드론의 모터가 뜨거워질 때
STUDY
전기로 움직이는 모든 물건은 열이 납니다. 전열기야 원래 열이 나라고 만든 물건이니 당연하지만 드론은 날기 위한 것이니 열은 필요 없죠. 이 열은 전기 에너지를 회전 에너지로 바꾸고 미쳐 바꾸지 못해 열로 변한 에너지입니다. 소음도 이런 에너지입니다. 그래서 이상적인 모터라면 열이 발생하지 않아야 합니다.
모터나 프로펠러가 걸려 회전하지 못하는 경우도 열이 발생하는 이유는 같습니다. 운동에너지로 변환되지 못한 에너지는 열로 변합니다.
그래서 모터의 열은 고민이 됩니다. 모터의 고장을 신뢰성 측면에서 보면
1) 베어링의 마모
2) 스테이터 코일 절연 파손
으로 나눠지는데 두 가지 파손을 가속하는 인자가 열이거든요.
충돌에 의한 물리적인 파손이 아니라면 모터 수명 고장은 열 때문입니다. 그래서 많은 드론 모터들이 높은 열에도 견디는 절연 코팅을 사용하거나 열이 모터 밖으로 빨리 배출되는 구조를 고민합니다. 정상적인 모터에서 발생하는 열은 큰 문제가 되지 않습니다.
하지만 가끔 스테이터 코일의 절연 코팅을 녹일만한 열이 발생합니다. 모터 구조에 따라 다르지만 대략 손으로 잡고 있기 어려운 정도의 온도까지 올라간다면 다음 점검이 필요합니다.
과도한 D value
드론의 모터는 PID로 제어합니다. 이 제어방법은 조종기 신호와 실제 모터가 동작의 차이를 줄이는 역할을 합니다. P는 일정한 수를 곱해서 빠르게 목표값에 도달하도록 하고 I는 이렇게 도달한 목표가 가지는 오차를 누적한 적분 값으로 최종 목표와 차를 조정합니다.
from wikipedia.org모터에 열과 관련된 제어 값이 D입니다. D는 속도의 변화량 즉 미분 값을 더하거나 빼 줍니다. 속도가 가속된다면 값에 커지고 감속한다면 값이 작아지죠. 덕분에 감속과 가속을 더해 위에 그림에서처럼 D 값은 목표치에 빠르고 부드럽게 도달하도록 돕습니다.
문제는 이 D 값이 너무 크면 목표를 향해 도는 모터를 무리하게 가속과 감속을 반복하게 만듭니다. 이 반복되는 신호 변화에 모터가 따라오지 못하면 그만큼의 에너지가 모두 열로 바뀝니다. 모터의 발열이 이 열을 모두 배출할 수 있다면 이것도 큰 문제가 되지 않지만 그렇지 않다면 스테이터 코일에 열이 누적이 됩니다. 코일의 절연 코팅이 파괴될 때까지 말이죠.
베타 플라이트의 PID 설정에 있는 필터들은 불필요한 신호들에 D 값이 간여하는 것을 막아줍니다. 하지만 그만큼 처리에 시간이 소요되기 때문에 괜찮다면 필터를 생략해서 더 빠른 반응 속도를 기대할 수 있습니다. 그러나 필터가 없으면 D가 이상 신호까지 과도하게 반응해서 모터가 과도하게 열을 발생하는 이유가 되기도 하죠.
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최근 모터는 발열에 많은 발전이 있었지만 기체에 이상 진동이 있다면 문제가 되지 않던 D 값이 과도하게 관여하여 모터를 뜨겁게 만듭니다.
PID의 D 값을 높이지 않고 비슷한 효과를 볼 수 있는 것이 모터 조립부에 적용하는 뎀퍼입니다. 이 고무패드는 모터의 진동을 흡수해서 D 값이 과도하게 간여하지 않도록 돕고 모터의 갑작스러운 움직임에 D 값과 같은 완충 역할을 합니다.
스테이터 코일의 절연 파괴
열에 코일의 절연이 파괴되기도 하지만 반대로 절연이 파괴되면 열이 발생합니다. 전기는 모터의 긴 코일을 지나면서 자력을 만들어야 하는데 절연이 파괴된 부위로 전기가 흐르는 지름길이 만들어지면 전선이 소화하기 어려운 양의 전류가 흐르게 됩니다. 그만큼의 에너지는 모두 열로 바뀝니다.
이런 문제는 드론을 만들 때 주로 발생하는데 모터 고정 볼트가 길어 스테이터 코일까지 올라가 절연을 파괴하는 경우에 발생합니다.
PID 제어에 의한 열은 드론에 모든 모터에서 동일하게 열이 발생하지만 이 경유는 특정 모터에서만 열이 발생합니다.
확인하는 법은 간단합니다. 모터의 전선이 ESC에 연결된 부분과 모터 고정 볼트가 전기가 통하는지 살피면 됩니다. 전기가 통한다면 모터 고정을 다시 확인해야 합니다.
모터 댐퍼도 도움이 됩니다. 볼트와 스테이터 코일과의 거리를 떨어트려주기도 하고 절연의 역할을 하기도 하니까요.
절연 파괴가 일어나는 이유는 다양합니다. 스테이터와 회전부에 이물질이 원인이 되기도 하고
코일이 정상적으로 감기지 않은 것이 원인이 되기도 합니다.
최근의 베타 플라이트와 모터의 발전 덕분에 모터가 너무 뜨거워져 타버리는 경우는 흔하지 않습니다. 하지만 갑자기 너무 뜨거워진다면 무리하게 비행하기보다 잠시 하나씩 원인을 찾아 점검해 보세요.
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