Alimentação de "muitos" servos motores

rafael_sponchiatto · 8 de julho de 2021

Boa noite a todos,

Pessoal, estou com um projeto que envolve a construção de um braço robótico... que envolve arduino e 5 servos motores...

O que eu sei até agora, é que a alimentação pode ser tanto por uma bateria ou por duas, no caso de uma única bateria alimentando tanto o arduino quanto os servos motores, o arduino utilizaria um regulador Low Drop Out para fornecer e os 5V necessários e os servos seriam alimentados diretamente pela bateria.

No braço serão usados 5 Servos Tower Pro MG995, especificações básicas:

- Tensão de operação de 4,8V a 6,0V
- Corrente nominal: 10 mA
- Corrente sem carga: ~170 mA
- Corrente no torque máximo: 1200 mA

Mas uma coisa que eu fiquei confuso, para a escolha de uma bateria eu usaria corrente de torque máximo? Porque considerando que é um braço e ele irá pegar coisas e segurar teoricamente isso seria considerado uma carga, então eu teria que realizar o calculo 1200.5 = 6000 mA = 6A (Devo adicionar uma faixa maior?). Em relação a tensão do servo pretendo usar os 6V para desempenho máximo... ou seja Tensão do arduino 5V + tensão do servo 6V = 11V...

Portanto utilizar uma bateria para essa galera toda, teria especificação de ~12V e 6Ah? Isso é viável para uma aplicação portátil? Se eu pegar uma bateria de 12V e 2700 mAh os servos vão desempenhar corretamente?

Nisso, chamo vocês para conversarem e me ajudarem neste impasse, pois, pode existir outras soluções:

- A utilização de um transistor mosfet para os servos motores pode mudar alguma coisa em relação a bateria?

- Uma bateria de tensão menor, por exemplo, 6V dá conta dos servos e do arduino?

- Utilizar duas baterias?

- Uma duvida mais teórica, qual é a explicação para se cada servo tem tensão de operação de 6V mas uma bateria de 6V dá perfeitamente para todos os servos desde que supra a corrente, porque a tensão dos servos não somam? (Eu sei que não somam, afinal 30V para servos motores tipo nada a ver né kkkkkk, mas qual é a explicação por trás disso?)

Desculpa pela quantidade de questões, mas joguei todas as dúvidas que estou tendo para que possamos conversar e me ajudem a pensar em uma saída viável

Obrigado pela atenção gente,

F4b10 · 8 de julho de 2021

@rafael_sponchiatto

O ideal seria mesmo ter a bateria alimentando os servo motores diretamente, o problema é que a tensão da bateria varia, conforme a carga na bateria, e o servo limitado a 6V lhe obriga a usar um ou mais reguladores de tensão pra não passar de 6V e queimar o servo, os reguladores devem ser do tipo chaveado que aguentam boa corrente e tem boa eficiência, acho que 3 placas LM2596 de 3A dariam conta, com uma placa LM2596 alimentando 2 servos motores e deixando um boa folga pro caso do servo ser sobrecarregado...

A bateria pode ser de lítio 2 células 18650 em serie, a autonomia vai depender do uso dos motores, no uso nem todos os motores vão trabalhar a 100% o tempo todo, acho que uma bateria de 7.4V 2000mAh já deve dar mais de 1 hora de autonomia...

Pra alimentar o Arduino é melhor usar um regulador low drop off ou linear, por conta do menor ruído, isso se a placa do Arduino já não tiver um regulador nela.

rafael_sponchiatto · 9 de julho de 2021

@F4b10 Salve,

Em relação a tensão do servo para ser mais exata ela trabalha nessa faixa:

4.8V: 130.54 oz-in (9.40 kg-cm)
6.0V: 152.76 oz-in (11.00 kg-cm)

24 minutos atrás, F4b10 disse:

não passar de 6V e queimar o servo

Isso é comum de acontecer, teria que haver um pico de tensão? Tipo vamos supor as pilhas que você sugeriu 14,8V - 5V (Arduino) resta 9,8V... essa tensão poderia prejudicar os servos? Ai precisaria dessa placa para limitar a 6?

15 minutos atrás, F4b10 disse:

LM2596

E sobre essa placa, você saberia me informar se ela possui alguma queda de tensão? Igual um regulador LM7805 que normalmente possui 2V de queda, com isso nele você precisa fornecer 7V para receber 5? Porque parece útil a placa, mas uma questão que preciso levar em consideração é o espaço, será que essas 3 placas ocupariam muito espaço?

18 minutos atrás, F4b10 disse:

lítio 2 células 18650

Essas baterias de Lition - Ion, não são consideradas "perigosas"?

18 minutos atrás, F4b10 disse:

1 hora de autonomia

Se eu quiser mais que 1 hora, é só pegar uma pilha com mais mAh, ou fazer uma associação em paralelo, certo?

19 minutos atrás, F4b10 disse:

placa do Arduino já não tiver um regulador nela

A placa do Arduino tem um regulador, porém alimentar ela diretamente por uma fonte externa necessitária de 7V - 12V (recomendado) e fora dessa faixa o arduino pode apresentar problemas, com isso, para evitar esse "problema" eu optei pelo regulador LDO.

Você saberia me informar se o mosfet é necessário?

F4b10 · 9 de julho de 2021

@rafael_sponchiatto voce esta confundindo as coisas, as 2 baterias 18650 de 3.7V em serie, somam 7.4V e alimentariam o arduino diretamente com 7.4V, o regulador no arduino vai baixar essa tensão pra 5V pro arduino, e os reguladores LM2596 baixarão os 7.4V da bateria pra 6V para alimentar os servos...

Alias de onde voce tirou a ideia que 12V no arduino é recomendado? é justamente ao contrario! quanto mais alta a tensão mais o regulador na placa do arduino vai esquentar, a tensão recomendada seria 9V pro arduino, e 12V no máximo, se for usar uma bateria de 12V da pra ligar um resistor de 10 Ohms 1W pra baixar um pouco essa tensão.

A bateria não é perigosa se usar um BMS, no caso eu citei bateria de litio pela relação peso/capacidade, se carregar 1 Kg de chumbo não for um problema, uma bateria selada de 6V 4,5 Ah pode resolver, mas nesse caso voce teria que ajustar os LM2596 pra 5V, ou usar logo uma bateria de 12V...

O LM7805 não tem 2V de queda, ele requer que a tensão de entrada seja ao menos 2V maior que a da saída, e dissipa a diferença entre a tensão de entrada e de saída na forma de calor, dependendo da diferença ate 50% da potencia da fonte é jogada fora no dissipador, sendo ele adequado é pra coisas que puxam pouca corrente...

O LM2596 requer que a tensão de entrada seja pelo menos 1.2V maior que a saída e dissipa menos de 20% da potencia consumida em calor.

rafael_sponchiatto · 9 de julho de 2021

18 minutos atrás, F4b10 disse:

você esta confundindo as coisas, as 2 baterias 18650 de 3.7V em serie, somam 7.4V e alimentariam o arduino diretamente com 7.4V, o regulador no arduino vai baixar essa tensão pra 5V pro arduino, e os reguladores LM2596 baixarão os 7.4V da bateria pra 6V para alimentar os servos...

Uma pergunta meio "burra", A tensão é para estabelecer fluxo de carga no componente, mas por exemplo, quando fornecer 7,4V para o arduino, não significa que ele vai consumir 5V e deixar apenas 2,4V né? Tipo 7,4V vai suprir tanto os servos quanto o arduino?

19 minutos atrás, F4b10 disse:

Alias de onde você tirou a ideia que 12V no arduino é recomendado?

Do proprio datasheet, mas compreendo que esquentaria.

28 minutos atrás, F4b10 disse:

O LM7805 não tem 2V de queda, ele requer que a tensão de entrada seja ao menos 2V maior que a da saída, e dissipa a diferença entre a tensão de entrada e de saída na forma de calor, dependendo da diferença ate 50% da potencia da fonte é jogada fora no dissipador, sendo ele adequado é pra coisas que puxam pouca corrente...

Verdade, escrevi da forma errada

22 minutos atrás, F4b10 disse:

O LM2596 requer que a tensão de entrada seja pelo menos 1.2V maior que a saída e dissipa menos de 20% da potencia consumida em calor.

Entendi

Bom, acho que agora eu vou precisar pensar e dar uma estudada porque são muitas opções e não vai ter uma opção "vencedora", apenas aquela que seja mais conveniente.

F4b10 · 9 de julho de 2021

16 minutos atrás, rafael_sponchiatto disse:

Uma pergunta meio "burra", A tensão é para estabelecer fluxo de carga no componente, mas por exemplo, quando fornecer 7,4V para o arduino, não significa que ele vai consumir 5V e deixar apenas 2,4V né? Tipo 7,4V vai suprir tanto os servos quanto o arduino?

Não, quando você liga a carga em serie com a fonte, a tensão na carga é a mesma da fonte, é a corrente consumida que vai variar com a carga ou com mais carga conectada, não a tensão, a exceção é se a carga puxar mais corrente que a fonte é capaz, ai a tensão cai e a fonte desarma ou alguma coisa começa a soltar fumaça...

Por outro lado se você ligar 2 cargas carga em serie com a fonte, supondo 2 resistores, a tensão vai se dividir de acordo com a resistência de cada um deles, mas a corrente será a mesma em ambos... da uma estudada em Lei de Ohm, resistência serie/paralelo, divisor resistivo, que são tópicos muito uteis e vão evitar que você queime muitos Arduinos...

rafael_sponchiatto · 9 de julho de 2021

19 minutos atrás, F4b10 disse:

carga em serie com a fonte

Aqui não seria paralelo?

Acho que agora as coisas estão se clareando, dei uma confundida em alguns termos kk

rafael_sponchiatto · 30 de julho de 2021

Boa noite,

Depois de estudar, pensar e validar, vim postar o resultado que obtive até agora e solução que eu pensei até o momento.

Comprei uma bateria de 7,2V - 2700 mah de Ni-Mh

O planejado é conectar ela conforme o esquemático abaixo:

Obs: A bateria não corresponde a esse valor é só uma disposição. E se vai dar errado eu não sei kkk tem tudo para dar certo.

Porém eu tive uma dúvida em relação aos fios de alimentação dos servos motores. Detalhes:

Eu estou utilizandos fios de 0,5 mm² (suporta aproximadamente uns 6A, de acordo com algumas tabela da internet, me corrijam se eu estiver errado).

Porém, esses fios não possuem os conectores de arduino (pino, igual um jumper possui).

A questão é, eu posso pegar um "jumper" de arduino e aproveitar uma parte do fio dele com pino macho e soldar no fio principal para poder liga-lo no servo motor?

Porque o servo tem uma Corrente de operação entre 500mA - 900mA sendo que raramente o mecanismo vai trabalhar no máximo. Com isso, fazer esse tipo de conexão pode acabar aquecendo o jumper e prejudicar o circuito de alguma forma? E se isso pode acontecer qual solução eu teria?

Sérgio Lembo · 2 de agosto de 2021

Vamos por partes:

O Arduíno é uma máquina de controle, não é um driver de potência. A capacidade de corrente dele é pequena. Será necessário um driver, que pode ser apenas um simples transistor, entre o arduíno e o seu motor. Esses cabos da foto aguentam facilmente as correntes do arduíno mas vão fritar com o motor.

A capacidade da bateria tem mais a ver com a autonomia pretendida. Sobre considerar todos os motores funcionando simultâneamente ou não para o dimensionamento da bateria isso depende do regime de trabalho que será imposto pelo projeto. Se for um braço para um movimento específico a sequência de trabalho te dará a resposta. Se for para uso geral então deve considerar um equipamento que suporte todos os motores simultâneamente.

alexandre.mbm · 2 de agosto de 2021

ExCon e Connfly são dois fabricantes do terminal, estanhado ou dourado, para alojamento de conector tipo Modu:

Nas placas é o pin header (cabeçalho de pinos).

Um tópico no StackExchange está rico de links com detalhes sobre estes e outros conectores afins. Internet afora fala-se em 3A de current rating e compatibilidade (de crimpagem) com fios entre 22 e 26 AWG.

Um catálogo que chamou minha atenção foi o da linha BergStick de 2.54 mm (pitch), fabricada pela Amphenol ICC.

rafael_sponchiatto · 2 de agosto de 2021

10 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

A capacidade de corrente dele é pequena. Será necessário um driver, que pode ser apenas um simples transistor, entre o arduíno e o seu motor.

Levei em conta esse detalhe, em um projeto anterior eu utilizei um transistor mosfet para a solução. Porém, utilizando a bateria como alimentação direta para os servos eu não elimino a necessidade deste driver? No arduino seria apenas conectado o fio correspondente ao "sinal" do servo motor

10 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

Esses cabos da foto aguentam facilmente as correntes do arduíno mas vão fritar com o motor.

Um pensamento que eu tive, os fios que saem do servo motor possui espessura similar a esses jumpers, então teoricamente, os jumpers devem suportar os níveis de corrente exigidos pelo servo motor. Certo?

6 horas atrás, alexandre.mbm disse:

ExCon e Connfly são dois fabricantes do terminal, estanhado ou dourado, para alojamento de conector tipo Modu:

Nas placas é o pin header (cabeçalho de pinos).

Um tópico no StackExchange está rico de links com detalhes sobre estes e outros conectores afins. Internet afora fala-se em 3A de current rating e compatibilidade (de crimpagem) com fios entre 22 e 26 AWG.

Um catálogo que chamou minha atenção foi o da linha BergStick de 2.54 mm (pitch), fabricada pela Amphenol ICC.

Bastante informação mesmo, vou dar uma olhada com maiores detalhes, obrigado

Sérgio Lembo · 2 de agosto de 2021

49 minutos atrás, rafael_sponchiatto disse:

11 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

A capacidade de corrente dele é pequena. Será necessário um driver, que pode ser apenas um simples transistor, entre o arduíno e o seu motor.

Levei em conta esse detalhe, em um projeto anterior eu utilizei um transistor mosfet para a solução. Porém, utilizando a bateria como alimentação direta para os servos eu não elimino a necessidade deste driver? No arduino seria apenas conectado o fio correspondente ao "sinal" do servo motor

Temos algumas considerações a fazer:

O máximo de tensão no pino do Arduíno é o Vcc dele, no caso 5V. Caso a tensão no pino supere o Vcc seu arduíno queima. Além da limitação do corrente por pino tem que levar em conta também a limitação de corrente da soma dos pinos. Pelo nível de corrente em cada motor e quantidade deve utilizar Mosfet ou transistor darlington, o uso de transistor comum resultará em consumo excessivo.

Fios muito longos recebem indução do ambiente e se estiverem ligados ao arduíno essas induções irão a ele. O microcontrolador é produto delicado, entre ele e o ambiente hostil é de praxe se colocar uma interface mais robusta. Muitos criticam o Arduíno para uso industrial como ruim por queimar fácil. O que difere os controladores industriais do arduíno é que os projetistas colocam sempre uma interface robusta para proteger o microcontrolador e o arduíno não vem com essa interface. Cabe ao usuário identificar os pontos de necessidade e implantar o driver ou interface.

1 hora atrás, rafael_sponchiatto disse:

12 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

Esses cabos da foto aguentam facilmente as correntes do arduíno mas vão fritar com o motor.

Um pensamento que eu tive, os fios que saem do servo motor possui espessura similar a esses jumpers, então teoricamente, os jumpers devem suportar os níveis de corrente exigidos pelo servo motor. Certo?

Esses jumpers foram projetados para serem ligados ao Arduíno e o máximo de corrente suportado por um pino de arduíno é de 20mA. Além do nível de corrente esses jumpers também tem que suportar o stress mecânico da manipulação e ter robustez para muitas manipulações. O fato do jumper suportar a corrente não significa que o pino do arduíno também suportará. O projeto das trilhas da placa é para os 20mA do Arduíno. Sem querer ser ofensivo, não faça a economia porca de um transistor.

alexandre.mbm · 2 de agosto de 2021

1 hora atrás, rafael_sponchiatto disse:

Bastante informação mesmo, vou dar uma olhada com maiores detalhes

5 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

O projeto das trilhas da placa é para os 20mA do Arduíno. Sem querer ser ofensivo, não faça a economia porca de um transistor.

Eletrônica é orquestrar projetos. O seu projeto deve respeitar inúmeros outros sobre os quais ele se apoia. Tudo é parametrizado.

rafael_sponchiatto · 2 de agosto de 2021

59 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

O máximo de tensão no pino do Arduíno é o Vcc dele, no caso 5V. Caso a tensão no pino supere o Vcc seu arduíno queima.

Compreendo, por isso pretendo usar a entrada Vin que aceita valores superiores de tensão (De acordo com datasheet o recomendado é de 7 - 12V, apesar do limite máximo ser 6-20V não é bom, principalmente porque o regulador de tensão vai ficar sobrecarregado podendo prejudicar a placa, acredito que a bateria de 7V não será o suficiente a ponto de prejudicar a placa.

Li todas as informações e chegou naquele momento que vou precisar me "isolar" e digerir tudo.

59 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

Sem querer ser ofensivo, não faça a economia porca de um transistor

Tranquilo kkkk, em nenhum momento estou ignorando o que todos estão dizendo, estou absorvendo tudo e não vejo como ofensa é que eu gosto de saber se meus pensamentos estão corretos ou se minhas ideias vão dar certo e ter gente para confirmar ou melhorar ou corrigir o que penso, no fim eu acabo aprendendo mais do que simplesmente aceitar o que me dizem.

Tanto que eu pretendo fazer dois circuitos, um mais "rústico", principalmente para dar andamento a outras etapas do projeto, se queimar paciência kkkkk é um aprendizado. E em paralelo um segundo circuito mais robusto e organizado. Acredito que não seja o melhor pensamento, mas vai ser bom poder pensar com mais calma enquanto o resto do projeto continua andando.

52 minutos atrás, alexandre.mbm disse:

Eletrônica é orquestrar projetos. O seu projeto deve respeitar inúmeros outros sobre os quais ele se apoia. Tudo é parametrizado.

Realmente, estou percebendo isso kkkkk, mas faz parte do aprendizado.

Bom senhores, obrigado pelos apontamentos, vou agora estudar mais e digerir informações e testar. Pretendo retornar em breve para fornecer resultados do que testei.

Sérgio Lembo · 2 de agosto de 2021

Quando se lida com potência e controle alguns cuidados devem ser tomados. Entre eles a ligação das alimentações. Os surtos de energia podem provocar distúrbios no controle sejam eles analógicos ou digitais. Abaixo o desenho com o cuidado a ser tomado.