Teste de placas controladoras de servos de barramento serial Waveshare sob carga
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O objetivo deste teste foi avaliar como diferentes placas controladoras de servos se comportam em uma faixa de condições de carga, desde a operação típica até cenários de pico de pior caso. Isso ajuda a garantir um comportamento confiável no uso real, especialmente quando um braço robótico é submetido a cargas altas súbitas ou prolongadas.
Em nossos projetos, normalmente usamos até seis servos por sistema. Dependendo da configuração, isso pode incluir uma combinação de servos Feetech STS3250 e STS3215. O STS3250 tem uma corrente de bloqueio de aproximadamente 4,2 A, enquanto o STS3215 chega a cerca de 2,7 A. Em montagens mistas, a demanda combinada de corrente pode aumentar significativamente, especialmente durante o movimento simultâneo ou em condições próximas do bloqueio.
Ao mesmo tempo, o fabricante não fornece especificações claras ou detalhadas de capacidade de potência das placas controladoras, o que dificulta determinar limites seguros de operação apenas com base na documentação. É necessário um teste prático para entender como essas placas se comportam em condições reais, incluindo tanto a operação nominal quanto cenários de carga mais exigentes.
Foram avaliados quatro cenários de teste de carga:
- Carga contínua elevada — 2 A por 10 minutos. Em condições normais de operação, não se espera que o braço robótico ultrapasse esse nível. Verifica se as placas suportam cargas típicas sem superaquecer.
- Carga contínua máxima — 5 A por 5 minutos. Operação prolongada sob carga elevada, próxima ao limite superior prático para muitos cenários reais que envolvem vários servos operando simultaneamente.
- Carga de pico — 7 A por 2 minutos. O pico máximo esperado. Na prática, o braço pode atingir esse nível apenas em rajadas curtas (1–2 segundos) sob condições severas, mas o teste de duração estendida oferece uma margem de segurança adicional.
- Limite da fonte — 10 A por 30 segundos. Simula uma falha ou condição extrema em que o limite de corrente da fonte de alimentação é atingido. Espera-se que as placas suportem esse cenário sem danos.
Duas placas disponíveis comercialmente foram incluídas na comparação:
- Waveshare Serial Bus Servo Driver Board — um controlador compacto e acessível para servos de barramento serial, na faixa de menor custo e destinado a projetos gerais de robótica.
- Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT — uma HAT compatível com Raspberry Pi que integra o controle de servos diretamente a um sistema hospedeiro, oferecendo conveniência para montagens de robótica embarcada e baseadas em SBC a um preço moderado.
Todos os testes foram conduzidos a uma temperatura ambiente de aproximadamente 26 °C. A carga foi conectada por meio dos conectores de motor paralelos usando a fiação de motor original, para reproduzir fielmente o caso de uso pretendido. Uma única fonte de bancada ajustada para 12 V foi usada de forma consistente em todos os testes. Um carregador de bateria LiPo ajustável de 500 W foi usado como carga. Para os testes de 2 A, foi usada uma carga eletrônica de 35 W.
Bancada usada nos testes de carga contínua de 2 A; uma carga eletrônica de 35 W drena corrente pelos conectores de motor da placa a 12 V regulados. |
Bancada usada nos cenários de corrente mais alta; um carregador de bateria LiPo ajustável de 500 W atua como carga, alimentado a 12 V por uma única fonte de bancada através dos conectores de motor paralelos da placa. |
Configuração de teste. Esquerda: testes de carga de 2 A; direita: testes de carga de 5 / 7 / 10 A.
Ao longo de todos os testes, as temperaturas dos principais componentes da placa foram monitoradas com uma câmera térmica para identificar possíveis pontos quentes e verificar os limites seguros de operação.
Waveshare Serial Bus Servo Driver Board
A placa Waveshare Serial Bus Servo Driver é um controlador compacto projetado para servos de barramento serial das séries Feetech STS e Waveshare ST. Ela conta com uma interface USB Type-C para conexão direta a um PC hospedeiro, o que a torna conveniente para desenvolvimento e testes. A placa oferece duas opções de entrada de energia — um conector barrel de 5,5×2,1 mm e um borne de parafuso — proporcionando flexibilidade conforme o esquema de alimentação. Além da interface USB, ela expõe uma saída UART dedicada, permitindo conectar a placa a um microcontrolador externo para aplicações embarcadas.
- Documentação: https://docs.waveshare.com/Bus_Servo_Adapter_A
- Esquema: Esquema do Bus Servo Adapter (A)
Revisões
Esta placa tem pelo menos duas revisões. A revisão 1.1 (a revisão mais recente conhecida) inclui um diodo TVS adicional. O diodo parece ser relativamente sensível à qualidade da alimentação — com conectores de energia frouxos ou de má qualidade, ele pode queimar. Se o diodo queimar, ele pode ser removido por completo para restaurar a funcionalidade da placa.
Revisões da placa lado a lado: v1.0 original (esquerda) e v1.1 (direita). O retângulo vermelho marca o diodo TVS adicionado na v1.1.
Detalhe de uma placa revisão 1.1 após a falha do diodo TVS; o diodo queimado inutiliza a placa até ser removido fisicamente. |
A mesma placa com o diodo TVS queimado removido fisicamente — a placa volta a funcionar sem o circuito de proteção. |
Revisão 1.1 da placa com um diodo TVS. Esquerda: o diodo queimou. Direita: o diodo foi removido para restaurar a funcionalidade.
Conectores de alimentação
A placa oferece duas opções de entrada de energia: um conector barrel de 5,5×2,1 mm e um borne de parafuso. Embora ambos os conectores tenham a mesma finalidade, eles seguem trajetos ligeiramente diferentes na placa, o que resulta em um comportamento perceptivelmente distinto sob carga.
Conector barrel (5,5×2,1 mm): Oferece um caminho de alimentação direto para as saídas de motor. Tanto o terminal positivo quanto o negativo são ligados diretamente aos pinos do conector de motor, com os dois conectores de motor em paralelo. Isso resulta em queda de tensão e geração de calor mínimas ao longo do trajeto, tornando-o a opção mais robusta para cargas de corrente mais alta.
Bornes de parafuso (DC+ / DC−): Oferecem um método de entrada alternativo, mas introduzem componentes adicionais no caminho de alimentação. Em vez de alimentar as saídas de motor diretamente, a energia de entrada é roteada através de um MOSFET antes de chegar aos conectores de motor. Sob cargas mais altas, esse MOSFET se torna uma fonte significativa de calor, o que pode afetar a eficiência geral e o desempenho térmico. Embora os bornes sejam nominalmente classificados para até 10 A, seu tamanho relativamente pequeno os torna menos adequados, na prática, para operação prolongada com corrente alta.
O polígono de cobre DC+ tem 4,4 mm de largura e deve suportar as correntes de pico de carga sem problemas. As marcas + / − indicam a polaridade dos bornes de parafuso.
Testes de carga
Devido às diferenças no circuito de alimentação, o teste foi conduzido separadamente para as entradas por conector barrel e por borne de parafuso.
Carga de 2 A por 10 minutos
Quadros térmicos lado a lado perto do fim do teste de 2 A / 10 min. Ambos os trajetos ficam em 30–33 °C — sem diferença significativa nesta carga.
Esquerda: conector barrel. Direita: borne de parafuso.
O teste de carga contínua de 2 A não apresentou problemas. A placa mal esquentou, com a maioria dos componentes permanecendo próxima à temperatura ambiente. A imagem térmica confirmou apenas pequenos aumentos de temperatura por toda a placa, normalmente na faixa de 30–33 °C, indicando baixas perdas de potência e manejo eficiente da corrente em condições normais de operação.
Carga de 5 A por 5 minutos
Quadros térmicos lado a lado perto do fim do teste de 5 A / 5 min. Conector barrel (esquerda): conector ~38–40 °C. Borne de parafuso (direita): MOSFET ~60 °C, a fonte de calor dominante.
Esquerda: conector barrel. Direita: borne de parafuso.
Quando alimentado pelo conector barrel, o próprio conector ficou perceptivelmente quente, atingindo cerca de 38–40 °C. O restante da placa permaneceu relativamente frio, com a maioria dos componentes próxima a 30–32 °C. Isso indica que a principal limitação nesta configuração é o conector e sua resistência de contato, e não o caminho de alimentação interno da placa.
Ao usar os bornes de parafuso, o comportamento térmico foi dominado pelo MOSFET integrado. Sua temperatura subiu de forma relativamente rápida sob carga e estabilizou em torno de 60 °C após alguns minutos. Outras áreas da placa permaneceram moderadamente aquecidas (30–40 °C). Isso confirma que, nesta configuração, o MOSFET é a principal fonte de dissipação de potência e geração de calor.
No geral, embora ambos os métodos de entrada tenham suportado a carga de 5 A sem falha imediata, eles apresentam gargalos térmicos diferentes: o conector barrel é limitado pelo aquecimento do conector, enquanto o caminho pelo borne de parafuso é limitado pelas perdas no MOSFET.
Carga de 7 A por 2 minutos
Quadros térmicos lado a lado no fim do teste de 7 A / 2 min. Conector barrel (esquerda): conector ~46 °C. Borne de parafuso (direita): MOSFET ~78–80 °C, aproximando-se do limite de confiabilidade de longo prazo.
Esquerda: conector barrel. Direita: borne de parafuso.
Quando alimentado pelo conector barrel, a temperatura do conector subiu significativamente, atingindo aproximadamente 45–46 °C. O restante da placa permaneceu relativamente frio (cerca de 34 °C), confirmando que o próprio conector é o principal gargalo térmico nesta configuração. Embora a eletrônica da placa tenha lidado bem com a carga, o aquecimento do conector torna-se mais pronunciado em correntes mais altas.
Em contraste, ao usar os bornes de parafuso, a temperatura do MOSFET subiu acentuadamente, atingindo aproximadamente 78–80 °C — próximo dos limites superiores especificados em datasheets típicos, onde a temperatura elevada pode começar a afetar as características do componente e a confiabilidade de longo prazo. Os fios dos bornes também ficaram perceptivelmente quentes sob essa carga.
Outra limitação prática é o tamanho dos bornes de parafuso, que restringe o uso de fios mais grossos e contribui para o aquecimento devido ao aumento da resistência na fiação.
No geral, a 7 A o sistema se aproxima de seus limites térmicos: o conector barrel é restringido pelo aquecimento do conector, enquanto o caminho pelo borne de parafuso é limitado pela dissipação do MOSFET e pelas restrições da fiação.
10 A por 30 segundos
Quadros térmicos lado a lado no fim do teste de 10 A / 30 s. Conector barrel (esquerda): pico de 37,9 °C. Borne de parafuso (direita): 115,6 °C no MOSFET — muito além dos limites seguros de operação.
Esquerda: conector barrel. Direita: borne de parafuso.
O teste de 10 A (30 segundos) representa uma condição extrema e claramente excede a faixa de operação confortável da placa, revelando seus limites de falha.
Quando alimentado pelo conector barrel, o principal problema passou para a fiação. Os fios do motor ficaram perceptivelmente quentes sob essa carga, enquanto a placa em si permaneceu relativamente inalterada. A área do conector também apresentou temperaturas elevadas (40–45 °C), mas nenhum ponto quente crítico foi observado na PCB. Nesta configuração, a fiação externa torna-se o fator limitante antes da própria placa.
Em contraste, o caminho pelo borne de parafuso apresentou um severo estresse térmico no MOSFET. Sua temperatura ultrapassou rapidamente os limites seguros de operação, chegando bem acima de 100 °C (≈120 °C neste teste). Nesse nível, o dispositivo opera muito além das condições recomendadas, onde podem ocorrer degradação de desempenho, fuga térmica ou danos permanentes.
No geral, os resultados confirmam que a operação a 10 A não é sustentável, especialmente ao usar a entrada por borne de parafuso. O MOSFET torna-se o ponto fraco crítico, enquanto na configuração com conector barrel a limitação passa para os conectores e a fiação, e não para a própria PCB.
Conclusão
A placa Waveshare Serial Bus Servo Driver tem bom desempenho em condições típicas de operação e cargas moderadas. A 2 A e mesmo a 5 A de carga contínua, a placa permanece estável e termicamente bem-comportada, o que a torna adequada para a maioria das aplicações padrão de robótica.
No entanto, a escolha da entrada de energia tem um impacto significativo no desempenho. O conector barrel oferece um caminho de alimentação mais direto e eficiente, sendo a principal limitação o aquecimento do conector e da fiação em correntes mais altas. Em contraste, a entrada por borne de parafuso introduz um MOSFET no caminho de alimentação, que se torna a principal fonte de calor e um gargalo evidente sob carga.
Em correntes mais altas (7 A e acima), ambas as configurações começam a se aproximar de seus limites térmicos. O conector barrel é restringido pelo aquecimento do conector, enquanto o caminho pelo borne de parafuso é limitado pela dissipação do MOSFET e pelas restrições da fiação. Em condições extremas (10 A), a placa opera fora de seus limites seguros — especialmente ao usar os bornes de parafuso, onde a temperatura do MOSFET excede as faixas seguras de operação.
Uma preocupação adicional de confiabilidade é o diodo TVS presente nas placas da revisão 1.1. Várias placas falharam durante os testes, muito provavelmente devido a instabilidade da alimentação ou condições transitórias. Nesses casos, o diodo TVS parecia falhar (queimar), inutilizando efetivamente a placa. Embora a remoção do diodo queimado possa restaurar a funcionalidade, esse comportamento sugere que o circuito de proteção pode ser excessivamente sensível — ou não suficientemente robusto — para ambientes de alimentação instável.
Na prática, a placa é bem adequada para sistemas que operam com carga contínua de até ~5 A, com picos curtos ocasionais. Para cargas mais altas, é preciso prestar atenção cuidadosa à qualidade da alimentação, à fiação e à escolha dos conectores. Sempre que possível, a entrada por conector barrel é a opção preferível para aplicações de corrente mais alta, enquanto os bornes de parafuso são mais adequados para montagens de corrente mais baixa ou voltadas à conveniência.
No geral, a placa oferece um bom equilíbrio entre funcionalidade e custo, mas sua capacidade de potência e robustez são limitadas pelo projeto dos conectores, pela implementação do caminho de alimentação e pela sensibilidade a transientes de alimentação.
Waveshare Serial Bus Driver HAT
- Documentação: https://www.waveshare.com/wiki/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)
- Esquema: Esquema do Bus Servo Driver HAT (A)/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)_Sch.pdf)
Frente da Waveshare Driver HAT: microcontrolador ESP32, estágio de saída RS485 / TTL e três entradas de energia (conector barrel de 5,5×2,5 mm, bornes de parafuso, XT90). |
Parte inferior da Driver HAT mostrando o conector de 40 pinos do Raspberry Pi e o regulador de 5 V integrado que alimenta o Pi. |
Driver HAT, frente (esquerda) e verso (direita).
A Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT é uma solução mais avançada e orientada a maior potência em comparação com a placa adaptadora mais simples. Ela integra um microcontrolador ESP32, permitindo operar como um controlador autônomo com recursos de comunicação com fio e sem fio (Wi-Fi / Bluetooth). A placa é projetada como uma HAT para Raspberry Pi, permitindo a conexão direta pelo conector de 40 pinos e, ao mesmo tempo, fornecendo energia ao Pi por meio de um regulador de 5 V integrado. Ela suporta as interfaces de servo TTL e RS485, tornando-a compatível com uma gama mais ampla de servos de barramento serial. Do ponto de vista da alimentação, a placa oferece opções de entrada significativamente mais robustas, incluindo um conector XT90 e uma ampla faixa de entrada de 9–25 V.
Conectores de alimentação
A placa oferece várias opções de entrada de energia: um conector barrel de 5,5×2,5 mm, bornes de parafuso maiores (em comparação com a placa anterior) e um conector XT90 para aplicações de corrente alta. Todos esses conectores estão ligados ao mesmo barramento de alimentação, sem componentes adicionais — como MOSFETs — introduzidos no caminho de alimentação. Isso resulta em uma conexão direta e de baixa resistência com a carga, o que é benéfico para lidar com correntes mais altas.
As três entradas de energia alimentam um único barramento de alimentação de baixa resistência, sem MOSFET no caminho; os bornes de parafuso maiores e o conector XT90 aceitam fios mais grossos para aplicações de corrente alta.
Os bornes de parafuso maiores e o conector XT90 tornam esta placa mais adequada para fios mais grossos e para a entrega de corrente mais alta em comparação com os conectores menores usados na placa anterior.
A PCB tem um footprint reservado para um diodo TVS, mas o próprio diodo não está montado — a proteção contra transientes foi considerada no projeto, mas não é entregue nesta placa.
A PCB inclui um footprint para um diodo TVS, mas o próprio diodo não está montado, sugerindo que a proteção contra transientes foi considerada no projeto, mas não está implementada na versão entregue.
Testes de carga
Todos os testes foram conduzidos usando a entrada por conector barrel, já que todos os conectores de energia compartilham o mesmo caminho de alimentação e não há diferença funcional entre eles.
Carga de 2 A por 10 minutos
Quadro térmico no fim do teste a 2 A / 10 min. Apenas o módulo ESP32 e o regulador de 5 V integrado apresentam algum aquecimento (~33–40 °C); o caminho de alimentação permanece frio.
O teste de carga de 2 A (10 minutos) não apresentou preocupações térmicas. A temperatura geral da placa permaneceu próxima da ambiente, com apenas um aquecimento leve observado.
Os únicos componentes que apresentaram um aumento perceptível de temperatura foram o módulo ESP32 e o regulador de tensão integrado, atingindo cerca de 33–40 °C. Isso é esperado, pois ambos estão ativamente envolvidos na regulação e no controle da alimentação. Nenhum aquecimento significativo foi observado no caminho de alimentação ou nos conectores, indicando operação eficiente em condições típicas de carga.
Carga de 5 A por 5 minutos
Quadro térmico no fim do teste a 5 A / 5 min. O comportamento é essencialmente idêntico ao caso de 2 A — ESP32 e regulador ligeiramente aquecidos, barramento de alimentação e conectores próximos da temperatura ambiente.
O teste de carga de 5 A (5 minutos) apresentou comportamento semelhante ao caso de 2 A, sem problemas térmicos significativos observados. A temperatura geral da placa aumentou ligeiramente, mas permaneceu bem dentro dos limites seguros. As principais fontes de calor foram novamente o módulo ESP32 e o regulador de tensão integrado. O caminho de entrada de energia e os conectores permaneceram relativamente frios, indicando baixas perdas e manejo eficiente da corrente.
No geral, a placa lida com carga contínua de 5 A sem qualquer sinal de estresse térmico, sugerindo que é adequada para operação prolongada sob alta carga em casos de uso típicos.
Carga de 7 A por 2 minutos
Quadro térmico no fim do teste a 7 A / 2 min. Todos os componentes da placa permanecem dentro da faixa segura; o único aquecimento digno de nota é nos fios do motor (~42 °C).
O teste de carga de 7 A (2 minutos) mostrou que todos os componentes da placa permaneceram dentro de uma faixa de temperatura segura. Os fios do motor ficaram levemente aquecidos, atingindo aproximadamente 42,2 °C.
10 A por 30 segundos
Quadro térmico no fim do teste a 10 A / 30 s. A própria placa permanece fria — o único aquecimento perceptível é nos fios do motor, em ~44,6 °C.
Durante o teste de carga de 10 A (30 segundos), todos os componentes da placa permaneceram dentro de temperaturas seguras de operação. O único aquecimento perceptível foi nos fios do motor, que atingiram aproximadamente 44,6 °C.
Conclusão
A Waveshare Serial Bus Driver HAT é claramente projetada com aplicações de corrente mais alta em mente e tem desempenho significativamente melhor sob carga em comparação com placas adaptadoras mais simples. Em todos os testes — de 2 A até 10 A — a própria placa permaneceu termicamente estável, sem pontos quentes críticos observados no caminho de alimentação ou nos circuitos de controle.
Graças ao seu projeto de barramento de alimentação direto (sem componentes adicionais como MOSFETs), a placa lida com correntes altas de forma eficiente, e seus conectores maiores a tornam bem adequada para uma entrega de energia robusta.
Na prática, os fatores limitantes não são a própria placa, mas os componentes externos — especificamente os conectores de motor e a fiação original. À medida que a corrente aumenta, o aquecimento é observado principalmente nos fios, e não na PCB, indicando que a placa tem margem suficiente, enquanto a fiação se torna o gargalo.
No geral, a HAT é uma escolha sólida para sistemas com vários servos e montagens de corrente alta. Ela lida confortavelmente com cargas prolongadas na faixa de 5–7 A e tolera picos curtos de até 10 A, desde que sejam usados fiação e conectores apropriados.
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