Control del motor y mapas de eficiencia
El controlador del motor de un vehículo eléctrico convierte la petición de par del conductor en corrientes de fase sincronizadas con precisión, respetando los límites de la batería, el inversor, el motor, los neumáticos y el sistema de refrigeración. Por tanto, la respuesta característica del acelerador de un eléctrico es el resultado de un control en tiempo real, no una propiedad inherente del motor.
La cadena de control
El pedal del acelerador no ordena directamente una tensión al motor. El software del vehículo interpreta su posición junto con el modo de conducción, el deslizamiento de las ruedas, el control de estabilidad, el estado de la batería, los límites térmicos y los fallos de componentes. Después solicita un par positivo o negativo en el eje.
Un controlador de tracción típico utiliza bucles anidados. Un bucle más lento de velocidad o par determina la corriente necesaria, mientras que otros bucles de corriente más rápidos regulan el estado electromagnético muchos miles de veces por segundo. El controlador mide la corriente de fase y la tensión del enlace de CC, estima o mide la posición del rotor, calcula las tensiones de fase objetivo y pide al traction inverter que las reproduzca mediante modulación por ancho de pulsos.
El resultado debe permanecer estable mientras cambian la velocidad, el par, la tensión de la batería, la temperatura y la saturación magnética. La calidad del control afecta a la eficiencia, el comportamiento acústico, el frenado regenerativo, la tracción y la carga de los componentes.
Control orientado al campo
Las corrientes trifásicas del estator están separadas 120 grados eléctricos, lo que dificulta su control directo. El control orientado al campo, también llamado control vectorial, transforma matemáticamente esas corrientes medidas a un sistema de coordenadas que gira con el campo magnético del motor.
La corriente transformada tiene dos componentes principales:
- la corriente del eje d modifica principalmente el flujo magnético;
- la corriente del eje q produce principalmente par en una máquina sencilla de imanes superficiales.
La distinción no es absoluta para todas las topologías. En un motor de imanes permanentes interiores, la interacción de las corrientes de los ejes d y q también produce par de reluctancia. Los motores de inducción necesitan una estimación del flujo del rotor y del deslizamiento. Las máquinas con excitación eléctrica añaden la corriente de campo del rotor como otra variable de control.
Cuando el controlador calcula las tensiones deseadas de los ejes d y q, las transformaciones inversas las convierten de nuevo en órdenes de fase estacionarias. El vector espacial u otro método PWM selecciona entonces estados de conmutación del inversor cuya tensión media sigue el vector solicitado.
Posición y velocidad del rotor
El control vectorial preciso necesita el ángulo eléctrico del campo del rotor. Un resolver, un codificador magnético, un sensor inductivo u otro sensor de posición puede proporcionar directamente ese ángulo. El controlador combina muestras de posición a lo largo del tiempo para obtener la velocidad.
El control sin sensor estima el ángulo y la velocidad a partir de la corriente medida, la tensión ordenada, la fuerza contraelectromotriz, la variación de inductancia o un modelo observador. Puede reducir componentes y cableado, pero la estimación es difícil cerca de velocidad cero porque la información de la fuerza contraelectromotriz se debilita. Algunos accionamientos combinan datos de sensores y estimación basada en modelos para comprobar la plausibilidad o mantener un funcionamiento degradado.
Un error angular gira el marco d-q supuesto por el controlador respecto al rotor real. Puede reducir el par disponible, elevar la corriente y el calor, crear ondulación o amenazar la estabilidad. Por ello, la detección de posición es un componente de rendimiento y seguridad funcional, no un simple velocímetro.
MTPA, velocidad base y debilitamiento de campo
A velocidades bajas y medias, el controlador suele buscar el par necesario con la menor corriente útil del estator. El máximo par por amperio, o MTPA, selecciona una combinación de corrientes d-q que minimiza la corriente para un par determinado. En un motor de imanes superficiales puede estar cerca de una corriente cero en el eje d, mientras que un motor saliente de imanes interiores puede aprovechar una corriente negativa en el eje d para obtener par de reluctancia.
Al aumentar la velocidad del motor, la fuerza contraelectromotriz y la tensión inductiva consumen más tensión de la disponible en el inversor. La velocidad base es el punto aproximado en que la tensión, y no la corriente, se convierte en el límite activo. Por encima, el controlador utiliza debilitamiento de campo.
En un motor de imanes permanentes, la corriente negativa del eje d crea un campo del estator que se opone a parte del flujo magnético enlazado con el estator. No reduce los propios imanes permanentes. El menor enlace de flujo neto limita la fuerza contraelectromotriz y permite mayor velocidad, pero la capacidad de corriente se reparte entonces entre debilitar el flujo y producir par. El par disminuye y aparecen pérdidas adicionales en el cobre.
A velocidades aún mayores, el máximo par por voltio, o MTPV, puede elegir el ángulo de corriente que mejor aprovecha la tensión restante. Los límites de corriente, tensión, velocidad del rotor, desmagnetización y temperatura crean conjuntamente las conocidas regiones de par constante y potencia aproximadamente constante.
Mapas de eficiencia y control óptimo
La orden que minimiza la corriente eléctrica no siempre minimiza la pérdida total de la unidad de propulsión. Las pérdidas en cobre, hierro e imanes, las pérdidas de conmutación y conducción del inversor, la pérdida de excitación del rotor, la pérdida de engranajes y la potencia de la bomba de refrigeración responden de forma distinta a la velocidad y el par.
Por ello, los controladores de producción emplean mapas calibrados y modelos físicos. En cada punto de funcionamiento pueden elegir:
- objetivos de corriente para los ejes d y q;
- excitación del rotor en un motor con excitación eléctrica;
- estrategia PWM y frecuencia de conmutación;
- reparto de par entre los ejes delantero y trasero en un vehículo multimotor;
- si un eje debe desenergizarse o desconectarse;
- par admisible según las temperaturas actuales y previstas.
La optimización de la eficiencia debe convivir con la respuesta, el ruido, la ondulación de tensión, los límites de la batería y los márgenes de reserva. Un controlador que persiga con excesiva agresividad un óptimo de laboratorio puede generar una conducción deficiente o una tolerancia insuficiente a los fallos.
Regeneración y precisión del par
El frenado regenerativo invierte el flujo de potencia, pero emplea la misma base de control de corriente. El vehículo solicita par negativo en las ruedas, el motor genera energía eléctrica y el inversor devuelve corriente continua controlada al bus de alta tensión.
La regeneración disponible puede estar limitada por el estado de carga de la batería, la temperatura de las celdas, los límites de potencia de carga, la adherencia de los neumáticos, la velocidad del motor o la temperatura del inversor. La combinación de frenado cubre la diferencia con los frenos de fricción, manteniendo la deceleración solicitada y la estabilidad del vehículo.
La precisión del par también importa durante la tracción positiva. Los sistemas de estabilidad y tracción dependen de que la unidad de propulsión produzca el par ordenado con rapidez y de forma predecible. El controlador puede estimar el par real mediante la corriente, la posición del rotor, parámetros calibrados del motor y la temperatura, porque un vehículo de producción rara vez lleva un sensor de par en cada eje del motor.
Gestión de fallos
El controlador comprueba continuamente las corrientes de fase, la tensión del enlace de CC, la posición del rotor, la temperatura de los semiconductores y del motor, el estado del aislamiento y las comunicaciones. Las comprobaciones de plausibilidad comparan información redundante. Si las mediciones no concuerdan o se supera un límite, el sistema puede reducir el par, desactivar un motor, detener la conmutación o abrir los contactores de alta tensión.
Desactivar las puertas de los semiconductores no vuelve eléctricamente inerte a cualquier motor. Un motor de imanes permanentes que gira puede seguir generando tensión. El diseño del estado seguro considera por ello la fuerza contraelectromotriz en circuito abierto, el par de cortocircuito, el exceso de velocidad, los modos de fallo del inversor y si otro eje puede mantener una propulsión controlada.
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