Aquí se explica el control vectorial (FOC): Clarke, Park, ejes d y q
Casi todos los controladores de alto rendimiento controlan sus motores mediante control vectorial, más conocido por su nombre en inglés FOC ("Field Oriented Control", control orientado al flujo). Se sabe que esta tecnología hace que el motor sea más silencioso y más eficiente. Esta guía explica cómo funciona, sin ecuaciones complicadas, pero sin omitir nada importante.
Lo esencial
- El par motor de un motor de imanes depende del ángulo entre el campo del rotor y el campo creado por la corriente: es máximo cuando estos campos están a 90°.
- La modulación por campo orientado (FOC) calcula constantemente la posición del rotor y ajusta la corriente precisamente a 90°.
- Para lograrlo, transforma las tres corrientes alternas del motor en dos valores fijos, denominados corriente "d" y corriente "q".
- La corriente "q" es la que genera el par; la corriente "d" se mantiene en cero, excepto cuando se necesita aumentar la velocidad (desmagnetización).
El problema a resolver
Un motor de imanes permanentes tiene imanes en su parte giratoria (el rotor) y bobinados en su parte fija (el estator). La corriente que circula por los bobinados crea un campo magnético; los imanes también tienen el suyo. El par motor se genera por la atracción entre estos dos campos, exactamente como la atracción que se produce al acercar dos imanes.
Este par motor es máximo cuando el campo de las bobinas está adelantado en un cuarto de vuelta eléctrica, es decir, 90°, con respecto al campo de los imanes. Cuanto más cerca está, ejerce menos fuerza y genera la misma cantidad de calor; a 0°, solo calienta el motor. A medida que el rotor gira, el campo de las bobinas debe girar con él, manteniendo este ángulo cientos de veces por segundo.
La modulación por onda cuadrada se limita a seis posiciones por revolución eléctrica: el ángulo varía alrededor de 90°, pero nunca se mantiene en ese punto. Esto provoca fluctuaciones en el par motor y ruido. La FOC, por otro lado, busca mantener un ángulo de 90° de forma continua.
Paso 1: Medir las corrientes y determinar la posición
El controlador mide la corriente en las fases del motor, miles de veces por segundo. Dado que la suma de las tres corrientes es cero, teóricamente basta con medir dos; muchos controladores miden las tres para mayor precisión.
También necesita el ángulo del rotor, que se proporciona mediante sensores (Hall, codificador), o se estima mediante un cálculo llamado "observador", a partir de las tensiones y las corrientes. Nuestra guía sobre sensores de posición detalla estas soluciones.
Paso 2: Transformación de Clarke, de tres corrientes a dos
Las tres fases del motor están desfasadas 120°. La transformación de Clarke agrupa los tres corrientes en dos componentes perpendiculares, llamadas alfa y beta, sin perder información. Se pasa de un sistema de tres ejes a un plano ordinario de dos ejes. Estas dos corrientes siguen siendo alternas: giran junto con el motor.
Paso 3: Estacionar y observar desde el rotor
La idea central de la FOC (Control Orientado al Campo) es esta. La transformación de Park hace que este plano gire con el rotor, utilizando su ángulo. Visto desde el rotor, la corriente ya no gira: se convierte en dos valores prácticamente constantes.
- La corriente (en referencia a "directa") está alineada con el campo de los imanes. No produce par en un motor de imanes superficiales; en cambio, refuerza o debilita el campo de los imanes.
- La corriente q (para "cuadratura") está a 90° de los imanes. Es esta corriente la que produce el par, de forma proporcional.
Conducir un motor de corriente alterna trifásica se vuelve así tan sencillo como conducir un motor de corriente continua: se ajustan dos valores fijos en lugar de intentar controlar tres señales sinusoidales.
Etapa 4: los reguladores
El acelerador fija un valor de par, y por lo tanto, de corriente q. El valor de corriente d es cero en el caso actual. Dos reguladores, uno por eje, comparan constantemente la corriente medida con su valor de referencia y calculan el voltaje a aplicar para corregir la diferencia. Generalmente, se trata de reguladores llamados proporcionales-integrales (PI), cuyos ajustes dependen de la resistencia y la inductancia del motor. Para calcular estos ajustes, se realiza la detección del motor.
Paso 5: Marcha atrás y modulación
Los reguladores proporcionan dos tensiones en el sistema de referencia del rotor. La transformación de Park invierte estas tensiones y las devuelve al sistema de referencia fijo del estator, y luego el controlador las traduce en órdenes de apertura y cierre para los seis interruptores del puente de potencia. Esta última etapa se conoce como modulación; el método más común, llamado vectorial (SVPWM), extrae un poco más de tensión útil de la batería que la simple modulación sinusoidal.
Todo este ciclo se repite en cada período de conmutación, típicamente decenas de miles de veces por segundo. Nuestra guía sobre el interior de un controlador muestra el hardware que ejecuta estas órdenes.
Lo que la tecnología FOC ofrece, en términos concretos
- Un par regular: menos vibraciones, un arranque suave y un motor más silencioso.
- Mayor eficiencia: cada amperio se utiliza donde produce par motor, lo que reduce el calentamiento a igual nivel de par.
- Un control directo del par: el acelerador controla una fuerza, lo que permite una conducción precisa.
- Desmagnetización (o reducción del flujo magnético): Al manipular la corriente, es posible superar la velocidad máxima "natural" del motor. Consulte nuestra guía sobre la desmagnetización (o reducción del flujo magnético).
Las limitaciones
- La modulación por campo orientado (FOC) depende de una posición precisa del rotor; un error en el ángulo provoca la pérdida de par y el calentamiento del motor.
- Se basa en un modelo del motor: parámetros incorrectos (detección fallida, motor que se ha calentado demasiado) degradan el rendimiento.
- Requiere más cálculos, por lo que necesita un microcontrolador más rápido que un sistema de control de onda cuadrada.
Preguntas frecuentes
¿FOC y "controlador sinusoidal" son lo mismo?
No, no es exactamente lo mismo. Un controlador "sinusoidal" envía tensiones sinusoidales, lo que ya suaviza el funcionamiento del motor. La tecnología FOC va más allá: mide las corrientes y las regula en función de la posición del rotor. Todos los controladores FOC producen corrientes sinusoidales, pero no todos los controladores sinusoidales utilizan la tecnología FOC.
¿Por qué mantener la corriente A en cero?
En un motor de imanes de superficie, la corriente "d" no produce par sí misma par. Simplemente calentaría el motor. Se mantiene en cero, excepto para la desmagnetización a alta velocidad. En cambio, en un motor de imanes internos, una corriente "d" cuidadosamente seleccionada, por el contrario, aumenta el par.
¿Funciona el control vectorial (FOC) sin sensores?
Sí, gracias a un sistema que estima la posición a partir de las tensiones y corrientes. Es muy eficaz durante la conducción, pero más complicado cuando el vehículo está completamente detenido, donde se requieren técnicas especiales o sensores.