Dominando el control de avance lento a baja velocidad en vehículos eléctricos: desde la lógica de la máquina de estados hasta la implementación del FOC en el microcontrolador.

• Autor: Johnny Liu, director ejecutivo de Dowway Vehicle
• Publicado: 19 de julio de 2026
• Categoría: Ingeniería Automotriz / Algoritmos de Control y Sistemas de Propulsión para Vehículos Eléctricos
• Tiempo estimado de lectura: 15 minutos

Biografía del autor y autoridad

Johnny Liu es el director ejecutivo en Vehículo DowwayJohnny es un fabricante de soluciones de tren motriz para vehículos eléctricos (VE) y arquitecturas avanzadas de unidades de control vehicular (VCU). Con más de 15 años de experiencia práctica en I+D en sistemas de accionamiento de motores, sistemas embebidos para automoción y seguridad funcional (ISO 26262), Johnny ha liderado el desarrollo de algoritmos de control de accionamiento de grado de producción implementados en cientos de miles de vehículos eléctricos en todo el mundo.

Metadatos técnicos

• Entidades principales: Unidad de control del vehículo (VCU), unidad de control del motor (MCU), motor síncrono de imanes permanentes (PMSM), control orientado al campo (FOC).
• Algoritmos principales: Control de máquina de estados, compensación de pendiente, compensación de tiempo muerto de modulación de ancho de pulso vectorial espacial (SVPWM), inyección de alta frecuencia (HFI).
• Intención de búsqueda del público objetivo: Ingeniería de control detallada para vehículos eléctricos, calibración de motores de baja velocidad, integración del sistema de propulsión.

1. Introducción: La física de la deformación por fluencia: vehículos con motor de combustión interna frente a vehículos eléctricos

¿Por qué los vehículos eléctricos requieren un control activo de la velocidad de avance lento?

A diferencia de los vehículos con motor de combustión interna (MCI), que avanzan lentamente de forma natural gracias al acoplamiento hidráulico del convertidor de par, los vehículos eléctricos (VE) utilizan motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) que no generan par a velocidad cero cuando no se les ordena. Los VE deben utilizar un control de avance lento mediante software para imitar este avance lento, evitar el retroceso en pendientes y mantener una conducción suave a baja velocidad.

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|                                                                        |
|  [ICE Passive Creep]                                                    |
|  Engine Idle ---> Torque Converter (Hydraulic Coupling) ---> Residual Torque  |
|                                                                        |
|  [EV Active Creep]                                                     |
|  VCU Sensors ---> State Machine ---> MCU (Active FOC) ---> Creep Torque |
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La experiencia del legado

En los vehículos tradicionales con motor de combustión interna y transmisión automática, el motor funciona al ralentí para evitar que se cale. Cuando el vehículo se detiene y la marcha está en Drive (D), el convertidor de par sigue girando contra el fluido de la transmisión. Este mecanismo transmite un pequeño par residual a las ruedas, lo que hace que el vehículo avance lentamente. Los conductores esperan este comportamiento.

El desafío de los vehículos eléctricos

En el caso de los vehículos eléctricos de batería (VEB) con motores síncronos de imanes permanentes (PMSM), la física cambia:

1. Comando cero significa par cero: A una velocidad del motor cercana a cero, el motor no genera par motor a menos que se le inyecte corriente.
2. No se permite la tenencia pasiva: La mayoría de los vehículos eléctricos utilizan una caja reductora de una sola velocidad sin bloqueo mecánico fuera del trinquete de estacionamiento.
3. El peligro del pedal “flotante”: Si se suelta el freno en una pendiente sin control de software activo, el vehículo retrocede libremente. Esto genera una sensación de inseguridad para el conductor y provoca estrés en el tráfico denso de la ciudad.

Los tres escenarios principales de expansión

Dividimos el control activo de deslizamiento en tres situaciones distintas:

1. Deslizamiento en carretera llana: El vehículo está en terreno llano en D o R, con el conductor soltando los pedales. El motor debe generar un par motor estable a baja velocidad para avanzar lentamente a $3\text{–}5\text{ km/h}$ (activándose cuando $v < 8\text{ km/h}$).
2. Deslizamiento de los frenos: En esta fase, el conductor modula el pedal del freno. El par motor debe disminuir a medida que aumenta la presión de frenado. Esto evita que el motor ejerza presión contra los frenos físicos, previniendo vibraciones en la transmisión y garantizando una parada suave.
3. Deslizamiento en terreno elevado: Sujetar el vehículo en pendientes. La VCU debe detectar la inclinación y añadir un par de torsión compensatorio a la gravedad, además del par de torsión de avance lento, para mantener el vehículo inmóvil o avanzando lentamente cuesta arriba.

2. Arquitectura del sistema de control de avance lento de vehículos eléctricos: VCU frente a MCU

¿Cómo comparten la VCU y la MCU las tareas de control de deslizamiento?

El Unidad de control del vehículo (VCU) es el que toma las decisiones. Lee la intención del conductor, fusiona los datos de los sensores, gestiona los cambios de estado y calcula el par de avance lento objetivo ($T_{req}$). Unidad de control del motor (MCU) es el ejecutor rápido. Recibe los comandos de par de las VCU y realiza un seguimiento de corriente del eje $q$ ($i_q$) de alta velocidad en bucle cerrado utilizando el Control Orientado al Campo (FOC).

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|                      VCU - SYSTEM DECISION MAKER                       |
|                                                                        |
|  [Sensors]                                                             |
|  - Accelerator Pedal                                                   |
|  - Brake Pedal / Pressure                                               |
|  - Gear Shift (D/R)                                                    |
|  - IMU (Longitudinal Accel / Slope)                                    |
|                               |                                        |
|                               v                                        |
|                 +----------------------------+                         |
|                 |    Creep State Machine     |                         |
|                 +----------------------------+                         |
|                               |                                        |
|                               v                                        |
|                  Calculated Torque Request (Treq)                      |
+-------------------------------|----------------------------------------+
                                |
                                | CAN Bus (e.g., 10ms cycle)
                                v
+------------------------------------------------------------------------+
|                        MCU - HIGH-SPEED EXECUTOR                       |
|                                                                        |
|                       +----------------------+                         |
|                       | FOC Current Loop     |                         |
|                       | (iq Execution)       |                         |
|                       +----------------------+                         |
|                               |                                        |
|                               v                                        |
|                         [PMSM Motor]                                   |
|                               |                                        |
|         Feedback (Speed w, Rotor Angle theta)                          |
+------------------------------------------------------------------------+

Roles del sistema

1. Unidad de control del vehículo (VCU)

Con un ciclo típico de $10\text{ ms}$, la VCU lee múltiples entradas:

• Entradas del conductor: Recorrido del pedal del acelerador, posición/presión del pedal del freno y marcha (D/N/R).
• Entradas de movimiento: Velocidad de la rueda, inclinación de la unidad de medición inercial (IMU) y aceleración longitudinal.
• Límites del sistema: Límites del sistema de gestión de baterías (BMS) y límites térmicos del inversor.

La VCU procesa estos valores a través de su máquina de estados para encontrar el par de deslizamiento objetivo ($T_{req}$), y luego lo envía a través del bus CAN/CAN-FD.

2. Unidad de control del motor (MCU)

Con una frecuencia mucho mayor (normalmente 10 kHz o 100 µs para el bucle de corriente), el MCU controla el motor físico. Recibe la señal Treq de la VCU y la convierte en una corriente objetivo del eje q ($iq_ref) mediante tablas de consulta específicas del motor ($T-I_q). Utiliza modulación por ancho de pulso vectorial espacial (SVPWM) para accionar el inversor, al tiempo que envía la velocidad real del rotor ($ω) y el ángulo eléctrico ($θ) de vuelta a la VCU.

3. Cómo funciona la máquina de estados de control de deslizamiento de la VCU

¿Cuáles son los estados principales de una máquina de estados de propagación gradual de vehículos eléctricos?

Un algoritmo estándar de aumento gradual de la producción utiliza un Máquina de estados de seis estados: Apoyar (Apagado), Activo (Avance lento en terreno llano), Frenado (Combinando par motor con frenos), Control de la colina (Agarre en pendientes), Salida (Transición a la conducción activa) y Falla (Apagado de seguridad). Las transiciones dependen de la marcha, la velocidad del vehículo ($v$), el recorrido del pedal y el estado del diagnóstico.

       +---------------------------------------------+
       |                  [FAULT]                    |
       +---------------------------------------------+
             ^                  ^              ^
             | Fault            | Fault        | Fault
             |                  |              |
     +---------------+   Brake  |      +---------------+
     |               | --------->----->|               |
     |   [STANDBY]   |                 |   [BRAKING]   |
     |               | <---------<-----|               |
     +---------------+   Release       +---------------+
             |                                 |
             | Speed < Vcreep                  | Brake Released
             | Pedal < 5%                      | Uphill Slope
             v                                 v
     +---------------+                 +---------------+
     |               |---------------->|               |
     |   [ACTIVE]    |   Brake Pressed |  [HILL-HOLD]  |
     | (Flat Creep)  |<----------------| (Slope Comp)  |
     +---------------+                 +---------------+
             |                                 |
             | Pedal > 5%                      | Pedal > 5%
             | Or Speed > Vexit                | Or Speed > Vexit
             v                                 v
       +---------------------------------------------+
       |                  [EXIT]                     |
       |  (Torque Blending / 1st-Order Filter / Ramp) |
       +---------------------------------------------+

Transiciones de estado crítico

Estado 1: En espera

Este es el estado predeterminado cuando la fluencia está desactivada. La VCU ordena un par de fluencia cero ($T_{req} = 0\text{ N}\cdot\text{m}$).

Estado 2: Activo (Desplazamiento lento en terreno llano)

• Reglas de participación:
  1. La marcha es D o R.
  2. Velocidad del vehículo $v < v_{creep}$ (normalmente $10\text{ km/h}$, utilizando una banda de histéresis de $0,5\text{ km/h}$ para evitar que el estado salte de un lado a otro).
  3. Posición del pedal del acelerador (APP) < 5 % (el conductor no está presionando el acelerador).
  4. No se detectaron fallos de alto nivel (como sobretemperatura del BMS, bajo voltaje de tracción, sobretemperatura del motor o sobrecorriente del MCU).

Estado 3: Frenado (Transición de avance lento del freno)

• Reglas de participación: Comienza cuando el conductor presiona el pedal del freno más allá de un punto de inicio establecido (generalmente un recorrido del 15% o un equivalente de presión) mientras está en el estado activo.
• Control: La unidad de control del motor (VCU) reduce el par de frenado en función de la presión que ejerza el conductor sobre el freno. Esta combinación evita que el motor tenga que contrarrestar la fuerza de los frenos mecánicos, lo que ahorra batería y garantiza una frenada suave.

Estado 4: Sujeción de ladera (deslizamiento de la pendiente)

• Reglas de participación: Se activa cuando la velocidad es cercana a cero ($v \approx 0\text{ km/h}$), el conductor suelta el freno y la IMU o el algoritmo de estimación detecta una pendiente ($\theta > \theta_{threshold}$).
• Control: La VCU calcula el par de torsión contrario a la gravedad y lo suma al par de torsión de deslizamiento base para mantener el vehículo en su lugar.

Estado 5: Salida

• Reglas de participación: Se activa cuando:
  • La posición del pedal del acelerador (APP) supera el 5 %.
  • La velocidad del vehículo $v$ supera el umbral de salida $v_{exit}$ (normalmente $10\text{–}12\text{ km/h}$).
• Mezcla de par: Para evitar un aumento repentino del par motor (que provoca sacudidas en la transmisión), la VCU no corta el par motor de arrastre instantáneamente. Utiliza un filtro de paso bajo (LPF) de primer orden o un limitador de velocidad (rampa) en una ventana de $200\text{-}500\text{ ms}$, atenuando el par motor de arrastre a medida que aumenta el par motor aplicado por el pedal del conductor.

Estado 6: Fallo (a prueba de fallos)

• Reglas de participación: Se activa instantáneamente si hay algún código de diagnóstico de avería (DTC) de la VCU, MCU o BMS. La máquina de estados de avance lento se apaga, reduciendo el par a $0\text{ N}\cdot\text{m}$ para mantener la seguridad del vehículo según la norma ISO 26262.

4. Diseño matemático del par de fluencia y la mezcla

¿Cómo se calcula y se suaviza el par motor de avance lento en los vehículos eléctricos?

Calculamos el par de deslizamiento de la base usando una fórmula de decaimiento dependiente de la velocidad: $T_{base}(v) = T_{max} \times \max\left(0, 1 – \frac{v}{v_{exit}}\right)$. Esto reduce el par máximo ($T_{max}$, generalmente $40\text{–}80\text{ N}\cdot\text{m}$) a velocidad cero hasta $0\text{ N}\cdot\text{m}$ a la velocidad de salida ($v_{exit}$). Para evitar impactos en la transmisión, aplicamos diferentes tasas de rampa para el par ascendente y descendente.

Fórmula de decaimiento lineal dependiente de la velocidad

Si el par de arrastre se mantuviera constante, el coche se sentiría demasiado inestable a velocidades altas y débil al detenerse por completo. En cambio, utilizamos una curva de decaimiento dependiente de la velocidad: $$T_{base}(v) = T_{max} \times \max\left(0, 1 – \frac{v}{v_{exit}}\right)$$

Dónde:

• $T_{base}(v)$ es el par de deslizamiento de la base calculado.
• $T_{max}$ es el par máximo de deslizamiento estático a velocidad cero ($40\text{–}80\text{ N}\cdot\text{m}$, ajustado al peso del vehículo y la relación de transmisión).
• $v$ es la velocidad del vehículo en tiempo real.
• $v_{exit}$ es la velocidad en la que el par de deslizamiento llega a cero ($10\text{–}12\text{ km/h}$).

  Creep Torque (Nm)
   ^
   | 
Tmax+----------------\
   |                  \  Flat-Road Creep Curve
   |                   \
   |                    \
   |                     \
   +----------------------+-------------> Vehicle Speed (km/h)
   0                     Vexit (10-12 km/h)

Lógica avanzada de combinación de par

Los cambios bruscos de par motor provocan holgura en la transmisión y molestias a los pasajeros. Es necesario el filtrado en el dominio del tiempo:

1. Limitación de velocidad (Rampa)

Hacemos pasar el par calculado a través de un limitador de tasa de cambio: $$\frac{dT_{req}}{dt} \le \text{Slew\_Rate}$$

2. Sintonización de rampa asimétrica

Para lograr el mejor ajuste, optimizamos las rampas de entrada y salida por separado:

• Rampa activa (liberación del freno): Cuando el conductor suelta el freno, mantenemos una rampa de recuperación de par suave (por ejemplo, entre 100 y 150 N·m/s o una constante de tiempo de filtro de entre 300 y 500 ms). Esto evita un tirón brusco.
• Reducción activa (presión del freno): Cuando el conductor frena bruscamente, el par motor debe disminuir rápidamente (por ejemplo, entre 300 y 500 N·m/s o con una constante de tiempo de filtro de entre 100 y 200 ms). Esto detiene el motor de inmediato para que los frenos físicos puedan detener el coche.

5. Algoritmos de compensación de pendiente y de retención de pendiente

¿Cómo calcula un vehículo eléctrico el par de compensación de pendiente para evitar que retroceda?

Calculamos la compensación de pendiente utilizando el equilibrio de fuerzas en una pendiente: $T_{pendiente} = \frac{M \cdot g \cdot \sin\theta \cdot r_{rueda}}{i_{engranaje} \cdot \eta}$. Al encontrar la fuerza de gravedad ($F_g = M \cdot g \cdot \sin\theta$) a partir de los datos de cabeceo de la IMU o las estimaciones de aceleración dinámica, la VCU agrega este valor de compensación ($T_{pendiente}$) directamente al par de deslizamiento de la base ($T_{base}$) para equilibrar la gravedad.

                  /|
                 / |  Fg = M*g*sin(theta)
                /  v
               /   |
              /    v 
             / [Car]
            /      
           / theta (Slope Angle)
          /------------------------

La física del retroceso

Cuando un vehículo eléctrico se detiene en una pendiente de ángulo $\theta$, la gravedad lo atrae hacia atrás: $$F_g = M \cdot g \cdot \sin\theta$$

Dónde:

• $M$ es la masa del vehículo (incluida la carga útil estimada).
• $g$ es la gravedad ($9,81\text{ m/s}^2$).
• $\theta$ es el ángulo de pendiente.

Si el par de deslizamiento de la base $T_{base}$ convertido en fuerza de la rueda es menor que $F_g$, el vehículo acelerará hacia atrás, lo que provocará un retroceso.

Métodos de detección de pendientes

Método 1: Sensor IMU físico (medición directa)

Lectura de una IMU de 6 ejes para obtener el ángulo de inclinación de la carretera en tiempo real ($\theta$).

• Ventajas: Preciso en reposo o en movimiento lento.
• Desventajas: Capta vibraciones de alta frecuencia de la carrocería y baches en la carretera. Para solucionar esto, utilizamos un filtro paso bajo Chebyshev o Butterworth en la VCU para limpiar la señal.

Método 2: Estimación de la aceleración dinámica (basada en software)

Estimamos la pendiente comparando la aceleración de la rueda ($a_{wheel} = \frac{dv}{dt}$) con el modelo de aceleración requerida por el motor:$$a_{estimated} = \frac{F_{motor} – F_{drag}}{M}$$

Cualquier diferencia entre $a_{estimado}$ y $a_{rueda}$ proviene de la gravedad ($g \cdot \sin\theta$).

• Ventajas: Sin coste adicional de hardware.
• Desventajas: Mayores errores durante aceleraciones o frenadas bruscas.

Fórmula de compensación de pendiente

Una vez que tenemos el ángulo de la carretera $\theta$, la VCU calcula el par motor requerido: $$T_{pendiente} = \frac{M \cdot g \cdot \sin\theta \cdot r_{rueda}}{i_{engranaje} \cdot \eta}$$

Dónde:

• $r_{wheel}$ es el radio de rodadura de los neumáticos.
• $i_{gear}$ es la relación de reducción de la transmisión.
• $\eta$ es la eficiencia del sistema de transmisión (normalmente entre el 95 % y el 98 %).

El par de torsión de deslizamiento total final es: $$T_{creep\_req} = T_{base}(v) + T_{slope}$$

Casos límite de ingeniería: Convenciones de signos direccionales

Tenga en cuenta que el signo de $T_{pendiente}$ debe coincidir con el engranaje y la dirección para evitar errores:

Posición de la marcha	Estado de inclinación	Dirección de la fuerza de gravedad	Signo necesario de $T_{pendiente}$	Comportamiento físico
Conducir (D)	Cuesta arriba (hacia adelante)	Hacia atrás (cuesta abajo)	Positivo ($+$)	Agrega a $T_{base}$ para subir la colina.
Conducir (D)	Cuesta abajo (hacia adelante)	Hacia adelante (cuesta abajo)	Negativo ($-$)	Resta desde $T_{base}$ para evitar que el coche ruede demasiado rápido cuesta abajo.
Marcha atrás (R)	Cuesta arriba (hacia atrás)	Hacia adelante (cuesta abajo)	Positivo ($+$)	Agrega a $T_{base}$ (actuando en dirección inversa) para empujar el vehículo cuesta arriba hacia atrás.
Marcha atrás (R)	Cuesta abajo (hacia atrás)	Hacia atrás (cuesta abajo)	Negativo ($-$)	Resta desde $T_{base}$ para evitar que el coche descienda hacia atrás demasiado rápido.

6. Desafíos y soluciones de ingeniería para FOC de baja velocidad en MCU

¿Cuáles son los principales problemas de FOC a baja velocidad en un controlador de motor de vehículos eléctricos?

El control orientado al campo (FOC) de baja velocidad sufre de tres problemas principales: 1) Mala calidad de la señal actual porque la fuerza contraelectromotriz (BEMF, por sus siglas en inglés) es minúscula cerca de la velocidad cero; 2) Distorsión por tiempo muerto del inversor provocando errores de voltaje en ciclos de trabajo bajos; y 3) Retraso en la posición del rotor a partir de los retardos del Resolver al Convertidor Digital (RDC). Resolvemos estos problemas utilizando ADC de alta resolución, compensación de voltaje en tiempo real y FOC de lazo cerrado con sensores.

       +--------------------------------------------------------+
       |               MCU LOW-SPEED FOC LOOP                  |
       +--------------------------------------------------------+
                               |
                               v
                     [Current Sampling] 
                     - Low SNR / High Noise
                     * Solution: 14+ Bit ADC & Dynamic PI Tuning
                               |
                               v
                     [Park/Inverse Park]
                     - Rotor Angle Error
                     * Solution: 12-16 Bit Resolver (RDC Offset Comp)
                               |
                               v
                     [SVPWM Generation]
                     - Non-linear Dead-time Distortion
                     * Solution: Real-Time Vcomp Injection
                               |
                               v
                     [IPMSM Drive Output]

Desafío 1: Degradación de la relación señal-ruido (SNR)

A altas velocidades, un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) genera una gran fuerza contraelectromotriz (BEMF) que domina el sistema. A velocidades cercanas a cero durante el deslizamiento, la BEMF cae a cero. Esto conlleva los siguientes problemas:

• El bucle de retroalimentación actual es débil frente a la ondulación de corriente, el ruido electromagnético y los errores de cuantificación del convertidor analógico-digital (ADC).
• Este ruido se transmite a través de las transformaciones de Clarke y Park, provocando oscilaciones en el bucle de corriente del eje q ($i_q$). Esto se manifiesta como un zumbido del motor y vibraciones en el volante.

Soluciones de ingeniería

1. Convertidores analógico-digitales de alta resolución: Utilizamos sensores de corriente de alta precisión con registros ADC de 14 o 16 bits.
2. Filtrado de ancho de banda: Aplicamos filtros paso bajo por software a las señales de retroalimentación de corriente, ajustando la frecuencia de corte para proteger el margen de estabilidad del bucle de corriente.
3. Programación dinámica de ganancia PI: Reducimos las ganancias del controlador PI del bucle de corriente ($K_p$ y $K_i$) a bajas velocidades. Esto detiene las oscilaciones de alta frecuencia y permite que la respuesta del par se ralentice ligeramente (lo cual es adecuado para maniobras de avance lento).

Desafío 2: Efecto de tiempo muerto del inversor

Para evitar un cortocircuito entre los dispositivos de conmutación de lado alto y lado bajo (IGBT o MOSFET de SiC) de una rama del inversor, programamos un breve retardo físico llamado “tiempo muerto” ($t_{muerto}$, generalmente $1\text{–}4\text{ }\mu\text{s}$) en las señales de puerta.

Gate HS  ___|~~~~~~~~~|_____                  (High-Side Gate Signal)
            <--t_dead-->
Gate LS  ~~~~~~~~~|_____|~~~                  (Low-Side Gate Signal)

A bajas velocidades, el inversor funciona con ciclos de trabajo PWM muy pequeños (baja tensión de salida). Durante este tiempo, la tensión de error por tiempo muerto representa un porcentaje elevado de la tensión de salida, lo que provoca una distorsión no lineal. Esta distorsión genera una ondulación de corriente de sexto armónico, que a su vez produce ondulación de par y vibraciones en el vehículo.

Solución: Compensación de tiempo muerto en tiempo real

El MCU compensa esta distorsión de voltaje en el módulo SVPWM. En función de la dirección de la corriente, añadimos un vector de voltaje de compensación ($V_{comp}$) en tiempo real:$$V_{comp} = \frac{V_{dc} \cdot t_{dead}}{T_{pwm}} \cdot \text{sign}(i_{phase})$$

Dónde:

• $V_{dc}$ es la tensión del bus de CC de la batería de tracción.
• $t_{muerto}$ es el tiempo muerto físico más los retrasos de conmutación del dispositivo.
• $T_{pwm}$ es el período de conmutación de la portadora PWM (por ejemplo, $100\text{ }\mu\text{s}$ para una frecuencia de conmutación de $10\text{ kHz}$).
• $\text{sign}(i_{phase})$ es el signo de la corriente de fase correspondiente ($+1$ para flujo hacia afuera, $-1$ para flujo hacia adentro).

Desafío 3: Errores en la estimación de la posición del rotor

El control preciso orientado al campo depende de conocer el ángulo eléctrico exacto del rotor ($\theta$) para alinear los campos magnéticos.

• La estimación de FOC sin sensores falla a velocidad cero porque no hay BEMF que rastrear.
• El control de campo óptico (FOC) con sensor (que utiliza un resolver físico) se basa en un chip convertidor de resolver a digital (RDC). A bajas velocidades, el bucle de seguimiento dentro del RDC introduce retardos y desfase. Si no se corrige, este desfase provoca un desplazamiento angular $\Delta\theta$, que acopla las corrientes de los ejes $d$ y $q$ y causa oscilación del bucle.

Solución

Para el avance lento de vehículos de pasajeros, FOC con sensor El uso de un resolvedor de alta resolución (que utiliza un RDC de 12 a 16 bits) es estándar. El microcontrolador utiliza un algoritmo de adelanto de fase angular dependiente de la velocidad para corregir los retrasos de propagación del RDC a bajas velocidades.

7. Inyección de alta frecuencia para control de velocidad cero

¿Cómo permite la inyección de alta frecuencia (HFI) el control de motores de baja velocidad sin sensores?

HFI inyecta una señal de voltaje de alta frecuencia (generalmente entre 5 y 20 V a 500 Hz y 2 kHz) en el eje d de un motor síncrono de imanes permanentes internos (IPMSM). Al medir la respuesta de corriente de alta frecuencia resultante en el eje q, que varía debido a las diferencias magnéticas de los rotores (L_d ≠ L_q), el algoritmo encuentra la posición exacta del rotor hasta velocidad cero sin utilizar la fuerza contraelectromotriz.

   d-axis HF Voltage Injection (5-20V, 500Hz-2kHz) 
                         |
                         v
                [IPMSM Rotor Saliency] (Ld != Lq)
                         |
                         v
     Analyze q-axis HF Current Response ---> Extract Rotor Position

La teoría de HFI

Para vehículos que intentan un control sin sensores a velocidad cero, la estimación estándar de la fuerza contraelectromotriz no funciona. En cambio, la inyección de alta frecuencia (HFI) aprovecha las diferencias estructurales (saliente magnética) de los motores síncronos de imanes permanentes internos (IPMSM), donde la inductancia del eje $d$ ($L_d$) difiere de la inductancia del eje $q$ ($L_q$).

Al inyectar una tensión portadora de alta frecuencia en el eje $d$ estimado: $$V_{hfi} = V_m \cdot \sin(\omega_h \cdot t)$$

La variación magnética produce una corriente de alta frecuencia correspondiente en el eje q. La demodulación de esta respuesta de corriente genera una señal de error proporcional a la diferencia angular entre las posiciones estimadas y reales del rotor: $$\Delta\theta = \theta_{actual} – \theta_{estimated}$$

Un observador de seguimiento (que utiliza un bucle de enganche de fase) reduce este error a cero, lo que permite el seguimiento de la posición hasta 0 rpm.

Las compensaciones en el rendimiento

HFI tiene desventajas de ingeniería en el mundo real:

1. Ruido audible (NVH): Al inyectar una onda de voltaje de $500\text{ Hz–}2\text{ kHz}$, la estructura del motor vibra, generando un zumbido metálico agudo que los pasajeros pueden oír.
2. Pérdidas adicionales: La excitación de alta frecuencia aumenta las pérdidas por efecto Joule y por efecto Joule, lo que reduce ligeramente la eficiencia.

Estrategia híbrida de estimación de posición

Para lograr un nivel de silencio aceptable, los vehículos de producción utilizan una estrategia de estimación dual:

• Abajo $50\text{ rpm}$ (< 5 km/h): El sistema HFI está totalmente activo para garantizar un par motor estable y evitar el retroceso.
• Arriba $50\text{ rpm}$: El controlador realiza la transición de HFI a un observador de modo deslizante BEMF estándar (SMO) o a un observador de flujo activo.
• Fusión de transición: Durante la ventana de velocidad de transición, un filtro de promedio ponderado combina los ángulos de posición de ambos observadores para evitar cualquier salto repentino en el ángulo estimado, lo que desencadenaría un choque de torsión.

8. Guía práctica de calibración y depuración de ingeniería

Tabla de referencia rápida con problemas comunes de deslizamiento y sus soluciones

Esta matriz de solución de problemas detalla los problemas más comunes de deslizamiento a baja velocidad, sus causas raíz y las soluciones de calibración:

No.	Problema Síntoma	Causa principal	Dirección de ajuste/calibración
1	Velocidad de avance lento demasiado alta	Ajustes de par de deslizamiento base elevados o límite de velocidad de salida demasiado alto.	• Reduzca el par estático máximo $T_{max}$ en los parámetros de la VCU.• Reduzca el umbral de velocidad de salida de deslizamiento $v_{exit}$ para estrechar la ventana de deslizamiento.
2	Sacudida de lanzamiento (impacto de activación)	El aumento del par motor es demasiado brusco, o bien la transición entre los estados de espera y activo es deficiente.	• Aumentar la constante de tiempo del filtro de rampa de activación (por ejemplo, aumentar de $200\text{ ms}$ a $400\text{ ms}$).• Reducir la tasa máxima permitida de cambio de par ($dT/dt$).
3	Sacudida al soltar el freno	La pendiente de recuperación del par motor en avance lento es demasiado pronunciada cuando el conductor suelta el pedal del freno.	• Disminuya la pendiente de la rampa de recuperación de par (utilice una curva asimétrica con una pendiente ascendente más suave al soltar el freno).
4	Retroceso de colina	• Datos ruidosos del ángulo de cabeceo de la IMU.• Subcompensación del par de pendiente ($T_{pendiente}$).	• Ajuste el filtro de paso bajo de la IMU para eliminar el ruido de vibración.• Aumente el multiplicador de compensación de pendiente.• Calibre un pequeño desplazamiento dinámico del par de avance.
5	Ondulación de par a baja velocidad (vibración)	• La compensación del tiempo muerto del inversor está desactivada o mal ajustada.• Alto ruido en el sensor que provoca inestabilidad en el bucle de corriente.	• Active o ajuste la tabla de búsqueda de compensación de tiempo muerto SVPWM ($V_{comp}$ frente a $V_{dc}$).• Reduzca la ganancia proporcional del controlador PI del bucle de corriente ($K_p$) a velocidades inferiores a $100\text{ rpm}$.
6	Amortiguación de entrada/salida	Mala transferencia de par entre el controlador de avance lento de la VCU y el mapa principal del pedal del acelerador.	• Ajustar el algoritmo de transición.• Pasar la diferencia ($\vert{}T_{creep} – T_{driver}\vert{}$) a través de una función de fundido cruzado durante la transferencia.

La importancia del registro de datos a alta velocidad

Un error común en la calibración a baja velocidad es confiar en los registros estándar del bus CAN. Los mensajes CAN del tren motriz generalmente se transmiten a intervalos de $10\text{ ms}$ o $100\text{ ms}$. Las perturbaciones en la transmisión y las oscilaciones del bucle de corriente ocurren en ventanas cortas de $50\text{-}200\text{ ms}$.

Con una frecuencia de muestreo CAN de 100 ms, estos fenómenos parecen ruido menor. Para encontrar la fuente, los ingenieros deben usar herramientas DAQ internas de alta velocidad (como CCP/XCP a través de Ethernet o USB a CAN de alta velocidad) para registrar las variables del MCU (incluidas las corrientes de fase i_{a,b,c}$, los comandos de corriente i_{d,q}$, el ángulo real del rotor θ y los ciclos de trabajo PWM) a 1 kHz. o superior.

[CAN Bus Log @ 100ms]      *-------------------*-------------------* (Misses transients)

[MCU Internal Log @ 1kHz]  *-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-* (Captures 50ms shocks)

9. Resumen de los principales aspectos técnicos

El control de la fluencia es un desafío de ingeniería que, si bien es simple en concepto, es complejo en la práctica. Lograr una experiencia de fluencia a baja velocidad de calidad de producción requiere optimización en múltiples áreas:

• La VCU Debe gestionar una máquina de estados robusta y multiestado, y aplicar cálculos precisos de mezcla de par que tengan en cuenta la pendiente para mantener la estabilidad del vehículo.
• El MCU Debe ejecutar un control de flujo avanzado (FOC), aplicando compensación de voltaje de tiempo muerto en tiempo real y filtrado dinámico del bucle de corriente para mantener un par estable a bajas velocidades.
• El ingeniero de calibración Es necesario equilibrar estos algoritmos utilizando herramientas de registro de alta frecuencia para eliminar el margen entre una conducción fluida y una conducción brusca y a tirones.

A medida que los sistemas de propulsión de los vehículos evolucionan hacia controladores de dominio centralizados y plataformas de control electrónico, el control de avance lento se volverá aún más inteligente, ajustando sus mapas de par base mediante la predicción del tráfico y la lectura de datos topográficos en la nube.

10. Referencias y lecturas adicionales

Estos recursos abarcan la investigación y los fundamentos de las patentes relacionadas con el control de motores y el avance lento a baja velocidad:

• [1]Patente estadounidense 9873353: Sistema y método para controlar el par de deslizamiento de un vehículo eléctrico. Cubre las curvas de transición de par de frenado a avance lento de la VCU y las funciones de decaimiento activo.Enlace al PDF de la patente
• [2]Patente estadounidense 9308831: Sistema y método para controlar el par de avance lento del vehículo. Se centra en la lógica de detección de pendientes y en las funciones de seguridad anti-retroceso.Enlace al PDF de la patente
• [3]Análisis técnico de EVreporter: Control orientado al campo de motores síncronos de imanes permanentes en vehículos eléctricos. Explica los bucles de corriente FOC y las transformaciones de coordenadas a baja velocidad.Enlace al artículo
• [4]Ciencia Directa (2022): Desarrollo de un algoritmo de control orientado al campo para motores PMSM en vehículos eléctricos. Investigación académica sobre la estimación de estado a baja velocidad y la estabilidad del bucle de control del motor.Enlace al artículo
• [5]Blog de ingeniería de CSDN: Estrategias de gestión de par y calibración de fluencia de la VCU. Guía práctica de software que abarca el código de transición de estados.Enlace al artículo