DC 모터 제어 — H-Bridge·PWM Duty·Encoder Feedback
#한 줄 요약
“DC 모터는 H-bridge + PWM duty + flyback diode가 전부입니다.” Duty가 속도, 방향은 IN1/IN2 swap.
#어떤 상황에서 쓰나
소형 로봇 wheel, fan, pump, conveyor, RC car — 모두 DC motor에 H-bridge driver IC를 붙입니다. STM32에서 직접 motor를 돌리지는 않습니다. 전류가 수백 mA에서 수 A까지 흐르고 역기전력 spike가 발생하므로 driver IC가 격리합니다.
이 글은 흔히 쓰는 H-bridge driver (L293D, L298, DRV8833, TB6612)와 STM32 PWM 연결, 방향·속도 제어, 그리고 current sensing 패턴까지 다룹니다.
#핵심 개념
#H-bridge 토폴로지
H-bridge는 4개 스위치 (Q1·Q3 high-side, Q2·Q4 low-side)와 모터로 구성됩니다. VBAT — Q1·Q3 — Motor — Q2·Q4 — GND.
| 동작 | ON 스위치 | 결과 |
|---|---|---|
| 방향 1 (forward) | Q1, Q4 | 좌 → 우 전류 |
| 방향 2 (reverse) | Q3, Q2 | 우 → 좌 전류 |
| Brake | Q1+Q3 (또는 Q2+Q4) | 모터 단락 — 빠른 정지 |
| Coast | 모두 off | 자유 회전 |
| Shoot-through (금지) | Q1+Q2 또는 Q3+Q4 | 전원 short, IC 파손 |
대각선 두 스위치가 켜지면 한 방향, 반대 대각선이면 반대 방향. Q1+Q2 또는 Q3+Q4 동시 ON은 shoot-through (short-circuit) — 절대 금지.
#Driver IC 비교
| IC | 채널 | 전류 (각) | 전압 | 인터페이스 |
|---|---|---|---|---|
| L293D | 2 | 600 mA | 4.5-36 V | IN1, IN2, EN |
| L298 | 2 | 2 A | 5-46 V | IN1, IN2, EN |
| TB6612FNG | 2 | 1.2 A (peak 3A) | 4.5-13.5 V | IN1, IN2, PWM, STBY |
| DRV8833 | 2 | 1.5 A | 2.7-10.8 V | IN1, IN2 (no EN — PWM 둘 중 하나로) |
| DRV8871 | 1 | 3.6 A | 6.5-45 V | IN1, IN2 |
DRV8833·DRV8871은 PWM을 IN1 또는 IN2 한쪽에 직접 입력합니다.
#Control 방식 두 가지
Sign-magnitude (DIR + PWM):
DIR=0, PWM=duty: IN1=PWM, IN2=0 → forward, speed=dutyDIR=1, PWM=duty: IN1=0, IN2=PWM → reverseLocked anti-phase (PWM only):
PWM=50%: 정지 (양방향 동일 시간)PWM=75%: forward 25%PWM=25%: reverse 25%Sign-magnitude가 효율 좋고 일반적입니다.
#역기전력 (Back-EMF)
motor coil이 전류 차단 순간 역방향 voltage spike를 만듭니다 (V = L · di/dt). MOSFET를 파괴할 수 있어 flyback diode나 driver IC 내부 protection이 필요합니다. driver IC 대부분이 내장하지만, discrete MOSFET H-bridge를 만들면 Schottky diode를 외부에 추가.
#코드 예제
#1. DRV8833 — sign-magnitude
DRV8833은 한 채널이 IN1·IN2 두 핀. 한 핀에 PWM, 다른 핀은 GPIO direction.
// AIN1 = PA0 (PWM TIM2_CH1, AF1), AIN2 = PA1 (GPIO)void motor_init(void) { RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
gpio_init(GPIOA, 0, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .af=1}); gpio_init(GPIOA, 1, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT});
// 20 kHz PWM TIM2->PSC = 0; TIM2->ARR = 4200 - 1; // 84 MHz / 4200 = 20 kHz TIM2->CCMR1 = (6u << 4) | TIM_CCMR1_OC1PE; TIM2->CCER = TIM_CCER_CC1E; TIM2->CCR1 = 0; TIM2->CR1 = TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_CEN; TIM2->EGR = TIM_EGR_UG;}
void motor_set(int16_t speed) { // speed = -1000 ~ +1000 if (speed >= 0) { GPIOA->BSRR = (1u << (1 + 16)); // AIN2 = 0 TIM2->CCR1 = (uint32_t)speed * (TIM2->ARR + 1) / 1000; } else { GPIOA->BSRR = (1u << 1); // AIN2 = 1 // 음수 speed: AIN1 PWM의 *off 시간*이 forward duty TIM2->CCR1 = (TIM2->ARR + 1) - ((uint32_t)(-speed) * (TIM2->ARR + 1) / 1000); }}
void motor_brake(void) { GPIOA->BSRR = (1u << 1); // AIN2 = 1 TIM2->CCR1 = TIM2->ARR + 1; // AIN1 = always 1 → short}
void motor_coast(void) { GPIOA->BSRR = (1u << (1 + 16)); // AIN2 = 0 TIM2->CCR1 = 0; // AIN1 = 0 → high-Z}#2. TB6612FNG — separate PWM input
// AIN1, AIN2 = GPIO direction, PWMA = TIM PWM, STBY = GPIO enablevoid motor_set_tb(int16_t speed) { if (speed > 0) { GPIOA->BSRR = (1u << 0); // AIN1=1 GPIOA->BSRR = (1u << 17); // AIN2=0 TIM2->CCR1 = (uint32_t)speed * 4200 / 1000; } else if (speed < 0) { GPIOA->BSRR = (1u << 16); // AIN1=0 GPIOA->BSRR = (1u << 1); // AIN2=1 TIM2->CCR1 = (uint32_t)(-speed) * 4200 / 1000; } else { // brake GPIOA->BSRR = (1u << 0) | (1u << 1); TIM2->CCR1 = 0; }}#3. Soft-start / ramp
motor를 급가속하면 큰 inrush current가 흐르고 power supply가 droop합니다. ramp로 부드럽게.
static int16_t current_speed;static int16_t target_speed;#define RAMP_STEP 10 // per 10 ms
void motor_set_target(int16_t s) { target_speed = s; }
// 10 ms 주기 호출void motor_ramp_tick(void) { if (current_speed < target_speed) { current_speed += RAMP_STEP; if (current_speed > target_speed) current_speed = target_speed; } else if (current_speed > target_speed) { current_speed -= RAMP_STEP; if (current_speed < target_speed) current_speed = target_speed; } motor_set(current_speed);}#4. Current sensing
shunt resistor (0.1 Ω 등) + op-amp + ADC. 또는 driver IC 내장 sense (DRV8871 IPROPI 핀).
// PA2 = ADC1_IN2, shunt 0.1Ω → amp ×10 → 1V/Auint16_t motor_current_ma(void) { ADC1->SQR3 = 2; // channel 2 ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART; while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC)); uint16_t adc = ADC1->DR; // 0~4095 // V = adc / 4095 * 3.3 // I = V (since 1V/A) return adc * 3300u / 4095u; // mA}
// 보호: over-current cut-offvoid motor_protect_task(void) { if (motor_current_ma() > 2000) { motor_coast(); printf("Over-current trip!\n"); }}#측정 / 동작 확인
스코프로 motor 양단 voltage를 봅니다.
current sensing이 있으면 ADC로 transient를 봅니다.
Startup inrush:
- Steady state running: ~300 mA
- At startup: ~2500 mA spike (0.1 sec)
- → soft-start로 ~800 mA로 제한 권장
#자주 보는 함정
⚠️ Direction 핀과 PWM 동시 변경 timing
direction 핀 toggle하고 바로 PWM duty 올리면 H-bridge 내부에서 shoot-through 위험. driver IC의 dead-time이 있다면 안전하지만, 수십 µs는 띄우는 것이 안전.
⚠️ Driver IC supply 분리 안 함
driver의 logic supply와 motor supply를 같은 source에 두면 motor inrush로 logic이 reset됩니다. 분리하고 큰 capacitor (1000 µF 이상).
⚠️ Flyback diode 누락 (discrete H-bridge)
driver IC 안 쓰고 직접 MOSFET로 만들 때 Schottky diode 4개 필수. 없으면 motor 끄는 순간 MOSFET 파괴.
⚠️ PWM 주파수 1 kHz 이하
가청 영역에서 motor가 소리를 냅니다. 20-30 kHz로 올림.
⚠️ Stalled motor가 무한 current 흘림
motor가 물리적으로 막히면 coil resistance만 남아 대전류가 흐릅니다. driver IC 발열 → thermal shutdown 또는 파괴. current sensing으로 detect + auto cut-off.
⚠️ EMI
motor brush noise + PWM switching noise가 근처 회로에 결합. shielding, ferrite bead, motor와 logic supply 분리가 필수.
#정리
- DC motor = H-bridge driver + PWM duty + direction.
- Sign-magnitude (DIR + PWM) 방식이 표준 — 효율 좋고 명확.
- DRV8833·TB6612·L298 등 driver IC가 flyback·dead-time·thermal protection 제공.
- Soft-start로 inrush current 제한, current sensing으로 over-current protect.
- PWM 20 kHz+, motor supply 분리, logic decoupling.
다음 편은 스테퍼 모터입니다. step 시퀀스, micro-stepping, acceleration ramp를 다룹니다.
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