负载下的 Waveshare 串行总线舵机驱动板测试

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本次测试的目的是评估不同舵机驱动板在一系列负载条件下的表现，从典型运行到最坏情况的峰值场景。这有助于确保在实际使用中的可靠表现，尤其是当机械臂承受突发或持续的高负载时。

在我们的项目中，每个系统通常最多使用六个舵机。根据配置不同，这可能包括 Feetech STS3250 和 STS3215 舵机的混合搭配。STS3250 的堵转电流约为 4.2 A，而 STS3215 约为 2.7 A。在混合配置中，总电流需求可能显著增加，尤其是在同时运动或接近堵转的状态下。

与此同时，制造商并未提供清晰或详细的驱动板功率承载规格，因此仅凭文档很难确定安全的工作上限。要了解这些板卡在实际条件下的表现——既包括额定运行也包括更苛刻的负载场景——就需要进行实际测试。

共评估了四种负载测试场景：

高强度持续负载——2 A 持续 10 分钟。 在正常工作条件下，机械臂预计不会超过这一水平。用于验证板卡能在不过热的情况下承受典型负载。
最大持续负载——5 A 持续 5 分钟。 在高负载下的持续运行，接近许多涉及多个舵机同时工作的实际场景的实用上限。
峰值负载——7 A 持续 2 分钟。 预期的最大峰值。实际上，机械臂在重负载条件下可能只会在短暂的突发（1–2 秒）内达到这一水平，但延长的测试时长提供了额外的安全裕度。
电源上限——10 A 持续 30 秒。 模拟达到电源电流上限的故障或极端状态。板卡预计应能承受这一场景而不受损坏。

比较中纳入了两款市售板卡：

Waveshare Serial Bus Servo Driver Board ——一款用于串行总线舵机的紧凑、经济的控制器，属于低成本区间，面向通用机器人项目。
Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT ——一款兼容 Raspberry Pi 的 HAT，将舵机控制直接与主机系统集成，以适中的价格为嵌入式和基于 SBC 的机器人方案提供便利。

所有测试均在约 26 °C 的环境温度下进行。负载通过并联的电机接口、使用原配电机线缆连接，以尽量还原预期的使用场景。所有测试始终使用一台设置为 12 V 的台式电源。采用一台可调的 500 W LiPo 电池充电器作为负载。对于 2 A 测试，则使用了 35 W 的电子负载。

Test rig — 2 A load setup with 35 W electronic load

用于 2 A 持续负载测试的台架；一台 35 W 电子负载在稳压 12 V 下通过板卡的电机接口拉取电流。

Test rig — 5 / 7 / 10 A load setup with 500 W LiPo charger

用于高电流场景的台架；一台可调的 500 W LiPo 电池充电器充当负载，由单台台式电源以 12 V 经板卡并联的电机接口供电。

测试装置。左：2 A 负载测试；右：5 / 7 / 10 A 负载测试。

在所有测试过程中，使用热像仪监测板卡关键元件的温度，以识别潜在的热点并验证安全的工作上限。

Waveshare Serial Bus Servo Driver Board

Waveshare Serial Bus Servo Driver 板是一款紧凑的控制器，专为 Feetech STS 和 Waveshare ST 系列串行总线舵机设计。它配备 USB Type-C 接口，可直接连接到主机 PC，便于开发和测试。该板提供两种供电输入方式——5.5×2.1 mm 筒式插座和螺钉端子——可根据供电方案灵活选择。除 USB 接口外，它还引出了一个专用的 UART 输出，使该板能够连接到外部微控制器以用于嵌入式应用。

文档： https://docs.waveshare.com/Bus_Servo_Adapter_A
原理图： Bus Servo Adapter (A) 原理图

版本

这块板至少有两个版本。版本 1.1（已知最新版本）增加了一个 TVS 二极管。该二极管似乎对供电质量相对敏感——在供电接口松动或接触不良时，它可能会烧毁。如果二极管烧毁，可以将其完全移除以恢复板卡功能。

两个板卡版本并排对比：原始 v1.0（左）和 v1.1（右）。红色矩形标出了 v1.1 上新增的 TVS 二极管。

TVS diode burned out under poor power quality

版本 1.1 板卡在 TVS 二极管失效后的特写；烧毁的二极管会使板卡失效，直到将其物理移除为止。

TVS diode removed to restore board functionality

同一块板在物理移除失效的 TVS 二极管后——在没有保护电路的情况下，板卡恢复正常工作。

带 TVS 二极管的板卡版本 1.1。左：二极管已烧毁。右：移除二极管以恢复功能。

电源接口

该板提供两种供电输入方式：5.5×2.1 mm 筒式插座和螺钉端子。虽然两种接口用途相同，但它们在板上的走线略有不同，这导致它们在负载下的表现有明显差异。

筒式插座（5.5×2.1 mm）： 为电机输出提供一条直接的供电路径。正负端子都直接连到电机接口引脚，两个电机接口并联。这使得沿路径的压降和发热最小，使其成为应对较高电流负载更稳健的选择。

螺钉端子（DC+ / DC−）： 提供了一种替代的输入方式，但在供电路径中引入了额外的元件。输入电源不会直接馈送到电机输出，而是先经过一个 MOSFET 再到达电机接口。在较高负载下，这个 MOSFET 会成为显著的发热源，可能影响整体效率和热性能。虽然这些端子的标称额定值高达 10 A，但其相对较小的尺寸使其在实际中不太适合持续的大电流工作。

DC+ 铜覆铜区宽 4.4 mm，预计可以毫无问题地承受峰值负载电流。+ / − 标记表示螺钉端子的极性。

负载测试

由于供电电路存在差异，针对筒式插座和螺钉端子输入分别进行了测试。

2 A 负载持续 10 分钟

2 A / 10 分钟测试接近结束时的并排热像图。两条路径均处于 30–33 °C——在该负载下没有实质性差异。

左：筒式插座。右：螺钉端子。

2 A 持续负载测试未出现任何问题。板卡几乎没有升温，大多数元件保持接近环境温度。热成像证实板上仅有轻微的温升，通常在 30–33 °C 范围内，这表明在正常工作条件下功率损耗小、电流处理效率高。

5 A 负载持续 5 分钟

5 A / 5 分钟测试接近结束时的并排热像图。筒式插座（左）：接口约 38–40 °C。螺钉端子（右）：MOSFET 约 60 °C，是主要发热源。

左：筒式插座。右：螺钉端子。

通过筒式插座供电时，接口本身明显发热，达到约 38–40 °C。板卡其余部分保持相对凉爽，大多数元件维持在接近 30–32 °C。这表明在此配置下的主要限制是接口及其接触电阻，而非板卡内部的供电路径。

使用螺钉端子时，热行为由板载 MOSFET 主导。其温度在负载下上升相对较快，几分钟后稳定在约 60 °C。板卡其他区域保持适度温热（30–40 °C）。这证实在此配置下，MOSFET 是功率耗散和发热的主要来源。

总体而言，虽然两种输入方式都承受住了 5 A 负载而未立即失效，但它们表现出不同的热瓶颈：筒式插座受接口发热限制，而螺钉端子路径则受 MOSFET 损耗限制。

7 A 负载持续 2 分钟

7 A / 2 分钟测试结束时的并排热像图。筒式插座（左）：接口约 46 °C。螺钉端子（右）：MOSFET 约 78–80 °C，接近长期可靠性的上限。

左：筒式插座。右：螺钉端子。

通过筒式插座供电时，接口温度显著上升，达到约 45–46 °C。板卡其余部分保持相对凉爽（约 34 °C），证实接口本身是此配置下的主要热瓶颈。尽管板卡电子部分很好地承受了负载，但在更高的电流下接口发热变得更加明显。

相比之下，使用螺钉端子时，MOSFET 温度急剧上升，达到约 78–80 °C——接近典型数据手册规定的上限，在该温度下，升高的温度可能开始影响元件特性和长期可靠性。端子上的导线在此负载下也明显发热。

另一个实际限制是螺钉端子的尺寸，它限制了较粗导线的使用，并通过增大布线电阻而加剧发热。

总体而言，在 7 A 时系统接近其热极限：筒式插座受接口发热制约，而螺钉端子路径则受 MOSFET 耗散和布线限制的约束。

10 A 持续 30 秒

10 A / 30 秒测试结束时的并排热像图。筒式插座（左）：峰值 37.9 °C。螺钉端子（右）：MOSFET 上为 115.6 °C——远超安全工作上限。

左：筒式插座。右：螺钉端子。

10 A 测试（30 秒）代表一种极端状态，明显超出了板卡的舒适工作范围，揭示了其失效极限。

通过筒式插座供电时，主要问题转移到了布线上。在此负载下电机导线明显发热，而板卡本身相对未受影响。接口区域也显示出升高的温度（40–45 °C），但 PCB 上未观察到关键热点。在此配置下，外部布线在板卡本身之前成为限制因素。

相比之下，螺钉端子路径使 MOSFET 承受了严重的热应力。其温度迅速超过安全工作上限，远高于 100 °C（本次测试中约 120 °C）。在此水平上，器件的工作远超推荐条件，可能发生性能退化、热失控或永久性损坏。

总体而言，结果证实 10 A 的运行无法持续，尤其是在使用螺钉端子输入时。MOSFET 成为关键的薄弱环节，而在筒式插座配置下，限制因素转移到接口和布线上，而非 PCB 本身。

结论

Waveshare Serial Bus Servo Driver 板在典型工作条件和中等负载下表现良好。在 2 A 乃至 5 A 持续负载下，该板保持稳定且热表现良好，使其适用于大多数标准的机器人应用。

然而，供电输入的选择对性能有显著影响。筒式插座提供了更直接、更高效的供电路径，其主要限制是在较高电流下接口和布线的发热。相比之下，螺钉端子输入在供电路径中引入了一个 MOSFET，它成为主要发热源，并在负载下形成明显的瓶颈。

在更高的电流（7 A 及以上）下，两种配置都开始接近其热极限。筒式插座受接口发热制约，而螺钉端子路径则受 MOSFET 耗散和布线限制的约束。在极端条件（10 A）下，板卡的工作超出其安全上限——尤其是在使用螺钉端子时，MOSFET 温度会超出安全工作范围。

另一个可靠性方面的隐患是版本 1.1 板卡上的 TVS 二极管。测试期间有几块板卡失效，最有可能是由于供电不稳定或瞬态状态所致。在这些情况下，TVS 二极管似乎发生了失效（烧毁），实际上使板卡失去功能。虽然移除失效的二极管可以恢复功能，但这种现象表明，对于不稳定的供电环境而言，该保护电路可能过于敏感——或不够稳健。

从实用角度看，该板非常适合持续负载在约 5 A 以内、偶有短暂峰值的系统。对于更高的负载，必须仔细关注供电质量、布线和接口的选择。对于大电流应用，应尽可能优先选择筒式插座输入，而螺钉端子更适合小电流或注重便利性的方案。

总体而言，该板在功能与成本之间取得了良好的平衡，但其功率承载能力和稳健性受到接口设计、供电路径实现以及对供电瞬态敏感性的限制。

Waveshare Serial Bus Driver HAT

文档： https://www.waveshare.com/wiki/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)
原理图： Bus Servo Driver HAT (A) 原理图/Bus_Servo_Driver_HAT_(A)_Sch.pdf)

Driver HAT — front view (ESP32, screw + barrel + XT90)

Waveshare Driver HAT 正面：ESP32 微控制器、RS485 / TTL 输出级，以及三个供电输入（5.5×2.5 mm 筒式插座、螺钉端子、XT90）。

Driver HAT 的底面，显示 40 针 Raspberry Pi 排针以及为 Pi 供电的板载 5 V 稳压器。

Driver HAT，正面（左）和背面（右）。

与较简单的适配板相比，Waveshare Serial Bus Servo Driver HAT 是一种更先进、更面向高功率的方案。它集成了一颗 ESP32 微控制器，使其能够作为独立控制器运行，并具备有线和无线（Wi-Fi / Bluetooth）通信能力。该板设计为 Raspberry Pi HAT，可通过 40 针排针直接连接，同时通过板载 5 V 稳压器为 Pi 供电。它支持 TTL 和 RS485 两种舵机接口，从而兼容更广泛的串行总线舵机。从供电角度看，该板提供了明显更稳健的输入选项，包括 XT90 接口以及 9–25 V 的宽输入范围。

电源接口

该板提供多种供电输入选项：5.5×2.5 mm 筒式插座、（相比上一块板）更大的螺钉端子，以及用于大电流应用的 XT90 接口。所有这些接口都连接到同一条供电母线上，供电路径中没有引入额外的元件——例如 MOSFET。这带来了与负载之间直接、低电阻的连接，有利于处理更大的电流。

三个供电输入都馈送到同一条低电阻供电母线，路径中没有 MOSFET；更大的螺钉端子和 XT90 接口可接受更粗的导线，以用于大电流应用。

与上一块板所用的较小接口相比，更大的螺钉端子和 XT90 接口使这块板更适合更粗的导线和更大的电流输送。

PCB 上为 TVS 二极管预留了焊盘位置，但二极管本身并未贴装——设计中考虑了瞬态保护，但这块板出厂时并未配备。

PCB 上包含一个 TVS 二极管的焊盘位置，但二极管本身并未贴装，这表明设计中曾考虑瞬态保护，但在出厂版本中并未实现。