Unutar kontrolera motora: trofazni most, tranzistori, mjerenje struje
Gledano izvana, kontroler je kućište s debelim žicama na jednoj strani, malim na drugoj i hladnjakom. Iznutra postoje dva svijeta: energetski dio, koji manipulira stotinama ampera, i upravljački dio, koji izračunava što snaga treba raditi. Ovaj vodič otvara kućište, bez govora o bilo kojem konkretnom proizvodu.
Osnove
- Srce kontrolera je most od šest elektroničkih prekidača, dva po fazi motora.
- Ti prekidači, obično MOSFET tranzistori, otvaraju se i zatvaraju desetke tisuća puta u sekundi.
- Kontroler kontinuirano mjeri struje, napon i temperature kako bi upravljao sobom i zaštitio se.
- Njegovo stvarno ograničenje gotovo je uvijek toplinsko: koliko topline može odvesti.
Trofazni most
Svaka faza motora povezana je s dva prekidača: jedan prema plusu baterije („gornji“ prekidač), drugi prema minusu („donji“ prekidač). Tri faze, dakle šest prekidača: to je trofazni most ili inverter.
Zatvaranjem gornjeg prekidača faze, spajamo je na plus; zatvaranjem donjeg, na minus. Izmjenjivanjem vrlo brzo između njih, s promjenjivim omjerom vremena, u prosjeku dobivamo bilo koji napon između nule i napona baterije. Ova tehnika naziva se modulacija širine impulsa (PWM). Namoti motora zaglađuju te impulse, a struja koja kroz njih teče postaje gotovo sinusna.
Nikada ne smijete istovremeno zatvoriti oba prekidača iste faze: to bi bio izravan kratki spoj baterije.
Energetski tranzistori
Na kontrolerima za romobile, bicikle ili lagane motocikle, prekidači su obično MOSFET tranzistori. Zatvoreni, ponašaju se kao vrlo mali otpor; otvoreni, blokiraju napon baterije. Za više napone električnih automobila, češće susrećemo IGBT ili tranzistore od silicijevog karbida.
Za propuštanje veće struje, često se postavlja nekoliko tranzistora paralelno na svakoj poziciji. Njihov maksimalni napon mora znatno premašivati napon pune baterije kako bi izdržali naponske šiljke pri svakom prebacivanju i kočenju.
Odakle dolazi toplina
Tranzistor se zagrijava na dva načina:
- u vođenju: struja prolazi kroz njegov mali otpor. Taj gubitak raste s kvadratom struje: udvostručenje struje povećava toplinu četiri puta;
- pri prebacivanju: tijekom kratkog trenutka kada prelazi iz otvorenog u zatvoreno stanje, podnosi i napon i struju. Što češće prebacuje, to je ovaj gubitak značajniji.
Zato kontroler deklariran za vrlo visoku struju može je održati samo nekoliko sekundi ako nije dobro hlađen.
Upravljački sklopovi vrata i mrtvo vrijeme
MOSFET se upravlja preko svojih vrata (gate), koja se moraju vrlo brzo napuniti i isprazniti kako bi se tranzistor čisto prebacio. Mikrokontroler nema snage to učiniti izravno: specijalizirani sklopovi, upravljački sklopovi vrata, brinu se o tome. Oni također upravljaju gornjim prekidačem, čija referenca napona „lebdi“ s fazom.
Između otvaranja jednog prekidača i zatvaranja drugog na istoj fazi, ostavlja se kratka odgoda gdje su oba otvorena: mrtvo vrijeme. Ako je prekratko, postoji rizik od kratkog spoja tijekom prijelaza; ako je predugo, izobličuje napon i dodaje gubitke. Njegova postavka ovisi o tranzistorima i njihovim upravljačkim sklopovima.
Mjerenje struje
Za vektorsko upravljanje, kao i za zaštite, kontroler mora precizno poznavati struju u fazama. Dominiraju dvije metode:
- shuntovi: vrlo mali precizni otpornici, postavljeni na putu struje, čiji se mali napon mjeri;
- senzori struje s Hallovim efektom, koji mjere magnetsko polje stvoreno strujom bez da su na njezinom putu, češći kod visokih struja.
Mjerenje se mora obaviti u pravom trenutku ciklusa prebacivanja, daleko od trenutaka komutacije gdje bi bilo poremećeno.
Kondenzatori sabirnice
Most povlači isprekidanu struju iz baterije, na frekvenciji prebacivanja. Kabeli baterije, predugi i previše induktivni, ne mogu isporučiti te impulse. Kondenzatori postavljeni što bliže mostu igraju ulogu spremnika: oni isporučuju šiljke i zaglađuju struju koju vidi baterija. Oni se također zagrijavaju, a njihov odabir određuje životni vijek kontrolera.
Zbog njih visokonaponski kontroler treba krug predpunjenja ili konektor protiv iskrenja: pri spajanju, prazni kondenzatori odjednom povuku jaku struju.
Upravljački dio
Mikrokontroler izvršava upravljanje motorom u svakom ciklusu prebacivanja: očitavanje struja, izračun položaja rotora, regulacija, generiranje naredbi za most. Oko njega se nalaze:
- ulazi za gas, kočnicu i senzore motora;
- komunikacijske veze s zaslonom, drugim kontrolerom ili računalom za podešavanje;
- mjerenja napona baterije i temperatura (tranzistora, a često i motora);
- niskonaponsko napajanje izvučeno iz baterije, za elektroniku i ponekad dodatke.
Zaštite
| Zaštita | Što nadzire | Što radi |
|---|---|---|
| Prekomjerna struja | Fazna ili baterijska struja iznad apsolutne granice | Isključuje most u nekoliko mikrosekundi |
| Temperatura | Tranzistori i motor | Postupno smanjuje struju, zatim isključuje |
| Podnapon | Baterija preniska | Smanjuje snagu radi zaštite baterije |
| Prenapon | Napon koji raste, posebno pri električnom kočenju | Ograničava kočenje, zatim isključuje |
| Greška upravljačkih sklopova | Upravljački napon, kratki spoj tranzistora | Zaustavlja most i signalizira grešku |
Hlađenje, prava granica kontrolera
Tranzistori su montirani na površinu koja provodi njihovu toplinu prema kućištu, a zatim prema zraku ili šasiji. Kvaliteta ovog toplinskog puta određuje struju koju kontroler može trajno održati. Dva kontrolera s istim tranzistorima mogu imati vrlo različite performanse ovisno o njihovom toplinskom dizajnu i pričvršćivanju u stroju.
Savjet iz radionice
Uvijek pričvrstite kontroler na metalnu površinu koja odvodi toplinu, uz dobar kontakt. Kontroler zatvoren u pjeni ili plastičnoj vrećici nikada ne postiže svoje deklarirane brojke.
Česta pitanja
Zašto kontroler zviždi?
Prebacivanje struje lagano vibrira namote motora i neke komponente. Ako frekvencija prebacivanja padne u čujni raspon, čuje se zviždanje. To je normalno dokle god ostaje diskretno.
Je li izgorjeli kontroler popravljiv?
Ponekad, kada je otkazalo samo nekoliko tranzistora. Ali kvar snage često ošteti upravljačke sklopove vrata ili vodove na ploči; popravak je siguran samo ako se zna zašto je izgorio.
Zašto govorimo o „vršnoj“ i „trajno dopuštenoj“ struji?
Zato što je stvarno ograničenje toplinsko. Kontroler može podnijeti visoku struju nekoliko sekundi, dok se komponente ne zagriju, i manju struju neograničeno. Obje brojke su korisne, pod uvjetom da znate koju čitate.