Vnútri riadiacej jednotky motora sa nachádzajú: trojfázový most, tranzistory a obvody na meranie prúdu

Z vonkajšej strany vyzerá ovládač ako skrinka s hrubými káblami na jednej strane, tenkými na druhej strane a chladičom. Vo vnútri sa nachádzajú dva odlišné svety: jedna časť zodpovedná za výkon, ktorá spracováva stovky ampérov, a druhá časť, ktorá riadi, čo má výkon robiť. Tento návod otvára túto skrinku, pričom sa nevenuje žiadnemu konkrétnemu produktu.

Trojfázový most

Každá fázka motora je pripojená k dvom spínačom: jeden k plusovému pólu batérie (spínač „horný“), a druhý k mínusovému pólu (spínač „dolný“). Tri fázy, teda šesť spínačov: toto je trojfázový mostový obvod, alebo invertor.

Zavretím horného kontaktu fázy sa táto fáza pripojí k plusovému pólu; zavretím dolného kontaktu sa pripojí k mínusovému pólu. Rýchlym striedaním medzi týmito dvoma stavmi, s variabilnou časťou trvania, sa v priemere dosiahne akékoľvek napätie medzi nulou a napätím batérie. Táto technika sa nazýva modulácia šírky impulzu (MLI, alebo PWM v angličtine). Navinutia motora tieto impulzy vyhladzujú a prúd, ktorý v nich preteká, sa stáva takmer sínusovým.

Nikdy nesmie byť súčasne zatvorených oboch spínačov v jednej fáze, pretože by to spôsobilo priame skratovanie batérie.

Tranzistory výkonu

Na ovládačoch skútrov, bicyklov alebo ľahkých motocyklov sa zvyčajne používajú tranzistory MOSFET. Keď sú zatvorené, správajú sa ako veľmi nízky odpor; keď sú otvorené, blokujú napätie batérie. Pri vyšších napätiach používaných v elektrických vozidlách sa skôr používajú IGBT alebo tranzistory zo zirkónu.

Aby bolo možné prenášať väčší prúd, často sa na každé miesto umiestňujú viaceré tranzistory zapojené paralelne. Ich maximálne napätie by malo výrazne presahovať napätie plne nabitej batérie, aby bolo možné absorbovať výkyvy napätia pri každej prepínacej operácii a pri brzdení.

Od čoho pramení teplo?

Tranzistor sa môže prehrievať dvoma spôsobmi:

• vodiaci stav : prúd prechádza cez jej malý odpor. Táto strata sa zvyšuje s druhou mocninou prúdu: zdvojnásobenie prúdu štyrikrát zvyšuje množstvo tepla;
• pri prepínaní: počas veľmi krátkeho okamihu, kedy prejde zo stavu otvoreného do uzavretého, musí zvládnuť nielen napätie, ale aj prúd. Čím častejšie dochádza k prepínaniu, tým je táto strata významnejšia.

Práve preto, ak je regulátor označený ako schopný zvládnuť veľmi vysoký prúd, ale nie je správne chladený, dokáže to len na niekoľko sekúnd.

Ovládanie riadiacej jednotky a doba nečinnosti

MOSFET je ovládaný svojou bránou, ktorú je potrebné veľmi rýchlo nabíjať a vybíjať, aby mohla spoľahlivo prepínať. Mikrokontrolér nemá dostatočnú silu na to, aby to urobil priamo: špeciálne obvody, tzv. ovládače brány, sa o to starajú. Tie sa tiež starajú o horný spínač, ktorého referenčné napätie „pláva“ s fázou.

Medzi momentom zapnutia jedného spínača a momentom vypnutia druhého na tej istej fáze, ponechávame krátke oneskorenie, počas ktorého sú oba spínače otvorené: toto je mŕtvy čas. Ak je tento čas príliš krátky, hrozí skrat počas prechodu; ak je príliš dlhý, deformuje napätie a zvyšuje straty. Jeho nastavenie závisí od tranzistorov a ich ovládačov.

Meranie prúdu

Pre vektorové riadenie, ako aj pre ochranné funkcie, ovládač musí presne poznať prúd v jednotlivých fázach. Dve metódy sú dominantné:

• shuntové odpory : veľmi malé, presné rezistory, umiestnené v ceste prúdu, ktorých nízke napätie sa meria;
• Snímače prúdu s efektom Halla, ktoré merajú magnetické pole vytvárané prúdom, pričom sa nenachádzajú v jeho priamke, sú bežnejšie pri vysokých prúdových hodnotách.

Meranie by malo byť vykonané v správnom okamihu v priebehu cyklu, a to v momente, ktorý je vzdialený od okamžikov prepínania, kde by mohlo byť narušené.

Kondenzátory zbernice

Most čerpá z batérie pulzujúci prúd, a to na frekvencii pulzovania. Batériové káble, ktoré sú príliš dlhé a majú vysokú indukčnosť, nie sú schopné dodať tieto impulzy. Kondenzátory umiestnené v bezprostrednej blízkosti mosta slúžia ako rezervoár: zabezpečujú špičky prúdu a vyrovnávajú prúd, ktorý batéria vidí. Tiež sa zahrievajú a ich výber ovplyvňuje životnosť ovládača.

Je to aj pre nich, že vysokonapäťový ovládač potrebuje obvod na prednabíjanie alebo konektor s ochranou proti iskreniu: pri pripojení prázdne kondenzátory vyžadujú náhly vysoký prúd.

Časť ovládania

Mikroprocesor vykonáva riadenie motora v každom cykle: čítanie prúdov, výpočet polohy rotora, regulácia a generovanie príkazov pre mostové obvody. Okrem neho sa nachádzajú:

• vstupy pre akcelerátor, brzdu a senzory motora;
• pripojenie komunikačných rozhraní k displeju, k inému ovládaču alebo k počítaču na nastavenie;
• meranie napätia batérie a teplôt (tranzistorov a často aj motora);
• Nízkonapäťový zdroj napájania, ktorý čerpá energiu z batérie, slúži na napájanie elektroniky a niekedy aj príslušenstva.

Ochranné prvky

Chladenie predstavuje skutočný limit pre výkon regulátora

Tranzistory sú umiestnené na povrchu, ktorý odvádza ich teplo do krytu a následne do vzduchu alebo do rámu. Kvalita tohto tepelného vedenia určuje prúd, ktorý môže regulátor udržiavať v dlhšom časovom horizonte. Dva regulátory s rovnakými tranzistormi môžu mať veľmi odlišné parametre, v závislosti od ich tepelného dizajnu a spôsobu upevnenia v zariadení.