Uvnitř řídicí jednotky motoru se nacházejí: třífázový most, tranzistory a měřič proudu

Zvenku vypadá ovladač jako krabička s tlustými kabely na jedné straně, tenkými na druhé a chladičem. Uvnitř se nacházejí dva odlišné světy: část pro napájení, která zpracovává stovky ampér, a řídicí část, která vypočítává, co má být s tímto napájením provedeno. Tento návod otevírá tuto krabičku, aniž by se zmiňoval o konkrétních produktech.

Třífázový most

Každá fáze motoru je připojena ke dvěma spínačům: jeden ke kladnému pólu baterie (spínač „nahoru“) a druhý k zápornému pólu (spínač „dolů"). Tři fáze, tedy šest spínačů: to je trojfázový most, neboli invertor.

Zavřením horního kontaktu fáze se tato fáze propojí s kladným pólem; uzavřením dolního kontaktu se propojí se záporným pólem. Rychlým střídáním mezi těmito dvěma možnostmi, s proměnným poměrem času, lze v průměru dosáhnout jakékoli hodnoty napětí mezi nulou a napětím baterie. Tato technika se nazývá modulace šířky impulzu (MLI, nebo PWM v angličtině). Cívky motoru tyto impulsy vyhlazují a proud, který jimi protéká, se stává téměř sinusovým.

Nikdy nesmíte současně uzavřít oba spínače ve stejné fázi, protože by to způsobilo zkrat na baterii.

Tranzistory výkonu

U ovladačů pro koloběžky, kola nebo lehké motorky jsou spínače obvykle tranzistory typu MOSFET. V uzavřeném stavu se chovají jako velmi nízký odpor; v otevřeném stavu blokují napětí baterie. U vyšších napětí používaných v elektromobilech se častěji vyskytují tranzistory IGBT nebo tranzistory na bázi karbidu křemíku.

Pro umožnění průtoku většího proudu se často používá několik tranzistorů zapojených paralelně na každé pozici. Jejich maximální napětí musí výrazně překračovat napětí plně nabité baterie, aby zvládly napěťové špičky při každém spínání a při brzdění.

Odkud pochází teplo?

Tranzistor se může zahřívat dvěma způsoby:

• v režimu vodivosti : proud prochází jejím malým odporem. Tato ztráta se zvyšuje s kvadrátem proudu: zdvojnásobení proudu zčtyřnásobí množství tepla;
• při přechodu mezi stavy: během velmi krátkého okamžiku, kdy přechází ze stavu otevřeného do uzavřeného, musí zvládnout jak napětí, tak proud. Čím častěji dochází k tomuto přechodu, tím významnější je tato ztráta.

Proto se stává, že ovladač, který je reklamován pro velmi vysoký proud, ho vydrží pouze několik sekund, pokud není dostatečně chlazen.

Ovládací prvky a doba odezvy

MOSFET je řízen svou řídicí elektrodou (bránou), kterou je nutné velmi rychle nabíjet a vybíjet, aby došlo k rychlému přepínání. Mikrokontrolér nemá dostatečnou sílu k tomu, aby to provedl přímo: specializované obvody, tzv. ovladače brány, se o to starají. Tyto obvody také řídí horní spínač, u kterého se referenční napětí „mění“ v závislosti na fázi.

Mezi okamžikem sepnutí jednoho spínače a sepnutí druhého na stejné fázi, ponecháváme krátké časové okno, kdy jsou oba spínače otevřené: toto je tzv. mrtvý čas. Pokud je tento čas příliš krátký, hrozí zkrat během přechodu; pokud je příliš dlouhý, deformuje napětí a zvyšuje ztráty. Jeho nastavení závisí na tranzistorech a jejich ovladačích.

Měření proudu

Pro vektorové řízení, stejně jako pro ochranné funkce, musí řídicí jednotka přesně znát proud v jednotlivých fázích. Existují dvě hlavní metody:

• shuntové rezistory : velmi malé, přesné rezistory, umístěné v cestě proudu, u kterých se měří nízké napětí;
• Senzory proudu s efektem Halla, které měří magnetické pole vytvářené proudem, aniž by se nacházely v jeho cestě, jsou běžnější u systémů s vyššími proudy.

Měření musí být provedeno ve správný okamžik v cyklu pulzního signálu, a to v okamžiku, kdy není ovlivněno přepínáním, které by mohlo způsobit zkreslení.

Kondenzátory sběrnice

Měnič napětí odebírá proud z baterie ve formě pulzů, a to na frekvenci, která je určena jeho pracovním režimem. Příliš dlouhé a indukční kabely baterie nejsou schopny dodat tyto pulzy. Kondenzátory umístěné co nejblíže k měniči napětí fungují jako rezervoár: poskytují potřebné špičky proudu a vyhlazují proud, který je odebírán z baterie. Tyto kondenzátory se také zahřívají, a jejich výběr má zásadní vliv na životnost řídicí jednotky.

Je to také pro ně, že vysokonapěťový ovladač potřebuje obvod pro přednabíjení nebo konektor s ochranou proti jiskření: při připojení se prázdné kondenzátory pokusí okamžitě odebírat vysoký proud.

Řídící jednotka

Mikrokontrolér provádí řízení motoru v každém cyklu: čte hodnoty proudů, vypočítává polohu rotoru, reguluje parametry a generuje příkazy pro řídicí obvod. Kolem něj se nacházejí:

• vstupy pro plynový pedál, brzdu a senzory motoru;
• komunikační spojení s displejem, s jiným ovladačem nebo s počítačem pro nastavení;
• měření napětí baterie a teplot (tranzistorů a často i motoru);
• Nízké napětí, čerpané z baterie, slouží k napájení elektroniky a někdy i příslušenství.

Ochranné prvky

Chlazení, skutečná limitace pro regulátor

Tranzistory jsou umístěny na povrchu, který odvádí teplo do pouzdra a následně do vzduchu nebo do rámu. Kvalita tohoto tepelného spoje určuje proud, který může regulátor udržet v dlouhodobém provozu. Dva regulátory se stejnými tranzistory mohou mít velmi odlišné parametry, a to v závislosti na jejich konstrukci a způsobu upevnění v zařízení.