Estratégia Inovadora para Motores de Alta Velocidade em Veículos Elétricos
No cenário em constante evolução dos veículos elétricos, a busca por maior eficiência, maior densidade de potência e maior autonomia continua a empurrar os limites da tecnologia de controle de motores. Um avanço recente de investigadores da Universidade de Tecnologia de Hefei promete melhorar significativamente o desempenho dos motores síncronos de ímanes permanentes interiores (MSIPI) — um componente fundamental nos sistemas de transmissão modernos de veículos elétricos — especialmente sob condições operacionais de alta velocidade e baixa taxa de portadora, que há muito representam desafios formidáveis para os sistemas de controlo digital.
Liderada por Yupu Zhu, Shuying Yang e Qishuai Wang da Faculdade de Engenharia Elétrica e Automação, a equipa desenvolveu uma nova estratégia de controlo de corrente baseada num observador de estado estendido com correção de atraso (ESO, na sigla em inglês). O seu trabalho, publicado na edição de março de 2024 das Transações da Sociedade Eletrotécnica da China, aborda uma questão crítica, mas frequentemente negligenciada, nos acionamentos de motores de alta velocidade: o atraso do controlo digital.
À medida que os fabricantes de veículos elétricos se esforçam para aumentar a velocidade dos motores para obter maior densidade de potência sem aumentar proporcionalmente o tamanho ou o peso do sistema, deparam-se com uma limitação fundamental: a frequência de comutação dos inversores de potência não pode aumentar indefinidamente devido a restrições térmicas, perdas nos semicondutores e interferências eletromagnéticas. Isto resulta numa redução da relação entre a frequência de comutação do inversor e a frequência elétrica fundamental do motor — uma condição conhecida como “baixa taxa de portadora”. Sob tais condições, as estratégias convencionais de controlo vectorial, normalmente concebidas no domínio contínuo e posteriormente discretizadas para implementação digital, sofrem com desempenho degradado devido ao aumento de erros de discretização, ao agravamento do acoplamento cruzado entre as correntes dos eixos d e q e, mais criticalmente, aos atrasos de controlo inerentes aos sistemas digitais.
Estes atrasos, decorrentes do tempo necessário para a amostragem de corrente, computação e geração de sinal de modulação por largura de pulsos (PWM), causam um desfasamento entre a ação de controlo e a resposta real do motor. Em termos práticos, o comando de tensão aplicado num determinado ciclo de controlo influencia a corrente do motor apenas no ciclo subsequente. Para operações de alta velocidade, onde os períodos elétricos são extremamente curtos, mesmo um único atraso de amostragem pode introduzir um atraso de fase significativo, desestabilizando o ciclo de corrente e reduzindo a precisão do binário.
Os controladores tradicionais proporcional-integral (PI), embora simples e amplamente adoptados, carecem da robustez necessária para lidar com estas distorções dinâmicas. Métodos avançados, como o desacoplamento por antecipação ou o controlo vectorial complexo, foram propostos, mas muitas vezes assumem modelos idealizados e não conseguem ter em conta incertezas do mundo real, como variações de parâmetros devido a deriva térmica ou saturação magnética, bem como perturbações externas de flutuações de carga ou harmónicos da rede.
É aqui que entra o observador de estado estendido — um conceito pioneiro de Jingqing Han na década de 1990 como parte do controlo ativo por rejeição de perturbações (ADRC). O ESO trata todas as dinâmicas não modeladas, incertezas de parâmetros e perturbações externas como uma única “perturbação total” e estima-a em tempo real, juntamente com os estados do sistema. Esta perturbação estimada pode então ser alimentada antecipadamente para a lei de controlo para compensação, transformando efetivamente um sistema incerto num sistema nominal bem comportado.
No entanto, aplicar o ESO em acionamentos de motores digitais não é simples. O ESO padrão assume que as suas duas entradas — a tensão de controlo e a corrente medida — estão sincronizadas no tempo. Mas, sob controlo digital com um atraso inerente de um passo, a corrente medida corresponde ao comando de tensão anterior, não ao atual. Este desalinhamento temporal corrompe a estimativa do observador, particularmente em cenários de baixa taxa de portadora, onde o atraso constitui uma grande fração do ciclo elétrico.
Reconhecendo isto, a equipa da Universidade de Hefei conduziu uma análise rigorosa no domínio do tempo discreto e propôs várias arquiteturas de ESO conscientes do atraso. Eles avaliaram três abordagens distintas: um ESO com atraso baseado em modelo (M-DESO) que aproxima o atraso como um elemento inercial de primeira ordem usando a aproximação de Padé; um ESO baseado no predictor de Smith (Smith-DESO) que prevê a corrente um passo à frente para a alinhar com o comando de tensão presente; e um ESO com atraso de tensão (Ud-DESO) que atrasa intencionalmente a entrada de tensão por uma amostra para coincidir com a medição de corrente atrasada.
Através de simulações extensivas e validação experimental numa plataforma real de acionamento para veículos elétricos, os investigadores demonstraram que tanto o Smith-DESO como o Ud-DESO superam dramaticamente o ESO convencional e o M-DESO em termos de precisão de estimativa, velocidade de rastreamento de corrente e rejeição de perturbações. Notavelmente, o Smith-DESO alcançou a resposta mais rápida, reduzindo o tempo de recuperação de perturbações de mais de 50 milissegundos sob controlo PI tradicional para apenas 2,5 milissegundos. Isto traduz-se numa entrega de binário mais suave, redução da ondulação de corrente e melhoria da eficiência — vantagens críticas para veículos elétricos de alto desempenho.
No entanto, o estudo também revelou um compromisso crucial. Enquanto o Smith-DESO oferece um desempenho dinâmico superior quando os parâmetros do motor são precisos, exibe uma sensibilidade elevada a incompatibilidades de parâmetros — como erros nos valores de indutância devido a saturação magnética ou alterações de temperatura. Em contraste, o Ud-DESO, embora ligeiramente mais lento na resposta, demonstra uma robustez notável, mesmo quando a indutância usada no observador se desvia até 70% do seu valor real. Esta resiliência torna o Ud-DESO particularmente atraente para aplicações do mundo real, onde a identificação precisa de parâmetros em tempo real permanece um desafio.
A configuração experimental, construída em torno de um controlador de sinal digital Texas Instruments TMS320F28379 e um MSIPI de 18 kW classificado para 7500 rpm, confirmou estas descobertas. A 3000 rpm com uma frequência de comutação de 4 kHz (taxa de portadora de ~13), todas as quatro estratégias desempenharam adequadamente. Mas à medida que a velocidade aumentou para 6000 rpm (taxa de portadora a cair para ~10), o ESO convencional começou a mostrar instabilidade, enquanto o Smith-DESO manteve operação estável mesmo a 800 Hz de frequência elétrica — equivalente a uma taxa de portadora de apenas 5.
Esta conquista não é meramente académica. A operação com baixa taxa de portadora é cada vez mais comum nos veículos elétricos de próxima geração, especialmente em aplicações de tração de alta velocidade, como sedans de desempenho ou veículos comerciais que requerem amplas faixas de velocidade de potência constante. Ao permitir um controlo de corrente estável e de alta fidelidade sob estas condições exigentes, a estratégia da equipa de Hefei abre caminho para acionamentos de motores mais pequenos, leves e eficientes, sem exigir aumentos dispendiosos na frequência de comutação ou no hardware computacional.
Além disso, a filosofia de design totalmente no domínio discreto elimina os erros de aproximação introduzidos pelas transformações contínuo-discreto, garantindo que o desempenho teórico se alinha de perto com a implementação do mundo real. Esta abordagem também simplifica o ajuste do controlador, uma vez que a largura de banda do observador se torna o principal parâmetro de projeto, influenciando diretamente tanto a velocidade de resposta como a sensibilidade ao ruído.
Na perspetiva da indústria, as implicações são profundas. Um controlo de corrente melhorado traduz-se diretamente em melhor precisão de binário, redução de ruído acústico, menores perdas no cobre e maior autonomia da bateria. Para os fabricantes de automóveis que competem para cumprir metas rigorosas de emissões e as expectativas dos consumidores em termos de dinâmica de condução, tais ganhos incrementais podem ser decisivos.
A investigação também salienta uma tendência mais ampla na eletrónica de potência: a mudança de paradigmas de controlo baseados em modelo para paradigmas agnósticos de modelo e rejeição de perturbações. À medida que os sistemas se tornam mais complexos e as condições operacionais mais variáveis, a dependência de modelos matemáticos precisos torna-se impraticável. Observadores como o ESO oferecem uma alternativa pragmática — aproveitando a estimativa em tempo real para compensar a incerteza, em vez de tentar eliminá-la através de modelação cada vez mais complexa.
Olhando para o futuro, a equipa sugere várias vias para um maior desenvolvimento. Integrar o ESO com correção de atraso com controlo preditivo ou adaptação de parâmetros baseada em aprendizagem automática poderia proporcionar uma robustez ainda maior. Adicionalmente, estender a estrutura para operação sem sensor — onde a posição do rotor também é estimada — poderia reduzir o custo do sistema e melhorar a fiabilidade, eliminando os codificadores de posição.
Numa era em que cada watt-hora conta e cada milissegundo de tempo de resposta é importante, inovações como esta exemplificam os avanços de engenharia silenciosos mas críticos que impulsionam a revolução dos veículos elétricos. Enquanto as manchetes se focam frequentemente em avanços em baterias ou condução autónoma, é frequentemente no domínio do controlo do motor — onde a física, a computação e a tomada de decisão em tempo real convergem — que o verdadeiro envelope de desempenho de um veículo elétrico é definido.
O trabalho de Zhu, Yang e Wang não só resolve um desafio técnico premente, como também estabelece um novo referencial em termos de robustez e eficiência em acionamentos de motores de alta velocidade. À medida que a indústria automóvel acelera em direção à eletrificação, investigação fundamental como esta será instrumental para transformar a promessa de mobilidade sustentável numa realidade de alto desempenho.
Autores: Yupu Zhu, Shuying Yang, Qishuai Wang — Faculdade de Engenharia Elétrica e Automação, Universidade de Tecnologia de Hefei, Hefei 230009, China Publicado em: Transactions of China Electrotechnical Society, Vol. 39, No. 6, março de 2024 DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222286