자동차에 적용되는 메카트로닉스 기술에 대한 기본 필독서!
본서에서는 자동차라는 기계를 바탕으로 필요한 메카트로닉스의 기본적인 기술 가운데 전기 및 전자의 기본 개념 및 제어 공학과 관련된 센서와 모터의 기본 개념 등을 다룸으로써 자동차에 적용되는 메카트로닉스 기술에 대한 기본 개념의 이해 측면에서 꾸며 보았다.
저자들은 이 책에 자동차에 적용된 기술, 특히 제어기술을 이해하는데 필요한 지식 습득에 역점을 두었으며 아울러 기계를 전공하는 학습자 및 자동차에 관심이 있는 학습자들에게 조금이나마 도움을 줄 수 있도록 구성함으로써 점차 전기자동차로 전환되는 시점에 알아 두면 좋을 기초적인 내용을 강조하였다.
[ 저자서문 ]
메커트로닉스(mechatronics)는 메카닉스(mechanics)와 일렉트로닉스(electronics)와의 합성어이며 일렉트로닉스를 메카닉스에 융합하는 기술로 해석할 수 있다. 이와 같이 기계는 전자기술과 결합함으로써 고성능화, 다기능화, 소형 및 경량화 되게 되었다. 그 때문에 기계 기술자에 있어서 전자 기술의 지식 습득은 피할 수 없는 요건이 되었다.
자동차 역시 전자 기술의 채용을 피할 수 없게 되었으며 처음에 이것은 배기가스에 대한 규제와 연료의 경제성에 대응하기 위해 보다 정밀한 엔진의 제어가 필요했기 때문에 전자 기술의 채용을 하게 되었다. 또한 디지털 전자회로의 가격이 비교적 낮아진 것도 자동차에 전자기술을 응용할 수 있게 된 계기가 되었다.
자동차에 전자기술을 응용하는 것이 메카트로닉스 기술이며 이러한 메카트로닉스의 기본적인 기술은 기계공학, 전자공학, 전기공학, 정보공학, 제어공학 등이 관련되어 있는 종합적인 기술로 그 범위가 상당히 넓다.
따라서 본서에서는 자동차라는 기계를 바탕으로 필요한 메카트로닉스의 기본적인 기술 가운데 전기 및 전자의 기본 개념 및 제어 공학과 관련된 센서와 모터의 기본 개념 등을 다룸으로써 자동차에 적용되는 메카트로닉스 기술에 대한 기본 개념을 이해하는데 중점 목표를 두기로 하였다.
본서의 구성은 총 6장으로 하였으며 2장에서는 전기와 전자의 기본 개념과 소자 및 회로에 대한 개략적인 내용, 3장에서는 컴퓨터에서 다루는 2진법과 논리 회로에 관련된 디지털 회로의 개략적인 내용, 4장에서는 제어의 주역인 모터의 개략적인 내용, 5장에서는 자동차의 제어를 위한 상태 감지용 센서의 개략적인 내용, 그리고 6장에서는 자동차에서 사용되는 제어장치의 개략적인 내용으로 꾸몄다.
본서의 내용은 자동차에 적용된 메카트로닉스를 이해할 수 있도록 구성하였으며 기계를 전공하는 자동차에 관심이 있는 학생들에게 초점을 맞추었기에 다소 부족한 부분도 있으리라 생각되나 조금 더 심도있는 공부를 하고자 하는 학생들은 각 분야별로 다른 전공서적을 참조해 주기 바란다.
끝으로 본서의 출판에 많은 도움을 준 충남대출판사 임직원 여러분께 진심으로 감사드린다.
제 1 장
서론
1.1 자동차의 종류 13
1.2 자동차에의 메카트로닉스 응용 14
1.3 메카트로닉스의 개요 19
1.3.1 메카트로닉스의 정의 19
1.3.2 메카트로닉스의 출현과 발전 23
1.3.3 메카트로닉스의 효용과 구성 26
제 2 장
전기와 전자의 개요
2.1 서론 37
2.1.1 전기와 전자의 정의 37
2.1.2 역사적으로 본 전기 현상 39
2.2 전기의 정체 41
2.2.1 물질의 구조와 전자 41
2.2.2 전기 공학 측면에서의 전자 흐름 49
2.2.3 전자 공학 측면에서의 전자 흐름 52
2.2.4 전류 53
2.2.5 전압과 기전력 58
2.3 전기 소자와 역할 61
2.3.1 저항 61
2.3.2 콘덴서 70
2.3.3 인덕터 74
2.4 전자 소자와 역할 81
2.4.1 반도체 81
2.4.2 다이오드 91
2.4.3 트랜지스터 109
2.4.4 FET 133
2.4.5 사이리스터 145
2.4.6 IGBT 149
제 3 장
디지털 회로의 개요
3.1 디지털의 수 체계 155
3.1.1 디지털 기기와 2진...법 155
3.1.2 2진법 158
3.1.3 2진법의 연산 160
3.1.4 부호화 10진법 165
3.2 논리 회로 168
3.2.1 논리합 회로 170
3.2.2 논리곱 회로 173
3.2.3 부정 회로 175
3.2.4 NOR 회로 177
3.2.5 NAND 회로 180
3.3 디지털 회로의 논리 수학 184
3.3.1 불 대수 184
3.3.2 카르노도 194
3.4 플립플롭 202
3.4.1 멀티바이브레이터 202
3.4.2 단안정 멀티바이브레이터 203
3.4.3 비안정 멀티바이브레이터 204
3.4.4 트리거 플립플롭 205
3.4.5 세트-리셋 플립플롭 208
3.5 카운터와 레지스터 212
3.5.1 카운터 212
3.5.2 시프트 레지스터 226
3.6 연산 회로 230
3.6.1 반가산 회로 230
3.6.2 전가산 회로 232
제 4 장
모터
4.1 전자기학의 개요 237
4.1.1 전류와 자계와의 관계 237
4.1.2 전자기 유도에 의한 전류의 발생 240
4.1.3 전자기력의 발생 245
4.1.4 자기와 전기 248
4.2 모터의 개요 253
4.2.1 모터의 정의와 원리 253
4.2.2 직류 모터 258
4.2.3 브러시리스 직류 모터 273
4.2.4 교류 모터 280
4.2.5 스테핑 모터 296
4.2.6 리니어 서보모터 308
4.2.7 자동차용 기동 모터 311
제 5 장
센서
5.1 접촉식 센서 323
5.2 비접촉식 센서 326
5.2.1 광전 센서 326
5.2.2 유도형 근접 센서 332
5.2.3 용량형 근접 센서 338
5.2.4 자기센서 소자 343
5.2.5 초음파 센서 344
5.3 자동차용 센서 345
5.3.1 안전 및 편리성을 위한 센서 345
5.3.2 엔진 관련 센서 354
제 6 장
제어 장치
6.1 전력 변환 장치 367
6.1.1 OBC 368
6.1.2 LDC 369
6.1.3 인버터 370
6.2 자동차의 모터 구동 제어 394
6.3 전자 제어 장치 개요 395
6.3.1 컴퓨터의 기본 요소 395
6.3.2 마이크로컴퓨터 구성 399
6.4 자동차 제어 장치 404
6.4.1 엔진 제어 405
6.4.2 파워스티어링 제어 409
6.4.3 드라이버 정보 제어 장치 413
6.4.4 주행 제어 414
6.4.5 그 밖의 제어 장치 415
6.4.6 제어 시스템 420
우리 생활 주변에는 많은 기계들이 있으며, 이 기계들은 인간의 육체노동을 대폭적으로 감소시켜 왔다. 그러나 기계는 사람의 손과 발로 조정하거나 조작하지 않으면 어떤 일도 하지 못한다. 이 단계의 기계는 사람의 손과 발에 전적으로 의존하는 사람의 기능 수준에 불과한 기계이다.
그러나 전자기술이 기계공업에 응용되기 시작하면서 기계는 감지하여 판단하고 명령하는 지적인 능력을 갖추게 되었다.
기계기술도 전기, 전자 기술, 신소재기술, 계측제어기술, 광학기술, 정보처리기술 등을 도입하여 복합화 된 새로운 첨단 산업기술을 탄생시켰다. 이것이 메카트로닉스며 일본에서 사용되기 시작된 메카트로닉스(mechatronics)라는 용어는 1970년대 중반에 기계공학과 전자공학의 경계 영역에 대한 명칭으로서 기계공학(mechanics)과 전자공학(electronics)을 합성한 영어이다. 지금은 전 세계에서 통용될 정도로 완전히 정착된 용어이다. 한편 종래의 기계는 기구(mechanism)에 의해 만들어져 있었기 때문에 그것에 전자 부품을 조합해 넣도록 되었다는 이유에서 메카트로닉스를 메카니즘과 일렉트로닉스의 합성어로 한다는 의견도 있다. 그러나 어느 것도 이 분야에서는 기계 장치에 일렉트로닉스를 부가하여 고성능이며 다양한 기능을 갖도록 하는 기계 장치의 개발을 목표로 하고 있다.
홍준희 [저]
일본 동경대학 정밀기계공학 박사. 전 건양대학교 제어계측공학과 전임강사. 현재 충남대학교 공과대학 기계공학과 교수. 저서로는 '자동화를 위한 메카트로닉스계측공학의 기초메카트로닉스 응용 수치제어공학기계 Pro/ENGINEER에 의한 기계제도' '부품디자인을 위한 SolidWorks 입문' '생산자동화' '알기 쉬운 측정공학' 'Pro/ENGINEER MECHANISM에 의한 가상 동작기구' 'Pro/ENGINEER에 의한 기초 가상 설계'. 역서로는 '초보자를 위한 MATLAB' '메카트로닉스를 위한 제어공학' '계측과 신호처리' '자기베어링의 기초와 응용' '자기센서 이공학' '그림으로 이해하는 메카트로닉스공학'.
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