메카트로닉스는 단순하게는 기계공학과 전자공학의 접목 형태로 이해할 수도 있으며, 세부적으로는 전자회로, 기계공학, 소프트웨어 프로그래밍, 제어공학 등 다양한 분야가 하나로 융합된 형태이다. 따라서 한 권의 책으로 메카트로닉스 전체 분야를 이해하는 것은 불가능한 일이며 본 교재에서는 모터 제어 및 디지털 모션 제어 시스템으로 분야를 한정하였다. 메카트로닉스와 관련된 모든 내용을 백과사전식으로 나열하기보다는 모터 제어와 관련된 내용을 심도있게 다루어 디지털 모션 제어 시스템의 구현에 도움이 되도록 교재를 구성하였다.

반도체 기술 및 이를 기반으로 하는 임베디드 시스템 분야의 급속한 발전은 거의 대부분의 산업 분야에 영향을 미치고 있으며, 메카트로닉스 분야도 예외는 아니다. 마이크로프로세서와 FPGA 등의 디지털 기술을 활용함으로써 과거에는 구현이 불가능하였던 기능도 매우 용이하게 구현할 수 있게 되었다. 하지만, 디지털 모션 제어 시스템 구축에 필요한 내용들이 전기전자계열 학과 교과과정에서 서로 다른 교과목에서 다루어지고 있는 관계로 다양한 분야의 지식을 디지털 모션 제어 시스템에 적용하는 방법을 학습할 필요가 있다. 본 교재에서는 DC 모터, RC서보, 스테핑 모터, 그리고 BLDC 모터 등 4가지 소형 모터에 대하여 각각 모터의 구조, 구동 원리, 구동 회로, 제어시스템의 구조, 그리고 디지털 제어 시스템 구축을 위한 MCU F/W와 FPGA 활용 방법을 다룬다. FPGA를 활용하기 위해서는 VHDL 등의 HDL을 학습하여야 하는데, 본 교재에서는 Verilog HDL를 사용하였으며, 부록에는 FPGA 활용을 위한 Verilog 코딩에 대하여 요약하였다.

본 교재는 C 프로그래밍, 마이크로프로세서, 디지털 논리회로, FPGA, 전자회로, 그리고 제어공학을 배운 학생들을 대상으로 강의하기에 적합하며, 마이크로프로세서를 기반으로 하는 모터 제어 시스템을 활용한 실습 및 프로젝트를 병행한다면 보다 좋은 성과를 거둘 수 있다. 학부 과정의 강의에 적용한다면 각종 모터의 구조와 구동 원리를 학습하고, 별도의 실습 시스템에서 마이컴 F/W 프로그래밍을 통하여 모터 제어를 위한 피드백 제어기를 구현하는 내용이 적합하며, 석사 과정의 강의에 활용한다면 제어 목적에 따른 제어 시스템의 구조 및 FPGA RTL 코딩까지 포함하여 전체 디지털 모션 제어 시스템을 구현하는 프로젝트로 진행하는 것이 적합하다고 본다.

처음 집필을 시작할 때는 지금까지 필자의 경험을 바탕으로 모션 제어 시스템의 구축에 필요한 모든 내용을 반영하고자 하였다. 하지만, 지식과 생각을 글로 표현하는 것이 이해하는 것과는 다른 일이어서 원고 작업을 마무리하는 시점에서는 많이 부족함이 느껴진다. 다만, 이 책의 독자는 필자가 경험했던 시행착오를 동일하게 겪지 않았으면 하는 바램을 가져본다.

CHAPTER 1 메카트로닉스와 모션제어시스템

1.1 메카트로닉스 소개
1.2 모션 제어 시스템의 소개


CHAPTER 2 DC 모터

2.1 DC 모터 소개
2.1.1 DC 모터의 구조
2.1.2 DC 모터의 구동 원리
2.2 DC 모터의 구동
2.2.1 DC 모터의 수학적 모델
2.2.2 DC 모터의 구동 방식
2.3 피드백 제어 시스템의 구성
2.3.1 DC 모터의 피드백 제어 시스템
2.3.2 DC 모터 드라이버
2.3.3 위치 및 속도 측정
2.3.4 디지털 PID 제어기
2.3.5 제어 목적에 적합한 제어 시스템 구조
2.3.6 트래킹 제어를 위한 위치 및 속도 궤적
2.4 DC 모터 제어를 위한 MCU FW 및 FPGA 활용
2.4.1 FPGA를 이용한 PWM 생성기 구현
2.4.2 FPGA를 이용한 엔코더 펄스 카운터 구현
2.4.3 MCU FW를 이용한 디지털 PID 제어기 구현


CHAPTER 3 RC 서보모터

3.1 RC 서보모터 소개
3.1.1 RC 서보모터의 특징
3.2 RC 서보모터의 구조 및 구동
3.2.1 RC 서보모터의 구조
3.2.2 RC 서보모터의 구동
3.3 RC 서보모터의 구동 시스템 설계
3.3.1 PWM 파형 생성기


CHAPTER 4 스테핑 모터

4.1 스테핑 모터 소개
4.1.1 스테핑 모터의 특징
4.1.2 DC 모터와 스테핑 모터의 장단점 비교
4.2 스테핑 모터의 구조 및 분류
4.2.1 기계적 구조에 의한 분류
4.2.2 고정자 권선 결선 구조에 의한 분류
4.3 스테핑 모터의 구동
4.3.1 풀 스텝(full step) 구동 방식
4.3.2 하프 스텝(half step) 구동 방식
4.3.3 마이크로 스텝(micro step) 구동 방식
4.3.4 전류 구동 드라이버 회로
4.4 스테핑 모터의 위치 및 속도 제어
4.4.1 위치 제어
4.4.2 속도 제어
4.4.3 가감속 제어
4.5 스테핑 모터 제어를 위한 MCU FW 및 FPGA 활용
4.5.1 스테핑 모터 제어를 위한 블록선도
4.5.2 MCU와 FPGA를 활용한 스테핑 모터 제어 시스템


CHAPTER 5 BLDC 모터

5.1 BLDC 모터 소개
5.1.1 BLDC 모터의 특징
5.2 BLDC 모터의 구조
5.2.1 BLDC 모터의 구성
5.2.2 BLDC 모터의 권선 결선
5.3 BLDC 모터의 구동
5.3.1 BLDC 모터의 3상 입력과 홀센서 출력
5.3.2 전기적 정류자의 동작
5.3.3 BLDC 모터의 구동 회로
5.4 BLDC 모터 제어를 위한 FPGA 활용
5.4.1 FPGA를 이용한 전기적 정류자 구현
5.4.2 FPGA를 이용한 홀센서 카운터 구현


부록 Verilog 활용

1. Verilog HDL의 기본 개념
1.1 기본 문법
1.2 데이터 타입
1.3 컴파일러 지시어
1.4 모듈과 포트
1.5 계층적 설계
2. Verilog HDL을 이용한 RTL 코딩
2.1 연산자
2.2 연속할당문
2.3 initial vs. always
2.4 블록킹 문장 vs. 논블록킹 문장
2.5 타이밍 제어
2.6 조건문 및 다중 분기
3. 동기식 설계 및 레지스터 전달 표현
3.1 상태 머신(State machine)
3.2 레지스터 전달 표현