Wewnątrz sterownika silnika znajdują się: most trójfazowy, tranzystory oraz układ pomiaru prądu

Z zewnątrz kontroler wygląda jak obudowa z grubymi przewodami po jednej stronie, drobnymi po drugiej i radiatorem. Wewnątrz znajdują się dwa odrębne obszary: sekcja zasilania, która operuje na prądach rzędu setek amperów, oraz sekcja sterująca, która oblicza, co zasilanie ma robić. Ten przewodnik otwiera obudowę, nie odnosząc się do konkretnych produktów.

Most trójfazowy

Każda faza silnika jest podłączona do dwóch przełączników: jeden do plusa akumulatora (przełącznik "góra"), a drugi do minusa (przełącznik "dół"). Trzy fazy, a więc sześć przełączników: to jest most trójfazowy, czyli falownik.

Zamykając górny obwód fazy, łączy się ją z potencjałem dodatnim; zamykając dolny obwód, łączy się ją z potencjałem ujemnym. Szybko przełączając się między tymi dwoma stanami, z zmiennym czasem trwania, można uzyskać średnio dowolne napięcie w zakresie od zera do napięcia akumulatora. Ta technika nazywana jest modulacją szerokości impulsu (MLI, lub PWM w języku angielskim). Cewki silnika wygładzają te impulsy, a prąd, który w nich płynie, staje się prawie sinusoidalny.

Nigdy nie należy jednocześnie wyłączać obu przełączników w tej samej fazie, ponieważ spowodowałoby to bezpośrednie zwarcie baterii.

Tranzystory mocy

W kontrolerach skuterów, rowerów lub lekkich motocykli, przełączniki są zazwyczaj tranzystorami MOSFET. W stanie zamkniętym, działają one jak bardzo mały opornik; w stanie otwartym, blokują napięcie baterii. W przypadku wyższych napięć stosowanych w samochodach elektrycznych, częściej spotyka się tranzystory IGBT lub tranzystory węglika krzemu.

Aby przepuszczać większy prąd, często umieszcza się kilka tranzystorów równolegle na każdym kanale. Ich maksymalne napięcie powinno znacznie przekraczać napięcie pełnej baterii, aby wytrzymać skoki napięcia podczas przełączania i hamowania.

Skąd pochodzi to ciepło?

Tranzystor może się nagrzewać na dwa sposoby:

• w stanie przewodzenia : prąd przepływa przez jej niewielki opór. Ta strata rośnie wraz z kwadratem prądu: podwojenie prądu zwiększa ciepło czterokrotnie;
• podczas przełączania : w krótkim momencie, gdy przełącznik przechodzi ze stanu otwartego do zamkniętego, musi wytrzymać zarówno napięcie, jak i prąd. Im częściej następuje przełączanie, tym większe znaczenie ma ta strata.

Dlatego kontroler, który jest reklamowany jako obsługujący bardzo wysoki prąd, będzie działał w takich warunkach tylko przez kilka sekund, jeśli nie jest odpowiednio chłodzony.

Sterowniki silników i czas przestoju

Tranzystor MOSFET jest sterowany przez bramkę, którą należy bardzo szybko ładować i rozładowywać, aby zapewnić jej prawidłowe przełączanie. Mikrokontroler nie ma wystarczającej mocy, aby zrobić to bezpośrednio: specjalne obwody, zwane sterownikami bramki, zajmują się tym zadaniem. Sterowniki te zarządzają również przełącznikiem wysokiego napięcia, którego wartość napięcia "pływa" wraz z fazą.

Pomiędzy otwarciem jednego przełącznika a zamknięciem drugiego na tej samej fazie, pozostawiamy krótki odstęp czasu, w którym oba są otwarte: to jest czas martwy. Jeśli jest zbyt krótki, istnieje ryzyko zwarcia podczas przełączania; jeśli jest zbyt długi, zniekształca napięcie i powoduje straty. Jego ustawienie zależy od tranzystorów i ich sterowników.

Pomiar prądu

Dla sterowania wektorowego, podobnie jak w przypadku zabezpieczeń, kontroler musi dokładnie znać prąd płynący w poszczególnych fazach. Dominują dwie metody:

• rezystory pomiarowe (shunty): bardzo małe, precyzyjne rezystory, umieszczone na drodze prądu, których niskie napięcie jest mierzone;
• Czujniki prądu wykorzystujące efekt Halla, które mierzą pole magnetyczne wytwarzane przez prąd, nie znajdując się na jego drodze, są częściej stosowane w przypadku dużych prądów.

Pomiar powinien być wykonywany w odpowiednim momencie cyklu pracy, z dala od momentów przełączania, w których mógłby zostać zakłócony.

Kondensatory magistrali

Most pobiera z akumulatora prąd przerywany, o częstotliwości przełączania. Przewody akumulatora, zbyt długie i zbyt pojemnościowe, nie są w stanie dostarczyć tych impulsów. Kondensatory umieszczone jak najbliżej mosta pełnią rolę rezerwuaru: dostarczają prądu w momentach szczytowych i wygładzają prąd pobierany z akumulatora. Same również się nagrzewają, a ich wybór ma wpływ na żywotność kontrolera.

To również dla nich kontroler wysokiego napięcia wymaga układu wstępnego ładowania lub złącza zapobiegającego iskrzeniu: podczas podłączenia, puste kondensatory powodują nagły, duży prąd.

Sekcja sterowania

Mikrokontroler wykonuje polecenia sterowania silnikiem w każdym cyklu pracy: odczytuje prądy, oblicza położenie rotora, reguluje parametry i generuje sygnały sterujące dla mostka. W jego otoczeniu znajdują się:

• wejścia dla pedału przyspieszenia, hamulca oraz czujników silnika;
• połączenia komunikacyjne z wyświetlaczem, innym kontrolerem lub komputerem do konfiguracji;
• pomiar napięcia akumulatora oraz temperatur (tranzystorów i często silnika);
• Zasilanie niskonapięciowe pobierane z akumulatora, przeznaczone do zasilania elektroniki, a czasami również akcesoriów.

Ochronniki

Chłodzenie to prawdziwa granica możliwości kontrolera

Tranzystory są montowane na powierzchni, która odprowadza ciepło do obudowy, a następnie do powietrza lub ramy. Jakość tego systemu odprowadzania ciepła determinuje prąd, jaki kontroler może bezpiecznie utrzymać w dłuższym okresie. Dwa kontrolery wyposażone w te same tranzystory mogą mieć bardzo różne parametry, w zależności od ich konstrukcji termicznej i sposobu montażu w urządzeniu.