Dentro de um controlador de motor: ponte trifásica, transistores, medição de corrente

Visto de fora, um controlador é uma caixa com fios grossos de um lado, fios finos do outro e um dissipador de calor. Por dentro, encontramos dois mundos: uma parte de potência, que lida com centenas de amperes, e uma parte de controle, que calcula o que a potência deve fazer. Este guia abre a caixa, sem mencionar nenhum produto específico.

A ponte trifásica

Cada fase do motor é conectada a dois interruptores: um ao polo positivo da bateria (o interruptor "alto"), e outro ao polo negativo (o interruptor "baixo"). Três fases, portanto, seis interruptores: isso é o ponte trifásico, ou inversor.

Ao fechar o interruptor na parte superior de uma fase, ela é conectada ao positivo; ao fechar a parte inferior, ao negativo. Ao alternar rapidamente entre as duas, com uma proporção de tempo variável, obtém-se, em média, qualquer tensão entre zero e a tensão da bateria. Essa técnica é chamada de modulação por largura de pulso (MLI, ou PWM em inglês). Os enrolamentos do motor suavizam esses pulsos, e a corrente que circula neles se torna quase senoidal.

Nunca é permitido fechar simultaneamente os dois interruptores da mesma fase: isso causaria um curto-circuito direto na bateria.

Os transistores de potência

Nos controladoras de scooters, bicicletas ou motocicletas leves, os interruptores são geralmente transistores MOSFET. Quando fechados, eles se comportam como uma resistência muito baixa; quando abertos, eles bloqueiam a tensão da bateria. Para as tensões mais elevadas encontradas em carros elétricos, são mais comuns os IGBTs ou os transistores de carboneto de silício.

Para permitir a passagem de mais corrente, é comum utilizar vários transistores em paralelo em cada posição. A tensão máxima desses transistores deve ser significativamente superior à tensão da bateria totalmente carregada, para suportar os picos de tensão que ocorrem durante a comutação e na frenagem.

De onde vem o calor?

Um transistor pode superaquecer de duas maneiras:

• em condução : a corrente passa por sua pequena resistência. Essa perda aumenta com o quadrado da corrente: dobrar a corrente multiplica o calor por quatro;
• na comutação: durante o breve instante em que passa de aberto para fechado, suporta tanto tensão quanto corrente. Quanto mais frequente a comutação, maior a importância dessa perda.

É por isso que um controlador anunciado para uma corrente muito alta só consegue suportá-la por alguns segundos se não estiver adequadamente refrigerado.

Os tempos de resposta da interface e o tempo de inatividade

Um MOSFET é controlado por seu gate, que precisa ser carregado e descarregado muito rapidamente para que ele mude de estado de forma eficiente. O microcontrolador não tem a capacidade de fazer isso diretamente: circuitos especializados, os drivers de gate, são responsáveis por isso. Eles também gerenciam o interruptor de alta tensão, cuja referência de tensão "flutua" com a fase.

Entre a abertura de um interruptor e o fechamento de outro na mesma fase, existe um curto intervalo de tempo em que ambos estão abertos: o tempo morto. Se for muito curto, pode ocorrer um curto-circuito durante a transição; se for muito longo, distorce a tensão e adiciona perdas. Seu ajuste depende dos transistores e de seus drivers.

A medição da corrente

Para o controle vetorial (FOC), assim como para as proteções, o controlador deve conhecer precisamente a corrente nas fases. Duas metodologias são predominantes:

• `shunts:` pequenas resistências de alta precisão, colocadas no caminho da corrente, cuja baixa tensão é medida;
• Os sensores de corrente de efeito Hall, que medem o campo magnético criado pela corrente sem estar no seu caminho, são mais comuns em sistemas com correntes elevadas.

A medição deve ser realizada no momento correto do ciclo de funcionamento, longe dos instantes de comutação, onde poderia ser perturbada.

Os capacitores do barramento

O inversor retificador (bridge) retira corrente da bateria de forma pulsada, na frequência de comutação. Os cabos da bateria, que são muito longos e possuem alta indutância, não conseguem fornecer esses pulsos. Capacitores posicionados o mais próximo possível do inversor atuam como um reservatório: eles fornecem a corrente necessária para os picos e suavizam a corrente vista pela bateria. Eles também aquecem, e sua escolha influencia diretamente a vida útil do controlador.

É também por eles que um controlador de alta tensão precisa de um circuito de pré-carga ou de um conector anti-faísca: ao ser conectado, capacitores descarregados podem provocar uma corrente muito alta de forma repentina.

A seção de controle

Um microcontrolador executa o comando do motor em cada ciclo de chaveamento: leitura das correntes, cálculo da posição do rotor, regulação e geração dos comandos para o inversor. Ao seu redor, encontramos:

• as entradas para o acelerador, o freio e os sensores do motor;
• as conexões de comunicação com o display, outro controlador ou um computador de configuração;
• as medições de tensão da bateria e das temperaturas (transistores e, frequentemente, do motor);
• Uma fonte de baixa tensão, alimentada pela bateria, é utilizada para a eletrônica e, por vezes, para acessórios.

As proteções

A refrigeração é uma verdadeira limitação para um controlador

Os transistores são montados em uma superfície que conduz o calor para a carcaça e, em seguida, para o ar ou o chassi. A qualidade desse caminho térmico determina a corrente que um controlador pode suportar a longo prazo. Dois controladores com os mesmos transistores podem ter desempenhos muito diferentes, dependendo de seu design térmico e de como são fixados na máquina.