멀티콥터용 모터 선택방법

드론/쿼드콥터 2016.10.26 18:09 Posted by 드론의 미래가 궁금한 푸른하늘이

이 간단 가이드는 쿼드콥터 혹은 멀티콥터에 맞는 모터를 선택하는 방법에 대해 기술한다. 이를 결정하기 위해서는 스스로 추력 데이터 테이블(thrust data tables)에 있는 통계를 여러번 테스트하는 게 바람직하다. 다행스럽게도 평판좋은 제조사들은 필요한 테스트를 이미 수행하였으므로, 당신이 직접할 필요없이, 이 테이블만 보면 원하는 정보를 얻을 수 있다. 이 글에서 사용하는 MT1801 모터에 대한 추력데이터 테이블은 아래와 같다.

브러시리스 모터에 대해 아무것도 모르겠다면, 브러시리스 모터 초보자 가이드를 읽어보길 바란다.

어디서 시작할까?

가장 먼저 알아야 할 것은 멀티콥터의 무게이다. 처음 드론을 조립하고자 계획할 때 정확한 무게를 알기는 어렵다. 하지만, 어딘가에서 시작하여 부품을 선택하고 바꾸다보면 무게를 좀 더 정확히 추정할 수 있게 된다.

나는 제일 먼저 어떤 프레임을 사용할 것인지를 아는 것으로부터 출발한다. 프레임 사이즈가 정해져야 모터와 프로펠러 최대 크기를 결정할 수 있기 때문이다. 대부분의 판매용 프레임은 어떤 모터를 사용해야 할 지를 추천하므로, 무엇을 찾아봐야 할 지 어느정도 감을 잡을 수 있을 것이다. 나는 또한 카메라와 짐벌의 무게를 추가할 예정이다.

추력대 무게 비

먼저 제일 중요한 점은 모터의 추력이 드론의 총 무게에 비해 2배 이상 되어야 한다는 것이다. 다른 말로 중간 throttle 에서 호버링이 가능해야 한다는 것이다. 이것은 중요한 법칙으로, 멀티로터를 바람속에서도 조정가능하고, 공격적으로 비행하는 동안에도 조종할 수 있을 정도로 여분의 추력이 충분해야 한다는 뜻이다. 항상 부드럽게 날리는 등 반응성이 떨어져도 되는 드론의 경우 70% throttle에서 호버링해도 무방하다. 따라서 쿼드콥터의 무게가 800g 이라면 쿼드콥터의 모터는 총 1.6kg의 추력을 만들어야 하며, 따라서 최대 추력이 400g 인 모터가 필요하다.

미니쿼드 레이싱 드론의 경우 상당히 민첩한 쿼드콥터가 필요하므로, 추력대 무게 비가 높은 것이 바람직하고, 항공사진 드론처럼 부드럽게 날리는 경우, 추력대 무게비가 약간 낮아도 무방하지만, 일반적으로 2:1 정도로 계획하는 것이 좋다. 여분이 있다면 좀더 큰 배터리를 사용하여 비행시간을 늘릴 수도 있다.

사례 - 개략적인 중량 추정

silver blade 미니쿼드 제작 가이드에 설명한 미니쿼드를 조립하고 싶다고 가정하자. 어떤 프레임을 사용할 것인지 부터 시작해야 하는데, 이 경우에서는 silver blade 37을 사용한다. 이 제품의 설명에 따르면 1806-2204 크기의 모터를 사용하라고 추천하므로, 인터넷을 검색하여 이 정도 급의 모터의 무게는 대략 100g 정도라는 것을 파악하였다.(약간 과추정임) 이와 비슷하게 1300-1800mAh 급의 3-4S LiPo 배터리가 미니쿼드에서 널리사용되므로, 배터리 무게는 이 크기를 기초로 한다. 이를 기초로 한 추정은 아래와 같다. 이는 시작하기 위한 아주 대략적인 추정임을 명심하라.

  • 비행콘트롤러 - 15g
  • R/C 수신기 - 15g
  • Silver Blade 프레임 - 150g
  • 모터 및 ESC 4 쌍 - 200g
  • 3S LiPo 배터리 (1300-1800mah) - 150g
  • FPV 카메라 및 송신기 - 50g

이제 우리 드론의 무게는 대략 680g 정도 되므로, 적어도 이 값의 배 (1.2kg)의 추력을 뽑을 수 있는 모터가 필요하다. 단, 추력이 더 높다면 더 빨리 날릴 수 있다. 우리는 쿼드콥터를 제작하므로, 각각의 모터는 최소 300g 이상의 추력을 생성할 수 있어야 한다.

이 과정이 힘들다면, 인터넷에서 원하는 드론과 비슷한 정보의 드론을 제작한 분들의 정보를 찾아보라. 이들이 사용하고 있는 부붐을 근거로 무게를 추정하면 된다.

데이터 읽기

추정한 무게로부터, 각각 최대 추력이 300g 정도인 모터를 찾아야 한다는 것을 알았다. 각 모터의 추력 테이블을 조사하면, 필요한 추력 성능을 가진 모터를 몇가지 선별할 수 있을 것이다. 이번 예에서는 MT2204를 찾았다고 가정한다.

이 과정이 어렵다면, 조립가이드를 찾아보거나, 원하는 드론과 비슷한 것을 찾아서, 어떤 모터나 장비를 사용하는 지를 알아봐서 시작하는 것도 좋다.

추력 확인

이제 우리는 위와 같은 표로부터 유용한 정보를 조사하고 추출할 수 있게 되었다. 이 업체가 두가지 전압(2S(약 8V) 와 3S(약 12V))과 두가지 프로펠러를 사용하여 테스트 했다는 걸 알 수 있다. 모터가 끌어다 쓰는 전류에 따라, 생성되는 추력과 효율(힘/전력 : gram/watt) 등의 정보가 표시되어 있다. 우리는 이 표로부터 3S 배터리를 사용하면 이 모터는 5x3, 6x3 프로펠러를 사용할 때 원하는 추력 300g 을 낼 수 있다는 것을 알 수 있다. 

효율성 비교

이처럼, 제일 먼저 해야 할 일은 모터의 추력을 조사하는 일이다. 나는 다음으로 모터를 비교를 할 때 모터의 효율을 고려해야 한다고 생각한다. 효율은 일반적으로 추력 나누기 전력으로 나타낸다. 단위는 gram/watt 이다. 효율이 높은 모터(g/W 값이 높은 모터) 일수록 콥터가 더 오래 날 수 있다. 일반적으로는 효율이 7이상 되면 좋지만, 더 높은 값일 수록 좋다. 일부 대형 모터 (예 : BE 8108919)의 경우 효율이 18 이상되기도 한다.

필요한 추력을 내는 모터를 찾은 후, 이를 비교하는 가장 좋은 방법은 가장 효율이 높은 것을 고르는 것인데, 하지만 이는 필연적으로 가장 비싼 모터로 귀결된다.

하지만, 앞서 언급했듯이 이 것이 우선순위가 아닐 수도 있다. 작고 움직임이 빠른 아크로바틱 드론을 원할 경우, rpm 이 우선이고 효율성은 뒷전일 것이다. 이 경우 kV가 높은 모터가 우선이다. 우리의 예에서는 미니쿼드용 모터를 선택하는 것이므로, 이런 쿼드콥터용 모터는 대부분 위 표에서 볼 수 있는 MT2204 와 비슷하다. 이것이 이 모터의 효율성이 상대적으로 나쁜 이유이다.

모터에 맞는 ESC

이제 이 모터가 우리 응용에 적합하다고 확인하였으므로, 우리가 선택한 모터/배터리/프롭에 대한 전류 소모량을 본다. 우리의 경우, 5x3 프롭을 사용하면 최대 7.5A, 6x3 프롭을 사용하면 11.5V 이다. 우리는 5x3 을 사용하기로 했으므로, 7.5A 이상의 ESC 가 필요하므로, 12A ESC면 좋은 선택일 것이다.

중량 재 추정 및 배터리 선택

이제 몇몇 부품을 선택했으니 처음 무게를 추정한 것을 실제 무게로 갱신할 수 있게 되었다. 이 모터에 5x3 프롭을 달면 각각 최대 310g 의 추력을 발생시키므로, 우리 쿼드콥터의 무게는 620g 이하여야 한다. 모든 부품과 프레임의 실제 무게는 368g 이므로, 무게 250g 이하의 배터리를 달면 된다. 괜찮은 배터리를 장착할 만큼 무게가 충분히 남아 있지 않다면, 처음으로 돌아가서 좀더 큰 모터나 큰 프롭을 검토해야 한다.

남은 무게를 모조리 배터리용으로 쓰는 대신 약간 가벼운 배터리(예 3S 1800mAh 158g)를 사용하면쿼드콥터가 더 민첩해질 것이다. 실제 어떤 브랜드의 제품을 쓸 것인가 하는 것은 개인적인 선호도와 자금에 달렸지만, 좀 더 많은 정보를 원한다면 LiPo 배터리 구입 가이드를 참고하라.

===

원문 : How to choose the right motor for your multicopter drone

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  1. Roy  수정/삭제  댓글쓰기

    안녕하세요 지금 쿼드콥터에 관심이 많은 학생입니다 ㅎㅎ
    포스트는 잘 읽었습니다 모터가 가장 중요한 선택지 인것 같은데 추력계산시 왜 50%에서 호버링이 되야
    되는것이며 호버링이 되는 추력을 찾더라도 만약 최고속도가 25m/s일경우 호버링 추력에 +a가 되어야 할것 같은데 이점이 궁금합니다 지금 계산을 해서 적정 모터를 찾아볼려고 연습중인데 혹시 공식이나 이런것들이 있으면 조언좀 부탁드립니다 흠.... 예를 들면 550Kg의 쿼드콥터의 경우 550X2(50퍼 스로트일경우)X안전계수 를 해서 동축반전 쿼드콥터이면 나누기 8을 하면 207Kg이 나오는데 모터 하나당 207Kg의 추력이 필요한것인가요?

    2017.06.29 20:27 신고
    • Favicon of http://www.internetmap.kr BlogIcon 드론의 미래가 궁금한 푸른하늘이  수정/삭제

      500kg 이면 사람이 타는 건가요? 엄청 크네요. ㅎㅎ 50%추력이라는 것은 일반적인
      드론에 대해 여유분을 고려한 경우입니다.

      레이싱드론과 같이 빠른 동작이 필요한 드론은 30%에서 호버링하도록 맞추고, 사진촬영용 드론처럼 천천히 움직이는 드론은 60-70%도 가능하다고 합니다.

      만약 100% 추력에 맞췄다면 겨우 뜨기만 한다는 거고 아무 작업도 수행할 수 없다는 거니까요.

      2017.06.29 22:10 신고
  2. Roy  수정/삭제  댓글쓰기

    역시 그렇겠죠? ㅎㅎ 도움 감사합니다 혹시
    이런 계삭식들이 공인받은 논문이나 이런 전문지같은데를 추천해주실수 있을까요?

    2017.07.04 21:49 신고
    • Favicon of http://www.internetmap.kr BlogIcon 드론의 미래가 궁금한 푸른하늘이  수정/삭제

      논문 같은 건 못봤습니다. 멀티콥터의 경우, 모터의 추력만 알면 기체 전체의 추력/부하 등을 계산할 수 있으니까, 고정익이나 헬기처럼 복잡한 계산이 필요 없기 때문이 아닐까 합니다.

      2017.07.08 16:52 신고

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