본문으로 건너뛰기
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.

#관련 항목

Modern Embedded Recipes · 53 of 152

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