Desenvolvimento e Validação Experimental de um Inversor de Tensão com Controle Orientado a Campo para Veículos Elétricos de Competição

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a validação experimental de um inversor de tensão trifásico com controle orientado a campo (Field-Oriented Control, FOC) e modulação por vetor espacial (Space Vector Modulation, SVM), destinado ao sistema de tração de um veículo elétrico de competição da Formula SAE. O objetivo é disponibilizar para a equipe um inversor próprio, de custo compatível com o contexto estudantil, capaz de acionar uma máquina de indução trifásica a partir de um barramento em torno de 144 V, com frenagem regenerativa e integração direta com os sistemas de alta tensão e telemetria do veículo por meio de barramento Controller Area Network (CAN). O método adotado combina o levantamento de requisitos elétricos, térmicos e regulatórios com o projeto do estágio de potência baseado em módulos Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), barramento CC e sistema de arrefecimento ativo, além do desenvolvimento de uma plataforma de controle modular baseada no microcontrolador TMS320F28069M e em firmware derivado da infraestrutura InstaSPIN–FOC. A validação segue a mesma estrutura do trabalho: inicialmente são realizados ensaios em bancada em baixa potência, que permitem verificar a integridade funcional das placas, refinar o condicionamento dos sinais de realimentação, mitigar problemas de interferência eletromagnética (Electromagnetic Interference, EMI) e comprovar a estabilidade do controle em malha fechada; em seguida, o sistema é testado em veículo, incluindo a participação na Fórmula SAE Brasil 2024, na qual o inversor opera de forma confiável, viabiliza um novo recorde interno na prova de Enduro (quatro voltas com consumo de aproximadamente 0,638 kWh) e contribui para que a equipe obtenha a maior pontuação na categoria de powertrain do evento de Design; por fim, são apresentados resultados adicionais com o protótipo 2025, que demonstram aceleração de 0–50 km/h em cerca de 2,7 s, potência de pico em torno de 17 kW, frenagem regenerativa com aproximadamente 5 kW e operação térmica segura em aproximadamente 18,5 km de testes em pista, com temperatura interna do inversor amplamente abaixo dos limites de projeto. Em paralelo, uma plataforma de Hardware-in-the-Loop (HIL) suporta a calibração do controle de corrente e de velocidade, a avaliação de cenários de falha e a exploração de pontos de operação que seriam difíceis ou arriscados de reproduzir fisicamente. Esses resultados indicam que o inversor desenvolvido é robusto, eficiente e adequado a aplicações de tração elétrica de alta demanda, constituindo uma base sólida para futuras evoluções do trem de força da equipe.

This work presents the development and experimental validation of a three-phase voltage source inverter with field-oriented control (FOC) and space vector modulation (SVM), intended for the traction system of a Formula SAE electric race vehicle. The objective is to provide the team with an in-house inverter, with a cost compatible with the student context, capable of driving a three-phase induction machine from a DC bus around 144 V, with regenerative braking and direct integration with the vehicle high-voltage and telemetry systems via a CAN bus. The adopted method combines the definition of electrical, thermal and regulatory requirements with the design of the power stage based on IGBT modules, DC bus and active cooling system, as well as the development of a modular control platform based on the TMS320F28069M microcontroller and firmware derived from the InstaSPIN-FOC infrastructure. Validation follows the same structure as the work: first, low-power bench tests are carried out, which verify the functional integrity of the boards, refine feedback signal conditioning, mitigate EMI issues and demonstrate the stability of closed-loop control; then, the system is tested in the vehicle, including participation in Formula SAE Brazil 2024, in which the inverter operates reliably, enables a new internal record in the Endurance event (four laps with consumption of approximately 0.638 kWh) and contributes to the team achieving the highest score in the powertrain category of the Design event; finally, additional results are presented with the 2025 prototype, which demonstrate 0-50 km/h acceleration in about 2.7 s, peak power around 17 kW, regenerative braking of approximately 5 kW and safe thermal operation over approximately 18.5 km of on-track testing, with inverter internal temperature well below the design limits. In parallel, a Hardware-in-the-Loop (HIL) platform supports the calibration of current and speed control, the evaluation of fault scenarios and the exploration of operating points that would be difficult or risky to reproduce physically. These results indicate that the developed inverter is robust, efficient and suitable for high-demand electric traction applications, providing a solid basis for future evolutions of the team’s powertrain.