Introducción al control de campo orientado

El control de campo orientado (FOC), o control vectorial, es una técnica de control utilizada para obtener una buena capacidad de control en todo el rango de par motor y velocidad de diversos tipos de motores, tales como motores de inducción, motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) y motores de CC sin escobillas (BLDC). Para velocidades superiores a la velocidad nominal, se utiliza control de campo orientado con control de debilitamiento de campo.

El siguiente esquema de bloques muestra una arquitectura de control de campo orientado que incluye los siguientes componentes:

• Controlador de corriente compuesto por dos controladores proporcionales e integrales
• Controlador de lazo de velocidad exterior opcional y generador de referencia de corriente
• Transformadas de Clarke, Park y Park inversa para convertir entre marcos estacionarios y rotativos síncronos
• Algoritmo modulador de vector espacial para transformar los comandos vα y vβ en señales de modulación por ancho de pulsos aplicadas a los devanados del estátor
• Funciones de protección y auxiliares, tales como lógica de arranque y parada
• Observador opcional para estimar la posición angular del rotor si se utiliza control sin sensores

Los equipos de ingeniería de control de motores que diseñan un control de campo orientado realizan las siguientes tareas:

• Desarrollo de la arquitectura del controlador con dos controladores PI para el lazo de corriente
• Desarrollo de controladores PI para los lazos externos de velocidad y de posición opcionales
• Ajuste de ganancias de todos los controladores PI para cumplir con requisitos de rendimiento
• Diseño de un modulador de vector espacial para el control de PWM
• Diseño de un algoritmo observador para estimar la posición y velocidad del rotor si se utiliza control sin sensores
• Diseño de algoritmos de control de par motor máximo por amperio o de debilitamiento de campo para generar valores id_ref e iq_ref óptimos
• Implementación de transformadas de Park, Clarke e inversa de Park computacionalmente eficientes
• Diseño de lógica de detección y protección contra fallos
• Verificación y validación del rendimiento del controlador en distintas condiciones de funcionamiento
• Implementación de un controlador en punto fijo o flotante en un microcontrolador o FPGA

El diseño de control de campo orientado con Simulink permite utilizar simulación multitasa para diseñar, ajustar y verificar algoritmos de control, además de detectar y corregir errores en todo el rango de funcionamiento del motor antes de realizar pruebas en hardware. Puede reducir el número de pruebas de prototipos y verificar la solidez de los algoritmos de control ante condiciones de fallo que no son prácticas de probar en hardware.

Con simulaciones de Simulink, puede:

• Modelar diversos tipos de motores, tales como máquinas trifásicas síncronas y asíncronas. Puede crear y alternar entre modelos con distintos niveles de fidelidad, desde modelos sencillos de primeros principios y de suma global, hasta modelos no lineales de alta fidelidad basados en flujo, creados a partir de herramientas FEA como ANSYS^® Maxwell^®, JMAG^® y Femtet^®.
• Modelar controladores de corriente, controladores de velocidad y moduladores.
• Modelar electrónica de potencia de inversores.
• Ajustar las ganancias de sistemas de control empleando técnicas de diseño de control lineal, tales como diagramas de Bode y lugar de las raíces, y técnicas de ajuste de PID automático.
• Modelar los modos de arranque, parada y error, y diseñar lógica de reducción de potencia y protección para garantizar un funcionamiento seguro.
• Diseñar algoritmos observador para estimar la posición y velocidad del rotor.
• Optimizar las variables id_ref e iq_ref para garantizar pérdidas de potencia mínimas, funcionamiento por encima de la velocidad nominal del rotor, y correcto funcionamiento con incertidumbres paramétricas.
• Diseñar algoritmos de acondicionamiento y procesamiento de señales para canales de E/S.
• Ejecutar simulaciones de lazo cerrado del motor y controlador para probar el rendimiento del sistema bajo funcionamiento normal y anormal.
• Generar automáticamente código ANSI, ISO, o C y HDL optimizado para el procesador a fin de realizar prototipado rápido, pruebas de hardware-in-the-loop e implementación en producción.