Test de cartes de commande de servos à bus série Waveshare en charge

L’objectif de ce test était d’évaluer le comportement de différentes cartes de commande de servos sous une gamme de conditions de charge, de l’usage typique aux scénarios de pic les plus défavorables. Cela permet de garantir un fonctionnement fiable en conditions réelles, en particulier lorsqu’un bras robotisé est soumis à des charges élevées soudaines ou prolongées.

Dans nos projets, nous utilisons généralement jusqu’à six servos par système. Selon la configuration, cela peut inclure un mélange de servos Feetech STS3250 et STS3215. Le STS3250 a un courant de blocage d’environ 4,2 A, tandis que le STS3215 atteint environ 2,7 A. Dans les montages mixtes, la demande de courant combinée peut augmenter considérablement, surtout lors de mouvements simultanés ou dans des conditions proches du blocage.

Dans le même temps, le fabricant ne fournit pas de spécifications claires ou détaillées sur la puissance admissible des cartes de commande, ce qui rend difficile la détermination de limites de fonctionnement sûres à partir de la seule documentation. Des tests pratiques sont nécessaires pour comprendre le comportement de ces cartes en conditions réelles, tant en fonctionnement nominal que dans des scénarios de charge plus exigeants.

Quatre scénarios de test de charge ont été évalués :

• Charge continue élevée — 2 A pendant 10 minutes. En conditions normales de fonctionnement, le bras robotisé ne devrait pas dépasser ce niveau. Vérifie que les cartes supportent les charges typiques sans surchauffe.
• Charge continue maximale — 5 A pendant 5 minutes. Fonctionnement prolongé sous forte charge, proche de la limite haute pratique pour de nombreux scénarios réels impliquant plusieurs servos fonctionnant simultanément.
• Charge de pic — 7 A pendant 2 minutes. Le pic maximal attendu. En pratique, le bras n’atteint ce niveau que par brèves pointes (1 à 2 secondes) dans des conditions sévères, mais le test à durée prolongée offre une marge de sécurité supplémentaire.
• Limite de l’alimentation — 10 A pendant 30 secondes. Simule une défaillance ou une condition extrême où la limite de courant de l’alimentation est atteinte. Les cartes doivent résister à ce scénario sans dommage.

Deux cartes disponibles dans le commerce ont été incluses dans la comparaison :

• Waveshare Serial Bus Servo Driver Board — un contrôleur compact et abordable pour servos à bus série, dans la gamme à bas coût et destiné aux projets de robotique courants.
• Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT — un HAT compatible Raspberry Pi qui intègre la commande des servos directement avec un système hôte, offrant une grande commodité pour les montages robotiques embarqués et à base de SBC, à un prix modéré.

Tous les tests ont été réalisés à une température ambiante d’environ 26 °C. La charge était connectée via les connecteurs moteur parallèles à l’aide du câblage moteur d’origine, afin de reproduire au plus près le cas d’usage prévu. Une seule alimentation de laboratoire réglée sur 12 V a été utilisée de manière constante pour tous les tests. Un chargeur de batterie LiPo réglable de 500 W a servi de charge. Pour les tests à 2 A, une charge électronique de 35 W a été utilisée.

Banc d’essai utilisé pour les tests de charge continue à 2 A ; une charge électronique de 35 W tire le courant à travers les connecteurs moteur de la carte sous une tension régulée de 12 V.

Banc d’essai utilisé pour les scénarios à courant élevé ; un chargeur de batterie LiPo réglable de 500 W sert de charge, alimenté en 12 V par une seule alimentation de laboratoire via les connecteurs moteur parallèles de la carte.

Montage de test. À gauche : tests de charge à 2 A ; à droite : tests de charge à 5 / 7 / 10 A.

Tout au long des tests, les températures des composants clés de la carte ont été surveillées à l’aide d’une caméra thermique afin d’identifier les points chauds potentiels et de vérifier les limites de fonctionnement sûres.

Waveshare Serial Bus Servo Driver Board

La Waveshare Serial Bus Servo Driver Board est un contrôleur compact conçu pour les servos à bus série des séries Feetech STS et Waveshare ST. Elle dispose d’une interface USB Type-C pour une connexion directe à un PC hôte, ce qui la rend pratique pour le développement et les tests. La carte propose deux options d’entrée d’alimentation — une prise jack de 5,5×2,1 mm et un bornier à vis — offrant de la flexibilité selon le montage d’alimentation. Outre l’interface USB, elle expose une sortie UART dédiée, permettant de connecter la carte à un microcontrôleur externe pour les applications embarquées.

• Documentation : https://docs.waveshare.com/Bus_Servo_Adapter_A
• Schéma : Schéma du Bus Servo Adapter (A)

Révisions

Cette carte possède au moins deux révisions. La révision 1.1 (la dernière révision connue) inclut une diode TVS supplémentaire. Cette diode semble relativement sensible à la qualité de l’alimentation — avec des connecteurs d’alimentation desserrés ou de mauvaise qualité, elle peut griller. Si la diode grille, elle peut être retirée complètement pour rétablir le fonctionnement de la carte.

 

Gros plan d’une carte de révision 1.1 après la défaillance de la diode TVS ; la diode grillée désactive la carte jusqu’à son retrait physique.

La même carte après le retrait physique de la diode TVS défaillante — la carte redevient fonctionnelle sans le circuit de protection.

Révision 1.1 de la carte avec une diode TVS. À gauche : la diode a grillé. À droite : la diode a été retirée pour rétablir le fonctionnement.

Connecteurs d’alimentation

La carte propose deux options d’entrée d’alimentation : une prise jack de 5,5×2,1 mm et un bornier à vis. Bien que les deux connecteurs servent le même objectif, ils suivent des trajets légèrement différents sur la carte, ce qui se traduit par un comportement nettement différent en charge.

Prise jack (5,5×2,1 mm) : Offre un chemin d’alimentation direct vers les sorties moteur. Les bornes positive et négative sont câblées directement vers les broches des connecteurs moteur, les deux connecteurs moteur étant en parallèle. Il en résulte une chute de tension et une production de chaleur minimales le long du trajet, ce qui en fait l’option la plus robuste pour les charges à courant élevé.

Borniers à vis (DC+ / DC−) : Constituent une méthode d’entrée alternative, mais introduisent des composants supplémentaires dans le chemin d’alimentation. Au lieu d’alimenter directement les sorties moteur, le courant d’entrée est acheminé à travers un MOSFET avant d’atteindre les connecteurs moteur. Sous des charges plus élevées, ce MOSFET devient une source de chaleur importante, ce qui peut affecter le rendement global et les performances thermiques. Bien que les borniers soient nominalement prévus jusqu’à 10 A, leur taille relativement réduite les rend en pratique moins adaptés à un fonctionnement prolongé à courant élevé.

Tests de charge

En raison des différences dans le circuit d’alimentation, les tests ont été menés séparément pour l’entrée par prise jack et pour l’entrée par bornier à vis.

Charge de 2 A pendant 10 minutes

À gauche : prise jack. À droite : bornier à vis.

Le test de charge continue à 2 A n’a révélé aucun problème. La carte a à peine chauffé, la plupart des composants restant proches de la température ambiante. L’imagerie thermique n’a confirmé que de légères hausses de température sur l’ensemble de la carte, généralement de l’ordre de 30–33 °C, ce qui indique de faibles pertes de puissance et une gestion efficace du courant en conditions normales de fonctionnement.

Charge de 5 A pendant 5 minutes

À gauche : prise jack. À droite : bornier à vis.

Alimenté par la prise jack, le connecteur lui-même est devenu nettement chaud, atteignant environ 38–40 °C. Le reste de la carte est resté relativement froid, la plupart des composants se maintenant autour de 30–32 °C. Cela indique que la principale limitation dans cette configuration est le connecteur et sa résistance de contact, plutôt que le chemin d’alimentation interne de la carte.

Avec les borniers à vis, le comportement thermique était dominé par le MOSFET embarqué. Sa température a augmenté relativement vite sous charge et s’est stabilisée autour de 60 °C après quelques minutes. Les autres zones de la carte sont restées modérément chaudes (30–40 °C). Cela confirme que, dans cette configuration, le MOSFET est la principale source de dissipation de puissance et de production de chaleur.

Dans l’ensemble, bien que les deux méthodes d’entrée aient supporté la charge de 5 A sans défaillance immédiate, elles présentent des goulets d’étranglement thermiques différents : la prise jack est limitée par l’échauffement du connecteur, tandis que le trajet par bornier à vis est limité par les pertes du MOSFET.

Charge de 7 A pendant 2 minutes

À gauche : prise jack. À droite : bornier à vis.

Alimenté par la prise jack, la température du connecteur a augmenté de façon significative, atteignant environ 45–46 °C. Le reste de la carte est resté relativement froid (environ 34 °C), confirmant que le connecteur lui-même est le principal goulet d’étranglement thermique dans cette configuration. Bien que l’électronique de la carte ait bien supporté la charge, l’échauffement du connecteur devient plus marqué aux courants plus élevés.

En revanche, avec les borniers à vis, la température du MOSFET a fortement augmenté, atteignant environ 78–80 °C — proche des limites supérieures indiquées dans les fiches techniques typiques, où une température élevée peut commencer à affecter les caractéristiques du composant et sa fiabilité à long terme. Les fils des borniers sont également devenus nettement chauds sous cette charge.

Une autre limitation pratique est la taille des borniers à vis, qui restreint l’utilisation de fils plus épais et contribue à l’échauffement par une résistance accrue dans le câblage.

Dans l’ensemble, à 7 A le système approche de ses limites thermiques : la prise jack est contrainte par l’échauffement du connecteur, tandis que le trajet par bornier à vis est limité par la dissipation du MOSFET et les contraintes de câblage.

10 A pendant 30 secondes

À gauche : prise jack. À droite : bornier à vis.

Le test à 10 A (30 secondes) représente une condition extrême et dépasse nettement la plage de fonctionnement confortable de la carte, révélant ses limites de défaillance.

Alimenté par la prise jack, le problème principal s’est déplacé vers le câblage. Les fils moteur sont devenus nettement chauds sous cette charge, tandis que la carte elle-même est restée relativement épargnée. La zone du connecteur a également affiché des températures élevées (40–45 °C), mais aucun point chaud critique n’a été observé sur le circuit imprimé. Dans cette configuration, le câblage externe devient le facteur limitant avant la carte elle-même.

En revanche, le trajet par bornier à vis a montré une forte contrainte thermique sur le MOSFET. Sa température a rapidement dépassé les limites de fonctionnement sûres, atteignant bien au-delà de 100 °C (≈120 °C lors de ce test). À ce niveau, le composant fonctionne très au-delà des conditions recommandées, où peuvent survenir une dégradation des performances, un emballement thermique ou des dommages irréversibles.

Dans l’ensemble, les résultats confirment qu’un fonctionnement à 10 A n’est pas tenable, en particulier avec l’entrée par bornier à vis. Le MOSFET devient le point faible critique, tandis que dans la configuration par prise jack la limitation se déplace vers les connecteurs et le câblage plutôt que vers le circuit imprimé lui-même.

Conclusion

La Waveshare Serial Bus Servo Driver Board se comporte bien en conditions de fonctionnement typiques et sous des charges modérées. À 2 A et même à 5 A de charge continue, la carte reste stable et thermiquement bien maîtrisée, ce qui la rend adaptée à la plupart des applications robotiques standard.

Cependant, le choix de l’entrée d’alimentation a un impact important sur les performances. La prise jack offre un chemin d’alimentation plus direct et plus efficace, la principale limitation étant l’échauffement du connecteur et du câblage aux courants plus élevés. En revanche, l’entrée par bornier à vis introduit un MOSFET dans le chemin d’alimentation, qui devient la principale source de chaleur et un goulet d’étranglement évident en charge.

Aux courants plus élevés (7 A et plus), les deux configurations commencent à approcher de leurs limites thermiques. La prise jack est contrainte par l’échauffement du connecteur, tandis que le trajet par bornier à vis est limité par la dissipation du MOSFET et les contraintes de câblage. Dans des conditions extrêmes (10 A), la carte fonctionne hors de ses limites sûres — en particulier avec les borniers à vis, où la température du MOSFET dépasse les plages de fonctionnement sûres.

Un autre point de fiabilité concerne la diode TVS présente sur les cartes de révision 1.1. Plusieurs cartes sont tombées en panne pendant les tests, très probablement en raison d’une instabilité de l’alimentation ou de phénomènes transitoires. Dans ces cas, la diode TVS semblait défaillir (griller), désactivant de fait la carte. Bien que le retrait de la diode défaillante rétablisse le fonctionnement, ce comportement suggère que le circuit de protection est peut-être trop sensible — ou pas assez robuste — pour des environnements d’alimentation instables.

Concrètement, la carte convient bien aux systèmes fonctionnant jusqu’à ~5 A de charge continue, avec de brèves pointes occasionnelles. Pour des charges plus élevées, il faut accorder une attention particulière à la qualité de l’alimentation, au câblage et au choix des connecteurs. Dans la mesure du possible, l’entrée par prise jack est l’option préférable pour les applications à courant élevé, tandis que les borniers à vis conviennent mieux aux montages à faible courant ou orientés vers la commodité.

Dans l’ensemble, la carte offre un bon équilibre entre fonctionnalités et coût, mais sa capacité de gestion de la puissance et sa robustesse sont limitées par la conception des connecteurs, la mise en œuvre du chemin d’alimentation et la sensibilité aux transitoires d’alimentation.

Waveshare Serial Bus Driver HAT

• Documentation : https://www.waveshare.com/wiki/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)
• Schéma : Schéma du Bus Servo Driver HAT (A)/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)_Sch.pdf)

Face avant du Waveshare Driver HAT : microcontrôleur ESP32, étage de sortie RS485 / TTL et trois entrées d’alimentation (prise jack 5,5×2,5 mm, borniers à vis, XT90).

Face inférieure du Driver HAT montrant le connecteur 40 broches Raspberry Pi et le régulateur 5 V embarqué qui alimente le Pi.

Driver HAT, face avant (à gauche) et face arrière (à droite).

Le Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT est une solution plus avancée et davantage orientée vers la haute puissance que la carte adaptatrice plus simple. Il intègre un microcontrôleur ESP32, ce qui lui permet de fonctionner comme un contrôleur autonome avec des capacités de communication filaire et sans fil (Wi-Fi / Bluetooth). La carte est conçue comme un HAT Raspberry Pi, permettant une connexion directe via le connecteur 40 broches tout en alimentant le Pi grâce à un régulateur 5 V embarqué. Elle prend en charge les interfaces de servos TTL et RS485, ce qui la rend compatible avec une plus large gamme de servos à bus série. Du point de vue de l’alimentation, la carte propose des options d’entrée nettement plus robustes, notamment un connecteur XT90 et une large plage de tension d’entrée de 9–25 V.

Connecteurs d’alimentation

La carte propose plusieurs options d’entrée d’alimentation : une prise jack de 5,5×2,5 mm, des borniers à vis plus grands (par rapport à la carte précédente) et un connecteur XT90 pour les applications à courant élevé. Tous ces connecteurs sont reliés au même bus d’alimentation, sans composant supplémentaire — tel qu’un MOSFET — introduit dans le chemin d’alimentation. Il en résulte une connexion directe et à faible résistance vers la charge, ce qui est avantageux pour gérer des courants plus élevés.

Les borniers à vis plus grands et le connecteur XT90 rendent cette carte mieux adaptée aux fils plus épais et à la transmission d’un courant plus élevé que les connecteurs plus petits utilisés sur la carte précédente.

Le circuit imprimé comporte un emplacement pour une diode TVS, mais la diode elle-même n’est pas montée, ce qui suggère que la protection contre les transitoires a été envisagée dans la conception mais n’est pas implémentée dans la version livrée.

Tests de charge

Tous les tests ont été réalisés via l’entrée par prise jack, car tous les connecteurs d’alimentation partagent le même chemin d’alimentation et il n’existe aucune différence fonctionnelle entre eux.

Charge de 2 A pendant 10 minutes

Le test de charge à 2 A (10 minutes) n’a révélé aucune préoccupation thermique. La température globale de la carte est restée proche de l’ambiante, avec seulement un léger échauffement observé.

Les seuls composants présentant une hausse de température notable étaient le module ESP32 et le régulateur de tension embarqué, atteignant environ 33–40 °C. C’est attendu, car tous deux participent activement à la régulation de l’alimentation et à la commande. Aucun échauffement significatif n’a été observé dans le chemin d’alimentation ou les connecteurs, ce qui indique un fonctionnement efficace en conditions de charge typiques.

Charge de 5 A pendant 5 minutes

Le test de charge à 5 A (5 minutes) a montré un comportement similaire au cas à 2 A, sans problème thermique significatif observé. La température globale de la carte a légèrement augmenté mais est restée largement dans les limites sûres. Les principales sources de chaleur étaient de nouveau le module ESP32 et le régulateur de tension embarqué. Le chemin d’entrée d’alimentation et les connecteurs sont restés relativement froids, ce qui indique de faibles pertes et une gestion efficace du courant.

Dans l’ensemble, la carte supporte une charge continue de 5 A sans aucun signe de contrainte thermique, ce qui suggère qu’elle convient à un fonctionnement prolongé sous forte charge dans les cas d’usage typiques.

Charge de 7 A pendant 2 minutes

Le test de charge à 7 A (2 minutes) a montré que tous les composants de la carte restaient dans une plage de température sûre. Les fils moteur sont devenus légèrement tièdes, atteignant environ 42,2 °C.

10 A pendant 30 secondes

Pendant le test de charge à 10 A (30 secondes), tous les composants de la carte sont restés dans des températures de fonctionnement sûres. Le seul échauffement notable concernait les fils moteur, qui ont atteint environ 44,6 °C.

Conclusion

Le Waveshare Serial Bus Driver HAT est clairement conçu pour les applications à courant élevé et se comporte nettement mieux en charge que les cartes adaptatrices plus simples. Sur l’ensemble des tests — de 2 A jusqu’à 10 A — la carte elle-même est restée thermiquement stable, sans point chaud critique observé dans le chemin d’alimentation ou les circuits de commande.

Grâce à sa conception à bus d’alimentation direct (sans composants supplémentaires tels que des MOSFET), la carte gère efficacement les courants élevés, et ses connecteurs plus grands la rendent bien adaptée à une transmission de puissance robuste.

En pratique, les facteurs limitants ne sont pas la carte elle-même, mais les composants externes — en particulier les connecteurs moteur et le câblage d’origine. À mesure que le courant augmente, l’échauffement s’observe surtout dans les fils plutôt que sur le circuit imprimé, ce qui indique que la carte dispose d’une marge suffisante tandis que le câblage devient le goulet d’étranglement.

Dans l’ensemble, le HAT est un choix solide pour les systèmes multi-servos et les montages à courant élevé. Il peut supporter sans difficulté des charges prolongées dans la plage 5–7 A et tolérer de brèves pointes jusqu’à 10 A, à condition d’utiliser un câblage et des connecteurs adaptés.