DC 모터와 H 브리지: 방향과 속도 제어

스위치 네 개로 전류 방향을 바꾸고 PWM으로 평균 전압을 조절합니다. 브레이크, 코스트, 전류 감쇠 모드까지.

H 브리지

모터를 가운데 두고 스위치 네 개(Q1~Q4)를 H 모양으로 배치합니다.

켜진 스위치	모터
Q1 + Q4	정회전
Q2 + Q3	역회전
Q3 + Q4 (하단 둘)	단락 브레이크
모두 꺼짐	코스트 (자유 회전)
Q1 + Q3 (같은 쪽)	전원 단락 — 금지

PWM 속도 제어

정회전 상태를 PWM으로 켰다 껐다 하면 모터 인덕턴스가 전류를 평균내어 평균 전압 ≈ 듀티 × Vdc가 걸립니다. PWM 주파수는 가청 대역을 넘는 16~25kHz가 흔합니다. 낮으면 모터에서 소리가 나고, 너무 높으면 스위칭 손실이 큽니다.

꺼진 구간의 전류 경로 (감쇠 모드)

슬로 디케이: 하단 두 스위치로 전류가 돌게 함 → 전류 리플 작음, 속도 제어에 적합
패스트 디케이: 반대쪽 스위치로 전류를 전원으로 돌려보냄 → 전류가 빨리 줄어듦, 전류 제어 응답 빠름

드라이버 IC

L298N(바이폴라, 손실 큼), DRV8871/TB6612(MOSFET, 효율 좋음). 큰 전류는 게이트 드라이버 + 외부 MOSFET으로 구성합니다. 실험실의 DC 모터 3D 시뮬레이션에서 스위치 조합별 전류 흐름을 확인할 수 있습니다.

스위치 네 개의 조합

Q1 (좌상)	Q2 (좌하)	Q3 (우상)	Q4 (우하)	결과
켬	끔	끔	켬	정회전 (전류: 왼쪽 → 오른쪽)
끔	켬	켬	끔	역회전
끔	켬	끔	켬	브레이크 (모터 양단을 그라운드로 단락)
끔	끔	끔	끔	프리휠 (관성으로 돎)
켬	켬	-	-	금지: 전원 단락

같은 쪽의 위아래 스위치가 동시에 켜지면 전원과 그라운드가 직접 이어져 MOSFET이 순식간에 탑니다. 이를 슛스루라고 합니다.

속도는 PWM으로

스위치를 빠르게 켜고 끄면 모터는 평균 전압에 반응합니다.

평균 전압 ≈ 전원 전압 × 듀티비
12 V, 듀티 60%  →  약 7.2 V

PWM 주파수는 보통 20 kHz 안팎으로 잡습니다. 사람 귀에 들리는 범위(약 20 kHz 이하)를 벗어나 소리가 나지 않고, 전류 리플도 충분히 작아집니다. 더 올리면 스위칭 손실이 늘어납니다.

꺼져 있는 동안 전류는 어디로 가는가

모터는 코일이라 전류가 갑자기 끊기지 않습니다. PWM이 꺼진 구간에도 전류가 흐를 길이 필요하고, 그 길을 어떻게 주느냐에 따라 특성이 달라집니다.

방식	꺼진 구간의 처리	특징
느린 감쇠	아래 두 스위치를 켜 전류가 돌게 함	전류 리플이 작고 저속에서 부드러움. 많이 씀
빠른 감쇠	반대 방향으로 전압을 걺	전류가 빨리 줄어듦. 급한 감속에 유리

3D 실험실여기까지 읽은 내용을 직접 돌려 볼 수 있습니다→

데드타임

MOSFET은 끄라는 신호를 받고도 수십~수백 ns 동안 전류가 흐릅니다. 위 스위치를 끄자마자 아래를 켜면 그 사이에 둘이 겹칩니다. 그래서 한쪽을 끈 뒤 잠깐 기다렸다가 반대쪽을 켭니다. 고급 타이머의 상보 출력과 데드타임 삽입 기능이나, 게이트 드라이버 칩이 이 일을 대신합니다.

전류 계산과 기동 전류

전류 = (인가 전압 − 역기전력) / 권선 저항
정지 상태: 역기전력 0  →  12 V / 1 Ω = 12 A
정격 회전: 역기전력 10 V  →  (12 − 10) / 1 Ω = 2 A

멈춰 있는 모터에 전압을 한꺼번에 걸면 정격의 몇 배 전류가 흐릅니다. 듀티를 서서히 올리거나 전류를 재서 제한합니다. 회전 중에 방향을 바로 뒤집으면 인가 전압과 역기전력이 더해져 전류가 더 커지므로, 먼저 멈춘 뒤 반대로 돌립니다.

브레이크와 전원 전압 상승

모터를 급하게 감속하면 모터가 발전기가 되어 전류가 전원 쪽으로 되돌아옵니다. 배터리는 이를 받아 주지만, 전원 공급기나 다이오드가 달린 전원은 받지 못해 전압이 올라갑니다. 커패시터 전압이 MOSFET 정격을 넘지 않도록 큰 커패시터를 달거나, 제동 저항으로 에너지를 태웁니다.

드라이버 칩을 고를 때

연속 전류와 최대 전류가 모터의 기동 전류를 견디는가
과전류, 과열, 저전압 보호가 들어 있는가
입력 방식(방향 + PWM, 또는 IN1/IN2)이 내 코드와 맞는가
전류 측정 출력이 있는가

현업에서 자주 터지는 문제

모터 전원과 MCU 전원을 같은 선에서 따서, 기동할 때 MCU가 리셋됨
모터 단자에 노이즈 억제 커패시터가 없어 통신이 깨짐
그라운드 배선이 가늘어 큰 전류가 흐를 때 기준 전위가 흔들림
PWM 핀이 리셋 중에 떠 있어 모터가 잠깐 움직임(풀다운 저항)