Controle Orientado a Campo
Os motores de indução CA oferecem características operacionais invejáveis, como robustez, confiabilidade e facilidade de controle. Eles são amplamente utilizados em várias aplicações, desde sistemas de controle de movimento industrial até eletrodomésticos. No entanto, o uso de motores de indução com a máxima eficiência é uma tarefa desafiadora devido ao seu modelo matemático complexo e à característica não linear durante a saturação. Esses fatores tornam o controle do motor de indução difícil e exigem o uso de algoritmos de controle de alto desempenho, como o controle vetorial.
Introdução ao Controle Orientado ao Campo
O controle escalar, como a estratégia "V/Hz", tem suas limitações em termos de desempenho. O método de controle escalar para motores de indução gera oscilações no torque produzido. Portanto, para alcançar um melhor desempenho dinâmico, é necessário um esquema de controle superior para o motor de indução. Com as capacidades de processamento matemático oferecidas pelos microcontroladores, processadores de sinal digital e FPGA, podem ser implementadas estratégias de controle avançadas para decoplar a geração de torque e as funções de magnetização em um motor de indução CA. Este torque decoplado e fluxo de magnetização é comumente chamado de Controle Orientado ao Fluxo (FOC).
Controle Orientado ao Campo descreve a maneira pela qual o controle de torque e velocidade são baseados diretamente no estado eletromagnético do motor, semelhante a um motor DC. O FOC é a primeira tecnologia a controlar as variáveis reais de controle do motor, torque e fluxo. Com a decoplação entre os componentes da corrente do estator (fluxo de magnetização e torque), o componente de torque do fluxo do estator pode ser controlado independentemente. Em baixas velocidades, o estado de magnetização do motor pode ser mantido no nível apropriado, e o torque pode ser controlado para regular a velocidade.
"O FOC foi desenvolvido exclusivamente para aplicações de motor de alto desempenho que podem operar suavemente em uma ampla faixa de velocidades, podem produzir torque total em velocidade zero e são capazes de aceleração e desaceleração rápidas."
Princípio de Funcionamento do Controle Orientado ao Campo
O controle orientado ao campo consiste em controlar as correntes do estator representadas por um vetor. Este controle é baseado em projeções que transformam um sistema trifásico dependente do tempo e da velocidade em um sistema invariante no tempo com duas coordenadas (quadro d e q). Essas transformações e projeções levam a uma estrutura semelhante ao controle de uma máquina DC. As máquinas FOC precisam de duas constantes como referências de entrada: o componente de torque (alinhado com a coordenada q) e o componente de fluxo (alinhado com a coordenada d).
As tensões, correntes e fluxos trifásicos dos motores CA podem ser analisados em termos de vetores espaciais complexos. Se tomarmos ia, ib, ic como as correntes instantâneas nas fases do estator, então o vetor de corrente do estator é definido da seguinte forma:
Onde, (a, b, c) são os eixos do sistema trifásico.
Este vetor de corrente espacial representa o sistema trifásico sinusoidal. Ele precisa ser transformado em um sistema de coordenadas invariante no tempo. Esta transformação pode ser dividida em dois passos:
(a, b, c) → (α, β) (a transformação de Clarke), que fornece saídas de um sistema de duas coordenadas variante no tempo.
(α, β) → (d, q) (a transformação de Park), que fornece saídas de um sistema de duas coordenadas invariante no tempo.
A Projeção (a, b, c) → (α, β) (Transformação de Clarke)
As grandezas trifásicas, sejam tensões ou correntes, variando no tempo ao longo dos eixos a, b e c, podem ser matematicamente transformadas em tensões ou correntes bifásicas, variando no tempo ao longo dos eixos α e β, pela seguinte matriz de transformação:
Assumindo que o eixo a e o eixo α estão na mesma direção e β é ortogonal a eles, temos o seguinte diagrama vetorial:
A projeção acima modifica o sistema trifásico no sistema (α, β) bidimensional ortogonal, conforme indicado abaixo:
Mas essas duas fases (α, β) ainda dependem do tempo e da velocidade.
A Projeção (α, β) → (d, q) (Transformação de Park)
Esta é a transformação mais importante no FOC. Na verdade, esta projeção modifica o sistema ortogonal fixo de duas fases (α, β) em um sistema de referência rotativo d, q. A matriz de transformação é dada abaixo:
Onde, θ é o ângulo entre o sistema de coordenadas rotativo e fixo.
Se considerarmos o eixo d alinhado com o fluxo do rotor, a Figura 2 mostra a relação entre os dois sistemas de referência para o vetor de corrente:
Onde, θ é a posição do fluxo do rotor. Os componentes de torque e fluxo do vetor de corrente são determinados pelas seguintes equações:
Esses componentes dependem dos componentes do vetor de corrente (α, β) e da posição do fluxo do rotor. Se você conhecer a posição exata do fluxo do rotor, então, pela equação acima, os componentes d, q podem ser facilmente calculados. Nesse instante, o torque pode ser controlado diretamente, pois o componente de fluxo (isd) e o componente de torque (isq) agora são independentes.
Módulo Básico para Controle Orientado ao Campo
As correntes de fase do estator são medidas. Essas correntes medidas são alimentadas no bloco de transformação de Clarke. As saídas desta projeção são intituladas isα e isβ. Esses dois componentes da corrente entram no bloco de transformação de Park, que fornece a corrente no quadro de referência d, q. Os componentes isd e isq são contrastados com as referências: isdref (a referência de fluxo) e isqref (a referência de torque). Nesse instante, a estrutura de controle tem uma vantagem: pode ser usada para controlar tanto máquinas síncronas quanto de indução, simplesmente alterando a referência de fluxo e rastreando a posição do fluxo do rotor. No caso de PMSM, o fluxo do rotor é fixo, determinado pelos ímãs, portanto, não há necessidade de criar um. Assim, ao controlar um PMSM, isdref deve ser igual a zero. Como os motores de indução precisam da criação de um fluxo do rotor para operar, a referência de fluxo não deve ser igual a zero. Isso elimina facilmente uma das principais deficiências das estruturas de controle "clássicas": a portabilidade de drives assíncronos para síncronos. As saídas dos controladores PI são Vsdref e Vsqref. Eles são aplicados ao bloco de transformação inversa de Park. As saídas desta projeção são Vsαref e Vsβref, que são alimentados no algoritmo de modulação de largura de pulso vetorial (SVPWM). As saídas deste bloco fornecem sinais que acionam o inversor. Aqui, tanto as transformações de Park quanto as inversas de Park precisam da posição do fluxo do rotor. Portanto, a posição do fluxo do rotor é essencial para o FOC.
A avaliação da posição do fluxo do rotor é diferente se considerarmos o motor síncrono ou de indução.
No caso de motores síncronos, a velocidade do rotor é igual à velocidade do fluxo do rotor. Então, a posição do fluxo do rotor é determinada diretamente pelo sensor de posição ou pela integração da velocidade do rotor.
No caso de motores assíncronos, a velocidade do rotor não é igual à velocidade do fluxo do rotor devido ao deslizamento; portanto, um método particular é usado para avaliar a posição do fluxo do rotor (θ). Este método utiliza o modelo de corrente, que precisa de duas equações do modelo do motor de indução no quadro de referência d, q rotativo.
