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메이커를 위한 실전 모터 가이드 [다양한 모터 개념과 설정 방법]

  • 원서명Motors for Makers: A Guide to Steppers, Servos, and Other Electrical Machines (ISBN 9780134032832)
  • 지은이매튜 스카피노(Matthew Scarpino)
  • 옮긴이남기혁
  • 감수자하승훈
  • ISBN : 9791161751382
  • 33,000원
  • 2018년 04월 16일 펴냄
  • 페이퍼백 | 392쪽 | 188*235mm
  • 시리즈 : 임베디드 시스템

책 소개

요약

이 책은 드론이나 로봇, 자율 주행 RC카 등을 제작하는데 필수 부품인 모터에 대해 기초 이론부터 활용법까지 다양하게 소개한다. 100% 실전 기술을 중심으로 전기 모터의 작동 원리, 다양한 종류의 모터의 특성과 아두이노 메가와 라즈베리 파이, 비글본 블랙에서 실제로 모터를 제어하는 방법을 소개한다. 이뿐만 아니라 ESC와 드론을 회로 설계부터 조립까지 직접 제작하는 방법과, 최근 많은 관심을 받는 전기 자동차와 테슬라에서 공개한 특허도 소개한다.

이 책에서 다루는 내용

■ 전기 모터가 다양하게 활용되는 이유와 모터의 작동 원리
■ 프로젝트에 적합한 모터 선정하기
■ 모터의 종류에 맞게 제어하는 회로 제작하기
■ 아두이노 메가, 라즈베리 파이, 비글본 블랙으로 모터를 제어하는 프로그램 작성법
■ 기어모터로 원하는 토크를 정확히 내는 방법
■ 리니어 모터로 속도와 정확도를 높이는 방법
■ ESC(전자 속도 제어기) 회로 설계 방법
■ 쿼드콥터 설계 방법
■ 최신 전기 자동차에서 전기 모터를 활용하는 사례와 테슬라의 모터 설계 및 제어 방법 관련 특허 소개

이 책의 대상 독자

제목에서 명확히 드러나듯이, 이 책은 메이커를 위해 저술됐다. 페이저 다이어그램이나 맥스웰 방정식 등이 나온 교과서를 원한다면, 이 책은 적합하지 않다. 모터의 작동 원리와 제어 방법에 대한 실전 지식을 원한다면 이 책이 딱 맞다. 여러 가지 모터의 종류와 각각의 장단점 및 응용 분야에 대해 알고 싶은 독자들도 만족할 것이다.
엔지니어가 아닌 이들도 모터에 대해 이해할 수 있도록 최대한 쉽게 설명했지만, 완전 초보를 위한 책은 아니다. 이 책을 저술할 때는 볼트, 암페어, 옴에 대해 알고 있다고 가정했다. 또한 간단한 회로도는 어느 정도 읽을 줄 알고 시스템의 작동 원리에 대해서는 기본적으로 이해하고 있다고 가정했다.

이 책의 구성

전기 모터에 대한 다양한 주제를 최대한 명확히 전달하기 위해 총 네 부분으로 나눠서 설명한다.
1부. '기본 개념'에서는 모터의 기본 개념과 작동 원리에 대해 소개한다.
1장, ‘전기 모터의 개요’에서는 전기 모터의 역사와 전기 모터의 두 가지 핵심 구성 요소를 설명한다.
2장, ‘기초 이론’에서는 좀 더 깊이 들어가서 모터에서 전압과 전류를 토크와 각속도로 변환하는 원리에 대해 소개한다.
2부. '전기 모터의 종류'에서는 메이커가 사용할 만한 다양한 종류의 모터를 소개한다. 그중에서도 특히 DC 모터와 스테퍼 모터, 서보모터를 중심으로 살펴본다. AC 모터, 리니어 모터, 기어모터도 별도의 장에서 다룬다. 각 모터마다 작동 원리와 제어 방법도 함께 소개한다.
3부. '전기 모터 활용법'에서는 전기 모터를 실제로 활용하는 방법을 소개한다.
9장부터 11장까지는 메이커 사이에서 인기 있는 회로 보드인 아두이노 메가, 라즈베리 파이, 비글본 블랙으로 모터를 제어하는 방법을 소개한다.
12장, ‘아두이노로 ESC 만들기’에서는 ESC를 제작하는 방법을 다룬다.
13장, ‘쿼드콥터 만들기’에서는 쿼드콥터를 제작하는 방법을 소개한다. 마지막 장에서는 전기 자동차와 관련된 주요 주제를 소개한다.
4부. '부록'에서는 내가 유용하다고 생각하는 참고 사항을 정리했다.
부록 A, ‘전기 발전기’에서는 전기 발전기 관련 주제와 다양한 종류의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치에 대해 설명한다. 이어지는 부록 B에서는 이 책에서 언급한 주요 용어들을 모아 설명했다.

저자/역자 소개

지은이의 말

2002년 전기공학 석사 학위를 받을 무렵, 나는 자괴감에 빠진 적이 있었다. 아날로그 회로 이론에 대해서는 빠삭했지만, 현장에서 사용하는 회로 보드에 대해서는 아는 것이 거의 없었기 때문이다. 전기 모터에 적용되는 로렌츠 힘을 계산하는 방법은 알지만, 실제로 모터 컨트롤러가 작동하는 원리는 전혀 몰랐다. 한마디로 수식을 계산하는 프로그램을 작성할 수는 있었지만, 실제로 작동하게 만들 줄은 몰랐던 것이다.
학위를 취득한 지 얼마 되지 않아 최초의 아두이노 보드가 시장에 출시됐다. 이 보드는 구성도 간결하고 가격도 저렴해서 전 세계적으로 전기공학에 대한 관심을 불러일으켰으며, 불과 몇 년 후에 메이커 운동(Maker Movement)이 탄생하게 됐다. 메이커들은 복잡한 수학과 물리 이론에는 관심이 없으며, 실제로 만들 수 있는 데 관심을 갖고 있다. 전기공학에서 그들의 관심사는 3D 프린터나 라즈베리 파이 등을 이용해 멋진 하드웨어를 만드는 것이다. 하지만 메이커들은 모터에 대해서는 두려움을 갖고 있다. 최근 완제품 형태의 쿼드콥터(quadcopter)가 인기를 얻고 있는데, ESC를 직접 설계하거나 로봇 팔을 직접 프로그래밍하는 메이커는 별로 없다. 충분히 그럴 만하다. 모터는 다른 회로 부품보다 훨씬 복잡하다. 전압과 전류 같은 전기 값만 알아서는 모터를 제대로 다룰 수 없다. 토크나 각속도와 같은 물리적인 속성도 이해해야 한다.
전기 모터에 대해 설명하는 것은 쉽지 않다. 이 책은 엔지니어가 아닌 이들도 개념을 쉽게 이해할 수 있도록 저술됐다. 수학 및 물리에 대한 기본적인 배경지식이 필요하긴 하지만, 전반적으로 실제로 만드는 방법을 소개하는 데 주안점을 뒀다. 로렌츠 힘이나 전자기 플럭스와 같은 이론에 대해 설명하기보다는 실전에 유용한 지식을 전달하는 데 신경 썼다. 즉, 복잡한 수식을 쏟아내기보다는 시중에 나와 있는 다양한 종류의 모터와 이들을 제어하는 방법을 소개한다.
모터를 능숙하게 다루기까지 어느 정도 시간과 인내심이 필요하지만, 일단 큰 고비를 넘기고 나면 이전에는 하지 못했던 환상적인 프로젝트를 만들 수 있다. 로봇이나 원격 조종 자동차도 얼마든지 만들 수 있다. 비록 갈 길은 멀지만, 장담하건대 충분히 도전할 만한 가치가 있다.

지은이 소개

매튜 스카피노(Matthew Scarpino)

하드웨어와 소프트웨어 설계 분야에서 12년간 경력을 쌓은 엔지니어다. 전기공학 석사 학위를 취득했으며 CID+(Advanced Certified Interconnect Designer) 자격을 보유했다. 현재는 임베디드 시스템을 위한 소프트웨어를 개발하고 있다. 저서로는 『Designing Circuit Boards with EAGLE』(Prentice Hall, 2014)와 『Programming the Cell Processor』(Prentice Hall, 2008)이 있다.

옮긴이의 말

서점이나 인터넷을 둘러보면 아두이노와 라즈베리 파이 같은 메이커 보드의 기초를 설명하는 자료는 넘쳐나지만, 정작 만드는 대상을 움직이는 데 빼놓을 수 없는 부품인 모터에 대한 설명은 찾아보기 힘듭니다. 처음에는 보드의 기본 사용법만으로도 충분하지만, 실제로 뭔가를 만들어보려면 생각보다 모르는 것이 많다는 것을 깨닫게 됩니다. 특히 드론이나 로봇처럼 모터를 잘 다뤄야 하는 프로젝트를 진행하려면 부품을 구매하고 메이커용 보드에 연결하는 단계부터 막히는 부분이 많습니다. 모터에 관련된 수학과 물리 이론을 다루는 서적은 많지만 파고들기에 난해할 뿐만 아니라 양도 방대하고, 무엇보다 부품을 선정하고 설정하는 데 그다지 도움이 되지 않습니다.
이 책은 메이커용 보드에서 사용하는 대표적인 액추에이터인 모터에 대해 기초부터 활용 방법까지, 저자의 풍부한 경험과 노하우를 반영해 쉽게 설명하고 있습니다. 개인적으로도 궁금했지만 찾기 어려웠던 부분을 명쾌하게 설명해주는 덕분에 번역 작업의 고단함을 거의 잊게 해줄 만큼 이 책의 내용은 유익했습니다. 기초 이론과 실제 보드에서 사용하는 방법을 동시에 제공할 뿐만 아니라, 드론이나 ESC에 대해 부품 구성부터 설계, 제작까지 전 과정에 대해 간략하게나마 개념을 소개한 것은 이 책의 가장 큰 장점이라 생각합니다. 이 책이 기본 보드 사용법만으로는 만족하지 못하고 그다음 단계를 원하는 이들에게 조금이나마 갈증을 해소하는 계기가 되길 바랍니다.
내용의 빠른 이해와 정확한 전달에 초점을 맞추고 번역했으며, 내용과 의미를 최대한 보존하는 선에서 문체와 용어를 현실적으로 표현했습니다. 그래서 때로는 용어의 한글화보다는 원어의 음차 표기를 채택했습니다. 어색한 한자 표현이라도 이미 굳어진 용어는 아쉽지만 그대로 사용했습니다. 나름 완벽을 추구해 번역했지만, 본의 아니게 놓친 부분이 있을 수 있습니다. 실행 및 개선 사항이 있다면 언제든지 연락 주시길 바랍니다.

옮긴이 소개

남기혁

고려대학교 컴퓨터학과에서 학부와 석사 과정을 마친 후 한국전자통신연구원에서 선임 연구원으로 재직하고 있으며, 현재 ㈜프리스티에서 네트워크 제어 및 검증 소프트웨어 개발 업무를 맡고 있다. 에이콘출판사에서 출간한 『GWT 구글 웹 툴킷』(2008), 『해킹 초보를 위한 USB 공격과 방어』(2011), 『자바 7의 새로운 기능』(2013), 『iOS 해킹과 보안 가이드』(2014), 『Neutron 오픈스택 네트워킹』(2015), 『실전 IoT 네트워크 프로그래밍』(2015), 『애플 워치 WatchKit 프로그래밍』(2015), 『현대 네트워크 기초 이론』(2016), 『도커 컨테이너』(2017), 『스마트 IoT 프로젝트』(2017), 『파이썬으로 배우는 인공지능』(2017) 등을 번역했다.

목차

목차
  • 1장. 전기 모터의 개요
  • 2장. 기초 이론
  • 3장. DC 모터
  • 4장. 스테퍼 모터
  • 5장. 서보모터
  • 6장. AC 모터
  • 7장. 기어와 기어모터
  • 8장. 리니어 모터
  • 9장. 아두이노 메가로 모터 제어하기
  • 10장. 라즈베리 파이로 모터 제어하기
  • 11장. 비글본 블랙으로 모터 제어하기
  • 12장. 아두이노로 ESC 만들기
  • 13장. 쿼드콥터 만들기
  • 14장. 전기 자동차
  • 부록 A. 전기 발전기
  • 부록 B. 용어 설명

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완구 블록 제조사 레고에서는
전기 모터센서 블록을 조립해 움직이는 
최초 스마트 토이 '마인드스톰(Mindstorms)'을 출시해 100만대가 팔리는 대히트를 기록했다.

서울시교육청은 학교 밖 메이커 스페이스를 이어주는 길동무 차량을 운영하고, 
정부에서는 3D 프린터 활용 교육을 실시하기 위해 2020년까지 초∙중∙고등학교, 과학관, 도서관에 3D 프린터를 보급한다고 한다.

방과 후 과정이나 대학 강의에서 아두이노와 스크래치로 모터를 작동시키는 메이커 수업처럼
다양한 도구와 재료를 이용한 메이커 수업을 진행하고 있다.  

꿀벌들이 살기 좋은 벌통을 위해 IoT 기술을 도입해 양봉하는 메이커,
어린이와 치매 노인을 위해 위치 추적할 수 있는 NFC칩 내장형 신발을 만드는 메이커 등 
우리나라에서 메이커들이 성장하고 활약하는 다양한 사례를 쉽게 찾아볼 수 있다. 






메이커란 무엇일까? 
2005년 오라일리 미디어(O'Reilly Media)‘메이크 매거진(Make Magazine)’의 창간 후, DIY 2.0시대가 되고  
아두이노 보드와 라즈베리 파이 등이 출시하면서 오픈소스 하드웨어 기술DIY 문화융합했다. 

‘메이커 문화’(Maker Culture)가 확산되면서 
2006년부터는 우리나라를 포함한 전세계에서 메이커들의 DIY 축제 ‘메이커 페어(Maker Faire)’가 개최되고 있어
직접 만든 프로젝트를 공유하고 체험하고 지식을 나눌 수 있다. 



자신이 만들고 싶은 것이 무엇이든 제손으로 만들어 내는 메이커들은 
3D 프린터라즈베리 파이 등을 이용해 멋진 하드웨어를 만들지만, 
다른 회로 부품보다 훨씬 복잡한 모터에 대해서는 두려움을 갖고 있다고 한다. 
모터는 전압과 전류 같은 전기 값만으로는 제대로 다룰 수 없고, 물리적 속성도 이해해야 하기 때문이다.

전기차, 로봇을 움직이고 여전히 붐을 일으키고 있는 드론 3D 프린터에도 쓰이는
'모터'는 기기의 심장 역할을 하기에 모두가 그 중요성을 알지만 다루기는 쉽지 않다. 



<메이커를 위한 실전 모터 가이드>의 저자 매튜 스카피노(Matthew Scarpino)는 이런 어려움을 해결하고자 
작업에 어떤 모터가 적합한지 확실히 판별할 수 있도록 
다른 메이커가 만든 설명서로 도움을 받지 않고도 모터를 제어하는 회로직접 설계할 수 있도록 책을 썼다. 



매튜는 전기 모터에 대한 이해의 수준을 아래와 같이 네 단계로 나눠 설명하며, 
독자들이 1단계 수준에서 2단계 '메이커' 수준으로 올라설 수 있도록 돕고자 한다.


1단계. 하비스트(hobbyist)
"모터에 전압과 전류를 공급하면 샤프트가 회전한다."

2단계. 메이커
"모터의 샤프트는 고정자의 전자석에서 순차적으로 공급되는 전기 에너지를 통해 회전한다. 
회전자의 속도는 전압에 비례하고, 토크는 전류에 비례한다."

3단계. 엔지니어
"모터의 임피던스는 페이저(phasor) Ra + jωLa로 표현한다. 
이때 입력 전압은 Vmsin(ωt + 90°)고, 토크와 속도에 대한 계산 공식은 …"

4단계. 과학자
“도체 주위를 흐르는 전자기 텐서는 강자성체(ferromagnetic)의 도메인에 따라 정렬된다. 
이때 생성되는 자기 벡터장은 물체의 투자율(permeability)에 비례한다.”


메이커는 수학과 물리학의 구체적인 이론보다는 
모터의 작동 원리제어 방법만 이해하면 충분해서 
이 책은 전반적으로 실제로 만드는 방법에 주안점을 두고 소개한다.

이 책을 통해 주어진 프로젝트에 가장 적합한 모터를 고르는 방법과 
대표적인 회로 보드를 이용해 모터를 제어하는 방법,
실전용 모터 제어 회로 설계 방법을 배워서 
멋진 메이커가 되어 보자!



메이커를 위한 실전 모터 가이드는 아래의 인터넷서점에서 만나실 수 있습니다

CC

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