Binnenin een motorcontroller bevinden zich onder andere: een driefasige brug, transistors en een stroommeetcircuit

Van buitenaf gezien is een controller een behuizing met dikke kabels aan de ene kant, kleinere aan de andere kant, en een koellichaam. Binnenin bevinden zich twee werelden: een vermogensgedeelte dat honderden ampères verwerkt, en een besturingsgedeelte dat berekent wat de vermogen moet doen. Deze handleiding opent de behuizing, zonder specifiek over een bepaald product te spreken.

De driefasige brug

Elke fase van de motor is verbonden met twee schakelaars: één met de positieve pool van de batterij (de "boven" schakelaar), en de andere met de negatieve pool (de "onder" schakelaar). Drie fasen, dus zes schakelaars: dit is de drie-fase brug, of omvormer.

Door de bovenste schakelaar van een fase te sluiten, wordt deze verbonden met de positieve pool; door de onderste schakelaar te sluiten, met de negatieve pool. Door zeer snel tussen de twee te schakelen, met een variabele tijdsverhouding, kan men gemiddeld elke spanning bereiken tussen nul en de spanning van de batterij. Deze techniek wordt pulse-breedtemodulatie (PWM) genoemd. De spoelen van de motor zorgen ervoor dat deze pulsen worden afgeplat, en de resulterende stroom wordt bijna sinusvormig.

Het is belangrijk om nooit tegelijkertijd beide schakelaars van dezelfde fase te bedienen: dit zou een kortsluiting veroorzaken en de batterij beschadigen.

De vermogenstransistors

Op de controllers voor scooters, fietsen of lichte motoren zijn de schakelaars meestal MOSFET-transistors. In de gesloten toestand gedragen ze zich als een zeer lage weerstand; in de open toestand blokkeren ze de batterijspanning. Voor de hogere spanningen die in elektrische auto's worden gebruikt, worden vaker IGBT's of siliciumcarbide-transistors gebruikt.

Om meer stroom te kunnen leveren, plaatst men vaak meerdere transistors parallel aan elkaar op elke positie. Hun maximale spanning moet aanzienlijk hoger zijn dan de spanning van een volledig opgeladen batterij, zodat ze de spanningspieken kunnen opvangen die optreden bij elke schakeling en tijdens het remmen.

Waar komt de warmte vandaan?

Een transistor kan op twee manieren warm worden:

• en geleidende toestand : de stroom loopt door de kleine weerstand. Dit verlies neemt toe met het kwadraat van de stroom: het verdubbelen van de stroom vermenigvuldigt de warmte met een factor vier;
• en schakeling: gedurende het korte moment dat de schakeling van open naar gesloten gaat, moet deze zowel spanning als stroom verwerken. Hoe vaker er geschakeld wordt, hoe groter dit verlies wordt.

Daarom kan een controller die een zeer hoge stroomsterkte belooft, deze slechts enkele seconden aan als deze niet goed wordt gekoeld.

De gridposities en de inactiviteitstijd

Een MOSFET wordt bestuurd door zijn gate, die zeer snel geladen en ontladen moet worden om een duidelijke schakeling te realiseren. De microcontroller heeft niet genoeg kracht om dit direct te doen: gespecialiseerde circuits, de gate drivers, zorgen hiervoor. Ze beheren ook de "high-side" schakelaar, waarvan de referentiespanning "drijft" met de fase.

Tussen het openen van een schakelaar en het sluiten van de andere op dezelfde fase, laten we een korte periode waarin beide open zijn: de dode tijd. Als deze te kort is, bestaat het risico op een kortsluiting tijdens de overgang; als deze te lang is, vervormt het de spanning en veroorzaakt het verliezen. De instelling ervan is afhankelijk van de transistors en hun drivers.

De meting van de stroom

Voor de vectoriële regeling, net als voor de beveiligingen, moet de controller de stroom in de fasen nauwkeurig kennen. Er zijn twee methoden die dominant zijn:

• `de shuntweerstanden : zeer kleine, precisieweerstanden die in de stroombaan zijn geplaatst en waarvan de lage spanning wordt gemeten;`
• `Hall-effect stroomsensoren, die het magnetische veld meten dat wordt veroorzaakt door de stroom, zonder zich op het pad van de stroom te bevinden, zijn vaker gebruikt bij hogere stroomsterktes.`

De meting moet op het juiste moment worden uitgevoerd in de schakelcyclus, en niet tijdens de momenten van schakeling, omdat deze de meting dan zou verstoren.

De condensatoren van de bus

De omvormer trekt een pulserende stroom uit de batterij, met de frequentie van de schakeling. De batterijkabels, die te lang en te inductief zijn, kunnen deze pulsen niet leveren. Condensatoren, die zo dicht mogelijk bij de omvormer zijn geplaatst, fungeren als buffer: ze leveren de piekstromen en zorgen voor een stabielere stroom die de batterij ziet. Ook deze condensatoren worden warm, en hun keuze bepaalt de levensduur van de controller.

Ook voor hen is het essentieel dat een hoogspanningscontroller een voorlaadcircuit of een vonkvrije connector heeft: bij het aansluiten veroorzaken lege condensatoren namelijk een plotselinge hoge stroom.

Het besturingsgedeelte

Een microcontroller voert de motorbesturing uit bij elke puls: het leest de stromen, berekent de positie van de rotor, regelt de parameters en genereert de signalen voor de schakelbrug. Rondom deze microcontroller bevinden zich:

• de ingangen voor de gashendel, de rem en de motoren,;
• de communicatielinkages met het display, een andere controller of een afstelcomputer;
• De metingen van de batterijspanning en de temperaturen (van transistoren en vaak de motor)
• Een laagspanningsvoeding, afkomstig van de batterij, wordt gebruikt voor de elektronica en soms voor accessoires.

De beschermhoezen

De koeling is een cruciale factor die de prestaties van een controller beperkt

De transistors zijn gemonteerd op een oppervlak dat hun warmte afvoert naar de behuizing en vervolgens naar de lucht of het frame. De kwaliteit van dit warmteafvoersysteem bepaalt de stroomsterkte die een controller op lange termijn kan verwerken. Twee controllers met dezelfde transistors kunnen zeer verschillende prestaties leveren, afhankelijk van hun thermische ontwerp en hoe ze in het apparaat zijn bevestigd.