FOC (Controle Orientado a Campo) Explicado para Iniciantes

Controle FOC do motor sem escova

Com algoritmos FOC (Field Oriented Control), você pode controlar a rotação de um motor brushless de várias maneiras. Isso tem aplicações disseminadas também em robótica.

Sistema FOC

O sistema FOC é um sistema de malha fechada onde o controlador recebe sinais de corrente e ângulo de sensores e então calcula a velocidade, posição e torque do motor necessários com base nos comandos que fornecemos. Ele então converte esses cálculos em sinais elétricos correspondentes para controlar a rotação do motor. O núcleo desse sistema é o método de cálculo, que é o algoritmo FOC. Para entender o que o algoritmo FOC está calculando, precisamos primeiro olhar para os princípios de controle de um motor sem escovas.

Estrutura interna de um motor sem escovas

Conforme mostrado no diagrama abaixo, há três bobinas dispostas ao redor do motor, que são conectadas a seis MOSFETs do lado de fora. Quando em operação, as bobinas permanecem estacionárias e são chamadas de estator. No meio, há um ímã giratório, conhecido como rotor.

Quando dois MOSFETs são ligados, a corrente flui para as duas bobinas, gerando um campo magnético. Quando os dois campos magnéticos se sobrepõem, eles criam um campo magnético que faz o rotor girar. Quando o rotor se sobrepõe ao campo magnético, o controlador muda para outro MOSFET para continuar girando o rotor.

Também podemos ligar todos os três MOSFETs, fazendo com que a corrente flua para todas as três bobinas, gerando três campos magnéticos que se combinam para criar um campo magnético mais forte do que com apenas dois. Abaixo está um diagrama de diferentes combinações de comutação que podem produzir seis campos magnéticos diferentes. Ao alternar continuamente entre esses campos, o rotor pode ser acionado para girar.

Este é o princípio básico do controle do motor sem escovas.

Criando um campo magnético preciso e controlável

O controle básico do motor sem escovas essencialmente faz o motor girar, substituindo os motores com escovas tradicionais. Por exemplo, os controladores de motor sem escovas usados ​​em aeronaves controladas remotamente ou secadores de cabelo elétricos usam esse princípio. No entanto, alguns produtos exigem mais do que apenas fazer o motor girar; eles precisam de um controle mais preciso, como em escovas de dente elétricas, que exigem um controle preciso do motor. Esse controle preciso inclui permitir que o motor gire em qualquer velocidade, permaneça em qualquer posição e ajuste seu torque. Esses são os problemas que o algoritmo FOC aborda.

Como o algoritmo FOC alcança controle preciso?

Controlando campos magnéticos em qualquer direção

Precisamos gerar campos magnéticos em qualquer direção. Como mencionado anteriormente, há seis campos magnéticos diferentes gerados pela troca de MOSFETs. Agora, trocamos entre V1 e V2 por 0.5 ms para frente e para trás. Ao repetir esse processo, o rotor oscilará para frente e para trás entre os campos magnéticos de V1 e V2. No entanto, se a velocidade de troca do campo magnético for rápida o suficiente, além do tempo de resposta do rotor, o rotor permanecerá no centro e não se moverá, criando efetivamente um novo campo magnético.

Neste ponto, ajustando a razão temporal dos campos magnéticos iniciais em um ciclo de tempo, podemos sintetizar qualquer campo magnético dentro deste intervalo. O mesmo método pode ser aplicado para alternar entre campos magnéticos adjacentes, permitindo-nos criar campos magnéticos em qualquer direção dentro de um intervalo de 360°.

Controlando a força do campo magnético

Neste ponto, criamos apenas campos magnéticos em qualquer direção. Também precisamos controlar a força do campo magnético. O método é simples: quando os três MOSFETs no mesmo alinhamento são ligados, as bobinas não têm voltagem, mas têm corrente, porque as bobinas são indutivas, e a indutância tem um efeito de continuidade que impede que a corrente mude abruptamente. Portanto, a corrente só pode decair a uma certa taxa em vez de cair para zero instantaneamente. É por isso que o vetor zero sempre requer que três MOSFETs superiores ou três MOSFETs inferiores sejam ligados, em vez de ter todos os seis MOSFETs fechados. Ao inserir um estado de campo magnético zero dentro de um ciclo de tempo e ajustar a proporção de tempo, podemos controlar a força do campo magnético à vontade. Assim, agora criamos um campo magnético cuja direção e força podem ser controladas.

Alinhamento de Rotor e Campo Magnético

Neste ponto, você pode pensar que simplesmente precisamos gerar um campo magnético na direção em que queremos que o rotor gire, mas não é tão simples assim. Primeiro, precisamos usar um sensor de ângulo para detectar a posição atual do rotor e então gerar um campo magnético que seja sempre perpendicular a essa direção. Este campo magnético atrairá o rotor para se mover em sua direção. Assim que o rotor se mover, mesmo que ligeiramente, o campo magnético o seguirá para manter o alinhamento perpendicular. Isso ocorre porque a força gerada nesta configuração é a mais forte e a eficiência é a mais alta.

Uma vez que temos essa ideia, o único parâmetro que precisamos ajustar é a intensidade do campo magnético. Ao controlar a intensidade do campo magnético, podemos controlar a posição, a velocidade e o torque do motor sem escovas. Por exemplo, se quisermos que o motor gire mais rápido, aumentamos a intensidade do campo magnético. Se quisermos que o motor pare, aplicamos um campo magnético negativo, gerando uma contraforça. Quando o rotor para, podemos definir a intensidade do campo magnético para zero. Se houver uma perturbação externa que desloque a posição do rotor, podemos aplicar o campo magnético para trazer o rotor de volta. Esta é a base do FOC.

Sistema de circuito fechado

Um algoritmo FOC completo é um sistema de malha fechada. A intensidade do campo magnético mencionada anteriormente é calculada usando dados de sensores e os comandos que emitimos, por meio de cálculos PID. Na prática, usamos corrente para substituir o campo magnético porque a corrente nas bobinas está intimamente relacionada ao campo magnético: suas direções são alinhadas e suas magnitudes são proporcionais. Além disso, usar sensores de corrente o torna mais conveniente. Portanto, a estrutura de topologia FOC real inclui loops de corrente, loops de velocidade e loops de posição para feedback. O sistema decidirá como controlar os interruptores MOSFET com base nos comandos de controle de entrada e dados do sensor.