Motorkontrollern – drivlinans hjärna

Vad gör en motorkontroller?

En motorkontroller (ofta kallad ESC, Electronic Speed Controller, eller bara "kontroller") är hjärnan i drivlinan. Dess uppgift är att ta emot likström (DC) från batteriet och omvandla den till trefasig växelström (AC) som driver PMSM-motorn. Samtidigt läser kontrollern signalen från gasreglaget och justerar effekten därefter – från stillastående till full fart.

Motorkontrollern är alltså den komponent som verkligen styr motorn: hur snabbt den ska rotera, hur mycket kraft den ska leverera och hur mjukt accelerationen ska ske. Kvaliteten på kontrollern avgör därför i hög grad hur fordonet känns att köra.

Från DC till trefas-AC

Batteriet levererar likström (DC) vid en viss spänning (t.ex. 72 V i GBIKE 1), men en PMSM (permanentmagnet-synkronmotor) kräver trefasig växelström (AC) för att rotera. Kontrollern innehåller elektronik som snabbt switchar strömmen till motorns tre faslindningar på ett synkroniserat sätt, så att motorns rotor dras runt av de roterande magnetfälten.

Trefassystemet innebär att motorn har tre separata lindningar (U, V, W) fördelade runt statorn. Genom att mata dessa med växelströmmar som är 120° fasförskjutna skapas ett roterande magnetfält som driver rotorns permanentmagneter. Kontrollern måste veta motorns position (genom sensorer eller sensorlös estimering) för att tajma fasströmmarna rätt.

H-bryggor och PWM – grunderna i effektstyrningen

Kontrollern använder kraftelektronik i form av H-bryggor (eller halvbryggor per fas) bestående av MOSFET-transistorer eller liknande komponenter. Varje fas har typiskt två switchar: en "high-side" som kopplar fasen till batteriets plus, och en "low-side" som kopplar fasen till minus. Genom att snabbt slå på och av dessa switchar med PWM (Pulse Width Modulation) kan kontrollern skapa en effektiv växelström i varje fas.

PWM innebär att switcharna slås på och av många tusen gånger per sekund (typiskt 8–20 kHz eller högre). Genom att variera duty cycle (andelen tid switchen är på) kan den genomsnittliga spänningen och strömmen i fasen styras. Högre duty cycle ger mer effekt, lägre duty cycle ger mindre effekt. Tack vare motorns induktans jämnas strömmen ut och blir relativt jämn trots den snabba switchningen.

Fyrkantsvåg vs sinusvåg – kvalitet och komfort

Det finns två huvudsakliga sätt att styra en BLDC/PMSM-motor med en kontroller: fyrkantsvåg (square wave, även kallad trapezoidal eller six-step commutation) och sinusvåg (sine wave, även kallad FOC – Field-Oriented Control). Skillnaden ligger i hur fasströmmarna formas över tid.

Fyrkantsvåg (square wave / trapezoidal)

Fyrkantsvågskontroller är enklare och billigare. De slår helt enkelt på full ström i två faser åt gången och switchar sextio elektriska grader i taget (därav "six-step"). Detta skapar ett stegvis roterande magnetfält. Fördelar: enkel elektronik, låg kostnad och hög peak-effekt. Nackdelar: ryckig körning vid låga hastigheter, högre ljud (motorviner/"cogging"), sämre verkningsgrad och högre värmebildning i motorn.

Fyrkantsvågsstyrning används ofta i billiga kit eller tillämpningar där mjukhet inte är kritisk. Acceleration känns ofta "hackig" och motorn kan låta mer, särskilt vid låga hastigheter.

Sinusvåg (sine wave / FOC)

Sinusvågskontroller (ofta implementerad med FOC, Field-Oriented Control eller vektorkontroll) formar fasströmmarna som sinuskurvor, synkroniserade med motorns rotorposition. Detta skapar ett jämnt roterande magnetfält utan steg. Fördelar: mjuk och tyst drift, bättre verkningsgrad, högre vridmoment vid låga varv,lägre värmebildning och bättre kontroll över motorns beteende. Nackdelar: högre kostnad och mer komplexa algoritmer (kräver snabbare mikroprocessor).

FOC-kontroller läser kontinuerligt motorns position (via Hall-sensorer eller sensorlöst via back-EMF) och beräknar optimala strömmar för varje ögonblick. Resultatet är en körupplevelse som känns som en kraftfull förbränningsmotor – mjuk, linjär och responsiv.

Fasström och batteriström – effektbalansen

Det är viktigt att förstå skillnaden mellan fasström (strömmen genom motorns lindningar) och batteriström (strömmen från batteriet till kontrollern). De är inte samma sak.

Fasströmmen är den växelström som flödar genom motorns tre faser. Vid full last kan fasströmmen vara mycket hög (t.ex. 300 A peak och uppåt i kraftiga motorer). Denna ström skapar det magnetfält som driver motorn, och storleken på fasströmmen bestämmer motorns vridmoment enligt M = Kt · I_fas.

Batteriströmmen är likströmmen som dras från batteriet. Tack vare energikonservering gäller (om vi bortser från förluster):

Vid låga hastigheter är back-EMF låg, så kontrollern kan leverera hög fasström med låg fasspänning – och då är batteriströmmen relativt låg. Vid höga hastigheter ökar back-EMF, fasspänningen närmar sig batteriets spänning, och batteriströmmen stiger för att leverera samma effekt. Batteriströmmen är alltså ofta lägre än peak-fasströmmen vid låga hastigheter, men kan bli hög vid höga hastigheter och full gas.

Styrstrategier: momentbaserad vs hastighetsbaserad gasreglering

Hur kontrollern tolkar gasreglaget avgör hur fordonet känns att köra. Det finns två huvudsakliga strategier: momentbaserad (torque-based) och hastighetsbaserad (speed-based) styrning.

Hastighetsbaserad gasreglering (cruise control-liknande)

Hastighetsbaserad styrning innebär att gasreglaget anger en målhastighet som kontrollern försöker upprätthålla. Om du vrider till 50 % gas försöker kontrollern hålla en viss hastighet (t.ex. 25 km/h), och om du vrider till 100 % försöker den hålla toppfarten. Kontrollern ökar eller minskar effekten automatiskt för att nå målhastigheten, oavsett last, lutning eller vind.

Denna strategi är vanlig i billiga kontrollers eftersom den är enklare att implementera. Men den ger en oförutsägbar och onaturlig körkänsla. Acceleration känns ofta "plastisk" – fordonet accelererar kraftigt tills det når målhastigheten, sedan tappar det plötsligt kraft. I uppförsbackar kan motorn plötsligt ge full effekt för att hålla hastigheten, medan den i nedförsbackar kanske inte ger någon effekt alls. Det känns inte som att köra en riktig motor.

Momentbaserad gasreglering (naturlig körning)

Momentbaserad styrning innebär att gasreglaget anger hur mycket vridmoment (kraft) motorn ska leverera. 50 % gas ger 50 % av maximalt tillgängligt vridmoment, 100 % gas ger 100 % vridmoment. Accelerationen blir då proportionell mot gasreglaget, precis som i en förbränningsmotor eller elcykel med torque-sensor.

Denna strategi ger en förutsägbar och intuitiv körkänsla. Föraren har direkt kontroll över kraften, och fordonet accelererar mjukt och linjärt. I uppförsbackar bromsar fordonet naturligt in (om du inte ger mer gas), i nedförsbackar accelererar det (tills back-EMF begränsar). Det känns som att köra en riktig motor – du styr kraften, inte hastigheten. Detta är standarden i högkvalitativa kontrollers och ger den bästa körupplevelsen.

Regenerativ bromsning – återladdning vid inbromsning

En avancerad sinusvågskontroller kan också hantera regenerativ bromsning (regen). Detta innebär att motorn kan fungera som generator vid inbromsning och skicka tillbaka energi till batteriet. För att detta ska fungera måste motorn vara direktdriven (inget frihjul), och kontrollern måste kunna reversa strömflödet.

Vid regen läser kontrollern bromsignalen (från bromssensorer i handtagen eller genom att föraren släpper gasen), kopplar om H-bryggorna och låter hjulets rotation driva motorn som generator. Den alstrade växelströmmen likriktas sedan tillbaka till likström och matas in i batteriet. Samtidigt skapar generatoreffekten ett magnetiskt motstånd som bromsar hjulet – en mjuk, kontrollerad inbromsning utan mekaniskt slitage.

Regen är särskilt användbart i kuperad terräng (långa nedförsbackar) eller i stadstrafik med många stopp. Det minskar slitage på bromsbelägg, ger längre räckvidd och ger en jämnare körupplevelse. Dock finns begränsningar: regen fungerar inte vid mycket låga hastigheter (under ~10–15 km/h), och om batteriet är fulladdat kan systemet inte ta emot mer energi (se mer i vår artikel om regenerativ bromsning).

GBIKE 1: En högkvalitativ sinusvågskontroller

GBIKE 1-kitet är utrustat med en sinusvågskontroller (FOC-kontroller) med momentbaserad gasreglering. Detta är ett medvetet val för att ge bästa möjliga körupplevelse – mjuk, tyst, effektiv och förutsägbar.

Sinusvåg för mjukhet och effektivitet

Tack vare sinusvågsstyrning (FOC) får du en mjuk och tyst drift utan den ryckiga känsla som billiga fyrkantsvågskontrollers ger. Acceleration är linjär och behaglig från stillastående till toppfart. Motorn arbetar dessutom mer effektivt, vilket ger längre räckvidd och lägre värmebildning – särskilt viktigt för en direktdriven navmotor där kylning är begränsad.

Momentbaserad gasreglering för naturlig körning

GBIKE 1:s kontroller använder momentbaserad styrning, vilket innebär att gasreglaget direkt styr motorns vridmoment. Detta ger en förutsägbar och intuitiv känsla – precis som en förbränningsmotor. Du vrider gasen, motorn levererar kraft proportionellt, och fordonet accelererar mjukt. Ingen konstiga "cruise control"-effekter, ingen oförutsägbar kraftleverans. Bara ren, direkt kontroll.

Dimensionering och gränser

Kontrollern är dimensionerad för 72 V nominellt (84 V fulladdat) och kan hantera kontinuerlig ström upp till ~45 A från batteriet, med möjlighet till kortvariga toppar på uppemot 80 A för acceleration. Detta ger en teoretisk toppeffekt på cirka 72 V × 80 A ≈ 5 760 W (5,8 kW) (elektrisk effekt) vid kortvariga accelerationer.

Fasströmmarna till motorn kan vara högre än batteriströmmen vid låga hastigheter (tack vare buck-omvandling i kontrollern), vilket ger starkt vridmoment från stillastående. Detta är en av fördelarna med FOC – intelligent styrning av fasströmmar för maximal effektivitet och prestanda.