De schakelfrequentie van een controller: een compromis tussen warmte, geluid en precisie

Een controller verdeelt de batterijspanning in pulsen, duizenden keren per seconde, om de stroom voor de motor te genereren. Het aantal cycli per seconde wordt de schakelfrequentie, of PWM-frequentie, genoemd. Deze instelling heeft een subtiele invloed op de warmteontwikkeling van de controller, die van de motor, het geluidsniveau en de kwaliteit van de besturing. Er is geen universele "goede" waarde: alleen een compromis dat gevonden moet worden voor elke combinatie van controller en motor.

Wat de segmentatie doet

Elke fase van de motor is om de beurt verbonden met de plus- en minpool van de batterij. De verhouding van de tijd die aan elke kant wordt besteed, bepaalt de gemiddelde spanning. De spoelen, dankzij hun inductantie, zorgen ervoor dat deze pulsen worden afgeplat: de stroom stijgt iets tijdens een puls en daalt tijdens de volgende. Hierdoor blijft er een kleine, zaagtandvormige fluctuatie rond de gewenste waarde. Zie het interne ontwerp van een motorcontroller en de vectoriële modulatie.

Het verhogen van de frequentie: voordelen en nadelen

Wat je wint

• Minder stroompulsering: De stroom heeft minder tijd om te fluctueren tussen twee pulsen. Het verlies in de motor, veroorzaakt door deze pulsering, vermindert.
• Minder hoorbaar geluid : boven ongeveer 20.000 trillingen per seconde, de grens van het menselijk gehoor, is het fluitende geluid van het snijden niet meer te horen.
• Een fijnere besturing: de controller meet en corrigeert bij elke cyclus; meer cycli betekent een stroomlus die sneller kan werken.

Wat we betalen

• Minder schakelverliezen: bij elke schakeling verliest een transistor een beetje energie. Het verdubbelen van de frequentie verdubbelt deze verliezen. Bij hoge stromen kan dit ertoe leiden dat de toelaatbare stroom moet worden verlaagd.
• `Meer berekeningen: de microcontroller moet bij elke cyclus alle berekeningen uitvoeren.`
• `Minder elektromagnetische storingen, die beheerst moeten worden door het circuitontwerp.`

De rol van de motorinductie

De stroomgolfing is direct afhankelijk van de inductie van de motor: hoe lager de inductie, hoe sneller de stroom varieert bij elke puls. Zeer krachtige en compacte motoren met een lage inductie vereisen daarom een hogere frequentie om een redelijke stroomgolfing te behouden. Omgekeerd, een motor voor een scooter met een hogere inductie, kan prima werken met een lagere frequentie.

Dit is een reden waarom je niet zomaar elk type motor op elk type controller aansluit zonder controle: een motor met een zeer lage inductie op een controller met een lage frequentie kan hoge stroompieken veroorzaken.

De relatie met de motorsnelheid

Om een sinusgolf correct te reproduceren, is een voldoende aantal schakelcycli per elektrische omwenteling nodig. De elektrische frequentie neemt echter toe met de snelheid en het aantal polen (zie onze handleiding over Kv, Kt en polen). Bij zeer hoge snelheid op een motor met veel polen, kan een te lage schakelfrequentie de besturing verslechteren.

Het vinden van een compromis

Bij controllers voor kleine elektrische voertuigen ligt de frequentie doorgaans tussen een paar duizend en enkele tienduizenden cycli per seconde. De keuze wordt gemaakt op basis van de volgende factoren:

• De temperatuur van de transistors in de controller met hoge stroomsterkte
• de temperatuur van de motor bij een constante snelheid;
• het geluid, vooral bij lage snelheid;
• De kwaliteit van de besturing bij de maximale snelheid.