Comparaison pratique de servomoteurs intelligents à bus série pour la robotique

Les servomoteurs intelligents à bus série sont devenus un choix courant pour les projets de robotique DIY à prix abordable, notamment les bras robotiques, les robots quadrupèdes et d’autres mécanismes compacts similaires. Ils regroupent dans un seul boîtier un moteur, un réducteur, un encodeur, un contrôleur et une interface série, ce qui les rend bien plus faciles à intégrer qu’un moteur nu avec un pilote externe.

Les modèles disponibles sont nombreux, mais les fiches techniques ne répondent pas toujours aux questions qui se posent une fois le servomoteur installé dans un mécanisme réel. Les valeurs de couple, de vitesse et d’intensité publiées constituent un point de départ utile, mais elles ne décrivent pas entièrement la consommation énergétique, l’échauffement en charge, le comportement au voisinage du couple nominal, ni la durée pendant laquelle le servomoteur peut maintenir un couple constant sans surchauffer ou se couper.

Pour cette comparaison, nous avons testé cinq modèles populaires couvrant à la fois les options d’entrée de gamme et les options plus performantes :

• STS3215
• STS3235
• STS3250
• HLS3930M
• HLS3950M

L’objectif est d’évaluer les compromis pratiques : couple maximal, consommation de courant, échauffement en charge, comportement au couple nominal, jeu mécanique, et détails de construction tels que les engrenages en laiton par rapport aux engrenages tout acier, ou le boîtier plastique par rapport au boîtier métallique. Nous accordons également une attention particulière au fonctionnement à force constante, car la documentation des fabricants ne fournit pas suffisamment de détails pour juger ce comportement à partir de la seule fiche technique.

Spécifications comparées

Le principal point commun est que les cinq servomoteurs reposent sur le même principe de commande : un servomoteur intelligent TTL à bus série avec sortie à double arbre, retour par encodeur magnétique, commande par paquets numériques et boucle PID interne. Ils partagent également le même rapport de réduction de 1/345, la même limite de jeu mécanique revendiquée de 0,5 degré ou moins, le même format de disque 25T et une enveloppe physique presque identique. Cela signifie qu’ils peuvent généralement être considérés comme mécaniquement similaires lors de la conception d’une articulation de robot, du moins extérieurement.

Les principales différences portent sur la classe de couple, la construction, la vitesse et le type de moteur. Les STS3215 et STS3235 sont les options de la classe 30 kg·cm, le HLS3930M se situe en milieu de gamme à 35 kg·cm, et les STS3250 et HLS3950M appartiennent à la classe 50 kg·cm. Les modèles les plus rapides sont le STS3250 et le HLS3950M, tous deux annoncés à 75 RPM, tandis que les autres sont annoncés à 45 RPM. Les modèles à 50 kg·cm utilisent également des moteurs sans noyau, ce qui les rend plus intéressants pour les applications nécessitant une vitesse plus élevée et une meilleure réactivité.

La construction est un autre critère de différenciation pratique. Le STS3215 est le servomoteur le plus léger et le seul de ce groupe à disposer d’un boîtier en plastique PA+GF. Il est également décrit comme ayant des engrenages en cuivre/métal plutôt qu’en acier intégral. Les quatre autres servomoteurs utilisent des boîtiers en aluminium et des engrenages en acier, ce qui en fait de meilleurs candidats pour les articulations sous forte charge, les cycles de service sévères et les situations où la durabilité du réducteur prime sur quelques grammes économisés.

Les valeurs d’intensité montrent également que le couple plus élevé ne se traduit pas par une simple augmentation linéaire de l’intensité indiquée. Le STS3250 affiche l’intensité de blocage la plus élevée à 4,2 A, tandis que le HLS3950M est annoncé à 2,4 A bien qu’il appartienne à la même classe de couple de 50 kg·cm. Cette différence est l’une des raisons pour lesquelles les tests sur banc sont importants : les valeurs de la fiche technique suggèrent que les moteurs ne sont pas de simples versions mises à l’échelle l’une de l’autre, et la consommation de courant réelle en charge doit être mesurée directement.

Les spécifications fabricant ci-dessous sont utiles pour présélectionner les candidats avant les tests.

Spécifications propres à chaque modèle

Spécifications communes

Spécification	Valeur commune
Dimensions	45.22 × 24.72 × 35 mm
Type	Servomoteur intelligent TTL à bus série, double arbre, encodeur magnétique
Résolution de l’encodeur	Encodeur magnétique 12-bit ; 4096 points, 0,088° par impulsion
Type de commande	Paquets numériques, série asynchrone semi-duplex ; commande PID
Type de disque	25T / OD 5.9 mm
Rapport de réduction	1/345
Jeu mécanique	≤0.5°
Protections	Surcharge, surtension, surchauffe, surintensité

Servomoteurs à force constante et retour de force

Dans cet article, un servomoteur à force constante désigne un servomoteur intelligent pouvant être utilisé comme actionneur à force contrôlée, et pas uniquement comme actionneur de position. Dans le cas d’un petit servomoteur à bus série, cela ne signifie généralement pas un contrôle de force de niveau laboratoire avec une cellule de charge étalonnée. Cela signifie que le contrôleur peut commander ou limiter l’effort moteur, généralement via des paramètres liés au courant ou au couple, et que le mécanisme peut réagir à la charge au lieu de simplement se diriger vers un angle cible avec toute la force disponible.

Les moteurs de la série STS sont principalement des servomoteurs de position avec limitation de couple. Ils peuvent réduire la sortie via le paramètre Torque Limit, ce qui contribue à protéger les mécanismes, mais le modèle de commande reste centré sur les commandes de position. Les servomoteurs de la série HLS sont plus intéressants pour les applications sensibles à la force, car le couple peut être entré directement en tant que paramètre de la commande de mouvement, et la mesure du courant semble être beaucoup plus sensible. Cela facilite l’observation et l’exploitation dans le logiciel des petites variations de charge.

Ce comportement est utile dans les pinces, où l’objectif est souvent de fermer jusqu’au contact puis de maintenir une force de serrage contrôlée plutôt que d’écraser l’objet. Il est également utile dans les bras maîtres et les poignées de guidage, où une personne déplace le mécanisme à la main et où le contrôleur lit la position, la charge ou la résistance comme retour. Dans ce rôle, le servomoteur ne se contente pas de déplacer une articulation ; il fait partie du dispositif d’entrée.

D’autres exemples pratiques incluent les articulations d’exosquelettes, les orthèses d’assistance, les boutons haptiques, les poignées de télé-opération, les mains robotiques, les mécanismes de tension de câbles, les bras robotiques compliants, la détection de contact en bout d’effecteur, les gabarits de test à charge constante et les robots éducatifs à limite de sécurité. Dans ces cas, un comportement de force prévisible et un retour de courant lisible peuvent être plus importants que le couple de blocage maximal.

Le compromis est la chaleur. Une application à force constante peut maintenir le moteur sous tension même lorsque l’arbre de sortie bouge à peine, de sorte que l’énergie électrique se transforme en chaleur pendant la phase de maintien. C’est pourquoi l’intensité absorbée, l’échauffement et le matériau du boîtier sont au cœur de cette comparaison : le comportement en contrôle de force n’est utile que si le moteur, le pilote, le réducteur et le boîtier peuvent supporter le cycle de service prévu.

Banc d’essai et méthodes de test

Chaque servomoteur a été évalué à l’aide de trois tests pratiques sur banc : un test court de couple maximal et d’intensité maximale, un test d’échauffement de deux minutes sous charge de 50%, et une mesure du jeu mécanique pendant que le servomoteur maintenait sa position. Ensemble, ces tests couvrent la puissance de pointe, le comportement thermique en charge soutenue, la demande en courant et le jeu mécanique en sortie.

Test de couple maximal et d’intensité maximale

Le test de couple maximal a utilisé un bâti imprimé en 3D pour maintenir rigidement une balance électronique à crochet devant le servomoteur. Un bras de levier de 10 cm a été fixé au disque du servomoteur et positionné perpendiculairement à la balance. En position neutre, le bras était connecté à la balance sans précharge.

Une séquence de mouvements scriptée entraînait le servomoteur contre la balance et le chargeait vers le couple maximal que le moteur pouvait produire. Comme le bras de levier mesurait 10 cm, la lecture de la balance se convertit directement en couple : le couple en kg·cm est la lecture de la balance en kgf multiplié par 10. Le même résultat peut être exprimé en Nm par kgf × 0,9807.

Ce test représente une condition de pointe de couple bref, et non un point de fonctionnement normal. Il est utile comme référence pour comparer la force maximale que chaque servomoteur peut produire avant de bloquer, de saturer ou d’atteindre une limite pratique de courant. Il ne doit pas être confondu avec le couple nominal : le couple nominal est la charge qu’un servomoteur est censé supporter de manière plus continue, tandis que le couple maximal ou de blocage est une limite de courte durée et est bien supérieur à la valeur nominale. Par exemple, un servomoteur nominal à 10 kg·cm peut afficher un couple de blocage de 30 kg·cm, mais cela ne signifie pas qu’il peut maintenir 30 kg·cm en charge continue.

Tous les moteurs ont été alimentés via une carte Waveshare Servo Motor Driver HAT capable de gérer des charges de 10 A. L’alimentation de laboratoire était réglée sur 12 V avec une limite de courant de 10 A. Lors de chaque séquence de test, nous avons enregistré à la fois les journaux du servomoteur et une vidéo, afin que le couple et l’intensité mesurés puissent être vérifiés par rapport au comportement visible du banc.

Test d’échauffement sous charge de 50%

Le deuxième test a mesuré l’échauffement pendant que le servomoteur maintenait environ 50% de charge pendant deux minutes. Ce test est plus proche d’un scénario de charge continue pratique que le test de couple maximal, car de nombreuses articulations de robots passent plus de temps à maintenir ou à résister à la charge qu’à atteindre brièvement le couple de blocage.

Pendant ce test, nous avons collecté des données de température à partir de deux sources : le capteur de température interne du servomoteur et une caméra thermique externe. Le capteur interne indique ce que le servomoteur rapporte via sa télémétrie, tandis que la caméra thermique offre une vue indépendante de l’échauffement du boîtier et de la surface. La comparaison des deux lectures permet de déterminer si la chaleur est concentrée à l’intérieur du moteur/pilote ou si elle se dissipe à travers le boîtier.

Ce test représente le comportement thermique sous charge partielle soutenue. Il aide à répondre à une question plus pratique que le seul couple de pointe : le servomoteur peut-il maintenir une charge significative pendant une courte période de travail sans échauffement excessif, absorption de courant excessive ou signes de contrainte thermique.

Test de mesure du jeu mécanique

Le troisième test a mesuré le jeu mécanique pendant que le servomoteur maintenait activement sa position commandée. Un bras de levier de 10 cm était sollicité mécaniquement dans deux directions, créant de petites oscillations autour de la position maintenue sans commander le moteur à se déplacer. Pendant ce processus, les données de journal contenant l’erreur de position de l’encodeur ont été enregistrées.

Le jeu mécanique a été calculé à partir de l’écart entre l’erreur de position minimale et maximale observée pendant le test. Pour réduire l’effet du bruit et des pics sur un seul échantillon, le calcul a utilisé des valeurs moyennées sur quelques oscillations dans chaque direction plutôt que d’utiliser uniquement un minimum et un maximum bruts.

La valeur finale du jeu mécanique a été convertie de points d’encodeur en degrés à l’aide de la résolution de l’encodeur. Avec l’encodeur magnétique 12-bit, un point représente environ 0,088°, donc le jeu mécanique en degrés est calculé comme le nombre de points d’erreur de position × 0,088°. Ce test représente le jeu mécanique qui apparaît en sortie lorsque le servomoteur tente de maintenir une position fixe contre de petites forces extérieures.

Résultats des tests

Couple et intensité

Le premier ensemble de résultats compare le comportement en charge de pointe brève avec le point de charge de 50% utilisé pour le test thermique. Les lectures de la balance sont exprimées en kgf car elles proviennent directement de la balance à crochet. Avec le bras de levier de 10 cm, le couple en kg·cm est la lecture de la balance × 10.

La commande de charge était différente entre les deux familles de servomoteurs. Pour les moteurs de la série STS, le couple de sortie était limité via le paramètre Torque Limit. Pour les moteurs de la série HLS, la valeur de courant était entrée directement comme paramètre de commande de mouvement.

Motor	Load	Lecture de la balance (kgf)	Couple (kg·cm)	Courant (A)
STS3215	charge de 100%	3.3	33.0	2.8
STS3215	charge de 50%	2.2	22.0	0.75
STS3235	charge de 100%	3.0	30.0	2.4
STS3235	charge de 50%	2.2	22.0	0.75
STS3250	charge de 100%	5.2	52.0	4.7
STS3250	charge de 50%	3.5	35.0	1.6
HLS3930M	charge de 100%	2.8	28.0	2.4
HLS3930M	charge de 50%	2.2	22.0	0.75
HLS3950M	charge de 100%	6.3	63.0	6.0
HLS3950M	charge de 50%	3.5	35.0	2.4

Le HLS3950M a produit le couple de pointe mesuré le plus élevé à 63,0 kg·cm, mais il a également absorbé l’intensité de pointe la plus élevée à 6,0 A. C’est le moteur le plus puissant de cet ensemble de tests, mais il nécessite la plus grande marge électrique et thermique.

Le STS3250 a également produit un couple important à 52,0 kg·cm et a atteint 35,0 kg·cm au point de test à 50%.

L’une des observations les plus claires est que la consommation de courant suit davantage le niveau de charge réel que le servomoteur en tant que modèle. Au point de charge similaire de 22,0 kg·cm, le STS3215, le STS3235 et le HLS3930M ont tous absorbé environ 0,75 A. Au point de charge plus élevé de 35,0 kg·cm, le STS3250 et le HLS3950M sont passés dans une plage de courant supérieure. En pratique, cela signifie que les servomoteurs de différentes familles peuvent consommer un courant très similaire lorsqu’ils effectuent un travail mécanique similaire. Cela signifie également que les moteurs de la série HLS n’ont pas semblé être plus efficaces dans ces mesures, malgré des valeurs de courant plus favorables dans la fiche technique. À charge mécanique comparable, leur consommation de courant se situait dans la même plage pratique que les moteurs de la série STS.

Lors de tentatives répétées du test à charge de 100%, deux moteurs ont été endommagés malgré le contrôle de la température et le refroidissement. Le STS3215 est tombé en panne avec une carte de commande brûlée, tandis que le STS3250 est tombé en panne avec un moteur brûlé. Il s’agit d’un résultat pratique important : le test de couple maximal doit être traité comme une mesure de référence brève, et non comme un mode de fonctionnement continu sûr.

Enregistrements du test de couple

Résultats d’échauffement

Le test de température a été effectué au point de charge de 50%. Le tableau ci-dessous combine la télémétrie de température interne du servomoteur avec les lectures de la caméra thermique capturées lors du même type de test.

Motor	Début interne (°C)	Fin interne (°C)	Variation interne (°C)	Début caméra (°C)	Fin caméra (°C)	Variation caméra (°C)
STS3215	31.0	41.0	10.0	30.0	33.5	3.5
STS3235	31.0	36.0	5.0	30.0	34.5	4.5
STS3250	30.0	55.0	25.0	30.0	54.0	24.0
HLS3930M	33.0	35.0	2.0	30.0	31.7	1.7
HLS3950M	31.0	39.0	8.0	30.0	35.6	5.6

Le STS3250 a été le cas thermique atypique dans ce test. Sa télémétrie interne est passée de 30 °C à 55 °C, et la caméra thermique a montré une élévation de surface très similaire, de 30 °C à 54 °C. C’est bien supérieur au reste du groupe dans les mêmes conditions de test à charge de 50%.

Le HLS3930M a montré la plus faible élévation dans les données capturées, avec une télémétrie interne n’augmentant que de 2 °C et la température de la caméra thermique de 1,7 °C.

Le STS3215 est important pour une raison différente : sa température interne a augmenté de 10 °C, tandis que la lecture externe de la caméra thermique n’a augmenté que de 3,5 °C. L’image thermique montre la chaleur concentrée à l’intérieur du boîtier. Avec le boîtier en plastique PA+GF, la dissipation thermique est bien plus mauvaise que sur les servomoteurs à boîtier aluminium, de sorte que la température extérieure du boîtier peut sous-estimer le risque d’échauffement interne lors d’un maintien soutenu.

Dans l’ensemble, les données de température confirment les mesures de courant : une charge mécanique similaire produit des contraintes électriques et thermiques similaires sur plusieurs modèles, tandis que la construction du boîtier influe fortement sur la manière dont cette chaleur s’échappe. Pour les articulations compactes de robots qui maintiennent une charge pendant de longues périodes, la marge thermique et le matériau du boîtier sont tout aussi importants que la valeur de couple annoncée.

Enregistrements du test thermique

Résultats du test de jeu mécanique

Le jeu mécanique a été calculé à partir des plateaux d’erreur d’encodeur positifs et négatifs sélectionnés pendant que chaque servomoteur maintenait sa position.

Motor	Moyenne positive (points)	Moyenne négative (points)	Jeu mécanique (points)	Jeu mécanique (degrés)
STS3215	3.75	-5.00	8.75	0.769
STS3235	4.00	-1.00	5.00	0.439
STS3250	1.50	-1.67	3.17	0.278
HLS3930M	2.00	-2.00	4.00	0.352
HLS3950M	3.20	-3.25	6.45	0.567

Le STS3250 a présenté le jeu mécanique mesuré le plus faible dans ce test à 0,278 degrés, suivi du HLS3930M à 0,352 degrés et du STS3235 à 0,439 degrés. Ces trois modèles sont restés en dessous de la limite de spécification de 0,5 degré.

Le STS3215 a affiché le jeu mécanique mesuré le plus important à 0,769 degrés, nettement au-dessus de la limite déclarée de 0,5 degré. Le HLS3950M dépassait également la limite à 0,567 degrés.

Le résultat ne correspond pas directement à la classe de couple. Le servomoteur le plus puissant du test de couple, le HLS3950M, n’a pas présenté le meilleur résultat de jeu mécanique, tandis que le STS3250 a obtenu le meilleur score dans cet ensemble. Pour les articulations où la précision de positionnement est importante, le comportement du réducteur doit être vérifié directement plutôt que déduit du seul couple maximal.

Conclusions

Les tests ont confirmé la plupart des spécifications publiées, mais ils ont également montré pourquoi les fiches techniques ne suffisent pas pour sélectionner des servomoteurs pour un robot. Certaines valeurs étaient difficiles à exploiter avant les tests. Le jeu mécanique en est un exemple : plusieurs moteurs étaient proches de la limite revendiquée, mais le STS3215 et le HLS3950M ont mesuré des valeurs inférieures à la spécification de 0,5 degré. Le courant en est un autre exemple : les valeurs de la fiche technique suggéraient de grandes différences d’efficacité, mais à charge mécanique similaire les moteurs consommaient souvent à peu près le même courant.

Le STS3215 est le moteur le plus basique de cette comparaison. Il est léger et bon marché, mais il présente également les limitations les plus évidentes : boîtier plastique, dissipation thermique plus faible, problèmes de température sous charge soutenue, et le pire jeu mécanique mesuré. Il reste utile pour des applications simples à faible coût, notamment lorsqu’une force constante élevée n’est pas requise. Il peut également convenir aux bras maîtres, aux dispositifs de guidage et aux autres mécanismes déplacés manuellement où le faible coût et la facilité d’intégration priment sur la puissance maximale.

Le STS3235 semble être une option pratique plus solide que le STS3215 tout en restant dans une classe de couple similaire. Les spécifications de couple de pointe et de vitesse sont proches, mais le STS3235 dispose d’engrenages en acier, d’un boîtier en aluminium et d’un jeu mécanique mesuré plus faible. Pour de nombreuses articulations compactes de robots, c’est probablement le choix plus sûr lorsque l’enveloppe du STS3215 est attrayante mais que le boîtier plastique et le comportement du réducteur posent problème.

Le STS3250 est l’un des candidats les plus solides du groupe. Il offre un couple élevé, une RPM élevée, une construction tout métal et le meilleur jeu mécanique mesuré dans notre test. Ce sont des avantages considérables pour les articulations de robots nécessitant à la fois de la force et une bonne précision de positionnement. La principale mise en garde concerne le comportement thermique : nous avons observé une élévation de température inhabituelle lors du test à charge de 50%. Cela pourrait être lié aux conditions spécifiques du test ou à cet échantillon de moteur particulier, et doit donc être retesté avant de tirer une conclusion générale sur le modèle.

Le HLS3930M est une option intéressante, mais dans ces mesures il s’est avéré un peu moins performant que les autres. Son résultat de couple de pointe était inférieur à celui des options STS comparables, et il n’est pas le choix évident si le seul objectif est la puissance de sortie maximale. Son avantage réside dans le comportement de commande HLS : la commande directe du couple et un retour de courant plus sensible le rendent utile pour les pinces, les bras maîtres, les expériences de retour de force et les mécanismes où la détection de contact ou les variations de charge est importante.

Le HLS3950M a produit le couple de pointe mesuré le plus élevé, ce qui en fait le moteur le plus puissant de cet ensemble de tests. Cependant, le résultat du jeu mécanique est décevant, et il nécessite également une marge électrique importante à forte charge. C’est un bon candidat lorsque la force maximale est la priorité principale, mais il est moins convaincant pour les articulations de précision où le jeu en sortie est important.

Dans l’ensemble, le meilleur choix dépend de l’application. Pour les mécanismes simples et économiques, le STS3215 peut suffire. Pour une articulation à faible coût plus robuste, le STS3235 est plus attractif. Pour un couple élevé avec un bon jeu mécanique mesuré, le STS3250 est le candidat le plus solide, à condition que le comportement thermique soit validé. Pour les applications sensibles à la force telles que les pinces et les bras maîtres, le comportement de commande de la série HLS peut avoir plus de valeur que l’efficacité brute. Pour le couple maximal, le HLS3950M est en tête, mais son jeu mécanique doit être soigneusement pris en compte.