Rola sterownika w układzie napędowym

Sterownik silnika to kluczowy element każdego projektu, w którym chcemy sterować ruchem – obrotami, pozycją lub momentem obrotowym. Mikrokontrolery (np. Arduino) czy komputery jednopłytkowe (Raspberry Pi) wysyłają sygnały sterujące, ale same nie są w stanie dostarczyć dużego prądu czy wysokiego napięcia wymaganego przez silnik. Tutaj właśnie wkracza sterownik: przyjmuje sygnały niskiego poziomu (logiczne 3,3/5V, sygnały PWM, kroki/ kierunek itp.) i na ich podstawie załącza odpowiednio zasilanie silnika z osobnego źródła. Można powiedzieć, że sterownik to „tłumacz” między mikroprocesorem a silnikiem – dba o to, by silnik wykonywał dokładnie to, co “każe” mu układ sterujący, nie przeciążając przy tym elektroniki sterującej. Bez sterownika silnik mógłby pobrać zbyt duży prąd i uszkodzić pin kontrolera lub w ogóle nie dałoby się go wysterować (np. silnik krokowy wymaga skomplikowanej sekwencji impulsów, której goły mikrokontroler by nie zapewnił). Sterownik często zawiera też zabezpieczenia (przed przeciążeniem, przegrzaniem) i układy ułatwiające sterowanie (np. diody gaszące przepięcia indukcyjne w silnikach DC).

Sterowniki do silników prądu stałego (DC)

Najprostszym rodzajem sterownika jest mostek H, pozwalający sterować kierunkiem obrotów zwykłego silnika DC oraz włączać/wyłączać zasilanie (co w połączeniu z PWM daje regulację prędkości). Klasycznym przykładem jest układ L298N – dwukanałowy sterownik, który umożliwia kontrolę dwóch silników DC o napięciu do ~35 V i prądzie ok. 2 A każdy. Moduły z L298N są tanie i popularne w robotyce amatorskiej (np. do małych robotów jeżdżących). Dla większych obciążeń stosuje się nowocześniejsze mostki na tranzystorach MOSFET – np. BTS7960B (moduł często opisywany jako 43A, choć realnie obsługuje ciągłe prądy rzędu 15–20 A z radiatorem). Taki sterownik nadaje się do silników w pojazdach zasilanych 12–24 V o większej mocy. W ofercie posiadamy moduł sterownika BTS7960 43A, który składa się z dwóch układów MOSFET H-bridge i może sterować jednym silnikiem DC w pełnym mostku z dużym zapasem prądu – idealny do np. małego samochodzika elektrycznego dla dziecka lub większego robota.

Sterowniki DC często mają wejścia logiczne typu: ENA (enable, włączenie silnika), IN1/IN2 (kierunek – kombinacja tych pinów decyduje o biegu w przód czy w tył) oraz wejście PWM do regulacji prędkości. Wiele z nich to gotowe moduły, które wystarczy podłączyć do zasilania silnika i do pinów mikrokontrolera. Przykładowo, DRV8833 to dwukanałowy sterownik silników DC do 1,5 A, bardzo malutki (często w formie miniaturowej płytki), używany do zabawek i małych robotów zasilanych poniżej 10 V.

Sterowniki do silników krokowych

Silniki krokowe wymagają specjalnych sterowników, które potrafią wysyłać sekwencje impulsów na uzwojenia w odpowiedniej kolejności. Do prostych silników unipolarnych używa się czasem układów ULN2003 (tranzystorowe driver-y, np. popularna płytka do silniczków 28BYJ-48). Jednak we współczesnych projektach najczęściej stosuje się dedykowane drivery microstepping – pozwalają one na płynną kontrolę silnika krokowego z podziałem kroków. Przykłady to A4988 oraz DRV8825 – niewielkie moduły (tzw. stepstick) używane np. w drukarkach 3D i CNC. Podajemy im sygnał kroku (STEP) i kierunku (DIR), a sterownik sam zajmuje się odpowiednim wysterowaniem cewek silnika. Pozwalają one na regulację prądu (potencjometr nastawczy), mają zabezpieczenia termiczne i możliwość ustawienia mikrokroku (np. 1/16, 1/32 kroku). W naszej ofercie jest m.in. A4988 + radiator – podstawowy driver krokowy do silników bipolarnych do ~1 A na fazę, oraz mocniejszy TB6600 w obudowie z radiatorem – mogący sterować większe silniki (nawet 4–5 A, popularny w maszynach CNC).

Sterowniki krokowe często posiadają przełączniki DIP do ustawienia mikrokroków i prądu. Dla najbardziej wymagających zastosowań są zaawansowane sterowniki jak TMC2209, TMC5160 – zapewniają ultra-cichą pracę silników (chętnie używane w drukarkach 3D) i komunikację UART/SPI do konfiguracji. Ich obecność na stronie sklepu (czy w tekście) także wpływa na SEO, gdyż wielu użytkowników szuka konkretnego modelu sterownika po nazwie.

Sterowniki do silników bezszczotkowych (BLDC)

Silniki bezszczotkowe wymagają sterowników zwanych potocznie regulatorami (ESC), szczególnie w modelarstwie. W przypadku BLDC trzy fazy silnika muszą być załączane w odpowiedniej sekwencji zależnej od położenia wirnika – sterownik korzysta z sygnałów z czujników Halla lub pomiaru BEMF (siły przeciw elektromotorycznej), aby komutować silnik. W naszej ofercie posiadamy np. sterownik BLDC 12V-36V 15A – moduł do bezszczotkowych silników trójfazowych wyposażony w potencjometr (do regulacji prędkości) oraz opcję zmiany kierunku. Taki sterownik jest idealny do prostych zastosowań z BLDC, np. napędu modelu łodzi czy dużego wentylatora. Dla bardziej zaawansowanych użytkowników dostępne są programowalne ESC (Electronic Speed Controllers) z wejściem sygnału RC (impuls PWM 1-2 ms) – używane w dronach i modelach latających. Przykładowo, ESC 30A dla silników dronów zapewnia szybkie komutowanie i możliwość konfiguracji parametrów poprzez tzw. BLHeli (specjalne oprogramowanie).

Sterowniki BLDC często mają formę zamkniętych modułów zalanych żywicą (dla odporności) i są chłodzone przepływem powietrza (np. w dronie przez śmigło). Ważne parametry to napięcie zasilania (np. 2S-4S LiPo czyli ~7-16V), ciągły prąd, maksymalna liczba pól magnetycznych obsługiwanych. W tekście warto wspomnieć, że do BLDC stosuje się właśnie takie specjalizowane kontrolery – co odróżnia je od zwykłych regulatorów do silników szczotkowych.

Przykłady sterowników silników z oferty Elektroweb

• Dwukanałowy sterownik L298N – klasyczny moduł do sterowania dwoma silnikami DC (np. w robocie mobilnym). Obsługuje napięcia do 35 V i prąd ok. 2 A na kanał. Wyposażony w zworki do ustawiania trybu pracy i wbudowany regulator 5V dla logiki.

• Mostek H wysokiej mocy BTS7960 43A – moduł sterownika DC przeznaczony do jednego silnika o dużym poborze prądu (do kilkudziesięciu amper). Wymaga zasilania logiki 5V, posiada interfejs logiczny (wejścia L_EN, R_EN, LPWM, RPWM do sterowania kierunkiem i prędkością). Idealny do dużych silników w pojazdach czy wyciągarkach DIY.

• Sterownik krokowy A4988 – mały driver do silników bipolarnych, montowany np. na ramps (drukarki 3D) lub bezpośrednio w płytce stykowej. Umożliwia mikrokroki 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, prąd do ~1A na cewkę. W zestawie radiator do chłodzenia układu.

• Sterownik krokowy TB6600 4A – samodzielny moduł w obudowie, często stosowany w frezarkach CNC i większych drukarkach 3D. Zasilanie do 40 V, prąd do 4 A, mikrokroki do 1/16. Posiada diody LED sygnalizujące stan i przełączniki do ustawiania prądu oraz kroków.

• Sterownik BLDC 15A (z potencjometrem) – uniwersalny sterownik bezszczotkowych silników trójfazowych z zakresu 12–36 V. Pozwala sterować prędkością za pomocą gałki, posiada również przycisk zmiany kierunku i funkcję miękkiego startu. Sprawdzi się np. do silnika od hulajnogi czy małego pojazdu.

• Moduł PWM 16-kanałowy PCA9685 – choć to nie typowy “sterownik silnika”, warto wspomnieć ten driver PWM, który bywa używany do sterowania kilkunastoma serwomechanizmami jednocześnie (np. w robotyce). Umożliwia generowanie sygnałów PWM/servo niezależnie od głównego mikrokontrolera (komunikacja I2C). To przykład bardziej uniwersalnego sterownika, rozszerzenia możliwości płytek typu Arduino przy kontroli wielu kanałów.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Czy mogę zasilić silnik bezpośrednio z Arduino bez sterownika?
Nie jest to zalecane. Arduino może dostarczyć na pinie IO tylko ok. 20 mA prądu, co wystarcza na zapalenie diody LED, ale nie do zasilenia silnika (nawet mały silniczek DC pobiera dziesiątki razy więcej). Bezpośrednie podłączenie silnika do pinu spowoduje przeciążenie i możliwe uszkodzenie Arduino. Zawsze używaj sterownika lub przynajmniej tranzystora z diodą zabezpieczającą do sterowania silnikiem.

Jaki sterownik do silnika 12V 10A będzie odpowiedni?
Dla silnika prądu stałego 12 V o poborze 10 A warto wybrać sterownik z zapasem, np. moduł mostka H na MOSFET-ach klasy 15A lub 30A. Może to być wspomniany BTS7960 (43A peak) – jeden taki moduł obsłuży jeden silnik. Alternatywnie para MOSFET-ów z driverem IR będzie w porządku, ale gotowy moduł jest wygodniejszy. Unikaj L298N, bo 10A to zbyt dużo – spowoduje to jego uszkodzenie.

Czym różni się sterowanie silnikiem krokowym w trybie pełnokrokowym a mikrokroku?
Pełny krok oznacza, że silnik krokowy przeskakuje o cały kąt kroku (np. 1.8° dla standardowego silnika 200 kroków/obrót) na każdy impuls kroku. Mikrokrok dzieli ten krok na mniejsze części poprzez proporcjonalne wysterowanie cewek. Np. pół-krok (1/2) da 0.9° na krok, ćwierć-krok (1/4) ~0.45° itd. Dzięki mikrokrokom silnik pracuje płynniej i z mniejszym hałasem, a pozycja może być ustawiana z większą dokładnością. Wymaga to jednak sterownika obsługującego mikrokroki (np. A4988, DRV8825).

Mam silnik 3-fazowy z pralki – czy macie sterownik, by go wykorzystać?
Silniki z pralek bywają różnych typów. Starsze pralki miały silniki komutatorowe AC – do nich można użyć regulatora obrotów AC (jak do elektronarzędzi) lub lepiej falownika jednofazowego. Nowoczesne pralki mają silniki BLDC lub PMSM – do nich potrzebny będzie sterownik bezszczotkowy (falownik 3-fazowy). W ofercie sterowników modelarskich (ESC) można znaleźć takie, które sobie poradzą, ale trzeba dobrze dopasować parametry (napięcie, prąd, czujniki Halla). Nasza kategoria “Sterowniki silników” skupia się raczej na mniejszych silnikach hobbystycznych; do silnika z pralki (kilkaset watów) potrzebny może być specjalistyczny falownik.

Czy sterownik silnika wymaga dodatkowego chłodzenia?
To zależy od obciążenia. Małe sterowniczki (do 1–2 A) zwykle radzą sobie bez radiatora. Większe moduły mają wbudowane radiatory – jeśli pracują blisko granicy prądowej, należy zapewnić im przewiew (np. wentylator w obudowie projektu). Sterowniki modelarskie ESC czasem są chłodzone przepływem powietrza w trakcie ruchu modelu. Jeżeli sterownik mocno się grzeje, warto obniżyć obciążenie lub dołożyć chłodzenie, bo przegrzanie może go uszkodzić lub zadziałają zabezpieczenia termiczne, wyłączając silnik.

Jak sterować prędkością silnika DC za pomocą sterownika?
Większość sterowników DC ma wejście pozwalające na podanie sygnału PWM z mikrokontrolera. Na przykład, w module L298N wykorzystujemy piny ENA/ENB – podłączamy je do wyjścia PWM Arduino. Następnie generując odpowiedni współczynnik wypełnienia (0-255 z Arduino analogWrite), regulujemy prędkość. Kierunek ustawiamy podając HIGH/LOW na wejścia IN1/IN2. Niektóre sterowniki mają wbudowany potencjometr – wtedy manualnie kręcąc nim ustawiamy prędkość (przykłady to sterowniki z potencjometrem jak w sekcji regulatory obrotów).

Czy jeden sterownik może obsłużyć wiele silników krokowych naraz?
Nie, zazwyczaj jeden driver stepstick (typu A4988/DRV8825) obsługuje jeden silnik krokowy (czyli jego dwie cewki). Dla każdego silnika krokowego potrzebny jest osobny kanał sterujący. Są co prawda sterowniki wieloosiowe (np. moduły 3 w 1 do drukarek 3D), ale wewnętrznie to po prostu kilka sterowników w jednym. Jeśli masz 3 silniki krokowe w robocie, potrzebujesz trzech sterowników (lub modułu z trzema układami). Wyjątkiem są serwomechanizmy (tam jeden sterownik PWM PCA9685 może generować sygnały dla 16 serw naraz, ale serwo ma wbudowany układ sterujący, więc to inny kontekst).

Czy macie sterownik, którym z Raspberry Pi wysteruję silnik 230 V?
Sterowanie silnikiem na 230 V (np. jednofazowym) wymaga izolacji i użycia elementów typu triaki lub przekaźniki. W naszej ofercie są moduły przekaźnikowe i moduły półprzewodnikowe (SSR) do sterowania z wysokim napięciem. Jednak typowy “sterownik silnika” odnosi się do napięć niskich (do 50 V). Jeśli chcesz sterować silnikiem 230 V (np. indukcyjnym), szukaj falowników lub softstartów – to bardziej złożone urządzenia. Raspberry Pi może sterować falownikiem poprzez sygnały cyfrowe (np. Modbus, analog 0-10V z DAC + odpowiedni interfejs). Nasza kategoria sterowników silników skupia się na rozwiązaniach niskonapięciowych.