Тестирование плат-драйверов сервоприводов Waveshare под нагрузкой

Цель тестирования — оценить работу различных плат-драйверов сервоприводов в диапазоне нагрузок: от типовой эксплуатации до пиковых сценариев худшего случая. Это помогает обеспечить надёжную работу в реальных условиях, особенно когда роборука подвергается внезапным или продолжительным высоким нагрузкам.

В наших проектах мы обычно используем до шести сервоприводов на систему. В зависимости от конфигурации это может быть сочетание сервоприводов Feetech STS3250 и STS3215. У STS3250 ток заклинивания около 4,2 А, у STS3215 — около 2,7 А. В смешанных сборках суммарное потребление тока может существенно возрастать, особенно при одновременном движении или в режимах, близких к заклиниванию.

При этом производитель не приводит чётких и подробных характеристик по допустимой мощности плат-драйверов, поэтому определить безопасные пределы работы только по документации затруднительно. Чтобы понять поведение этих плат в реальных условиях — как при номинальной работе, так и в более тяжёлых сценариях нагрузки, — необходимо практическое тестирование.

Было оценено четыре сценария нагрузки:

• Высокая длительная нагрузка — 2 А в течение 10 минут. В нормальных условиях роборука не должна превышать этот уровень. Проверяет, что платы выдерживают типовые нагрузки без перегрева.
• Максимальная длительная нагрузка — 5 А в течение 5 минут. Длительная работа под высокой нагрузкой, близкой к практическому верхнему пределу для многих реальных сценариев с одновременной работой нескольких сервоприводов.
• Пиковая нагрузка — 7 А в течение 2 минут. Максимальный ожидаемый пик. На практике рука достигает этого уровня лишь короткими всплесками (1–2 секунды) при тяжёлых условиях, но удлинённый тест даёт дополнительный запас прочности.
• Предел БП — 10 А в течение 30 секунд. Моделирует неисправность или экстремальное состояние, при котором достигается токовый предел блока питания. Платы должны выдержать этот сценарий без повреждений.

В сравнение включены две серийно доступные платы:

• Waveshare Serial Bus Servo Driver Board — компактный недорогой контроллер для сервоприводов с последовательной шиной, из бюджетного сегмента, предназначенный для типовых робототехнических проектов.
• Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT — совместимая с Raspberry Pi плата-HAT, интегрирующая управление сервоприводами напрямую с хост-системой; удобна для встраиваемых и SBC-решений по умеренной цене.

Все тесты проводились при температуре окружающей среды около 26 °C. Нагрузка подключалась через параллельные моторные разъёмы штатной моторной проводкой, чтобы максимально воспроизвести реальный сценарий применения. Во всех тестах использовался один лабораторный блок питания на 12 В. В качестве нагрузки применялось регулируемое зарядное устройство LiPo на 500 Вт. Для тестов на 2 А использовалась электронная нагрузка 35 Вт.

Стенд для тестов длительной нагрузки 2 А; электронная нагрузка 35 Вт потребляет ток через моторные разъёмы платы при стабилизированных 12 В.

Стенд для сценариев с высоким током; регулируемое зарядное LiPo на 500 Вт выступает нагрузкой, питаясь 12 В от одного лабораторного БП через параллельные моторные разъёмы платы.

Схема стенда. Слева: тесты на 2 А; справа: тесты на 5 / 7 / 10 А.

На протяжении всех тестов температуры ключевых компонентов платы контролировались тепловизором для выявления возможных горячих точек и проверки безопасных пределов работы.

Waveshare Serial Bus Servo Driver Board

Плата Waveshare Serial Bus Servo Driver — компактный контроллер для сервоприводов с последовательной шиной серий Feetech STS и Waveshare ST. Она оснащена интерфейсом USB Type-C для прямого подключения к ПК, что удобно для разработки и тестирования. Плата предлагает два варианта питания — разъём 5,5×2,1 мм и винтовой клеммник — что даёт гибкость в зависимости от схемы питания. Помимо USB, выведен отдельный выход UART, позволяющий подключать плату к внешнему микроконтроллеру для встраиваемых применений.

• Документация: https://docs.waveshare.com/Bus_Servo_Adapter_A
• Схема: Схема Bus Servo Adapter (A)

Ревизии

Плата имеет как минимум две ревизии. Ревизия 1.1 (последняя известная) включает дополнительный TVS-диод. Диод оказался относительно чувствителен к качеству питания — при плохих или неплотных разъёмах он может сгореть. Если диод сгорает, его можно полностью удалить, чтобы восстановить работоспособность платы.

 

Крупный план платы ревизии 1.1 после выхода TVS-диода из строя; сгоревший диод выводит плату из строя до его физического удаления.

Та же плата с физически удалённым сгоревшим TVS-диодом — плата возвращается в рабочее состояние без цепи защиты.

Ревизия платы 1.1 с TVS-диодом. Слева: диод сгорел. Справа: диод удалён для восстановления работоспособности.

Разъёмы питания

Плата предлагает два варианта ввода питания: разъём 5,5×2,1 мм и винтовой клеммник. Хотя оба разъёма служат одной цели, на плате они идут по немного разным трассам, что приводит к заметно разному поведению под нагрузкой.

Разъём (5,5×2,1 мм): Обеспечивает прямой путь питания к моторным выходам. И плюс, и минус разведены напрямую к контактам моторных разъёмов, а два моторных разъёма соединены параллельно. Это даёт минимальное падение напряжения и нагрев вдоль трассы, делая этот вариант более надёжным при высоких токах.

Винтовые клеммы (DC+ / DC−): Предлагают альтернативный ввод, но добавляют компоненты в цепь питания. Вместо прямой подачи на моторные выходы входное питание проходит через MOSFET перед моторными разъёмами. При высоких нагрузках этот MOSFET становится существенным источником тепла, что влияет на общую эффективность и тепловой режим. Хотя клеммы номинально рассчитаны до 10 А, их относительно малый размер делает их менее пригодными для длительной работы при высоком токе.

Нагрузочные тесты

Из-за различий в схемотехнике питания тестирование проводилось отдельно для входа через разъём и через винтовые клеммы.

Нагрузка 2 А в течение 10 минут

Слева: разъём. Справа: винтовой клеммник.

Тест длительной нагрузки 2 А прошёл без проблем. Плата едва нагрелась, большинство компонентов оставались близки к температуре окружающей среды. Тепловизор подтвердил лишь незначительный рост температуры по плате, обычно в пределах 30–33 °C, что указывает на малые потери мощности и эффективную работу с током в нормальных условиях.

Нагрузка 5 А в течение 5 минут

Слева: разъём. Справа: винтовой клеммник.

При питании через разъём сам разъём заметно нагревался, достигая примерно 38–40 °C. Остальная плата оставалась относительно холодной, большинство компонентов держались около 30–32 °C. Это указывает, что главное ограничение в этой конфигурации — сам разъём и его переходное сопротивление, а не внутренняя трасса питания платы.

При использовании винтовых клемм тепловой режим определялся бортовым MOSFET. Его температура росла относительно быстро под нагрузкой и стабилизировалась около 60 °C через несколько минут. Прочие участки платы оставались умеренно тёплыми (30–40 °C). Это подтверждает, что в данной конфигурации MOSFET — основной источник рассеивания мощности и тепла.

В целом, хотя оба варианта ввода выдержали нагрузку 5 А без немедленного отказа, у них разные тепловые «узкие места»: разъём ограничен нагревом контакта, а трасса через винтовые клеммы — потерями на MOSFET.

Нагрузка 7 А в течение 2 минут

Слева: разъём. Справа: винтовой клеммник.

При питании через разъём его температура существенно выросла, достигнув примерно 45–46 °C. Остальная плата оставалась относительно холодной (около 34 °C), подтверждая, что сам разъём — главное тепловое «узкое место» в этой конфигурации. Электроника платы хорошо справилась с нагрузкой, но нагрев разъёма становится заметнее при больших токах.

Напротив, при использовании винтовых клемм температура MOSFET резко выросла, достигнув примерно 78–80 °C — близко к верхним пределам типовых даташитов, где повышенная температура начинает влиять на характеристики компонента и долговременную надёжность. Провода на клеммах при такой нагрузке также заметно нагрелись.

Ещё одно практическое ограничение — размер винтовых клемм, который не позволяет использовать более толстые провода и усиливает нагрев из-за повышенного сопротивления проводки.

В целом при 7 А система приближается к своим тепловым пределам: разъём ограничен нагревом контакта, а трасса через винтовые клеммы — рассеиванием MOSFET и ограничениями проводки.

10 А в течение 30 секунд

Слева: разъём. Справа: винтовой клеммник.

Тест 10 А (30 секунд) представляет экстремальное состояние и явно выходит за комфортный рабочий диапазон платы, раскрывая её пределы отказа.

При питании через разъём основная проблема сместилась на проводку. Моторные провода под этой нагрузкой заметно нагрелись, тогда как сама плата осталась относительно незатронутой. Область разъёма также показала повышенные температуры (40–45 °C), но критических горячих точек на плате не наблюдалось. В этой конфигурации внешняя проводка становится ограничивающим фактором раньше самой платы.

Напротив, трасса через винтовые клеммы показала серьёзную тепловую перегрузку MOSFET. Его температура быстро превысила безопасные пределы, поднявшись существенно выше 100 °C (≈120 °C в этом тесте). На таком уровне устройство работает далеко за рекомендованными условиями, где возможны деградация характеристик, тепловой пробой или необратимое повреждение.

В целом результаты подтверждают, что работа на 10 А неустойчива, особенно при вводе через винтовые клеммы. MOSFET становится критическим слабым местом, тогда как в конфигурации с разъёмом ограничение смещается на разъёмы и проводку, а не на саму плату.

Заключение

Плата Waveshare Serial Bus Servo Driver хорошо работает в типовых условиях и при умеренных нагрузках. При длительной нагрузке 2 А и даже 5 А плата остаётся стабильной и тепловым режимом не беспокоит, что делает её пригодной для большинства стандартных робототехнических применений.

Однако выбор ввода питания существенно влияет на характеристики. Разъём даёт более прямой и эффективный путь питания, и его главное ограничение — нагрев разъёма и проводки при больших токах. Напротив, ввод через винтовые клеммы добавляет в цепь питания MOSFET, который становится основным источником тепла и явным «узким местом» под нагрузкой.

При больших токах (7 А и выше) обе конфигурации начинают приближаться к тепловым пределам. Разъём ограничен нагревом контакта, а трасса через винтовые клеммы — рассеиванием MOSFET и ограничениями проводки. В экстремальных условиях (10 А) плата работает за пределами безопасных границ — особенно при винтовых клеммах, где температура MOSFET выходит за безопасные диапазоны.

Дополнительный вопрос надёжности — TVS-диод на платах ревизии 1.1. Несколько плат вышли из строя во время тестирования, вероятнее всего из-за нестабильности питания или переходных процессов. В этих случаях TVS-диод, по-видимому, выходил из строя (сгорал), фактически отключая плату. Хотя удаление сгоревшего диода восстанавливает работоспособность, такое поведение говорит о том, что цепь защиты может быть слишком чувствительной — или недостаточно стойкой — для нестабильного питания.

На практике плата хорошо подходит для систем с длительной нагрузкой до ~5 А и редкими короткими пиками. Для бо́льших нагрузок нужно тщательно следить за качеством питания, проводкой и выбором разъёмов. По возможности для применений с высоким током предпочтителен ввод через разъём, а винтовые клеммы лучше подходят для меньших токов или решений, ориентированных на удобство.

В целом плата даёт хороший баланс функциональности и стоимости, но её способность работать с мощностью и устойчивость ограничены конструкцией разъёмов, реализацией трассы питания и чувствительностью к переходным процессам в питании.

Waveshare Serial Bus Driver HAT

• Документация: https://www.waveshare.com/wiki/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)
• Схема: Схема Bus Servo Driver HAT (A)/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)_Sch.pdf)

Лицевая сторона Waveshare Driver HAT: микроконтроллер ESP32, выходной каскад RS485 / TTL и три ввода питания (разъём 5,5×2,5 мм, винтовые клеммы, XT90).

Нижняя сторона Driver HAT с 40-контактным разъёмом Raspberry Pi и бортовым стабилизатором 5 В, питающим Pi.

Driver HAT, лицевая (слева) и обратная (справа) стороны.

Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT — более продвинутое и ориентированное на высокую мощность решение по сравнению с простой платой-адаптером. Она интегрирует микроконтроллер ESP32, что позволяет ей работать как самостоятельный контроллер с проводной и беспроводной (Wi-Fi / Bluetooth) связью. Плата выполнена в форм-факторе Raspberry Pi HAT: подключается напрямую через 40-контактный разъём и одновременно питает Pi через бортовой стабилизатор 5 В. Поддерживаются интерфейсы сервоприводов TTL и RS485, что обеспечивает совместимость с более широким спектром сервоприводов на последовательной шине. С точки зрения питания плата предлагает значительно более надёжные варианты ввода, включая разъём XT90 и широкий диапазон входного напряжения 9–25 В.

Разъёмы питания

Плата предлагает несколько вариантов ввода питания: разъём 5,5×2,5 мм, более крупные винтовые клеммы (по сравнению с предыдущей платой) и разъём XT90 для применений с высоким током. Все эти разъёмы подключены к одной шине питания, без дополнительных компонентов — например MOSFET — в цепи питания. Это даёт прямое низкоомное подключение к нагрузке, что выгодно при работе с большими токами.

Более крупные винтовые клеммы и разъём XT90 делают эту плату более пригодной для толстых проводов и передачи большего тока по сравнению с мелкими разъёмами предыдущей платы.

На плате есть посадочное место под TVS-диод, но сам диод не установлен, что говорит о том, что защита от переходных процессов рассматривалась при проектировании, но не реализована в поставляемой версии.

Нагрузочные тесты

Все тесты проводились через ввод-разъём, поскольку все разъёмы питания используют общую трассу и функциональной разницы между ними нет.

Нагрузка 2 А в течение 10 минут

Тест нагрузки 2 А (10 минут) не выявил тепловых проблем. Общая температура платы оставалась близка к окружающей, наблюдался лишь незначительный нагрев.

Заметный рост температуры показали только модуль ESP32 и бортовой стабилизатор напряжения, достигнув примерно 33–40 °C. Это ожидаемо, так как оба активно участвуют в регулировании питания и управлении. Существенного нагрева в трассе питания или разъёмах не наблюдалось, что говорит об эффективной работе при типовой нагрузке.

Нагрузка 5 А в течение 5 минут

Тест нагрузки 5 А (5 минут) показал поведение, похожее на случай 2 А, без существенных тепловых проблем. Общая температура платы немного выросла, но осталась в безопасных пределах. Основными источниками тепла снова были модуль ESP32 и бортовой стабилизатор напряжения. Трасса ввода питания и разъёмы оставались относительно холодными, что указывает на малые потери и эффективную работу с током.

В целом плата выдерживает длительную нагрузку 5 А без признаков тепловой перегрузки, что говорит о её пригодности для длительной работы под высокой нагрузкой в типовых сценариях.

Нагрузка 7 А в течение 2 минут

Тест нагрузки 7 А (2 минуты) показал, что все компоненты платы остались в безопасном диапазоне температур. Моторные провода слегка нагрелись, достигнув примерно 42,2 °C.

10 А в течение 30 секунд

Во время теста нагрузки 10 А (30 секунд) все компоненты платы оставались в безопасных рабочих температурах. Единственный заметный нагрев был на моторных проводах, достигших примерно 44,6 °C.

Заключение

Waveshare Serial Bus Driver HAT явно спроектирована с расчётом на применения с высоким током и под нагрузкой работает значительно лучше простых плат-адаптеров. Во всех тестах — от 2 А до 10 А — сама плата оставалась тепловым режимом стабильной, без критических горячих точек в трассе питания или цепях управления.

Благодаря прямой схеме шины питания (без дополнительных компонентов вроде MOSFET) плата эффективно работает с большими токами, а более крупные разъёмы делают её пригодной для надёжной передачи мощности.

На практике ограничивающие факторы — не сама плата, а внешние компоненты, а именно моторные разъёмы и штатная проводка. С ростом тока нагрев наблюдается прежде всего в проводах, а не на плате, что указывает на достаточный запас платы, тогда как «узким местом» становится проводка.

В целом HAT — надёжный выбор для систем с несколькими сервоприводами и высоким током. Она уверенно держит длительные нагрузки в диапазоне 5–7 А и переносит короткие пики до 10 А при условии использования подходящей проводки и разъёмов.