CONTROL ELECTRÓNICO DE MOTORES BRUSHLESS PARA LA APLICACIÓN A VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Hoy en día los autos, han dejado de ser un artículo de lujo y se han convertido en una necesidad para esta ciudad. Es por esa necesidad que muchas veces no hacemos conciencia de lo que ocasionamos al medio ambiente y a nosotros mismos. La contaminación atmosférica es la alteración por causas naturales o por el hombre de la composición del aire que respiramos (78% nitrógeno, 21% de oxígeno, 0.093% de argón).En gran parte esta alteración alteración
es causada causada por los automóviles automóviles que despiden monóxido de
carbono, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno, etc. Actualmente la mayoría de los autos cuenta con convertidor catalítico, esto ha ayudado a bajar los índices de plomo hasta 10 veces, pero ha contribuido al incremento del ozono troposférico. El incremento en el número de vehículos circulando, ha influido en el incremento de la contaminación atmosférica, según estadísticas de vehículos registrados en Perú, en el año 2000 se contaba con 1, 162,859 vehículos, en 2005 ya eran 1, 613,694 vehículos y para 2012 ya eran 2, 999,223 vehículos. Además de estos vehículos, el 14 % lo utilizan para viajar solo, el 32.3% con un acompañante y el 25.7% con dos acompañantes. Viendo estas cifras no resulta complicado entender los niveles de contaminación, tanto en Perú como a nivel mundial. Las tendencias dados los problemas de cambio climático, han sido las de optar por formas f ormas de energía “verde”, es decir que no dañen el medio ambiente.
Además dada la situación actual, con el alza del precio del petróleo y el problema ambiental, se ha iniciado con el desarrollo de tecnología que logre solucionar en la medida de lo posible estos problemas. Los constructores de vehículos vehículos eléctricos han han sabido sacar provecho de esta situación, aferrándose a los adelantos tecnológicos, ofreciendo no sólo vehículos que no contaminan (al menos no directamente) y que permiten la independencia de los combustibles fósiles, sino modelos que además poseen prestaciones que le permiten competir hasta con deportivos de la talla de Porsche o Ferrari.
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Los motores eléctricos poseen la cualidad de transformar la energía eléctrica en energía mecánica. En otras palabras obtienen su capacidad de movimiento a partir de la energía eléctrica liberada por una batería o por una célula de combustible de hidrógeno. Un motor eléctrico posee una menor cantidad de piezas en comparación a un motor de combustión interna, razón por la cual está menos propenso a fallos. Hay que agregar también que en el motor de combustión. Sólo alrededor del 18% de la energía del combustible es utilizada para mover el vehículo, el resto sirve para accionar el motor, mientras que en el vehículo eléctrico el 46% de la energía liberada por las baterías sirve para mover el vehículo, por lo que el tiempo de reacción, del vehículo a motor eléctrico, es menor, pudiendo pasar del reposo al funcionamiento máximo en lapsos mucho menores. Otras ventajas de los autos eléctricos: 1.
Utilizan una energía alternativa.
2.
Son más eficientes que los motores de combustión interna.
3.
Tienen costos de mantenimiento menores.
4.
Son más confiables que los motores de combustión interna.
5.
Tienen menos sistemas que los de combustión interna.
6.
Los autos eléctricos son hasta 98% menos contaminantes.
7.
Son menos ruidosos.
Basados en esta problemática y en la búsqueda de nuevas opciones de transporte, es que se decidió la realización (diseño y construcción) de un vehículo eléctrico. Se busca con esto fomentar el uso de energías alternas, ya que contamos con recursos naturales favorables para la obtención de energía eléctrica. Actualmente el costo de combustibles derivados del petróleo va en aumento, mientras que la obtención de energía eléctrica se puede dar de varias formas naturales, ya sea aprovechando el caudal de un rio (presa), a través de molinos de viento (energía eólica) o inclusive utilizar la energía solar (celdas solares).
1.2 VARIABLES 1.2.1 VARIABLE INDEPENDIENTE
Motor brushless.
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1.2.2VARIABLE DEPENDIENTE.
Control no lineal para el seguimiento de la trayectoria deseada.
1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA El vehículo eléctrico como cualquier otro auto, está sometido a fuerzas que actúan en contra de su movimiento. En este trabajo de tesis se consideran las siguientes fuerzas: F ad es la fuerza de fricción con el viento, F rr es la fuerza de fricción con la superficie, F hc es la
componente del peso total del auto, F te es la fuerza de
tracción del auto, además, se
considera que ψ es el ángulo de inclinación con respecto a la horizontal,
m es la masa del
auto, g es la aceleración gravitacional, 9.81 m/s2, v es la velocidad lineal en m/s y a “
”
“
”
es
la aceleración del móvil en m/s2. La siguiente figura muestra cómo se relacionan las fuerzas involucradas en el movimiento del vehículo eléctrico:
Figura 1.1: Fuerzas que actúan sobre el vehículo eléctrico
De acuerdo a la segunda ley de Newton expresada por la siguiente ecuación: Σ F
=
ma
Se puede decir que: F te
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=
ma + F rr + F ad + F hc
Entonces, ¿cuál es el problema a resolver?, la fuerza de tracción F te está dada por el motor brushless trifásico, además, la señal de referencia de velocidad del vehículo está dada por la acción del conductor sobre los pedales, se considera que el controlador debe realizar una tarea de seguimiento. Por lo tanto, se requiere diseñar un controlador no lineal robusto que logre el objetivo de seguimiento de una trayectoria deseada (velocidad) en toda la región de operación de un motor brushless trifásico, estabilidad
este controlador debe de asegurar el acotamiento de las señales y la
interna
del
sistema completo, aún bajo incertidumbre paramétrica y
perturbaciones en la carga.
1.4 OBJETIVOS 1.4.1 OBJETIVO GENERAL
En el control de máquinas de corriente alterna se han desarrollado distintos enfoques y esquemas, de estos se pretende la aplicación de técnicas de control no lineal al motor brushless trifásico; además de analizar el comportamiento del sistema en lazo cerrado, por lo tanto, el objetivo general que guía el desarrollo de la tesis es: Diseñar un controlador para lograr el seguimiento de trayectoria de velocidad de un motor brushless trifásico con un enfoque a vehículos eléctricos. 1.4.2 OBJETIVOS PARTICULARES
Los objetivos particulares que guían el desarrollo del tema de investigación se basan en primer lugar en un estudio detallado del motor brushless trifásico y una revisión del estado del arte sobre los esquemas de control no lineal, posteriormente los esquemas analizados se
aplican al motor para evaluar su desempeño. Los objetivos son los siguientes:
Analizar el motor en estado estacionario.
Obtener el modelo matemático del sistema completo (inversor-motor-vehículo).
Estudiar las estrategias de control no lineal (control basado en pasividad y control robusto).
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Diseñar los esquemas de control no lineal para el seguimiento de trayectoria deseada (velocidad).
Realizar pruebas en simulación del sistema completo tomando en cuenta los ciclos de conducción del vehículo.
1.5 JUSTIFICACIÓN En años recientes el desarrollo del vehículo eléctrico se ha incrementado, así también, el desarrollo de motores eléctricos capaces de satisfacer los requerimientos de tracción. Una clasificación general de los motores se muestra en la figura 1.2, el motor de inducción y el motor brushless se destacan como los
más utilizados para proporcionar tracción a un
vehículo.
Figura 1.2: Clasificación de los motores eléctricos.
En la tabla 1.1 se presentan las diferencias entre el motor brushless y el motor de inducción, la información mostrada indica que el motor brushless ofrece tanto ventajas como desventajas para su aplicación en tracción eléctrica. Es necesario resaltar que no existe deslizamiento entre las frecuencias del estator y rotor en el motor brushless; esto representa una de las principales ventajas sobre el motor de inducción. Por otro lado, el motor brushless
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presenta la desventaja de un costo mayor que el de inducción.
El motor brushless como cualquier otro sistema físico, es susceptible a variaciones o perturbaciones paramétricas, por ejemplo, la resistencia de los devanados del estator puede llegar a variar un 100% de su valor nominal debido a la temperatura. En estos casos las técnicas de control que no toman en cuenta estas
variaciones dejan de funcionar
adecuadamente y ponen en riesgo la estabilidad del sistema. Tabla 1.1: Diferencias entre el motor brushless y el motor de inducción.
Las recientes metodologías de diseño de controladores (Adaptable, inteligente y modos deslizantes) consideran el hecho de que los sistemas físicos y el entorno en el cual operan no se puede modelar
de manera precisa, pueden cambiar de manera no predecible y
pueden estar sujetos a perturbaciones significativas.
En este trabajo de tesis se elige el control robusto, el cual está diseñado a partir del control basado en pasividad y de la técnica de rediseño de Lyapunov. Esta última técnica se usa para encontrar una señal de control adicional que es agregada a la ley de control basado en pasividad, de esta forma, se garantiza
la estabilidad del sistema ante incertidumbre
paramétrica debido a variaciones en la resistencia de los devanados del estator.
La ley de control robusta es estática, es decir, no incrementa el orden del sistema completo,
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solo requiere conocer el valor máximo de las variaciones paramétricas, esto presenta la desventaja de que el error de seguimiento de trayectoria deseada (velocidad) no converja a cero sino que únicamente per manece acotado, este acotamiento es elegido a criterio del
diseñador.
1.6 HIPÓTESIS
Después de estudiar los principios del control robusto basado en el rediseño d e Lyapunov y de hacer un estudio acerca del motor brushless, se propone la siguiente hipótesis: La técnica de control robusto basado en el rediseño de Lyapunov aplicada al motor brushless, permite hacer
un seguimiento de velocidad aceptable, aun frente a
incertidumbre en el valor de la resistencia de los devanados del motor, además, mantiene el
error acotado.
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