All'interno di un controller motore: ponte trifase, transistor, misurazione della corrente

Visto dall'esterno, un controller è una scatola con cavi grossi da un lato, cavi piccoli dall'altro e un dissipatore. All'interno si trovano due mondi: una parte di potenza, che gestisce centinaia di ampere, e una parte di comando, che calcola cosa deve fare la potenza. Questa guida apre la scatola, senza parlare di alcun prodotto in particolare.

Il ponte trifase

Ogni fase del motore è collegata a due interruttori: uno verso il positivo della batteria (l'interruttore "alto"), l'altro verso il negativo (l'interruttore "basso"). Tre fasi, quindi sei interruttori: questo è il ponte trifase, o inverter.

Chiudendo l'interruttore alto di una fase, la si collega al positivo; chiudendo quello basso, al negativo. Alternando molto velocemente tra i due, con una proporzione di tempo variabile, si ottiene in media qualsiasi tensione tra zero e quella della batteria. Questa tecnica si chiama modulazione di larghezza di impulso (PWM). Gli avvolgimenti del motore smussano questi impulsi e la corrente che vi circola diventa quasi sinusoidale.

Non bisogna mai chiudere contemporaneamente i due interruttori della stessa fase: si causerebbe un cortocircuito netto della batteria.

I transistor di potenza

Sui controller per monopattini, biciclette o moto leggere, gli interruttori sono solitamente transistor MOSFET. Quando sono chiusi, si comportano come una resistenza molto bassa; quando sono aperti, bloccano la tensione della batteria. Per le tensioni più elevate delle auto elettriche, si incontrano piuttosto IGBT o transistor al carburo di silicio.

Per far passare più corrente, si posizionano spesso diversi transistor in parallelo su ogni posizione. La loro tensione massima deve superare nettamente quella della batteria carica, per assorbire i picchi di tensione a ogni commutazione e in frenata.

Da dove viene il calore

Un transistor si scalda in due modi:

• in conduzione: la corrente attraversa la sua piccola resistenza. Questa perdita cresce con il quadrato della corrente: raddoppiare la corrente moltiplica il calore per quattro;
• in commutazione: durante il breve istante in cui passa da aperto a chiuso, sopporta sia tensione che corrente. Più si commuta spesso, più questa perdita conta.

È per questo che un controller dichiarato per una corrente molto elevata la mantiene solo per pochi secondi se non è ben raffreddato.

I gate driver e il tempo morto

Un MOSFET si comanda tramite il suo gate, che deve essere caricato e scaricato molto velocemente affinché commuti in modo netto. Il microcontrollore non ha la forza di farlo direttamente: circuiti specializzati, i gate driver, se ne occupano. Gestiscono anche l'interruttore alto, il cui riferimento di tensione "fluttua" con la fase.

Tra l'apertura di un interruttore e la chiusura dell'altro sulla stessa fase, si lascia un breve ritardo in cui entrambi sono aperti: il tempo morto. Se troppo corto, si rischia un cortocircuito durante la transizione; se troppo lungo, deforma la tensione e aggiunge perdite. La sua regolazione dipende dai transistor e dai loro driver.

La misurazione della corrente

Per il controllo vettoriale così come per le protezioni, il controller deve conoscere con precisione la corrente nelle fasi. Due metodi dominano:

• gli shunt: piccolissime resistenze di precisione, posizionate sul percorso della corrente, di cui si misura la bassa tensione;
• i sensori di corrente a effetto Hall, che misurano il campo magnetico creato dalla corrente senza essere sul suo percorso, più comuni per le correnti elevate.

La misurazione deve essere effettuata nel momento giusto del ciclo di commutazione, lontano dagli istanti di commutazione in cui verrebbe disturbata.

I condensatori del bus

Il ponte preleva dalla batteria una corrente frazionata, alla frequenza di commutazione. I cavi della batteria, troppo lunghi e troppo induttivi, non possono fornire questi impulsi. Dei condensatori posizionati il più vicino possibile al ponte svolgono il ruolo di serbatoio: forniscono i picchi e smussano la corrente vista dalla batteria. Anche loro si scaldano e la loro scelta condiziona la durata di vita del controller.

È anche per loro che un controller ad alta tensione ha bisogno di un circuito di precarica o di un connettore anti-scintilla: al momento della connessione, i condensatori vuoti richiamano una forte corrente improvvisa.

La parte di comando

Un microcontrollore esegue il comando del motore a ogni ciclo di commutazione: lettura delle correnti, calcolo della posizione del rotore, regolazione, generazione degli ordini per il ponte. Attorno a lui si trovano:

• gli ingressi per l'acceleratore, il freno e i sensori del motore;
• i collegamenti di comunicazione con il display, un altro controller o un computer di configurazione;
• le misurazioni della tensione della batteria e delle temperature (transistor e spesso motore);
• un'alimentazione a bassa tensione prelevata dalla batteria, per l'elettronica e talvolta gli accessori.

Le protezioni

Il raffreddamento, vero limite di un controller

I transistor sono montati su una superficie che conduce il loro calore verso l'involucro, poi verso l'aria o il telaio. La qualità di questo percorso termico stabilisce la corrente che un controller può mantenere nel tempo. Due controller con gli stessi transistor possono avere prestazioni molto diverse a seconda della loro progettazione termica e del loro fissaggio nella macchina.