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Modern Embedded Recipes · 52/152

서보 모터 제어 — PWM 1ms~2ms·Closed Loop·PID

· Hawk · 4분 읽기

#한 줄 요약

“20 ms 주기에 12 ms pulse가 0180°.” Hobby servo의 표준 신호. 다른 건 다 같습니다.

#어떤 상황에서 쓰나

RC car 조향, 로봇 관절, 카메라 pan/tilt gimbal, 작은 quadcopter actuator — 0~180° 회전 위치 제어가 필요한 곳에 SG90, MG996R, MG90S 같은 hobby servo를 씁니다. 내부에 DC motor + reduction gear + position feedback + PID가 모두 들어있어 MCU는 PWM pulse 하나만 보냅니다.

이 글은 STM32 TIM의 PWM 채널로 1-2 ms pulse를 만들고, 다중 servo 동시 제어 패턴, 그리고 servo의 한계와 진단을 다룹니다.

#핵심 개념

#서보 PWM 사양

Period: 20 ms (50 Hz)
Pulse width → angle:
0.5 ms (2.5%) → -90° (또는 0°)
1.0 ms (5%) → -45°
1.5 ms (7.5%) → 0° (center)
2.0 ms (10%) → +45°
2.5 ms (12.5%) → +90° (또는 180°)

표준은 1-2 ms = 90°범위입니다. 일부 servo는 0.5-2.5 ms = 180° (확장 범위). datasheet 확인.

#Servo 종류

Type회전토크Feedback
표준 servo (SG90)0~180°1.8 kg·cm @ 4.8V내장 (위치)
Continuous servo무한 회전없음 (속도 제어)
Digital servo0~180°더 빠른 응답내장 + 300 Hz 가능
Metal gear (MG996R)0~180°11 kg·cm내장

#Multi-channel 제어

12-channel servo (로봇 팔 등) 제어가 흔합니다. STM32 TIM이 4 channel을 가지므로 TIM 3개로 12 channel.

TIM3 CH1-4: servo 0-3 (50 Hz, 4 CCR로 duty)
TIM4 CH1-4: servo 4-7
TIM2 CH1-4: servo 8-11

또는 외부 PCA9685 (16-channel PWM driver, I2C)로 더 많이.

#코드 예제

#1. 단일 servo

void servo_init(void) {
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
// PA6 = TIM3_CH1
gpio_init(GPIOA, 6, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .af=2});
// 50 Hz, resolution 1 µs
// TIM3 clock = 84 MHz; PSC = 84-1 → 1 MHz tick (1 µs)
// ARR = 20000-1 → 20 ms period (50 Hz)
TIM3->PSC = 84 - 1;
TIM3->ARR = 20000 - 1;
TIM3->CCMR1 = (6u << 4) | TIM_CCMR1_OC1PE; // PWM mode 1
TIM3->CCER = TIM_CCER_CC1E;
TIM3->CCR1 = 1500; // center (1.5 ms)
TIM3->CR1 = TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_CEN;
TIM3->EGR = TIM_EGR_UG;
}
void servo_set_us(uint16_t pulse_us) {
if (pulse_us < 500) pulse_us = 500; // clamp
if (pulse_us > 2500) pulse_us = 2500;
TIM3->CCR1 = pulse_us;
}
void servo_set_angle(int16_t deg) {
// -90~+90 → 500~2500 µs
if (deg < -90) deg = -90;
if (deg > 90) deg = 90;
uint16_t pulse = 1500 + (deg * 1000) / 90;
servo_set_us(pulse);
}

#2. 4-channel — TIM3 모든 채널

void servo4_init(void) {
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;
// PA6/7/B0/B1 = TIM3 CH1-4 (AF2)
gpio_init(GPIOA, 6, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .af=2});
gpio_init(GPIOA, 7, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .af=2});
gpio_init(GPIOB, 0, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .af=2});
gpio_init(GPIOB, 1, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .af=2});
TIM3->PSC = 84 - 1;
TIM3->ARR = 20000 - 1;
TIM3->CCMR1 = (6u << 4) | TIM_CCMR1_OC1PE
| (6u << 12) | TIM_CCMR1_OC2PE;
TIM3->CCMR2 = (6u << 4) | TIM_CCMR2_OC3PE
| (6u << 12) | TIM_CCMR2_OC4PE;
TIM3->CCER = TIM_CCER_CC1E | TIM_CCER_CC2E
| TIM_CCER_CC3E | TIM_CCER_CC4E;
TIM3->CCR1 = TIM3->CCR2 = TIM3->CCR3 = TIM3->CCR4 = 1500;
TIM3->CR1 = TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_CEN;
TIM3->EGR = TIM_EGR_UG;
}
void servo4_set(uint8_t ch, uint16_t pulse_us) {
if (pulse_us < 500) pulse_us = 500;
if (pulse_us > 2500) pulse_us = 2500;
switch (ch) {
case 0: TIM3->CCR1 = pulse_us; break;
case 1: TIM3->CCR2 = pulse_us; break;
case 2: TIM3->CCR3 = pulse_us; break;
case 3: TIM3->CCR4 = pulse_us; break;
}
}

#3. Smooth move — interpolation

급격히 각도 변경하면 servo가 빠르게 회전 + 큰 current. 부드러운 motion에는 interpolation.

typedef struct {
int16_t current_us;
int16_t target_us;
int16_t step; // per tick
} servo_smooth_t;
static servo_smooth_t s = {1500, 1500, 5};
void servo_smooth_set(int16_t target) { s.target_us = target; }
// 10 ms 주기 호출
void servo_smooth_tick(void) {
if (s.current_us < s.target_us) {
s.current_us += s.step;
if (s.current_us > s.target_us) s.current_us = s.target_us;
} else if (s.current_us > s.target_us) {
s.current_us -= s.step;
if (s.current_us < s.target_us) s.current_us = s.target_us;
}
servo_set_us(s.current_us);
}

#4. Calibration

servo마다 정확한 center / min / max가 다릅니다. 사용 전 calibration.

typedef struct {
uint16_t min_us; // 0° or -90°
uint16_t center_us; // 0° (center)
uint16_t max_us; // 180° or +90°
} servo_cal_t;
static servo_cal_t cal = {550, 1480, 2400}; // 실측값
void servo_set_angle_cal(int16_t deg) {
uint16_t pulse;
if (deg < 0)
pulse = cal.center_us + (deg * (cal.center_us - cal.min_us)) / 90;
else
pulse = cal.center_us + (deg * (cal.max_us - cal.center_us)) / 90;
servo_set_us(pulse);
}

#측정 / 동작 확인

스코프로 signal 핀을 봅니다.

Servo PWM — 50 Hz period, 1.5 ms center pulse

각도 변경 시 pulse width만 바뀝니다 (period는 20 ms 고정).

physical 회전 각도와 명령 각도가 어긋나면 calibration 다시.

power supply current로 stall 여부 확인. servo가 물리적으로 막혀 (limit switch 닿거나, 부하 초과) 있으면 지속 high current. 발열 → burn-out.

#자주 보는 함정

⚠️ 5V servo를 3.3V signal로 구동

대부분의 servo는 3.3V signal로도 동작하지만, 일부는 5V threshold. 안 움직이면 level shifter 또는 5V GPIO 사용.

⚠️ MCU에서 직접 servo power 공급

SG90도 stall에 700 mA 흘림. STM32 3.3V regulator (typ 300 mA)에서는 brown-out reset. servo는 별도 5V supply에서 연결, GND는 공통.

⚠️ Pulse 범위 초과

500 µs 이하나 2500 µs 이상을 보내면 servo가 internal end-stop에 부딪힘 → buzz + 발열. clamp 필수.

⚠️ 50 Hz 이외 frequency

대부분 servo는 50 Hz 전용. digital servo만 200-300 Hz 가능.

⚠️ 정전기·voltage spike

servo가 외력으로 회전당하면 back-EMF가 signal line으로 결합. signal에 직렬 100 Ω + 1 nF로 protection.

⚠️ Multiple servo 동시 startup

여러 servo가 동시에 0° → 180° 가면 power supply가 droop. 시간차 startup.

#정리

  • Hobby servo = 50 Hz PWM, 1-2 ms pulse. 1.5 ms가 center.
  • TIM의 PSC=83, ARR=19999로 1 µs resolution, 20 ms period.
  • 한 TIM의 4 channel로 4 servo. 12 channel 이상은 PCA9685 I2C driver.
  • Calibration (min/center/max) + smooth interpolation으로 부드러운 motion.
  • Power 분리 (servo VBUS 별도), GND 공통, signal에 protection 권장.

다음 편은 **Character LCD (HD44780)**입니다. 4/8-bit 모드, command, custom character를 다룹니다.

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  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
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  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