Control sensorless robusto de accionamientos PMSM de alta velocidad bajo bajos ratios de portadora y con incertidumbres de parámetros

Por qué los motores eléctricos más rápidos necesitan un control más inteligente

A medida que los coches eléctricos, trenes y máquinas industriales exigen más potencia y mejor eficiencia, sus motores giran más rápido que nunca. Operar estos motores de alta velocidad de forma eficiente implica conmutar la electrónica de potencia con menor frecuencia para reducir pérdidas y generación de calor. Pero esto crea un problema delicado: el cerebro electrónico que controla el motor empieza a perder información sobre lo que hace el rotor, especialmente cuando debe estimar la posición sin un sensor físico. Este artículo presenta una nueva forma de mantener esos motores estables, eficientes y fiables incluso en estas condiciones de funcionamiento adversas.

El reto de hacer más con menos conmutaciones

Los motores síncronos de imán permanente (PMSM) modernos son los pilares de los vehículos eléctricos y de los accionamientos industriales avanzados por ser compactos y eficientes. Para extraer aún más rendimiento, los ingenieros aumentan la frecuencia eléctrica del motor (haciendo que gire más rápido) mientras reducen la frecuencia de conmutación del inversor (para disminuir pérdidas). La relación entre estas dos frecuencias, conocida como relación portadora‑a‑fundamental (C/F), puede volverse muy pequeña, a veces tan baja como seis. En este régimen, el tiempo entre actualizaciones de control es largo en comparación con el periodo eléctrico del motor, de modo que los errores numéricos y los retrasos en el controlador digital se amplifican. Los esquemas convencionales de control “sensorless”, que infieren la posición del rotor a partir de corrientes y tensiones medidas en lugar de usar un sensor físico, se vuelven inestables o inexactos, provocando corrientes ruidosas, rizado de par e incluso paradas del sistema.

Vigilar el motor sin sensor

Para eliminar los sensores de posición y su coste, la mayoría de los accionamientos de alta velocidad confían en observadores matemáticos que reconstruyen la posición del rotor a partir de mediciones eléctricas. Los observadores tradicionales suelen usar un lazo de realimentación sencillo (basado en control proporcional‑integral, PI) para corregir el flujo magnético estimado dentro del motor. Estos esquemas funcionan razonablemente bien a velocidades moderadas y con relaciones C/F holgadas, pero tienen dificultades cuando parámetros como la resistencia e inductancia varían con la temperatura, o cuando la discretización numérica en el microcontrolador deja de coincidir con la física rápida subyacente. A ratios C/F muy bajos, métodos numéricos de orden bajo como los familiares Euler o Tustin pueden desplazar los polos del sistema en tiempo discreto fuera de la región segura, empujando al observador hacia oscilaciones o divergencia.

Un esquema de control que cancela perturbaciones en tiempo real

Los autores abordan esto rediseñando el observador en torno al Rechazo Activo de Perturbaciones (ADRC). En lugar de tratar los errores de parámetros, cambios de carga y efectos no modelados por separado, ADRC los agrupa en una única “perturbación total” y la estima en tiempo real con un observador de estado extendido. Esta estimación de la perturbación se cancela activamente en la señal de control, permitiendo que el sistema se comporte como una dinámica mucho más simple y conocida. En el propuesto Observador de Flujo del Rotor con Compensación Adaptativa, ADRC se utiliza para ajustar continuamente una tensión de corrección interna de modo que la magnitud del flujo magnético estimado siga una referencia deseada. A partir de este flujo corregido se extraen el ángulo y la velocidad del rotor, proporcionando la información de posición crucial para el control orientado al campo del motor sin ningún sensor mecánico.

Métodos numéricos híbridos para hardware en tiempo real

Sin embargo, la fortaleza de ADRC tiene un coste: sus ecuaciones son más complejas y normalmente requieren un método de integración numérica de alto orden, como Runge–Kutta de cuarto orden (RK4), para preservar la estabilidad a bajos ratios C/F. RK4 es preciso pero computacionalmente oneroso para microcontroladores de grado automoción que deben ejecutar muchas tareas de control en microsegundos. Para resolver esto, los autores introducen un esquema de discretización híbrido que divide el observador en una parte lineal de variación lenta y una parte de retroalimentación no lineal rápida. El componente lineal se actualiza con un paso Euler ligero, mientras que el componente no lineal usa RK4. Este enfoque híbrido conserva la precisión de nivel RK4 donde más importa, pero reduce el número de multiplicaciones en aproximadamente un 30% en comparación con un RK4 completo en el observador ADRC, llevando el tiempo de ejecución a cerca de 18,5 microsegundos por ciclo de control en un procesador digital de señales de 200 MHz.

Poner el método a prueba en un accionamiento industrial

El esquema propuesto se validó en un exigente PMSM de 100 kilovatios girando hasta 20 000 revoluciones por minuto, representativo de hardware real de propulsión eléctrica. Análisis detallados de polos y experimentos muestran que los observadores basados en discretización Euler y Tustin se vuelven inestables a medida que aumenta la velocidad o cae la C/F, mientras que los que usan RK4 o el nuevo método híbrido se mantienen cómodamente dentro de la región estable. En la práctica, el observador ADRC híbrido permite operación sin sensor a una relación C/F tan baja como seis, con formas de corriente y rizado de par cercanas a las alcanzadas por un sistema que utiliza un sensor de posición físico. Las pruebas de escalón de carga revelan tiempos de asentamiento más rápidos, menor sobreimpulso y mejor desacoplo de componentes de corriente en comparación con observadores convencionales. Incluso cuando parámetros clave del motor se fijan deliberadamente mal —duplicando la resistencia asumida o dividiendo la inductancia por dos— el sistema permanece estable, con solo aumentos modestos en el rizado de corriente y rizado de velocidad del orden de unas pocas partes por diez mil.

Qué significa esto para futuros accionamientos eléctricos

En términos accesibles, este trabajo muestra cómo un “sensor virtual” más inteligente y un motor numérico cuidadosamente diseñado pueden mantener bajo control motores eléctricos muy rápidos, incluso cuando la electrónica conmuta despacio y las condiciones reales se desvían del modelo de manual. Al combinar el observador de cancelación de perturbaciones de ADRC con una discretización híbrida que encaja en presupuestos de procesador estrictos, los autores demuestran un control sin sensor casi tan limpio y robusto como el control con sensor, pero más simple y barato de construir. Esto abre la puerta a sistemas de accionamiento más eficientes, compactos y fiables para vehículos eléctricos y otras aplicaciones de alto rendimiento donde cada vatio y cada gramo cuentan.

Cita: Lin, Z., Jin, S., Wang, H. et al. Robust sensorless control of high speed PMSM drives under low carrier ratios and parameter uncertainties. Sci Rep 16, 11269 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41212-z

Palabras clave: control de motor sin sensores, PMSM de alta velocidad, baja frecuencia de conmutación, <keyword>discretización híbrida