În interiorul unui controler de motor, se găsesc: un circuit punte trifazat, tranzistori și un sistem de măsurare a curentului

Privit din exterior, un controler este o cutie cu fire groase pe o parte, fire mai subțiri pe cealaltă parte și un radiator. În interior, se găsesc două componente principale: o parte dedicată puterii, care manipulează sute de amperi, și o parte de control, care calculează ce trebuie să facă puterea. Acest ghid deschide cutia, fără a face referire la vreun produs specific.

Puntea trifazată

Fiecare fază a motorului este conectată la două întrerupătoare: unul la polul pozitiv al bateriei (întrerupătorul "plus"), iar celălalt la polul negativ (întrerupătorul "minus"). Trei faze, deci șase întrerupătoare: aceasta este podul trifazat, sau invertorul.

Prin închiderea contactului superior al unei faze, aceasta este conectată la borna pozitivă; prin închiderea contactului inferior, este conectată la borna negativă. Prin alternarea foarte rapidă între cele două, cu o proporție de timp variabilă, se obține, în medie, orice tensiune între zero și tensiunea bateriei. Această tehnică se numește modulație prin lățime de impuls (MLI, sau PWM în engleză). Bobinajele motorului atenuează aceste impulsuri, iar curentul care circulă devine aproape sinusoidal.

Nu trebuie niciodată să închideți simultan cele două întrerupătoare dintr-o aceeași fază, deoarece acest lucru ar provoca un scurtcircuit direct al bateriei.

Tranzistorii de putere

La majoritatea controlerelor pentru trotinete, biciclete sau motociclete ușoare, întrerupătoarele sunt, în general, tranzistori MOSFET. În starea închisă, acestea se comportă ca o rezistență foarte mică; în starea deschisă, acestea blochează tensiunea bateriei. Pentru tensiunile mai mari utilizate în vehiculele electrice, se întâlnesc mai des tranzistori IGBT sau tranzistori cu carbură de siliciu.

Pentru a permite trecerea unui curent mai mare, se utilizează adesea mai multe tranzistoare conectate în paralel pe fiecare poziție. Tensiunea maximă a acestora trebuie să depășească semnificativ tensiunea bateriei încărcate, pentru a face față fluctuațiilor de tensiune care apar la fiecare comutare și la frânare.

De unde provine căldura?

Un tranzistor se încălzește în două moduri:

• în conducție: curentul traversează o rezistență mică. Această pierdere crește odată cu pătratul curentului: dublarea curentului multiplică căldura de patru ori;
• în timpul comutării: în scurtul interval de timp în care trece de la starea deschisă la cea închisă, suportă atât tensiune, cât și curent. Cu cât comutarea are loc mai des, cu atât această pierdere este mai semnificativă.

De aceea, un controler care este anunțat ca având un curent maxim foarte mare, va funcționa la această valoare doar pentru câteva secunde dacă nu este răcit corespunzător.

Driverele de control și timpul de latență

Un MOSFET este controlat de grila sa, care trebuie încărcată și descărcată foarte rapid pentru a asigura o comutare eficientă. Microcontrolerul nu are suficientă putere pentru a face acest lucru direct: circuite specializate, numite drivere de grilă, se ocupă de această sarcină. Acestea gestionează, de asemenea, comutatorul superior, a cărui tensiune de referință "variază" odată cu faza.

Între momentul în care un întrerupător se deschide și momentul în care altul se închide pe aceeași fază, există un scurt interval de timp în care ambele sunt deschise: timpul mort. Dacă este prea scurt, există riscul unui scurtcircuit în timpul tranziției; dacă este prea lung, acesta distorsionează tensiunea și adaugă pierderi. Reglarea sa depinde de tranzistori și de driverele acestora.

Măsurarea curentului

Pentru controlul vectorial (FOC), la fel ca și pentru protecții, controlerul trebuie să cunoască cu exactitate curentul din faze. Două metode sunt predominante:

• shunt-urile: rezistențe de precizie foarte mici, plasate pe traseul curentului, a căror tensiune scăzută este măsurată;
• Senzorii de curent cu efect Hall, care măsoară câmpul magnetic creat de curent, fără a se afla pe traseul acestuia, sunt mai frecvent utilizați în cazul curentilor mari.

Măsurătoarea trebuie efectuată la momentul potrivit din ciclul de comutare, departe de intervalele în care aceasta ar putea fi perturbată.

Condensatorii din magistrala

Puntea electronică preia curent de la baterie într-un mod pulsatil, la frecvența de comutare. Cablurile bateriei, fiind prea lungi și având o inductanță prea mare, nu pot furniza aceste impulsuri. Condensatorii, plasați cât mai aproape de punte, acționează ca un rezervor: ei furnizează vârfurile de curent și uniformizează curentul perceput de baterie. Aceștia se încălzesc și, prin urmare, alegerea lor influențează durata de viață a controlerului.

Acest lucru este valabil și pentru ei, motiv pentru care un controler de înaltă tensiune are nevoie de un circuit de preîncărcare sau de un conector anti-scântei: la conectare, condensatorii descărcați atrag un curent foarte puternic instantaneu.

Secțiunea de control

Un microcontroler execută comanda motorului la fiecare ciclu de comutare: citește curenții, calculează poziția rotorului, reglează parametrii și generează comenzile pentru circuitul de putere. În jurul său, se găsesc:

• intrările pentru accelerare, frână și senzorii motorului;
• conexiunile de comunicare cu afișajul, cu un alt controler sau cu un computer de reglare;
• Măsurătorile de tensiune ale bateriei și ale temperaturilor (ale tranzistorilor și, adesea, ale motorului);
• O alimentare cu tensiune joasă, preluată de la baterie, este utilizată pentru electronica și, uneori, pentru accesorii.

Protecțiile

Răcirea reprezintă o limitare reală pentru un controler

Tranzistorii sunt montați pe o suprafață care conduce căldura către carcasă, apoi către aer sau către șasiu. Calitatea acestui traseu termic determină curentul pe care un controler îl poate suporta pe termen lung. Două controlere cu aceiași tranzistori pot avea performanțe foarte diferite, în funcție de designul lor termic și de modul în care sunt fixate în vehicul.