Μέσα σε έναν ελεγκτή κινητήρα: τριφασική γέφυρα, τρανзиστόρ, μέτρηση ρεύματος

Απ' έξω, ένας ελεγκτής είναι ένα κουτί με χοντρά καλώδια από τη μία πλευρά, λεπτά από την άλλη και μια ψύκτρα. Στο εσωτερικό του, βρίσκονται δύο κόσμοι: ένα τμήμα ισχύος, που διαχειρίζεται εκατοντάδες αμπέρ, και ένα τμήμα ελέγχου, το οποίο υπολογίζει τι πρέπει να κάνει η ισχύς. Αυτός ο οδηγός ανοίγει το κουτί, χωρίς να αναφέρεται σε κάποιο συγκεκριμένο προϊόν.

Η τριφασική γέφυρα

Κάθε φάση του κινητήρα συνδέεται με δύο διακόπτες: ο ένας προς τον θετικό πόλο της μπαταρίας (ο «επάνω» διακόπτης), ο άλλος προς τον αρνητικό (ο «κάτω» διακόπτης). Τρεις φάσεις, άρα έξι διακόπτες: αυτή είναι η τριφασική γέφυρα ή ο μετατροπέας.

Κλείνοντας τον επάνω διακόπτη μιας φάσης, τη συνδέουμε με το συν πλην· κλείνοντας τον κάτω, με το μείον. Εναλλάσσοντας πολύ γρήγορα μεταξύ των δύο, με μεταβλητό ποσοστό χρόνου, παίρνουμε κατά μέσο όρο οποιαδήποτε τάση μεταξύ μηδενός και αυτής της μπαταρίας. Αυτή η τεχνική ονομαζεται διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM). Τα πηνία του κινητήρα εξομαλύνουν αυτούς τους παλμούς και το ρεύμα που ρέει μέσα τους γίνεται σχεδόν ημιτονοειδές.

Δεν πρέπει ποτέ να κλείνουμε ταυτόχρονα τους δύο διακόπτες της ίδιας φάσης: αυτό θα προκαλούσε άμεσο βραχυκύκλωμα της μπαταρίας.

Τα τρανзиστόρ ισχύος

Στους ελεγκτές πατινιών, ποδηλάτων ή ελαφρών μοτοσικλετών, οι διακόπτες είναι συνήθως τρανзиστόρ MOSFET. Όταν είναι κλειστά, συμπεριφέρονται σαν μια πολύ χαμηλή αντίσταση· όταν είναι ανοιχτά, μπλοκάρουν την τάση της μπαταρίας. Για τις υψηλότερες τάσεις των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, συναντάμε μάλλον IGBT ή τρανзиστόρ καρβιδίου του πυριτίου.

Για να περάσει περισσότερο ρεύμα, τοποθετούμε συχνά πολλά τρανзиστόρ παράλληλα σε κάθε θέση. Η μέγιστη τάση τους πρέπει να ξεπερνάει σαφώς εκείνη της πλήρους μπαταρίας, για να αντέχουν τις αιχμές τάσης σε κάθε μεταγωγή και κατά το φρενάρισμα.

Από πού προέρχεται η θερμότητα

Ένα τρανзиστόρ θερμαίνεται με δύο τρόπους:

• σε αγωγιμότητα: το ρεύμα διαπερνά τη μικρή του αντίσταση. Αυτή η απώλεια αυξάνεται με το τετράγωνο του ρεύματος: ο διπλασιασμός του ρεύματος πολλαπλασιάζει τη θερμότητα επί τέσσερα·
• σε μεταγωγή: κατά τη σύντομη στιγμή που μεταβαίνει από ανοιχτό σε κλειστό, υποστηρίζει ταυτόχρονα τάση και ρεύμα. Όσο πιο συχνά γίνεται η μεταγωγή, τόσο περισσότερο μετράει αυτή η απώλεια.

Γι' αυτόν τον λόγο, ένας ελεγκτής που διαφημίζεται για πολύ υψηλό ρεύμα το διατηρεί μόνο για λίγα δευτερόλεπτα εάν δεν ψύχεται σωστά.

Οι οδηγοί πυλών και ο χρόνος νεκρής ζώνης

Ένα MOSFET ελέγχεται από την πύλη του, την οποία πρέπει να φορτίσουμε και να εκφορτίσουμε πολύ γρήγορα ώστε να μεταγωγή καθαρά. Ο μικροελεγκτής δεν έχει τη δύναμη να το κάνει απευθείας: εξειδικευμένα κυκλώματα, οι οδηγοί πυλών, αναλαμβάνουν αυτό το έργο. Διαχειρίζονται επίσης τον επάνω διακόπτη, του οποίου η αναφορά τάσης «επιπλέει» με τη φάση.

Μεταξύ του ανοίγματος ενός διακόπτη και του κλεισίματος του άλλου στην ίδια φάση, αφήνουμε μια σύντομη καθυστέρηση όπου και οι δύο είναι ανοιχτοί: ο χρόνος νεκρής ζώνης. Εάν είναι πολύ σύντομος, υπάρχει κίνδυνος βραχυκυκλώματος κατά τη μετάβαση· αν είναι πολύ μακρύς, παραμορφώνει την τάση και προσθέτει απώλειες. Η ρύθμισή του εξαρτάται από τα τρανзиστόρ και τους οδηγούς τους.

Η μέτρηση του ρεύματος

Για τον διανυσματικό έλεγχο όσο και για τις προστασίες, ο ελεγκτής πρέπει να γνωρίζει με ακρίβεια το ρεύμα στις φάσεις. Δύο μέθοδοι κυριαρχούν:

• τα σάντ (shunts): πολύ μικρές αντιστάσεις ακριβείας, τοποθετημένες στην πορεία του ρεύματος, των οποίων μετράμε τη χαμηλή τάση·
• οι αισθητήρες ρεύματος φαινομένου Hall, οι οποίοι μετρούν το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το ρεύμα χωρίς να βρίσκονται στην πορεία του, πιο συνηθισμένοι σε υψηλά ρεύματα.

Η μέτρηση πρέπει να γίνεται τη σωστή στιγμή στον κύκλο κοπής, μακριά από τις στιγμές μεταγωγής όπου θα υπήρχαν παρεμβολές.

Οι πυκνωτές του διαύλου

Η γέφυρα τραβάει από την μπαταρία ένα τεμαχισμένο ρεύμα, στη συχνότητα κοπής. Τα καλώδια της μπαταρίας, πολύ μακριά και πολύ επαγωγικά, δεν μπορούν να παρέχουν αυτούς τους παλμούς. Πυκνωτές τοποθετημένοι όσο το δυνατόν πιο κοντά στη γέφυρα λειτουργούν ως δεξαμενή: παρέχουν τις αιχμές και εξομαλύνουν το ρεύμα που βλέπει η μπαταρία. Θερμαίνονται και αυτοί, και η επιλογή τους καθορίζει τη διάρκεια ζωής του ελεγκτή.

Γι' αυτόν ακριβώς τον λόγο ένας ελεγκτής υψηλής τάσης χρειάζεται κύκλωμα προφόρτισης ή αντικραδασμικό σύνδεσμο: κατά τη σύνδεση, οι άδειοι πυκνωτές απαιτούν ξαφνικά μεγάλο ρεύμα.

Το τμήμα ελέγχου

Ένας μικροελεγκτής εκτελεί τον έλεγχο του κινητήρα σε κάθε κύκλο κοπής: ανάγνωση ρευμάτων, υπολογισμός θέσης ῥότορα, ρύθμιση, παραγωγή εντολών για τη γέφυρα. Γύρω του, βρίσκονται:

• οι είσοδοι για το γκάζι, το φρένο και τους αισθητήρες του κινητήρα·
• οι σύνδεσμοι επικοινωνίας με την οθόνη, έναν άλλο ελεγκτή ή έναν υπολογιστή ρύθμισης·
• οι μετρήσεις τάσης της μπαταρίας και θερμοκρασιών (τρανзиστορ, και συχνά κινητήρας)·
• μια τροφοδοσία χαμηλής τάσης που λαμβάνεται από την μπαταρία, για τα ηλεκτρονικά και μερικές φορές τα αξεσουάρ.

Οι προστασίες

Η ψύξη, το πραγματικό όριο ενός ελεγκτή

Τα τρανзиστόρ τοποθετούνται σε επιφάνεια που μεταφέρει τη θερμότητά τους προς το περίβλημα, και στη συνέχεια στον αέρα ή στο πλαίσιο. Η ποιότητα αυτής της θερμικής διαδρομής καθορίζει το ρεύμα που μπορεί να αντέξει ένας ελεγκτής με την πάροδο του χρόνου. Δύο ελεγκτές με τα ίδια τρανзиστόρ μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικές αντοχές ανάλογα με τη θερμική τους σχεδίαση και τη στερέωσή τους στο μηχάνημα.