Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i mostkiem typu H.

Ćwiczenie 2 

Sterowanie pracą układu napędowego z silnikiem prądu stałego i 

przekształtnikiem tranzystorowym typu H 

Cel ćwiczenia 

W ramach ćwiczenia student zapozna się z działaniem tranzystorowego mostka typu H. Zbuduje układ 

złożony z tranzystorowego mostka typu H zasilającego silnik prądu stałego. Zbuduje układ sterowania 

prądem twornika i układ sterowania prędkością wirnika. 

Tranzystorowy mostek typu H – zasada sterowania tranzystorami 

Struktura układu tranzystorowego mostka typu H przedstawiona jest na Rysunku 1. 

Rys. 1. Struktura tranzystorowego mostka typu H; a) obwód silnoprądowy i obwód sterowania pracą 

tranzystorów; b) generowanie przebiegu PWM oraz przebiegi sygnałów sterujących pracą tranzystorów 

Tranzystory w układzie osiągają dwa stany: 

a) przewodzenie – nasycenie złącza kolektor - emiter; 

b) nieprzewodzenie – zablokowanie złącza kolektor – emiter. 

Sygnał sterujący pracą tranzystorów jest sygnałem prostokątnym o regulowanym współczynniku 

wypełnienia. Sygnał prostokątny sterujący pracą tranzystorów uzyskiwany jest na wyjściu 

komparatora porównującego wartość sygnału sterującego u S i sygnał trójkątny u TRI o częstotliwości 

kilku kHz, przy czym sygnał sterujący jest podany na wejście dodatnie, a sygnał trójkątny na wejście 

ujemne komparatora (!). Tranzystory w mostku załączane są parami T1-T4 oraz T2-T3, przy czym 

sygnał sterujący pracą pary tranzystorów T2-T3 jest sygnałem zanegowanym względem sygnału 

sterującego parą tranzystorów T1-T4. Nie dopuszcza się do jednoczesnego załączenia dwóch 

tranzystorów w jednej gałęzi. Stan taki spowodowałby zwarcie obwodu napięcia stałego i zniszczenie 

tranzystorów. Mając na uwadze, że wyłączenie tranzystorów nie jest natychmiastowe, w praktyce 

w czasie przełączania kolejnych par tranzystorów stosuje się kilkumikrosekundową przerwę czasową 

między sygnałami prostym i zanegowanym. W ten sposób pozwala się do końca zablokować jednej 

parze tranzystorów zanim załączy się druga parę i unika się mikrozwarć obwodu DC w czasie 

kolejnych przełączeń, kiedy mogłoby dojść do sytuacji ze nowa para tranzystorów jest załączana 

podczas gdy poprzednia para jest jeszcze aktywna. Tym zagadnieniem nie będziemy jednak zajmować 

Instytut Sterowania i Elektroniki Przemysłowej, Laboratorium Napędu Elektrycznego

się na tym ćwiczeniu uznając, że zastosowane łączniki tranzystorowe są elementami idealnymi. 

W zależności od wypełnienia sygnału sterującego pracą tranzystorów napięcie średnie na wyjściu 

mostka może zmieniać swoją wartość w zakresie od –U DC do U DC . Stąd też układ mostka typu H 

umożliwia przepływ prądu w obciążeniu w obu kierunkach. 

Tranzystorowy mostek typu H – praca mostka z obciążeniem typu RL 

Działanie mostka H z obciążeniem RL zostało zilustrowane na Rysunku 2 i 3. 

a) 

b) 

* * 

A A 

* 

A i 

* 

14 A i 23 

U DC 

C A 

T1 T2 

T3 T4 

B 

* A 

R L 

i RL 

i 14 i 23 

R L 

T1 T2 

U 

C A 

DC 

T3 T4 

B 

* A 

i RL 

c) 

T1,T4= T2,T3 

1 

0 

t 

u 


u AB 

U AB_AV 

0 

t 

-U DC 

i RL 

0 

t 

i 14 

0 

t 

i 23 

0 

t 

Rys. 2. Mostek tranzystorowy typu H przy dodatnim prądzie odciążenia; a) obwód prądowy przy załączonych 

tranzystorach T1-T4; b) obwód prądowy przy załączonych tranzystorach T2-T3; c) przebieg sygnału sterującego 

pracą tranzystorów, przebieg napięcia u AB i jego wartość średnia U AB_AV , przebieg prądu w obciążeniu i RL , 

przebieg prądu i 14 w łączniku półprzewodnikowym T1, przebieg prądu i 23 w łączniku półprzewodnikowym T2 


a) 

b) 

* * 

A A 

* 

A i 

* 

14 A i 23 


C A 

T1 T2 

T3 T4 

B 

R 

* A 

L 

i RL 

i 14 i 23 

R L 

T1 T2 

U 

C A 

DC 

T3 T4 

B 

* A 

i RL 

c) 

T1,T4= T2,T3 

1 

0 

t 

u 


-U DC 

u AB 

0 

t 

i RL 

0 

t 

U AB_AV 

i 14 

0 

t 

i 23 

0 

Rys. 3. Mostek tranzystorowy typu H przy ujemnym prądzie odciążenia; a) obwód prądowy przy załączonych 

tranzystorach T1-T4; b) obwód prądowy przy załączonych tranzystorach T2-T3; c) przebieg sygnału sterującego 

pracą tranzystorów, przebieg napięcia u AB i jego wartość średnia U AB_AV , przebieg prądu w obciążeniu i RL , 

przebieg prądu i 14 w łączniku półprzewodnikowym T1, przebieg prądu i 23 w łączniku półprzewodnikowym T2 

Załączenie pary tranzystorów T1-T4 powoduje przyłączenie obciążenia RL do dodatniego napięcia 

U DC . Wymusza to narastanie prądu obciążenia. Indukcyjność w obciążeniu ogranicza szybkość 

narastania prądu. Wyłączenie pary T1-T4 oraz włączenie pary T2-T3, zgodnie z zasadą przedstawioną 

na Rysunku 1, nie powoduje to natychmiastowego przepływu prądu przez tranzystory T2-T3, 

ponieważ prąd nie może na indukcyjności skokowo zmienić wartości, a więc i kierunku przepływu. 

Po wyłączeniu tranzystorów T1-T4 następuje wymuszenie przewodzenia diod zwrotnych D2-D3 przez 

prąd indukcyjności obciążenia. Wymuszenie to pochodzi od indukcyjności obciążenia i jest skutkiem 

zwrotu energii nagromadzonej wcześniej w polu magnetycznym cewki po ustąpieniu napięcia 

wymuszającego przepływ prądu w kierunku dodatnim. W czasie przewodzenia diod D2-D3 napięcie 

na obciążeniu wynosi chwilowo -U DC , ponieważ potencjał punktu A sprowadzony jest przez diodę D3 

t 


do potencjału ujemnego obwodu DC, a potencjał punktu B sprowadzony jest przez diodę D2 

do potencjału dodatniego obwodu DC. Przez czas przewodzenia pary D2-D3 mamy w tym przypadku 

do czynienia z chwilowym zwrotem energii do źródła DC, ponieważ prąd obciążenia jest dodatni, 

a podane napięcie u AB ujemne (-U DC). Czas trwania zwrotu energii do źródła jest jednak krótszy niż 

czas trwania pobierania energii podczas załączenia pary T1-T4, zatem wypadkowa wartość energii 

przepływającej w czasie jednego cyklu przełączeń w sytuacji pokazanej na Rysunku 2 jest dodatnia, 

co oznacza pobieranie energii przez obciążenie. Moc wydzielana na odbiorniku jest określona jako 

iloczyn skutecznej wartości napięcia zasilającego (dla sygnału prostokątnego wartość skuteczna jest 

równa wartości średniej) oraz skutecznej wartości tętniącego z częstotliwością przełączeń prądu 

obciążenia. 

Działanie mostka w przypadku ujemnej wartości średniej napięcia przekształtnika oraz ujemnej 

wartości prądu (Rysunek 3) jest analogiczne. Załączenie pary T2-T3 powoduje, że prąd obciążenia RL 

opada (wzrasta w przeciwnym kierunku) ponieważ podane jest ujemne napięcie (-U DC) na zaciski AB. 

Wyłączenie pary T2-T3 powoduje, że prąd wymuszany nadal przez indukcyjność zamyka się przez 

parę diod D1-D4, a nie przez parę tranzystorów T1-T4, mimo, że na te tranzystory podane są sygnały 

sterujące. 

W przypadku, gdy prąd zamyka się przez diody zwrotne (D1-D4 lub D2-D3 w zależności od sytuacji), 

nie jest konieczne załączanie odpowiadających im tranzystorów (odpowiednio T1-T4 lub T2-T3), 

ponieważ złącza tych tranzystorów i tak są spolaryzowane wstecznie w stosunku do kierunku 

wymuszanego przez indukcyjność prądu. Można byłoby zastosować bardziej zaawansowane sposoby 

formowania prostokątnych impulsów sterujących i w niektórych przypadkach stosowania mostka typu 

H się to stosuje. Niemniej jednak, aby nie zaciemniać sposobu działania układu, w ćwiczeniu będzie 

stosowany układ formowania impulsów prostokątnych jak przedstawiono na Rysunku 1, 

z naprzemiennym włączaniem par tranzystorów T1-T4 oraz T2-T3. Prąd, po przyłożeniu napięcia 

prostokątnego, narasta i opada wykładniczo, jednak przy dużej częstotliwości przełączeń czasy 

narastania i opadania są tak krótkie, że można założyć, że zmiany prądu są liniowe. 

Sterowanie silnikiem prądu stałego 

Na zajęciach przedstawiających właściwości mechaniczne silnika prądu stałego oraz działanie układu 

obniżającego napięcie (Ćwiczenie nr 1) były obserwowane przebiegi prądu twornika i a (t) oraz 

prędkości mechanicznej n(t) silnika prądu stałego przyłączonego do źródła napięcia stałego. Silnik 

po przyłączeniu do źródła napięcia stałego pobierał duży prąd rozruchowy, sięgający kilkukrotnej 

wartości prądu znamionowego. W tym czasie prędkość silnika stosunkowo szybko wzrastała wskutek 

dużego momentu rozruchowego wywołanego dużym prądem. Po osiągnięciu stanu ustalonego prąd 

stabilizował się na wartości proporcjonalnej do wytwarzanego momentu napędowego silnika, 

niezbędnego do zrównoważenia momentu obciążającego maszyny roboczej. Prędkość silnika ustalała 

się na wartości zależnej od wartości napięcia źródła zasilającego. 

O ile maszyna elektryczna jest zazwyczaj odporna na krótkotrwałe przeciążenia, to prądy 

przeciążeniowe (w tym rozruchowe) są wysoce niekorzystne dla źródła zasilającego. Aby ograniczyć 

wartość prądu przeciążenia (w tym prądu rozruchowego) stosuje się zasilanie z przekształtników 

energoelektronicznych wyposażonych w odpowiednie układy regulacji (!). Stosując takie układy 

uzyskujemy kontrolę nad prądem twornika, mogąc dowolnie ograniczać jego wartość maksymalną. 

Należy jednak mieć na uwadze, iż ograniczając prąd twornika ograniczamy moment 

elektromagnetyczny wytwarzany przez silnik, co w konsekwencji ogranicza dynamikę zmian 

prędkości silnika przy rozruchu. 

Sterowanie układem napędowym z wykorzystaniem regulatorów wymaga przypomnienia 

podstawowych właściwości układu regulacji poznanych na zajęciach z Teorii Sterowania. Schemat 

ogólny układu regulacji przedstawiony jest na Rysunku 4. 


Rys. 4. Podstawowy układ automatycznej regulacji; y- sygnał regulowany; y REF - sygnał referencyjny dla sygnału 

regulowanego; e- uchyb regulatora; x- sygnał sterujący 

Do układu automatycznej regulacji niezbędne są trzy elementy: obiekt podlegający regulacji, regulator 

oraz sumator jako element porównujący sygnał zadawany y REF z sygnałem aktualnym wielkości 

regulowanej y. Sygnał zadany (referencyjny) y REF jest pożądaną wartością wielkości poddanej 

regulacji i jest na sumatorze porównywany z wartością mierzoną y tego sygnału. Wejściem regulatora 

jest różnica e między wartością zadaną (pożądaną) a aktualną (czyli zmierzoną). Różnica ta nazywana 

jest uchybem regulatora. Regulator ma za zadanie tak modyfikować swoje wyjście x, 

aby wyeliminować różnicę między zadanym sygnałem regulowanym y REF oraz wartością mierzoną y. 

Modyfikacja ta opiera się na równaniu lub algorytmie specyficznym dla danego typu regulatora. 

Najczęściej stosowanym w układach napędowych regulatorem jest regulator typu proporcjonalnocałkującego 

PI. Jak nazwa wskazuje składa się on z członu proporcjonalnego oraz członu całkującego. 

Sygnał wyjściowy regulatora jest sumą sygnałów wychodzących z tych członów. Transmitancja 

i schemat regulatora przedstawiono na Rysunku 5. 

= 1 + 

(1) 

∙ 

Rys. 5. Transmitancja i schemat blokowy regulatora proporcjonalno- całkującego PI 

Przy założeniu stałego prądu wzbudzenia silnika, sterowanie odbywa się tylko przez regulację prądu 

twornika. Dokonując regulacji prądu twornika wpływamy na moment elektromagnetyczny rozwijany 

przez silnik. Regulacji prądu twornika dokonujemy przez zmianę wartości średniej napięcia 

prostokątnego (impulsowego) zasilającego silnik prądu stałego. Dla regulatora prądu obiektem 

regulacji jest cały układ napędowy maszyny prądu stałego. Wielkością regulowaną y jest prąd 

twornika i a (wartość chwilowa), a sygnałem sterującym jest wartość sygnału sterującego u S 

wchodzącego na układ komparatora. Układ regulacji prądu twornika znajduje się na Rysunku 6. 

Rys. 6. Układ automatycznej regulacji prądu twornika 

Sygnał wyjściowy u S regulatora prądu (sygnał sterujący podawany na komparator) jest wartością 

liczbową jeśli układ regulacji jest operacją matematyczną realizowaną w mikroprocesorze, 

lub sygnałem o małej mocy jeśli układ sterowania jest realizowany analogowo (np. na wzmacniaczach 

operacyjnych). W żadnym z tych przypadków nie jest możliwe sterowanie silnikiem bezpośrednio 

z wyjścia regulatora. Wymagany jest układ wzmacniający sygnał wyjściowy regulatora. Układ 

wzmacniający (z własnym źródłem zasilania) sterowany jest sygnałem wyjściowym regulatora 

i doprowadza do silnika odpowiednią moc i tym układem jest przekształtnik energoelektroniczny – 

w tym przypadku mostek typu H. Występuje tu pewna analogia do odbiornika radiowego, 


w którym uzyskiwany sygnał dźwiękowy nie pochodzi od bezpośredniego podania na głośnik sygnału 

z anteny. Moc sygnału antenowego jest za słaba, żeby wyzwolić drgania membrany głośnika. W celu 

wyzwolenia drgań membrany należy zastosować układ, który wzmocni sygnał antenowy. Sposób 

realizacji (techniką analogową czy cyfrową) ma znaczenie drugorzędne. Wzmacniacz wymaga 

oddzielnego źródła zasilania o odpowiedniej mocy i przekształca napięcie zasilania w napięcie 

podawane na głośnik w celu wyzwolenia drgań membrany, zgodnie z wysterowaniem wzmacniacza 

przez sygnał antenowy. 

Natomiast w układzie napędowym sygnał zadany u S steruje przekształtnikiem, który przekształca 

napięcie zasilania u DC w napięcie prostokątne (impulsowe) u AB o wartości średniej U AB_AV 

proporcjonalnej do sygnału wyjściowego regulatora prądu u S . Sygnały te związane są zależnością: 

_ 

= 

(2) 

 

Gdzie: 

U AB_AV - wartość średnia napięcia na odbiorniku, 

U DC – napięcie zasilania mostka H, 

u S – sygnał sterujący wchodzący na wejście dodatnie komparatora, 

U TRI – amplituda sygnału trójkątnego u TRI wchodzącego na wejście ujemne komparatora. 

Przy czym jeśli amplitudę U TRI sygnału trójkątnego u TRI dobierzemy tak, że będzie równa wartości 

napięcia U DC , jak przedstawiono to na Rys. 1b, to wartość liczbowa sygnału sterującego u S będzie 

odpowiadać wartości średniej U AB_AV napięcia prostokątnego u AB . Realizując sterowanie 

w mikrokontrolerze można bez problemu tak wartości ustawić. W innym przypadku należy 

zastosować skalowanie sygnału wyjściowego regulatora zgodnie z równaniem (2). W ćwiczeniu dla 

uproszczenia analizy zostanie przyjęta amplituda U TRI sygnału trójkątnego u TRI na poziomie napięcia 

U DC . 

Podsumowując, powyższe rozważania, regulator jest elementem słaboprądowym, który odpowiada 

tylko za operacje matematyczne zwracając sygnał sterujący. Do realizacji sterowania silnikiem 

potrzebny jest wzmacniacz mocy w postaci przekształtnika energoelektronicznego wysterowanego 

otrzymanym sygnałem sterującym. Układ przedstawiony na Rysunku 7 uwzględnia podział obiektu na 

przekształtnik, który podaje na twornik silnika napięcie o wartości proporcjonalnej do sygnału 

wyjściowego regulatora prądu i silnik prądu stałego. Grube linie na schemacie oznaczają sygnały 

silnoprądowe. 

Rys. 7. Układ automatycznej regulacji prądu twornika 

Silnik podłączony do źródła napięcia stałego osiąga prędkość zależną od wartości tego napięcia. 

Zastosowanie mostka tranzystorowego o regulowanym wypełnieniu umożliwia kontrolę wartości 

średniej napięcia na wyjściu mostka. Przy czym możliwe do uzyskania są zarówno dodatnie, 

jak i ujemne wartości średnie napięcia U AB_AV (zgodnie z Rysunkami 2 i 3), a co za tym idzie możliwe 

jest sterowanie prędkością i kierunkiem obrotów wirnika. Taki układ przekształtnikowy umożliwia 

również przepływ prądu z silnika do obwodu DC w sposób kontrolowany, o ile siła elektromotoryczna 

nie jest wyższa od napięcia zasilającego U DC . Taki tryb pracy nazywany jest pracą generatorową, 

hamowaniem generatorowym lub hamowaniem odzyskowym i jest związany z przetwarzaniem energii 

mechanicznej na elektryczną. Wymaga to jednak podania na wał momentu obciążenia o wartości 

ujemnej (moment dopędzający wał maszyny oraz zadania ujemnej wartości prądu twornika 

w regulatorze prądu). 


Budowa modelu symulacyjnego układu napędowego z mostkiem H i silnikiem DC 

Ćwiczenie polega na zbudowaniu w programie symulacyjnym PSIM układu mostka tranzystorowego 

typu H zasilającego silnik prądu stałego jak na Rysunku 8. 

Rys. 8. Schemat symulacyjnego układu typu H do zasilania silnika prądu stałego 

Negator, komparator, woltomierz oraz generator fali trójkątnej znajdują się na pasku najczęściej 

używanych elementów. Schemat oraz parametry generatora fali trójkątnej przedstawiono 

na Rysunku 9. 

Rys. 9. Symbol oraz parametry generatora fali trójkątnej w programie PSIM 

Po zbudowaniu układu należy wprowadzić wartości parametrów stosowanych w układzie napędowym 

elementów jak w zamieszczonej Tabeli I. 

Tabela I. Parametry elementów układu mostka tranzystorowego zasilającego silnik prądu stałego 

Parametr 

Wartość 

krok symulacji 

10us 

czas symulacji 

3s 


napięcie stałe mostka tranzystorowego 

120V 

prąd stały obwodu wzbudzenia 1.6A 

napięcie referencyjne wchodzące na komparator 

-120÷120V 

amplituda od szczytu do szczytu fali trójkątnej 

240V 

częstotliwość fali trójkątnej 

1000Hz 

składowa stała fali trójkątnej -120V 

Dodatkowo należy w parametrach łączników T1 i T2 ustawić wyświetlenie prądów (current flag = 1). 

W tak przygotowanym układzie uruchamiamy symulację. Przy współudziale prowadzącego zajęcia 

należy dokonać obserwacji i analizy sygnałów, napięć i prądów w tym układzie. 

Kolejnym etapem jest zbudowanie układu z regulacją prądu twornika (Rysunek 10) i dobranie 

parametrów regulatora PI. Wszystkie niezbędne elementy (sumator, regulator PI, limiter) znajdują się 

na pasku najczęściej używanych elementów. Parametry bloku regulatora PI ilustruje Rysunek 11, 

a parametry limitera Rysunek 12. Podczas strojenia regulatora prądu, należy nastawić obciążenie 

na wartość znamionową, obliczoną podczas realizacji ćwiczenia nr 1, a następnie ustawić sygnał 

zadany prądu twornika i REF 

a na poziomie wartości znamionowej. W ten sposób otrzymuje się 

równowagę między momentem elektromagnetycznym silnika a obciążeniem, przy zatrzymanej 

maszynie. Eliminuje się w ten sposób wpływ siły elektromotorycznej maszyny na dynamikę regulacji 

prądu. 

W układach automatycznej regulacji z regulatorem proporcjonalno- całkującym stosuje się dodatkowe 

bloki ograniczenia sygnału wyjściowego regulatora (limitery). Określają one maksymalne i minimalne 

wartości sygnałów wyjściowych (!) regulatorów. Właściwości bloku ograniczenia sygnału najczęściej 

są wykorzystywane w stanach dynamicznych lub w przypadku awarii i błędów w badanym układzie 

(np. zanik sygnału pomiarowego lub błędnie dobrane nastawy regulatorów). W układach sterowania 

błędnie zdefiniowanych, bądź w stanach awaryjnych nie następuje zerowanie uchybu, co skutkuje 

w członie całkującym wzrostem sygnału wyjściowego do nieskończoności i przeciążeniem obiektu 

sterowania. Dodatkowo w stanach dynamicznych ograniczenia sygnału sterującego zwiększają 

szybkość reakcji regulatora w przypadku pojawienia się uchybu o przeciwnej wartości wskutek 

zmiany wartości zadanej prądu. Wartości maksymalne i minimalne limitera w układzie regulacji prądu 

powinny zostać nastawione na wartości maksymalne i minimalne sygnału trójkątnego wchodzącego 

na ujemne wejście komparatora. 

sumator 

limiter 

regulator 

proporcjonalno 

całkujący 

sygnał 

referencyjny 

Rys. 10. Układ regulacji prądu twornika 


Rys. 11. Symbol i parametry regulatora PI w programie PSIM 

Rys. 12. Symbol i parametry limitera w programie PSIM 

Ostatnim zadaniem jest zbudowanie regulatora prędkości, który jest typu proporcjonalno- całkującego 

PI. Jest to regulator nadrzędny w stosunku do regulatora prądu. Podczas budowy regulatora prędkości 

należy uwzględnić, że sterując prędkością wirnika wpływamy na moment elektromagnetyczny 

generowany przez silnik. Chcąc zwiększyć prędkość, regulator prędkości wymusza na regulatorze 

prądu większy moment elektromagnetyczny niż moment obciążenia M OBC . Podobna sytuacja 

występuje w przypadku zmniejszenia prędkości. Chcąc zmniejszyć prędkość wirnika należy 

zmniejszyć wytwarzany moment elektromagnetyczny w stosunku do momentu obciążającego M OBC . 

Schemat regulatora ilustruje Rysunek 13. 

Rys. 13. Układ automatycznej regulacji prędkości wirnika 

Należy uwzględnić, że obiektem dla regulatora prędkości jest układ mostka H z regulatorem prądu. 

Stąd wynika nazwa dla regulatora prędkości- nadrzędny. Podczas doboru nastaw regulatora prędkości 

sygnał zadany prędkości powinien być mniejszy od wartości znamionowej, aby móc zweryfikować 

poprawność działania układu regulacji prędkości. 

Układ regulacji prędkości z podrzędnym regulatorem prądu jest budowany w środowisku 

symulacyjnym przez studentów na zajęciach samodzielnie, przy czym należy przedstawić prawidłowo 

działający układ prowadzącemu zajęcia.

Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i mostkiem typu H.

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?