Вътре в контролера на двигателя се намират: трифазен мост, транзистори и система за измерване на тока

Отвън, контролерът изглежда като кутия с дебели кабели от едната страна, по-тънки от другата, и радиатор. Вътре, се откриват два отделни блока: един за управление на мощността, който обработва стотици ампери, и друг за контрол, който изчислява как мощността трябва да бъде използвана. Това ръководство отваря кутията, без да споменава конкретни продукти.

Трифазният мост

Всяка фаза на мотора е свързана към два превключвателя: единият към положителния полюс на батерията (превключвателя "плюс"), а другият към отрицателния полюс (превключвателя "минус"). Три фази, следователно шест превключвателя: това е трифазният мост, или инверторът.

Чрез затваряне на горния контакт на една фаза, тя се свързва към положителния полюс; чрез затваряне на долния контакт, тя се свързва към отрицателния полюс. Чрез много бързото превключване между двата контакта, с променлив времеви интервал, се получава средно всяко напрежение между нула и напрежението на батерията. Тази техника се нарича модулация с широчинно-импулсен модулатор (MLI, или PWM на английски). Намотките на двигателя изглаждат тези импулси, и токът, който протича през тях, става почти синусоидален.

Никога не трябва да затваряте едновременно двата превключвателя на една и съща фаза, тъй като това би причинило късо съединение на батерията.

Транзисторите за мощност

При контролерите за електрически тротинетки, велосипеди или леки мотоциклети, превключвателите обикновено са MOSFET транзистори. В затворено състояние, те се държат като много ниско съпротивление; в отворено състояние, те блокират напрежението на батерията. За по-високите напрежения, използвани при електрическите автомобили, се срещат по-често IGBT транзистори или транзистори от карбид на силиций.

За да се осигури по-голям електрически ток, често се използват няколко транзистора, свързани паралелно, във всяка позиция. Максималното напрежение на тези транзистори трябва значително да надвишава напрежението на напълно заредена батерия, за да се избегнат повреди при пиковите напрежения, които възникват при превключване и при спиране.

Откъде идва топлината?

Транзисторът се нагрява по два начина:

• в проводимо състояние: токът преминава през малкото съпротивление. Тази загуба се увеличава с квадрата на тока: удвояването на тока увеличава топлината четири пъти;
• при превключване: през краткия момент, в който преминава от отворено към затворено състояние, той поддържа както напрежение, така и ток. Колкото по-често се превключва, толкова по-голяма е тази загуба.

Ето защо, контролер, който е обявен за поддържащ много висок ток, ще го поддържа само за няколко секунди, ако не е добре охладен.

Графичните драйвери и времето за изчакване

Един MOSFET се управлява чрез неговия гейт, който трябва да бъде много бързо зареден и разреден, за да осигури ясно превключване. Микроконтролерът няма достатъчно мощност, за да го направи директно: специализирани схеми, наречени драйвери за гейт, се грижат за това. Те също така управляват горния ключ, чието напрежение "плава" с фазата.

Между отварянето на един превключвател и затварянето на друг на една и съща фаза, се оставя кратък период, в който и двата са отворени: това е мъртвото време. Ако е твърде кратко, може да възникне късо съединение по време на прехода; ако е твърде дълго, то изкривява напрежението и добавя загуби. Неговата настройка зависи от транзисторите и техните драйвери.

Измерване на тока

За векторното управление, както и за системите за защита, контролерът трябва да знае точно тока във фазите. Две основни методи се използват:

• Шунтовете (shunt resistors): Това са много малки, прецизни резистори, поставени по пътя на електрическия ток, чието ниско напрежение се измерва;
• сензорите за ток с ефект на Хол, които измерват магнитното поле, създадено от тока, без да са на пътя му, са по-често срещани при по-високи токове.

Измерването трябва да се извърши в правилния момент от цикъла на работа, далеч от моментите на превключване, когато може да бъде нарушено.

Кондензаторите на шината

Мостът изтегля ток от батерията, който е импулсиран с определена честота. Кабелите към батерията, които са твърде дълги и имат голяма индуктивност, не могат да осигурят тези импулси. Кондензатори, разположени възможно най-близо до моста, играят ролята на резервоар: те осигуряват пиковите стойности на тока и изглаждат тока, който батерията вижда. Те също се нагряват и техният избор определя дълготрайността на контролера.

Това също е причината, поради която контролерите с високо напрежение се нуждаят от схема за предварително зареждане или от антиискров конектор: при свързване, празните кондензатори изискват внезапно голям ток.

Разделът за управление

Микроконтролерът изпълнява управлението на мотора във всеки цикъл: той чете стойностите на тока, изчислява позицията на ротора, регулира параметрите и генерира сигналите за мостовия елемент. Около него се намират:

• входовете за педала на газта, спирачката и сензорите на двигателя;
• връзките за комуникация с дисплея, друг контролер или компютър за настройка;
• измерване на напрежението на батерията и температурите (на транзисторите и често на мотора);
• захранване с ниско напрежение, което се подава от батерията и се използва за електрониката, а понякога и за аксесоарите.

Защитите

Охлаждането е ключов фактор, който определя максималната производителност на контролера

Транзисторите са монтирани върху повърхност, която отвежда топлината им към корпуса, а след това към въздуха или към шасито. Качеството на този топлопроводим път определя тока, който контролерът може да поддържа в дългосрочен план. Два контролера със същите транзистори могат да имат много различни характеристики, в зависимост от тяхната топлоотводна система и начина, по който са закрепени към устройството.