Comando vetorial (FOC) explicado: Clarke, Park, eixos d e q

Quase todos os controladores de alto desempenho modernos controlam seus motores em comando vetorial, mais conhecido pelo seu nome em inglês FOC ("Field Oriented Control", controle orientado ao campo). É sabido que essa tecnologia torna o motor mais silencioso e mais eficiente. Este guia explica como ela funciona, sem equações complicadas, mas sem omitir nada.

O essencial

  • O torque de um motor de ímãs permanentes depende do ângulo entre o campo do rotor e o campo criado pela corrente: ele é máximo quando esses campos estão em um ângulo de 90°.
  • A modulação por campo orientado (FOC) calcula continuamente a posição do rotor e ajusta a corrente precisamente a 90°.
  • Para alcançar esse resultado, ela converte as três correntes alternadas do motor em dois valores fixos, chamados corrente "d" e corrente "q".
  • A corrente "q" é a que gera o torque; a corrente "d" é mantida em zero, exceto quando se busca maior velocidade (desmagnetização).

O problema a ser resolvido

Um motor de ímãs permanentes possui ímãs em sua parte rotativa (o rotor) e bobinas em sua parte fixa (o estator). A corrente nas bobinas cria um campo magnético; os ímãs também possuem o seu. O torque é gerado pela atração entre os dois, exatamente como a atração entre dois ímãs que são aproximados.

Este torque é máximo quando o campo das bobinas está adiantado em um quarto de volta elétrica, ou seja, 90°, em relação ao campo dos ímãs. Quanto mais próximo, ele exerce menos força e aquece igualmente; a 0°, ele apenas aquece o motor. À medida que o rotor gira, o campo das bobinas deve girar com ele, mantendo esse ângulo, centenas de vezes por segundo.

A modulação por onda quadrada utiliza apenas seis posições por rotação elétrica: o ângulo varia em torno de 90°, mas nunca permanece nesse valor. Isso causa oscilações no torque e ruído. Já a FOC (Field-Oriented Control) busca manter o ângulo em 90° de forma contínua.

Etapa 1: Medir as correntes e determinar a posição

O controlador mede a corrente nas fases do motor, dezenas de milhares de vezes por segundo. Como a soma das três correntes é zero, teoricamente basta medir duas; muitos controladores medem as três para maior precisão.

Ele também precisa do ângulo do rotor: fornecido por sensores (Hall, codificador), ou estimado por um cálculo chamado "observador", a partir das tensões e correntes. Nosso guia sobre sensores de posição detalha essas soluções.

Boucle de la commande vectorielle : les courants mesurés passent par les transformations de Clarke et de Park, deux régulateurs comparent les courants d et q à leurs consignes, la transformation de Park inverse et la modulation commandent le pont de puissance qui alimente le moteur. Instruções d = 0, q = torque (torque em português) Controladores Estacionamento inverse Modulação Pont Motor Clarke Estacionamento Posição do rotor
O ciclo do FOC (Field-Oriented Control). Em vermelho, o retorno das correntes medidas; em traço pontilhado, o ângulo do rotor, utilizado nas transformações de Park em ambas as direções.

Etapa 2: Clarke, da conversão de três correntes para duas

As três fases do motor estão defasadas em 120°. A transformação de Clarke agrupa as três correntes em duas componentes perpendiculares, chamadas alfa e beta, sem perder nenhuma informação. Passamos de um sistema de três eixos para um plano comum de dois eixos. Essas duas correntes permanecem alternadas: elas giram junto com o motor.

Etapa 3: Posicione o veículo, observe a partir do rotor

A ideia central do FOC (Field-Oriented Control) é essa. A transformação de Park faz com que esse plano gire junto com o rotor, utilizando o ângulo do rotor. Visto do ponto de vista do rotor, a corrente não gira mais; ela se torna dois valores quase constantes.

  • A corrente (no sentido de "direta") está alinhada com o campo dos ímãs. Ela não produz torque em um motor de ímãs de superfície; ela reforça ou enfraquece o campo dos ímãs.
  • A corrente q (para "quadratura") está a 90° dos ímãs. É ela que produz o torque, proporcionalmente.

Controlar um motor alternativo trifásico torna-se tão simples quanto controlar um motor de corrente contínua: basta ajustar dois valores fixos, em vez de tentar acompanhar três ondas senoidais.

Etapa 4: os reguladores

O acelerador define um valor de torque, e consequentemente, de corrente q. O valor de referência da corrente d é geralmente zero. Dois controladores, um para cada eixo, comparam continuamente a corrente medida com o valor de referência e calculam a tensão a ser aplicada para corrigir a diferença. Geralmente, são controladores do tipo proporcional-integral (PI), cujos ajustes dependem da resistência e da indutância do motor. É para calcular esses ajustes que realizamos a detecção do motor.

Etapa 5: Estacionamento inverso e modulação

Os reguladores fornecem duas tensões no sistema de referência do rotor. A transformação de Park inverte essas tensões, trazendo-as para o sistema de referência fixo do estator, e então o controlador as converte em comandos de abertura e fechamento para os seis interruptores do inversor de potência. Esta última etapa é chamada de modulação; o método mais comum, conhecido como vetorial (SVPWM), extrai um pouco mais de tensão útil da bateria do que a simples modulação senoidal.

Todo esse ciclo se repete em cada período de corte, tipicamente dezenas de milhares de vezes por segundo. Nosso guia sobre o interior de um controlador mostra o hardware que executa essas instruções.

O que a tecnologia FOC oferece, na prática

  • Uma relação regular (normal): menos vibrações, partida suave e um motor mais silencioso.
  • Maior eficiência: Cada ampère é utilizado onde gera torque, o que reduz o aquecimento para a mesma quantidade de torque.
  • Controle direto do torque: o acelerador controla uma força, o que torna a condução precisa.
  • Desfluxagem: Ao manipular a corrente "d", é possível ultrapassar a velocidade máxima "natural" do motor. Consulte nosso guia sobre desfluxagem.

As limitações

  • A modulação por campo orientado (FOC) depende de uma posição precisa do rotor; um erro no ângulo resulta na perda de torque e no aquecimento do motor.
  • Ela se baseia em um modelo do motor: parâmetros incorretos (detecção falha, motor que superaqueceu) comprometem o desempenho.
  • Ela exige mais processamento, portanto, um microcontrolador mais rápido do que um controle por onda quadrada.

Perguntas frequentes

FOC e "controlador sinusoidal" são a mesma coisa?

Não exatamente. Um controlador "sinusoidal" envia tensões senoidais, o que já suaviza o funcionamento do motor. O FOC (Field-Oriented Control) vai além: ele mede as correntes e as regula no sistema de referência do rotor. Todos os controladores FOC produzem correntes senoidais, mas nem todos os controladores sinusoidais utilizam a tecnologia FOC.

Por que manter a corrente "A" em zero?

Em um motor de ímãs de superfície, a corrente "d" não produz torque: ela apenas aqueceria o motor. Mantemos essa corrente em zero, exceto para a desmagnetização em alta velocidade. Em um motor de ímãs internos, uma corrente "d" cuidadosamente ajustada, pelo contrário, adiciona torque.

A tecnologia FOC funciona sem sensor?

Sim, graças a um sistema que estima a posição a partir das tensões e correntes. Isso é muito eficaz durante a condução, mas pode ser mais complicado quando o veículo está completamente parado, onde técnicas especiais ou sensores são necessários.