스테퍼 모터 제어 — Full Step·Half Step·Microstepping
#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.
| Step | A | B | 각도 |
|---|---|---|---|
| 1 | + | 0 | 0° |
| 2 | 0 | + | 90° |
| 3 | − | 0 | 180° |
| 4 | 0 | − | 270° |
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
| Mode | Step/회전 (200 기본) | Torque | Smoothness |
|---|---|---|---|
| Full | 200 | 100% | 거침 |
| Half | 400 | 70.7% (한 phase ON) ~ 100% | 보통 |
| Micro 1/8 | 1600 | 변동 | 부드러움 |
| Micro 1/16 | 3200 | 변동 | 매우 부드러움 |
| Micro 1/32 | 6400 | 변동 | 거의 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 신호 | DRV8825 핀 | 의미 |
|---|---|---|
| STEP (GPIO) | STEP | rising edge마다 1 step |
| DIR (GPIO) | DIR | 0 = CW, 1 = CCW |
| EN (GPIO) | /EN | 0 = enable (active-low) |
| GPIO × 3 | MS1 / MS2 / MS3 | micro-step select |
| — | AOUT1/2, BOUT1/2 | motor coil |
| — | VMOT | 8 ~ 45 V motor power |
| — | VREF | current 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 = PA2void 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()가 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
- 5-01: PWM 출력
- 5-02: DC 모터 제어
- 5-04: 서보 모터
- 9-05: PID 제어 기본
Modern Embedded Recipes · 52 of 152
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- 3임베디드 클럭과 타이밍 — Skew·Jitter·PLL·MMCM 분석
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- 5UART 하드웨어 동작 분석 — Baud Rate·Framing·FIFO
- 6SPI 하드웨어 분석 — Clock Mode·MOSI/MISO·Chip Select
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- 11CAN 버스 전기적 특성 — Differential·Termination·Dominant/Recessive
- 12RS-485·RS-422 차동 신호 분석 — Termination·Biasing·Topology
- 13LVDS 차동 신호 분석 — Common-Mode·Impedance·Eye Pattern
- 14ARM Cortex-M 시리즈 비교 — M0·M3·M4·M7·M33·M55 분석
- 15ARM Cortex-A 시리즈 비교 — A53·A55·A72·A78·X1 분석
- 16ARM 레지스터 구조 분석 — R0~R15·CPSR·SPSR·Banked Registers
- 17Cortex-M 예외 처리 — Vector Table·NVIC·Tail-Chaining 추적
- 18ARM 메모리 맵 분석 — Normal·Device·Strongly-Ordered Region
- 19ARM L1·L2 캐시 분석 — Set Associative·Inclusive·Maintenance
- 20ARM MPU 활용 — Region·Attribute·Privilege Separation
- 21ARM MMU 기초 분석 — Translation Table·TLB·ASID
- 22ARM TrustZone-M 기초 — Secure/Non-Secure·NSC·MPC
- 23ARM Memory Barrier 실전 — DMB·DSB·ISB·DMA·MMIO
- 24임베디드 크로스 컴파일러 분석 — GCC·Clang·Sysroot 구성
- 25C 컴파일 4단계 — Preprocess·Compile·Assemble·Link 추적
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- 27링커 스크립트 기초 — SECTIONS·MEMORY·entry point
- 28링커 스크립트 고급 — Overlay·BSS·init_array·LMA/VMA
- 29임베디드 스타트업 코드 분석 — Reset_Handler·Vector Table·SystemInit
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- 31임베디드 메모리 레이아웃 — .text·.rodata·.data·.bss·.heap·.stack
- 32임베디드 컴파일러 최적화 분석 — -O0~-O3·-Os·-LTO 비교
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- 35임베디드 Bootloader 체인 — BootROM·SPL·U-Boot·Kernel·Secure Boot
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- 38GPIO 드라이버 직접 구현 — STM32 HAL 없이 레지스터로
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- 75RTOS 디버깅 기법 — Tracealyzer·SystemView·Stack 추적
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- 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
- 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
- 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
- 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX