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Modern Embedded Recipes · 51/152

스테퍼 모터 제어 — Full Step·Half Step·Microstepping

· Hawk · 5분 읽기

#한 줄 요약

“한 step에 정확히 1.8° (200 step/회전).” Step pulse를 보내는 빈도가 회전 속도, 누적 step 수가 위치.

#어떤 상황에서 쓰나

3D printer, CNC, camera focus, syringe pump, telescope mount — 정확한 위치 제어가 필요한 곳입니다. encoder 없이 step 펄스만 카운트해 위치를 알 수 있어 open-loop control이 가능합니다. 다만 과도한 가속이나 부하에서 step 잃으면 회복이 안 됩니다.

이 글은 흔히 쓰는 NEMA 17 stepper + DRV8825/A4988 driver 조합으로 step pulse 생성, micro-stepping, 가속 ramp를 다룹니다.

#핵심 개념

#Stepper 동작 원리

2-phase bipolar stepper는 두 코일 (A: A+/A−, B: B+/B−)을 가집니다. 한 phase씩 ON 하면 full-step 시퀀스로 회전합니다.

StepAB각도
1+0
20+90°
30180°
40270°

NEMA 17은 200 step/회전 (1.8°/step)이 표준입니다. micro-step driver를 쓰면 1/2, 1/4, … 1/32 step까지 세분화 — 6400 step/회전.

#Full-step / Half-step / Micro-step

ModeStep/회전 (200 기본)TorqueSmoothness
Full200100%거침
Half40070.7% (한 phase ON) ~ 100%보통
Micro 1/81600변동부드러움
Micro 1/163200변동매우 부드러움
Micro 1/326400변동거의 무음

micro-step은 coil current를 사인파에 가깝게 변조해 중간 각도를 만듭니다. driver IC (DRV8825, A4988, TMC2130 등)가 내부에서 처리하므로 MCU는 MS1/MS2/MS3 핀 세팅만 합니다.

#DRV8825 / A4988 인터페이스

MCU 신호DRV8825 핀의미
STEP (GPIO)STEPrising edge마다 1 step
DIR (GPIO)DIR0 = CW, 1 = CCW
EN (GPIO)/EN0 = enable (active-low)
GPIO × 3MS1 / MS2 / MS3micro-step select
AOUT1/2, BOUT1/2motor coil
VMOT8 ~ 45 V motor power
VREFcurrent limit (I = VREF / (5 × R_sense))

current limit는 VREF voltage로 설정 (DRV8825: I = VREF / (5 × R_sense)).

#Acceleration ramp

stepper는 기계적 inertia 때문에 stop에서 max speed로 바로 못 갑니다. 천천히 가속해야 step 안 잃습니다.

Linear ramp:

  • speed(t) = a × t (a = 가속도, step/s²)
  • delay(n) = 1 / speed(n)

S-curve (jerk-limited):

  • 더 부드럽지만 계산 복잡

3D printer (Marlin firmware)는 trapezoidal velocity profile (가속 → 등속 → 감속)을 표준으로 씁니다.

#코드 예제

#1. Basic step pulse

// STEP = PA0, DIR = PA1, /EN = PA2
void stepper_init(void) {
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
gpio_init(GPIOA, 0, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT, .speed=GPIO_SPEED_HIGH});
gpio_init(GPIOA, 1, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT});
gpio_init(GPIOA, 2, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_OUTPUT});
GPIOA->BSRR = (1u << (2 + 16)); // EN low = enable
}
void stepper_step(int dir) {
if (dir > 0) GPIOA->BSRR = (1u << (1 + 16)); // DIR=0
else GPIOA->BSRR = (1u << 1); // DIR=1
GPIOA->BSRR = (1u << 0); // STEP high
delay_us(2); // DRV8825 minimum 1.9 µs
GPIOA->BSRR = (1u << (0 + 16)); // STEP low
delay_us(2);
}
// 1초에 1 회전 (200 step → 5 ms/step)
for (int i = 0; i < 200; i++) {
stepper_step(1);
delay_us(5000 - 4);
}

#2. Timer-driven step pulse

delay로 step을 보내면 CPU를 꽉 잡습니다. TIM update IRQ로 background에서 step.

volatile int32_t target_steps;
volatile int32_t current_steps;
volatile int8_t step_dir;
void stepper_tim_init(uint32_t step_hz) {
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;
TIM3->PSC = 84 - 1; // 84 MHz / 84 = 1 MHz tick
TIM3->ARR = (1000000u / step_hz) - 1;
TIM3->DIER = TIM_DIER_UIE;
TIM3->CR1 = TIM_CR1_CEN;
NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);
}
void stepper_move(int32_t steps) {
if (steps > 0) { step_dir = +1; GPIOA->BSRR = (1u << (1+16)); }
else { step_dir = -1; GPIOA->BSRR = (1u << 1); }
target_steps = current_steps + steps;
}
void TIM3_IRQHandler(void) {
TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF;
if (current_steps != target_steps) {
GPIOA->BSRR = (1u << 0);
// 약간의 delay 후 low (간단히 다음 IRQ 사이에 low되도록)
for (volatile int i = 0; i < 5; i++);
GPIOA->BSRR = (1u << (0+16));
current_steps += step_dir;
}
}

#3. Acceleration ramp — linear

typedef struct {
int32_t target;
int32_t current;
int32_t accel; // step/s²
int32_t max_vel; // step/s
int32_t velocity; // current
uint32_t last_step_us;
} stepper_t;
uint32_t stepper_next_delay_us(stepper_t *s) {
int32_t remaining = abs(s->target - s->current);
// Decelerate if needed: v² = 2 a d
int32_t decel_dist = (s->velocity * s->velocity) / (2 * s->accel);
if (remaining <= decel_dist) {
s->velocity = (int32_t)sqrtf(2.0f * s->accel * remaining);
} else if (s->velocity < s->max_vel) {
// Accelerate
s->velocity += s->accel / 1000; // small step
if (s->velocity > s->max_vel) s->velocity = s->max_vel;
}
if (s->velocity < 100) s->velocity = 100; // min
return 1000000u / s->velocity;
}

stepper_next_delay_us()다음 step pulse까지의 delay를 반환. 매 step마다 호출.

#4. Micro-step 설정

void stepper_set_microstep(uint8_t div) {
// div: 1, 2, 4, 8, 16, 32
// MS1, MS2, MS3 (DRV8825)
uint8_t ms = 0;
switch (div) {
case 1: ms = 0b000; break;
case 2: ms = 0b001; break;
case 4: ms = 0b010; break;
case 8: ms = 0b011; break;
case 16: ms = 0b100; break;
case 32: ms = 0b111; break;
}
GPIOB->BSRR = (ms & 1) ? (1u << 0) : (1u << 16);
GPIOB->BSRR = (ms & 2) ? (1u << 1) : (1u << 17);
GPIOB->BSRR = (ms & 4) ? (1u << 2) : (1u << 18);
}

#측정 / 동작 확인

스코프로 STEP 핀을 보면 step rate가 보입니다.

  • 등속 1000 step/s — 1 ms 주기 균등 펄스 트레인
  • Trapezoidal ramp — 주파수가 점차 증가 → 일정 → 감소. step 누적이 정확히 target과 일치해야 함

stepper가 step을 잃으면 회전 각도가 명령과 다릅니다. 가능한 진단:

  • 가속이 너무 가파름 → ramp 완화
  • current 부족 → VREF 조정
  • 부하 초과 → torque margin 확인

#자주 보는 함정

⚠️ Current limit 잘못

DRV8825 VREF 너무 높으면 motor와 driver IC 모두 발열·thermal shutdown. NEMA 17 (1.5A) → VREF = 1.5 × 5 × 0.1 = 0.75V (R_sense=0.1Ω).

⚠️ Step rate 가속 없이 max로 시작

stepper는 0 → max에 못 갑니다. ramp 안 하면 step lost.

⚠️ STEP pulse가 너무 짧음

DRV8825 minimum HIGH/LOW 각 1.9 µs. 그보다 짧으면 missed steps. minimum 2 µs HIGH + 2 µs LOW.

⚠️ DIR 변경 직후 즉시 STEP

DIR setup time (DRV8825: 650 ns) 안 지키면 반대 방향 step 발생. DIR 변경 후 1 µs 이상 대기.

⚠️ EN을 운영 중 toggle

EN을 disable로 toggle하면 current 사라지고 motor가 holding torque 잃음 → 외력에 회전. 운영 중에는 EN 유지, idle 시 disable로 발열 감소.

⚠️ Resonance 영역

NEMA 17은 일반적으로 200-400 Hz 부근에 resonance — 이 속도에서 vibration·step lost. micro-step으로 회피하거나 빠르게 통과.

#정리

  • Stepper = STEP pulse 카운트로 위치. 200 step/회전 (NEMA 17).
  • DRV8825/A4988 driver는 STEP/DIR/EN + MS1/2/3.
  • Acceleration ramp 필수 — trapezoidal 또는 S-curve.
  • Micro-step으로 vibration·noise 감소.
  • VREF로 current limit 정확히 설정 — 너무 높으면 발열, 낮으면 torque 부족.

다음 편은 서보 모터입니다. 50 Hz PWM과 1-2 ms duty로 각도 제어를 다룹니다.

#관련 항목

Modern Embedded Recipes · 52 of 152

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  3. 3임베디드 클럭과 타이밍 — Skew·Jitter·PLL·MMCM 분석
  4. 4GPIO 내부 구조 분해 — Push-Pull·Open-Drain·Schmitt Trigger
  5. 5UART 하드웨어 동작 분석 — Baud Rate·Framing·FIFO
  6. 6SPI 하드웨어 분석 — Clock Mode·MOSI/MISO·Chip Select
  7. 7I2C 하드웨어 분석 — Open-Drain·Clock Stretching·Arbitration
  8. 8ADC 동작 원리 — SAR·Sigma-Delta·Pipelined 비교
  9. 9DAC 동작 원리 — R-2R Ladder·Sigma-Delta·Settling Time
  10. 10PWM 신호 생성 분석 — Duty·Frequency·Dead Time·Center-Aligned
  11. 11CAN 버스 전기적 특성 — Differential·Termination·Dominant/Recessive
  12. 12RS-485·RS-422 차동 신호 분석 — Termination·Biasing·Topology
  13. 13LVDS 차동 신호 분석 — Common-Mode·Impedance·Eye Pattern
  14. 14ARM Cortex-M 시리즈 비교 — M0·M3·M4·M7·M33·M55 분석
  15. 15ARM Cortex-A 시리즈 비교 — A53·A55·A72·A78·X1 분석
  16. 16ARM 레지스터 구조 분석 — R0~R15·CPSR·SPSR·Banked Registers
  17. 17Cortex-M 예외 처리 — Vector Table·NVIC·Tail-Chaining 추적
  18. 18ARM 메모리 맵 분석 — Normal·Device·Strongly-Ordered Region
  19. 19ARM L1·L2 캐시 분석 — Set Associative·Inclusive·Maintenance
  20. 20ARM MPU 활용 — Region·Attribute·Privilege Separation
  21. 21ARM MMU 기초 분석 — Translation Table·TLB·ASID
  22. 22ARM TrustZone-M 기초 — Secure/Non-Secure·NSC·MPC
  23. 23ARM Memory Barrier 실전 — DMB·DSB·ISB·DMA·MMIO
  24. 24임베디드 크로스 컴파일러 분석 — GCC·Clang·Sysroot 구성
  25. 25C 컴파일 4단계 — Preprocess·Compile·Assemble·Link 추적
  26. 26ELF 파일 구조 분석 — Section·Segment·Symbol Table·DWARF
  27. 27링커 스크립트 기초 — SECTIONS·MEMORY·entry point
  28. 28링커 스크립트 고급 — Overlay·BSS·init_array·LMA/VMA
  29. 29임베디드 스타트업 코드 분석 — Reset_Handler·Vector Table·SystemInit
  30. 30C 런타임 crt0 분석 — Stack·BSS Zero·Data Copy·atexit
  31. 31임베디드 메모리 레이아웃 — .text·.rodata·.data·.bss·.heap·.stack
  32. 32임베디드 컴파일러 최적화 분석 — -O0~-O3·-Os·-LTO 비교
  33. 33Map 파일 분석 — Symbol·Section·Size 추적으로 코드 크기 진단
  34. 34Make·CMake 크로스 컴파일 — Toolchain File·Sysroot 통합
  35. 35임베디드 Bootloader 체인 — BootROM·SPL·U-Boot·Kernel·Secure Boot
  36. 36첫 bare-metal 프로그램 작성 — Linker·Startup·main의 최소 구성
  37. 37MMIO 레지스터 직접 접근 — volatile·Memory Map·Aliasing 분석
  38. 38GPIO 드라이버 직접 구현 — STM32 HAL 없이 레지스터로
  39. 39임베디드 클럭 설정 분석 — HSE·PLL·SYSCLK·AHB/APB 분주
  40. 40Cortex-M 인터럽트 핸들링 — NVIC·Priority·Vector·EXTI
  41. 41SysTick 타이머 활용 — 24-bit Counter·1ms Tick·delay 구현
  42. 42UART 드라이버 구현 — polling·interrupt·DMA 3가지 방식 비교
  43. 43SPI 드라이버 구현 — Master·Slave·CRC·DMA
  44. 44I2C 드라이버 구현 — Master·7-bit/10-bit·Clock Stretching 처리
  45. 45임베디드 DMA 기초 — Memory-to-Memory·Peripheral·Circular Mode
  46. 46저전력 모드 분석 — Sleep·Stop·Standby·Wake-up Source
  47. 47IWDG·WWDG 워치독 구현 — Independent vs Window 비교
  48. 48임베디드 Flash 프로그래밍 — Erase·Program·Read While Write
  49. 49DDR 초기화 실패 진단 — Timing·Calibration·Walking Bit Test
  50. 50PWM 출력 실전 — LED 밝기·모터 속도 제어
  51. 51DC 모터 제어 — H-Bridge·PWM Duty·Encoder Feedback
  52. 52스테퍼 모터 제어 — Full Step·Half Step·Microstepping
  53. 53서보 모터 제어 — PWM 1ms~2ms·Closed Loop·PID
  54. 54Character LCD 제어 — HD44780·4-bit Mode·Custom Char
  55. 55SPI OLED 제어 — SSD1306·Frame Buffer·Page 단위 갱신
  56. 56TFT 디스플레이 구동 — RGB565·FSMC·LTDC·DMA2D
  57. 57환경 센서 활용 — BME280 온습압·SHT3x·BMP180 비교
  58. 58IMU 센서 활용 — MPU6050·LSM6DSO·Sensor Fusion
  59. 59CAN 통신 구현 — bxCAN·Filter·Mailbox·CAN-FD
  60. 60USB Device 기초 — Descriptor·Enumeration·Endpoint·HID/CDC
  61. 61Ethernet MAC+PHY 통합 — RMII·lwIP·DMA Descriptor
  62. 62SD Card + FatFs 구현 — SPI/SDIO 모드·CSD/CID·Wear
  63. 63RTC 활용 — Calendar·Alarm·Wake-up Timer·Backup Domain
  64. 64RTOS 도입 결정 분석 — Super Loop vs RTOS 트레이드오프
  65. 65RTOS Task 설계 패턴 — 우선순위·스택·State Machine
  66. 66RTOS Scheduler 동작 분석 — Tick·Context Switch·Yield
  67. 67RTOS Semaphore 활용 — Binary·Counting·ISR Give
  68. 68RTOS Mutex 활용 — Recursive·Priority Inheritance 적용
  69. 69RTOS Queue 활용 — By-Value·By-Reference·Timeout 패턴
  70. 70RTOS Event Group 활용 — Bit Wait·Sync·Notify
  71. 71RTOS Software Timer 활용 — One-shot·Auto-reload·Daemon Task
  72. 72ISR-Safe API 설계 — Reentrant·Atomic·Defer 패턴
  73. 73Priority Inversion 진단·예방 — Mars Pathfinder Lesson 추적
  74. 74Timer Wheel 분석 — Hashed·Hierarchical·O(1) Tick
  75. 75RTOS 디버깅 기법 — Tracealyzer·SystemView·Stack 추적
  76. 76임베디드 Linux 부팅 흐름 분석 — BootROM·U-Boot·Kernel·init
  77. 77U-Boot 활용 — bootcmd·env·tftp·boot.scr 분석
  78. 78Device Tree 실전 — DTS·DTB·Overlay·Phandle 추적
  79. 79Device Tree Overlay 적용 — Runtime fragment·dtoverlay
  80. 80임베디드 커널 빌드 — defconfig·menuconfig·Image·zImage
  81. 81커널 모듈 기초 — init/exit·Parameter·KBuild·DKMS
  82. 82캐릭터 드라이버 작성 — file_operations·cdev·register_chrdev
  83. 83Platform 드라이버 작성 — probe·remove·of_match·DT 바인딩
  84. 84mmap 4가지 모드 — Anonymous·File·Shared·Huge Page
  85. 85epoll 실전 — LT·ET·ONESHOT·EXCLUSIVE 비교
  86. 86UIO·VFIO 분석 — User-Space Driver와 IOMMU 격리
  87. 87sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
  88. 88IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
  89. 89루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
  90. 90임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
  91. 91메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
  94. 94Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
  95. 95NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX