Acionamento de motor de relutância com desempenho otimizado usando conversor em cascata multiporta e esquema avançado de controle direto de torque

Por que acionamentos elétricos mais suaves importam

À medida que veículos elétricos se tornam mais comuns, os condutores esperam que eles não sejam apenas limpos e eficientes, mas também silenciosos, suaves e confiáveis. Um tipo de motor promissor para futuros EVs é o motor de relutância com chaveamento, que é robusto, barato e não depende de ímãs de terras raras. Ainda assim, esses motores podem apresentar torque abrupto e vibração adicional, tornando as viagens menos confortáveis e exigindo mais das partes mecânicas. Este artigo apresenta uma nova forma de alimentar e controlar esses motores para que operem de maneira mais suave, desperdicem menos energia e atendam melhor às exigentes tarefas de tração em automóveis.

Um tipo diferente de motor elétrico

O estudo foca em motores de relutância com chaveamento, que são bastante diferentes internamente das máquinas de ímã permanente mais familiares. Em vez de usar ímãs no rotor, esses motores dependem da tendência do rotor de se mover em direção a regiões onde os caminhos magnéticos são mais favoráveis — regiões de maior indutância. Ao comutar corrente liga/desliga através de vários enrolamentos do estator em sequência, o controlador puxa o rotor e gera torque. Esse projeto é robusto, simples e barato de fabricar, além de evitar dependência de materiais de terras raras. No entanto, a comutação rápida e a forte não linearidade magnética do motor podem criar grandes ondulações no torque e na corrente, causando ruído, vibração e desgaste adicional em veículos elétricos.

Uma nova "ponte" de potência para o motor

Para domar esses problemas, os autores redesenharam o estágio eletrônico de potência que conecta a bateria ao motor. Em vez de um conversor convencional de dois níveis, que aplica abruptamente tensão total ou zero a cada fase, eles propõem um conversor em cascata modular multiporta composto por submódulos empilhados por fase. Cada fase pode agora ver vários níveis de tensão intermediários, e não apenas ligado ou desligado. Essa abordagem multinível suaviza a forma de onda de tensão, reduz o estresse elétrico sobre os interruptores e o isolamento, e diminui harmônicos indesejados na corrente. A estrutura modular também é mais fácil de escalar e mais tolerante a falhas, o que é importante para sistemas de tração críticos para a segurança.

Controle de torque em tempo real mais inteligente

O hardware é pareado com um esquema aprimorado de controle direto de torque que atua como um diretor de tráfego de alta velocidade para os interruptores de potência. Em vez de modelar correntes lentamente por meio de laços tradicionais de realimentação, o controle direto de torque estima o fluxo magnético e o torque do motor em tempo real e seleciona entre um conjunto de padrões de tensão com base em para que lado e com que intensidade o torque precisa mudar. Neste trabalho, os autores projetam modelos matemáticos detalhados do comportamento não linear do motor e organizam os possíveis padrões de tensão em oito setores e oito vetores. Uma tabela de chaveamento customizada então escolhe o melhor padrão do conversor multinível a cada instante, mantendo torque e fluxo dentro de faixas apertadas enquanto minimiza comutações desnecessárias.

Do modelo computacional ao banco de testes real

A equipe valida sua abordagem em duas etapas. Primeiro, eles constroem uma simulação detalhada de um motor de relutância com chaveamento de quatro fases 8/6 acionado pelo novo conversor e esquema de controle no MATLAB/Simulink. Eles examinam velocidade, torque e correntes de fase sob operação estável e mudanças rápidas de velocidade, e comparam os resultados com um conversor convencional. Em seguida, constroem um banco de ensaio de laboratório de 2,2 quilowatts com módulos de potência industriais, sensores e um encoder. Os experimentos incluem cruzeiro constante a 1000 rotações por minuto, mudanças em degrau entre 400, 1400 e 2400 rpm, além de aceleração, frenagem e perturbações de carga. Ao longo desses testes, o novo acionamento mantém a velocidade com precisão enquanto produz formas de onda de corrente visivelmente mais limpas e torque mais suave.

O que as melhorias significam na estrada

Quantitativamente, o conversor e o controle propostos reduzem a ondulação de torque em até cerca de 41,5 por cento em comparação ao projeto convencional, levando os valores de ondulação para aproximadamente 16–25 por cento, dependendo da velocidade e da carga. Ao mesmo tempo, o sistema mostra resposta mais rápida às mudanças na demanda do motorista, overshoot limitado quando as velocidades são ajustadas e eficiência ligeiramente melhor, tudo operando em uma frequência de comutação fixa e previsível. Em termos cotidianos, isso significa que um veículo elétrico usando esse tipo de acionamento poderia acelerar e desacelerar com mais suavidade, gerar menos ruído e vibração e colocar menos estresse em seus componentes. Embora o novo hardware seja mais complexo e custoso do que conversores padrão, os autores argumentam que sua combinação de robustez, suavidade e precisão de controle o torna um forte candidato para futuros sistemas de tração elétrica de alto desempenho.

Citação: Deepak, M., Santhakumar, K., Sathiyasekar, K. et al. Performance-driven switched reluctance motor drive using multiport cascaded converter and advanced direct torque control scheme. Sci Rep 16, 12211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45141-9

Palavras-chave: motor de relutância com chaveamento, acionamentos para veículos elétricos, redução de ondulação de torque, conversor de potência multinível, controle direto de torque