Controlo do motor e mapas de eficiência

Um controlador do motor elétrico converte o pedido de binário do condutor em correntes de fase temporizadas com precisão, respeitando os limites da bateria, inversor, motor, pneus e sistema de arrefecimento. Assim, a resposta familiar do acelerador de um veículo elétrico resulta de controlo em tempo real e não de uma característica inerente ao motor.

A cadeia de controlo

O pedal do acelerador não comanda diretamente uma tensão do motor. O software do veículo interpreta a posição do pedal juntamente com o modo de condução, escorregamento das rodas, controlo de estabilidade, estado da bateria, limites térmicos e falhas de componentes. Em seguida, solicita binário positivo ou negativo no eixo.

Um controlador de tração típico utiliza malhas aninhadas. Uma malha mais lenta de velocidade ou binário determina a corrente necessária, enquanto malhas de corrente mais rápidas regulam o estado eletromagnético muitos milhares de vezes por segundo. O controlador mede a corrente de fase e a tensão do barramento CC, estima ou mede a posição do rotor, calcula as tensões de fase pretendidas e pede ao traction inverter que as reproduza através de modulação por largura de impulsos.

O resultado deve permanecer estável enquanto variam velocidade, binário, tensão da bateria, temperatura e saturação magnética. A qualidade do controlo afeta eficiência, comportamento acústico, travagem regenerativa, tração e esforço dos componentes.

Controlo orientado pelo campo

As correntes trifásicas do estator estão separadas por 120 graus elétricos, o que dificulta o controlo direto. O controlo orientado pelo campo, também chamado controlo vetorial, transforma matematicamente as correntes medidas num sistema de coordenadas que roda com o campo magnético do motor.

A corrente transformada tem duas componentes principais:

a corrente do eixo d altera sobretudo o fluxo magnético;
a corrente do eixo q produz sobretudo binário numa máquina simples com ímanes de superfície.

A distinção não é absoluta em todas as topologias. Num motor de ímanes permanentes interiores, a interação entre as correntes dos eixos d e q também produz binário de relutância. Os motores de indução necessitam de uma estimativa do fluxo do rotor e do deslizamento. As máquinas de excitação elétrica acrescentam a corrente de campo do rotor como outra variável de controlo.

Depois de calcular as tensões desejadas dos eixos d e q, transformações inversas convertem-nas novamente em comandos de fase estacionários. Um método de vetor espacial ou outro método PWM seleciona então os estados de comutação do inversor cuja tensão média segue o vetor solicitado.

Posição e velocidade do rotor

Um controlo vetorial preciso necessita do ângulo elétrico do campo do rotor. Um resolver, codificador magnético, sensor indutivo ou outro sensor de posição pode fornecer diretamente este ângulo. O controlador combina amostras de posição ao longo do tempo para obter a velocidade.

O controlo sem sensor estima o ângulo e a velocidade a partir da corrente medida, tensão comandada, força contraeletromotriz, variação da indutância ou de um modelo observador. Pode reduzir equipamento e cablagem, mas a estimativa é difícil perto da velocidade zero, pois a informação da força contraeletromotriz enfraquece. Alguns sistemas combinam dados de sensores e estimativa baseada em modelos para verificar plausibilidade ou manter funcionamento degradado.

Um erro angular roda o referencial d-q assumido pelo controlador relativamente ao rotor real. Pode reduzir o binário disponível, aumentar corrente e calor, criar ondulação ou ameaçar a estabilidade. Por isso, a deteção de posição é um componente de desempenho e segurança funcional, não apenas um velocímetro.

MTPA, velocidade base e enfraquecimento de campo

A baixa e média velocidade, o controlador procura normalmente o binário necessário com a menor corrente útil do estator. O binário máximo por ampere, ou MTPA, escolhe uma combinação de correntes d-q que minimiza a corrente para determinado binário. Num motor de ímanes de superfície, a corrente do eixo d pode ficar perto de zero; um motor saliente com ímanes interiores pode beneficiar de corrente negativa no eixo d para extrair binário de relutância.

À medida que a velocidade aumenta, a força contraeletromotriz e a tensão indutiva consomem mais da tensão disponível no inversor. A velocidade base é aproximadamente o ponto em que a tensão, e não a corrente, se torna o limite ativo. Acima dela, o controlador utiliza enfraquecimento de campo.

Num motor de ímanes permanentes, a corrente negativa do eixo d cria um campo do estator que se opõe a parte do fluxo magnético ligado ao estator. Não reduz os próprios ímanes permanentes. A menor ligação de fluxo líquida limita a força contraeletromotriz e permite maior velocidade, mas a capacidade de corrente passa a ser partilhada entre enfraquecimento de fluxo e produção de binário. O binário cai e surgem perdas adicionais no cobre.

A velocidades ainda maiores, o binário máximo por volt, ou MTPV, pode escolher o ângulo de corrente que melhor aproveita a tensão restante. Os limites de corrente, tensão, velocidade do rotor, desmagnetização e temperatura criam em conjunto as conhecidas regiões de binário constante e potência aproximadamente constante.

Mapas de eficiência e controlo ideal

O comando que minimiza a corrente elétrica nem sempre minimiza as perdas totais da unidade motriz. Perdas no cobre, ferro e ímanes, perdas de comutação e condução do inversor, perdas de excitação do rotor, perdas nas engrenagens e potência da bomba de arrefecimento respondem de forma diferente à velocidade e ao binário.

Por isso, os controladores de produção utilizam mapas calibrados e modelos físicos. Em cada ponto de funcionamento podem escolher:

objetivos de corrente dos eixos d e q;
excitação do rotor num motor de excitação elétrica;
estratégia PWM e frequência de comutação;
distribuição de binário entre dianteira e traseira num veículo multimotor;
se um eixo deve ser desenergizado ou desligado;
binário admissível com base nas temperaturas atuais e previstas.

A otimização da eficiência deve coexistir com resposta, ruído, ondulação de tensão, limites da bateria e margens de reserva. Um controlador que persiga demasiado agressivamente um ótimo de laboratório pode prejudicar a condução ou oferecer tolerância insuficiente a falhas.

Regeneração e precisão do binário

A travagem regenerativa inverte o fluxo de potência, mas usa a mesma base de controlo da corrente. O veículo solicita binário negativo nas rodas, o motor gera energia elétrica e o inversor devolve corrente contínua controlada ao barramento de alta tensão.

A regeneração disponível pode ser limitada pelo estado de carga da bateria, temperatura das células, limites de potência de carregamento, aderência dos pneus, velocidade do motor ou temperatura do inversor. A combinação de travagem preenche a diferença com travões de fricção, mantendo a desaceleração solicitada e a estabilidade do veículo.

A precisão do binário também importa durante a tração positiva. Os sistemas de estabilidade e tração dependem de a unidade motriz produzir rapidamente e de forma previsível o binário comandado. O controlador pode estimar o binário real através da corrente, posição do rotor, parâmetros calibrados do motor e temperatura, pois um veículo de produção raramente possui um sensor de binário em cada veio do motor.

Gestão de falhas

O controlador verifica continuamente correntes de fase, tensão do barramento CC, posição do rotor, temperatura dos semicondutores e do motor, estado do isolamento e comunicações. As verificações de plausibilidade comparam informação redundante. Se as medições divergirem ou um limite for ultrapassado, o sistema pode reduzir o binário, desativar um motor, parar a comutação ou abrir os contactores de alta tensão.

Desligar as portas dos semicondutores não torna todos os motores eletricamente inertes. Um motor de ímanes permanentes em rotação pode continuar a gerar tensão. O projeto do estado seguro considera, portanto, a força contraeletromotriz em circuito aberto, o binário de curto-circuito, o excesso de velocidade, os modos de falha do inversor e se outro eixo consegue manter propulsão controlada.

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