권장하는 ESC의 전류량(A)을 보고 선택하면 됩니다. 가급적이면 권장하는 ESC 전류량보다 좀 더 넉넉하게 선택하시면 좋습니다(10A일때 15A등) 일부 ESC 경우 지정된 출력보다 조금 덜 나오는 경우도 있기 때문입니다. 스펙이 나와있지 않은 모터라면 아래의 공식으로 ESC 전류량을 추정할 수 있습니다.
W(와트) = V(볼트) * A(암페어)
이 계산식에 따라 120W의 모터와 11.1V(3셀)배터리를 사용한다고 하였을 때
120W = 11.1V x ?A 공식 대입으로 ECS 전류량은 10.8A가 나옵니다.
즉 10.8A가 요구되므로 11A 이상의 ESC를 사용하면 적당하다고 추정해 볼 수 있습니다.
ESC는 모터마다 한개씩 연결하는 개별 변속기가 있고 ESC 한개에 4개의 모터를 연결 할 수 있는 통합변속기가 있습니다.
통합 변속기는 고장이 났을때 교체비용이 크므로 자신에게 맞는 제품을 고르시면 됩니다.
요즘 나오는 ESC에는 BEC이 포함된 제품이 많은데 BEC이 포함되지 않은 ESC를 OPTO ESC라고 합니다. 그럼 이 BEC(Battery Eliminator Circuit)이 무엇인지 알아보겠습니다.
BEC
트롤러의 전파를 수신하는 수신기 등의 장치는 전원으로 4.8V 배터리를 전원으로 사용합니다. 그런데 전동 기체인 경우에는 이미 모터의 전원으로 쓸 배터리를 장착하므로 무선 수신기 전원을 별도로 준비하는것이 번거롭고 비효율적입니다. 그래서 모터의 전원에서 5V를 분리해서 무선 수신기의 전원으로 사용하는데 이를 BEC라고 합니다. 리튬폴리머 배터리(7.4~11.1V, 3셀이하)를 전원으로 하는 전동기체에 사용되는 ESC에는 대부분 BEC가 내장되어 있는데 배터리를 연결하는 단자와 모터와 수신기에 전원을 연결하는 단자가 나와 있어 무선 수신기에 전원을 공급할 수 있게 됩니다.
BEC가 내장된 ESC의 모습입니다. 좌측 3가닥의 라인은 브러시리스 모터에 연결하고 우측의 긴 단자가 BEC입니다.
BEC는 일종의 전압조절기로 전압을 변환(ex:11.1V->5V)시키고 일정하게 유지하는 역활을 합니다.
BEC의 변압 방식은 크게 리니어와 스위칭 2가지 방식으로 나뉩니다.
리니어 방식은 쉽게 설명하자면 컵에 물을 따를 때 먹을 만큼만 따르고 나머지 물은 버리는 것입니다
(11.1->5V라면 5V를 공급하고 나머지는 열로 소모시켜 발열현상 발생)
구성이 간단하고 가격이 저렴하고 전원의 품질(노이즈, 전압유지)이 뛰어납니다.
대신 효율이 낮아 열이 발생하므로 방열에 주의하여야 합니다.
스위칭 레귤레이터 방식은 전원공급을 고속으로 스위칭(On/Off)하는 방식 입니다.
구성이 다소 복잡하고 가격이 비싸지만 효율이 매우 높고 열발생이 적습니다.
입력과 출력의 전압차가 높고 전류가 높은 경우에 적당합니다.
대신 스위칭 방식에 따른 노이즈가 발생하여 정밀한 제품이나 노이즈가 염려되는 경우에는 적당하지 않습니다.
ECS에 BEC이 포함된 제품이라면 제품스펙에 어떤 방식의 BEC인지 나와있습니다.
UBEC
고출력의 ESC는 BEC가 내장되지 않은 경우가 있습니다. 이 경우 수신기 배터리를 별도로 준비하거나 외장형태의 BEC를 준비해야하는데 이렇게 외장형태의 BEC를 UBEC라고 합니다. UBEC에 전원을 공급하기 위해 ESC의 배터리 단자에 UBEC의 전원 단자를 결선 합니다. 이렇게 해서 ESC에 배터리를 연결하면 UBEC에도 전원을 공급할 수 있게 됩니다
UBEC의 모습
이 방식의 장점은 ESC에 문제가 발생하더라도 UBEC에는 전원이 공급되어 수신기가 동작할 수 있어 ESC에 문제가 발생한 위급상황에서도 최소한의 제어를 보장해 줍니다. 또한 ESC와의 분리로 인해 발열문제 및 관리에 용이합니다.
대체적으로 3셀(~11.1V)까지의 쿼드콥터는 ESC에 포함된 리니어 방식의 BEC 정도면 적합합니다.
다만 테스트 시 열이 많이 발생할 경우에는(손으로 만질 수 없을 정도) 스위칭 방식 또는 더 큰 용량의 BEC을 가진 ESC로 변경 하거나 UBEC사용을 고려해야 합니다. 조건을 바꾸어 테스트를 하여 발열문제를 해결한 후 기체를 운용하도록 합니다.
펌웨어
ESC에는 성능향상과 더 빠른 응답속도, 안정성을 위한 펌웨어가 셋업되어 있는데 멀티콥터용 펌웨어는 SimonK, BLHeli 가 유명합니다.펌웨어는 기본적으로 공장 초기화 되어있으며 연결 툴을 이용하여 펌웨어 업그레이드및 프로그래밍을 할 수 있습니다.
ESC 이름 | 정격전류 (최대) | 가격 | CELL 허용 | 무게 | BEC |
12A (16A) | $8.3 | 2S – 4S | 10g | SBEC | |
20A (30A) | $10.8 | 2S – 4S | 18g | SBEC | |
20A | $11 | 2S – 4S | 7.6g | OPTO | |
20A | $11.4 | 2S – 4S | 7.6g | OPTO | |
12A (15A) | $8.6 | 2S - 3S | 8g | LBEC | |
20A (25A) | $9.6 | 2S - 3S | 28g | LBEC | |
40A (50A) | $12.6 | 2S - 6S | 41g | UBEC | |
12A (20A) | $7.9 | 2S – 4S | 10g | OPTO | |
20A (30A) | $9.4 | 2S – 6S | 23g |
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