Teste do servomotor Feetech STS3215: folga, repetibilidade e torque

Em setembro, passamos a uma etapa mais detalhada de teste dos servomotores antes de iniciar a programação do controlador. Começamos a testar o Feetech STS3215 C018 (relação de redução 1:345, 12V, torque de bloqueio de 30 kg·cm), um servomotor popular amplamente utilizado em projetos robóticos de código aberto, como SO-ARM100 e o Robonine parallel gripper. Este artigo vai se concentrar principalmente em seu desempenho. Para começar, vou analisar os dados fornecidos pelo fabricante. Esses valores servirão de referência para nossos testes de verificação. Algumas das imagens mostram o Waveshare STS3215, que é tecnicamente muito semelhante — chegando a usar a mesma versão de firmware.

O Feetech STS3215 conta com um encoder magnético de 12 bits que oferece 4096 passos por rotação de 360° (0,088° por passo). Esse projeto magnetorresistivo elimina o desgaste por atrito, ao contrário dos encoders baseados em potenciômetro com contatos deslizantes, que se degradam com o tempo. A ausência de superfícies de contato móveis garante um controle confiável em malha fechada e um desempenho consistente a longo prazo, sem degradação do encoder.

 

O servo conta com uma caixa de engrenagens metálica de vários estágios, projetada para entregar alto torque em um conjunto acessível. Segundo o the datasheet, a especificação da caixa de engrenagens indica uma folga ≤ 0,5°, o que é típico para essa classe de servo. São usadas engrenagens metálicas em vez de plásticas para suportar cargas prolongadas e ciclos repetitivos de movimento. O encoder é integrado antes do estágio de redução para fornecer feedback direto do motor. A caixa de engrenagens utiliza uma relação de 1:345, permitindo que o servo converta a velocidade do motor em alto torque de saída, adequado para aplicações robóticas. A alta relação de redução e o projeto da caixa de engrenagens metálica tornam esse servo inadequado para aplicações de acionamento reverso, pois forças externas podem facilmente girar as engrenagens no sentido inverso, causando movimento descontrolado e possíveis danos ao motor.

O gráfico de envelope de desempenho exibe official datasheet os valores de potência de saída, velocidade de rotação, eficiência e consumo de corrente em cargas de torque de 0 a 30 kg·cm. A velocidade diminui de forma linear conforme a carga aumenta, enquanto a potência de saída atinge o pico em torno de 15 kg·cm antes de cair em cargas mais pesadas. A eficiência atinge o máximo (cerca de 26%) na faixa de 6–9 kg·cm, o que é típico para motores servo acessíveis. O consumo de corrente cresce de forma linear com a demanda de torque em toda a faixa de operação. Essas especificações de catálogo demonstram que, apesar dos valores modestos de eficiência inerentes aos projetos de baixo custo, o servo oferece um gerenciamento de energia confiável, adequado para aplicações robóticas e de automação com orçamento limitado.

Teste de desempenho de velocidade e precisão

O servo Feetech STS-3215 foi testado a 100% e 50% de sua velocidade nominal. As medições mostraram uma velocidade máxima de aproximadamente 46 RPM, com precisão de ±2% e flutuações de cerca de 7%. Embora pequenas oscilações tenham sido observadas em velocidades mais baixas, o movimento geral permaneceu estável e de acordo com as especificações do fabricante.

Esses resultados confirmam que a velocidade nominal sem carga do servo, de 0,22 s/60°, está bem alinhada com os valores do datasheet, oferecendo velocidade e capacidade de resposta adequadas para aplicações de robótica e de controle de movimento.

Medição da folga

Uma das principais características que nos fez repensar o projeto do nosso manipulador é a folga. Usando um relógio comparador, medimos primeiro um deslocamento linear de 1,3 mm na ponta de um braço de alavanca de 86 mm. A partir disso, calculamos uma folga angular de 0,0151 radianos (≈ 0,87°) — visivelmente maior que o limite de 0,5° especificado no datasheet. Esse desvio é bastante significativo, pois mesmo pequenos erros angulares na junta se traduzem em desvios da ordem de milímetros na ponta do braço.

A montagem de teste utilizou um elástico aplicando cerca de 30 g de tensão para garantir um carregamento consistente, enquanto um relógio comparador media o deslocamento resultante. Esse método forneceu leituras estáveis, sem força excessiva ou dependência do torque.

Além disso, parte dessa folga parece ser induzida por software: existe uma zona morta integrada de 10 contagens do encoder, ou seja, o motor ignora pequenos comandos dentro dessa faixa. A folga também se manifesta como tremor ou oscilação quando o braço está estendido — o servo tem dificuldade de retornar com precisão à posição-alvo, resultando em vibração visível.

Teste de repetibilidade

Outro parâmetro importante é a repetibilidade. O teste de repetibilidade do servo Feetech STS3215 foi realizado usando uma alavanca vertical de 10 cm, com incrementos de 20 passos, três ciclos em cada direção e três iterações completas. Os resultados indicam um desempenho estável sob condições controladas.

Parâmetros e resultados do teste:

• Configuração da alavanca: braço vertical de 10 cm
• Método de teste: incrementos de 20 passos; 3 ciclos em cada direção; 3 iterações completas
• Desvio medido na ponta: ±0.3 mm
• Repetibilidade angular equivalente: ≈ 0.17° (≈10 arcmin)
• Resolução do encoder: 12-bit = 0.088°
• Equivalente linear de uma contagem do encoder (a um raio de 10 cm): ≈ 0.153 mm
• Desvio observado: ≈ 2 encoder counts
• Notes: a ponta de prova com mola compensa a folga mecânica; o teste poderia ser refinado ou repetido sob carga para melhorar a precisão

Isso indica que, embora a repetibilidade medida fique dentro de alguns passos do encoder, o servo STS3215 mantém um comportamento de posicionamento consistente, e um refinamento adicional poderia validar seu desempenho sob condições de carga operacional.

Teste de torque

Também realizamos um teste de torque dinâmico do servo Feetech STS-3215 usando cargas variadas para avaliar seu desempenho real em movimento.

Configuração do teste:

• braço de alavanca de 10 cm
• Cargas de teste: 1 kg, 1,5 kg e 2 kg

Resultados do teste:

• Com carga de 1,5 kg: o servo manteve operação estável, com aumento de temperatura de aproximadamente 15 °C após 10 minutos de movimento contínuo
• Com carga de 2 kg: o servo entrou em proteção contra sobrecarga após vários ciclos de operação, limitando temporariamente o torque de saída para evitar danos
• O desempenho permaneceu consistente até cerca de 15 kg·cm, alinhando-se de perto com o torque nominal especificado no datasheet

Esse teste demonstra a capacidade de torque dinâmico do servo e a eficácia de seus mecanismos de proteção térmica e contra sobrecarga. A operação contínua no torque nominal máximo pode acelerar o desgaste mecânico ao longo de períodos prolongados.

Em seguida, examinamos o torque de bloqueio — o torque máximo que o motor consegue manter em uma posição estática, sem movimento.

Configuração do teste:

• braço de alavanca de 10 cm posicionado a um ângulo de 45°
• Carga estática: aproximadamente 3,5 kg (≈ 35 kg·cm de torque)

Resultados do teste: Sob carga pesada prolongada, o servo entrava ocasionalmente em modo de proteção contra sobrecarga, reduzindo o torque de saída para cerca de 20% da capacidade nominal. Tanto o tempo limite da proteção quanto o limite seguro de torque são configuráveis pelos registradores do controlador, permitindo ajustar com precisão o comportamento da proteção para aplicações específicas. O torque de bloqueio medido superou ligeiramente o valor de 30 kg·cm do datasheet, confirmando que o STS-3215 tem desempenho acima de sua especificação nominal quando devidamente configurado.

Temperatura sob carga constante

Test 1: Verificação de superaquecimento durante a retenção de carga estática.

O braço com um haltere foi posicionado de lado, sustentando um peso de 1 kg em um braço de alavanca de 15 cm, resultando em um torque de 15 kg·cm. Ao longo de 10 minutos, a temperatura subiu para 48°C e permaneceu estável por uma hora, sem aumento adicional.

Teste 2: Oscilação em uma faixa de ±90 graus. Medição de temperatura

Partindo de 48°C, a temperatura chegou a 60°C após 50 minutos. Nos 20 minutos seguintes, a temperatura não aumentou. Em seguida, a velocidade de oscilação foi reduzida para acelerar o aquecimento (veja a nota abaixo). Foram necessários mais 40 minutos para alcançar 71°C, momento em que o motor superaqueceu.

• Limiar crítico de temperatura: a 71°C, o motor apresenta problemas, conforme observado em experimentos realizados ontem e hoje (dois casos). Aparentemente não há proteção térmica integrada, portanto será necessário um desligamento manual quando essa temperatura for atingida.
• Efeito da aceleração no aquecimento: reduzir a aceleração aumentou a taxa de elevação da temperatura. Inicialmente, com uma aceleração de 5, a temperatura chegou a 60°C. Baixar a aceleração para 2 resultou em superaquecimento após um tempo adicional. Amanhã, em novos testes, mediremos o tempo necessário para superaquecer com uma aceleração de 5, já que uma aceleração de 2 é lenta demais para a nossa aplicação.

Experimento de compensação de folga

Um experimento adicional, conduzido pelo nosso engenheiro de software Boris, focou na compensação de folga usando uma montagem de pré-tensão com dois servos. Nesse teste, dois servos Feetech STS-3215 foram montados com braços de alavanca de PETG impressos em 3D, conectados por uma corda tensionada. Cada servo aplicava uma pequena pré-carga, eliminando efetivamente a folga mecânica do conjunto.

A montagem é simples, mas extremamente eficaz para demonstrar como a pré-tensão pode eliminar a folga na prática. Quando ambos os servos aplicaram tensões opostas, os braços permaneceram completamente imóveis, confirmando que a folga mecânica foi totalmente compensada. Esse método melhora significativamente a estabilidade e a precisão de posicionamento, tornando-o especialmente útil para juntas robóticas, sistemas de controle de movimento e projetos de automação DIY.

Pontos principais:

• Dois servos STS-3215 com braços de alavanca de PETG
• Acoplamento por corda sob pré-tensão controlada
• Demonstra a eliminação da folga mecânica por meio da compensação por pré-carga

Resumo das especificações e dos resultados dos testes

Parâmetro / método de teste / condição	Resultado medido	Especificação / valor do datasheet	Observações / comentários
Tensão de operação	12 V	12 V	Faixa de operação: 4–14 V
Torque estático (de bloqueio) Braço de alavanca de 10 cm a 45° sobre a balança	~3.5 kg (35 kg·cm)	30 kg·cm	Ligeiramente acima do nominal; entra em proteção sob carga prolongada
Torque dinâmico Levantando 1,5 kg em alavanca de 10 cm	Sustenta a carga com aumento de +15 °C	—	A temperatura aumentou +15 °C após 10 min; sobrecarga acionada com carga de 2 kg
Velocidade sem carga (RPM) Medida a 100% e 50% da velocidade	Máx. ~46 RPM; precisão de ±2%; flutuação de ~7%	45 RPM (0.22 s/60°)	Configurações padrão; operação um pouco menos suave, mas aceitável
Resolução do encoder Leitura de registrador por UART	4096 passos por volta (12 bits)	encoder magnético de 12 bits (4096)	0,088° por passo
Folga da caixa de engrenagens (jogo livre) Medição por rotação livre com a mão (método do relógio comparador)	~ 0,87°	≤ 0.5°	—
Erro de posição sob carga Carga de 1,5 kg, alavanca de 10 cm, ângulo de 45°	20–30 valores do encoder (1,8–2,6°)	—	O erro aumenta significativamente sob carga
Repetibilidade (relógio comparador) Alavanca vertical de 10 cm; incrementos de 20 passos; 3 ciclos em cada direção; 3 iterações	Desvio de ±0,3 mm nos pontos de medição	—	A ponta de prova com mola compensa a folga mecânica; o teste poderia ser refinado ou realizado sob carga
Aumento de temperatura (teste de carga estática) — carga de 1 kg em braço de alavanca de 15 cm (≈15 kg·cm de torque); braço posicionado de lado	A temperatura subiu para 48 °C após 10 min e permaneceu estável por >1 h, sem aumento adicional	Faixa de temperatura de operação: –10 °C – 60 °C	Comportamento térmico estável sob carga estática; bem dentro dos limites nominais de operação
Aumento de temperatura (teste de oscilação) — faixa de ±90°; movimento contínuo; temperatura inicial de 48 °C	Atingiu 60 °C após 50 min, estabilizou por 20 min e depois subiu para 71 °C após ~110 min, resultando em superaquecimento	Limiar de proteção contra superaquecimento: 70 °C	Nenhum desligamento térmico ativo observado — corte manual necessário perto de 70 °C. Reduzir a aceleração aumentou a taxa de aquecimento (accel = 2 → superaquecimento; accel = 5 → estável ~60 °C).
Interface de comunicação	UART TTL, half-duplex	Funcional	38400 bps – 1 Mbps (padrão 1 Mbps); conexão encadeável de vários servos
Controle em malha fechada	O feedback de posição e velocidade funciona de forma confiável	—	Suporta manutenção de posição e controle de velocidade
Telemetria / feedback	Leitura por UART: posição, velocidade, corrente, tensão, carga, temperatura	—	Telemetria completa disponível
Sistemas de proteção	Sobrecarga, sobrecorrente, sobretensão, subtensão, sobretemperatura	Funcional	Tempo limite e limites seguros configuráveis pelos registradores
Zona morta do firmware	Comando de entrada < 10 passos do encoder	Nenhum movimento observado	Banda morta integrada de 10 contagens
Preço / acessórios	—	~$15 (servo) + ~$5 (adaptador UART)	Excelente relação custo-benefício

Conclusão

O Feetech STS3215 demonstra um bom desempenho de torque e uma comunicação UART estável, adequado para aplicações robóticas e de automação de nível intermediário. No entanto, a folga mecânica e uma zona morta definida pelo firmware (10 contagens do encoder) reduzem a precisão de posicionamento para tarefas de movimento fino.

Principais vantagens

• Compacto e leve
• Controle em malha fechada integrado (posição e velocidade)
• Recursos integrados de telemetria e proteção
• Ajuste fácil de parâmetros e protocolo UART
• Suporta conexão em cadeia de vários servos
• Precisão adequada do encoder (4096 passos)
• Pode ser controlado diretamente por PC ou microcontrolador

Principais limitações

• Folga da caixa de engrenagens maior que a especificada
• Firmware não atualizável pelo usuário
• Requer testes de duração sob carga para avaliar o desgaste a longo prazo
• Ruído mecânico audível