Control orientado al campo (FOC) en controladores BLDC

Introducción: Por qué son importantes los algoritmos de control en los accionamientos eléctricos

A medida que evoluciona la movilidad eléctrica, los usuarios esperan motores no sólo potentes, sino también suaves, silenciosos y energéticamente eficientes.

Aquí es donde FOC - Control orientado al campo - se convierte en una tecnología definitoria.

En términos sencillos, FOC permite al controlador manejar un Motor BLDC (corriente continua sin escobillas) como un instrumento afinado con precisión, ajustando el par y la velocidad en tiempo real.

Para bicicletas, scooters y motocicletas eléctricas, esto significa respuesta instantánea, aceleración más suave, mayor eficiencia y menor ruido.

En JRAHK, nuestro Controladores FOC sinusoidales de tres modos Gold Series están construidos en torno a este avanzado concepto de control, aportando un rendimiento superior a la próxima generación de vehículos eléctricos personales e industriales.

Evolución de las ondas cuadradas a las FOC

Controladores de motor BLDC tradicionales utilizados onda cuadrada (o trapezoidal) Conmutación: método sencillo que conmuta la corriente entre las fases del motor cada 60 grados.

Aunque es eficaz, tiene sus limitaciones:

• Ruido del motor audible
• Uso menos eficiente de la energía
• Ondulación del par a baja velocidad

Para superar estos problemas, los ingenieros desarrollaron onda senoidal control - accionamiento del motor con formas de onda de corriente sinusoidal.

Esto ya facilitaba el funcionamiento.

Pero FOC fue más allá:

En lugar de controlar cada fase de forma independiente, transforma el control del motor en un marco de referencia giratorio, alineando dinámicamente los campos magnéticos para par máximo y pérdidas mínimas.

En otras palabras, FOC no se limita a introducir corriente en el motor, sino que “piensa” en donde para empujarlo.

El principio del control orientado al terreno

Para entender el FOC, imagine que un motor BLDC tiene dos campos magnéticos:

• En campo del rotor (creada por los imanes permanentes)
• En campo estator (creada por la corriente en los bobinados del motor)

El objetivo es mantener estos dos campos perpendiculares (separados 90°) en todo momento, lo que garantiza el máximo par con la mínima potencia eléctrica.

Transformación de coordenadas d-q

En lugar de pensar en tres fases motrices (A, B, C), FOC las convierte matemáticamente en dos componentes virtuales:

• eje d (eje directo) - se alinea con el campo magnético del rotor
• eje q (eje de cuadratura) - perpendicular al campo del rotor

El controlador entonces:

1. Mide o estima la posición del rotor (mediante sensores Hall o back-EMF).
2. Convierte las corrientes trifásicas en el marco d-q (utilizando Transformaciones de Clarke y Park).
3. Regula por separado la corriente del eje d (flujo magnético) y la corriente del eje q (par).
4. Las convierte de nuevo en señales trifásicas y las aplica mediante PWM a los MOSFET.

Esto permite control vectorial - control de par lineal, rápido y eficaz.

BDC en acción: Ejemplo real de JRAHK

Tomemos el Controlador FOC sinusoidal de tres modos JRAHK Gold Series como ejemplo.

Cuando gires el acelerador o empieces a pedalear:

• El controlador calcula instantáneamente la posición y la velocidad del rotor.
• Los algoritmos FOC determinan los valores ideales de corriente d-q.
• Los MOSFET se conmutan con señales PWM de alta frecuencia para dar forma a la onda de corriente.
• El resultado: par suave, funcionamiento silencioso y uso eficiente de la batería.

Incluso durante una aceleración rápida o una carga pesada (como subir una colina o transportar carga), el motor se siente estable y predecible, porque el bucle FOC mantiene el par magnético y el flujo optimizados en tiempo real.

Requisitos de hardware para FOC

La aplicación de FOC requiere mayor precisión computacional y retroalimentación del sensor que un sistema de onda cuadrada.

Por eso, los controladores FOC avanzados como los de JRAHK utilizan una combinación de:

Esta integración de detección, cálculo y electrónica de potencia es lo que hace que un controlador FOC sea mucho más “inteligente” que un simple controlador de onda cuadrada.

Ventajas del control FOC

El control orientado al campo ofrece mejoras cuantificables del rendimiento, el confort y la eficiencia:

En las pruebas realizadas en múltiples aplicaciones de vehículos eléctricos, FOC ha demostrado 5-15% mayor eficiencia global en comparación con el control estándar de seis pasos, especialmente en condiciones de carga variable.

Sensor vs. FOC sin sensor

Los controladores FOC de JRAHK admiten ambos modos de control:

Sensores FOC

Utiliza sensores Hall o codificadores para determinar la posición del rotor.

• Ventajas: Excelente arranque a baja velocidad y par para subir cuestas.
• Ideal para: Bicicletas de carga, motocicletas eléctricas, aplicaciones industriales.

FOC sin sensores

Estima la posición a partir de la retroalimentación de la FEM y la corriente.

• Ventajas: Menos cables, menor coste, más duradero (sin fallos en los sensores).
• Ideal para: Scooters compartidos, e-bikes de velocidad media y sistemas sellados.

Detección automática de modo dual

Muchos modelos JRAHK incorporan detección automática - el controlador identifica si hay sensores presentes y cambia al algoritmo correcto, garantizando la versatilidad plug-and-play.

Comparación de FOC con controladores convencionales

Combinando hardware de onda senoidal con Algoritmos FOC, JRAHK consigue suavidad y eficacia sin comprometer la fiabilidad.

Aspectos destacados del diseño de los controladores FOC de JRAHK

JRAHK's Serie Oro de tres modos demuestra cómo es una plataforma avanzada de BDC:

• Rango de potencia: 250 W - 5000 W
• Opciones de voltaje: 36 V - 84 V
• Variantes de tubos MOS: 6 / 9 / 12 / 15 / 18 / 24
• Manipulación actual: Hasta 80 A continuos
• Modos de control: Onda senoidal, FOC, onda cuadrada
• Protocolos: Interfaz UART para comunicación con la pantalla
• Protección: Sobretensión, sobrecorriente, sobretemperatura, polaridad inversa

Cada modelo se construye en un carcasa de aluminio de alta resistencia para una disipación eficaz del calor, garantizando un funcionamiento fiable en condiciones de alta carga y servicio continuo.

Aplicaciones de los controladores FOC

Por su par suave y su alta precisión, los controladores FOC se utilizan ampliamente en:

• Bicicletas eléctricas y de carga de gama alta - para una sensación de pedaleo silencioso y natural
• Patinetes eléctricos - acelerador suave y frenado regenerativo
• Motos eléctricas - alto par y fuerte aceleración
• Robótica y AGV - control preciso del movimiento y bajo nivel de ruido
• Accionamientos industriales - funcionamiento continuo y eficaz

En todos los casos, los beneficios se traducen directamente en mayor duración de la batería, funcionamiento del refrigerador, y mayor comodidad para el piloto.

Perspectivas de futuro: Hacia sistemas FOC inteligentes

A medida que las tecnologías IoT y AI sigan evolucionando, se integrará la próxima generación de controladores FOC:

• Algoritmos de aprendizaje adaptativo para bucles de control autoajustables
• Conectividad en la nube para la supervisión del rendimiento
• Diagnóstico predictivo para la salud del motor y la batería
• Comunicación CAN y BLE para la integración de vehículos inteligentes

La hoja de ruta de I+D de JRAHK ya está en consonancia con estas tendencias. controladores BLDC inteligentes que reúnen la gestión inteligente de la energía y la conectividad de datos en una plataforma sin fisuras.

Conclusión

El control orientado al campo representa la vanguardia de la tecnología de motores sin escobillas.

Alineando continuamente los campos magnéticos dentro del motor, FOC consigue un equilibrio perfecto de potencia, eficacia y suavidad.

Esto significa tanto para los fabricantes como para los motoristas:

• Vehículos más silenciosos
• Respuesta más rápida
• Mayor alcance
• Gestión más inteligente de la energía

En JRAHK, Nuestra misión es hacer accesibles estas ventajas a toda la movilidad eléctrica, desde las bicicletas eléctricas ligeras hasta las motocicletas de alto rendimiento.

Con años de I+D en control inteligente de motores, nuestra Controladores sinusoidales FOC no son sólo componentes: son la base de un futuro del transporte eléctrico más fluido y eficiente.