서보 모터 제어 — PWM 1ms~2ms·Closed Loop·PID
#한 줄 요약
“20 ms 주기에 1
2 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
| Type | 회전 | 토크 | Feedback |
|---|---|---|---|
| 표준 servo (SG90) | 0~180° | 1.8 kg·cm @ 4.8V | 내장 (위치) |
| Continuous servo | 무한 회전 | — | 없음 (속도 제어) |
| Digital servo | 0~180° | 더 빠른 응답 | 내장 + 300 Hz 가능 |
| Metal gear (MG996R) | 0~180° | 11 kg·cm | 내장 |
#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 4-7TIM2 CH1-4: servo 8-11또는 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 호출void 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.
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
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- 5-02: DC 모터 제어
- 5-03: 스테퍼 모터
- 9-05: PID 제어 기본
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