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Máquinas Eléctricas y Controles Comúnmente Utilizados para Tracción de Autos
Eléctricos
Conference Paper · September 2016
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Montiel Gómez German
Instituto Tecnológico de Apizaco
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Roberto Morales-Caporal
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J.F. CASCO VASQUEZ
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CIINDET 2016 – ID: 109 1
Máquinas Eléctricas y Controles Comúnmente
Utilizados para Tracción de Autos Eléctricos
G. Montiel-Gomez1
, R. Morales-Caporal2
, J. F. Casco-Vásquez3
, L. A. Ruiz Hernández4
División de Estudios de Posgrado e Investigación
Conurbado Apizaco-Tzompantepec, Tlaxcala, C.P. 90300.
Resumen: En este trabajo se presenta un estudio de las
diferentes máquinas eléctricas (ME) comúnmente utilizadas en
autos eléctricos accionadas a través de convertidores estáticos
de potencia y topologías modernas de control. Además, se hace
una selección de la ME y la topología de control a implementar
en un prototipo.
Palabras clave: Máquinas eléctricas, autos eléctricos, control
digital.
I. INTRODUCCIÓN
El auto 100% eléctrico es la alternativa del futuro a la
movilidad y el transporte urbano, gracias a la utilización de
una energía limpia y eficiente como lo es la energía eléctrica.
La eficiencia energética del auto eléctrico es casi el doble
que el de combustión interna [1]. Actualmente el precio de
adquisición de los autos eléctricos es más elevado que el de
los autos de combustión de características similares,
especialmente si están equipados con baterías de Litio [2].
La Figura 1. 1 muestra la clasificación de las máquinas
eléctricas más utilizadas en autos eléctricos (AE).
Fig. 1 Máquinas eléctricas comúnmente utilizadas en AE.
II. MÁQUINAS ELÉCTRICAS COMÚNMENTE UTILIZADAS
EN AE.
1) Las Máquinas de Corriente Directa (MCD): son las
tradicionales en tracción eléctrica, suelen utilizarse cuando
se necesita precisión en el control. Las MCD [3]. La MCD
ha sido implementada en los AE por la simpleza del control.
Inconvenientes: De construcción voluminosa y necesidad de
mantenimiento continuo por la presencia del conmutador
mecánico (escobillas).
2) Las Máquinas de Corriente Directa Brushless
(MCDB): tienen la característica de que no emplean
escobillas en la conmutación para la transferencia de energía
(Figura 2); en este caso, la conmutación se realiza
electrónicamente. Las MCDB tienen muchas ventajas frente
a los motores DC con escobillas y frente a los motores de
inducción. Por esto, actualmente se están empleando en la
industria automotriz. Sus ventajas son mayor eficiencia,
mayor rango de velocidad, mayor respuesta dinámica y
mejor rango de velocidad. Pero su costo es alto y su control
es complejo y caro.
Fig. 2 Máquina de CD Brushless
3) La Máquina Síncrona de Imanes Permanentes
(MSIP): con aplicación a autos eléctricos es de construcción
similar a la de cualquier máquina trifásica. El rotor pude ser
de montaje superficial (Surface Mounted), interior radial o
circunferencial (Figura 3) con la intención de generar el
campo magnético del rotor teniendo mejores resultados el
interno [4]. Su aplicación en auto (máquina de 10kw en el
“INSIGHT” de HONDA) [5] se debe a que tiene una mayor
densidad de potencia que las máquinas asíncronas (MA) [6].
Fig. 3 Tipos de rotor de la MSIP
(a)Montaje superficial, (b)Montaje interno radial(c) circunferencial.
_________________________________________________
Fecha de presentacion del artículo: 15 de Abril de 2016
“Este trabajo está siendo apoyado financiadamente por el Instituto
Nacional de México bajo el Proyecto Número 5703.16P”.
1
Ing. German Montiel Gomez es Estudiante de la Maestría en Ingeniería
Mecatrónica en el Instituto Tecnológico de Apizaco, Tlaxcala.
gerbet31@hotmail.com
2
Dr. Roberto Morales Caporal es Profesor Investigador del Instituto
Tecnológico de Apizaco, Tlaxcala. rmcaporal@ieee.org
3
Dr. José Federico Casco Vásquez es Profesor Investigador y Jefe de
Posgrado del Instituto Tecnológico de Apizaco, Tlaxcala.
jfcasco2001@gmail.com
4
Ing. Luis Antonio Ruiz Hernández es Estudiante de la Maestría en
Ingeniería Mecatrónica en el Instituto Tecnológico de Apizaco, Tlaxcala.
la.ruiz.hd@gmail.com

4
Fig. 4 Configuración de la máquina de flujo axial.
(a)rotor simple-estator simple (b)doble rotor-estator simple
(c)rotor simple-doble estator
5) En Máquina Síncrona de Reluctancia Conmutada
(MSRC): a diferencia del motor de inducción y el motor de
CD, la MSRC tiene menos pérdidas de energía, es decir tiene
una mayor eficiencia. Sin embargo, su diseño y control son
complejos [8]. La MSRC es una máquina de polos salientes
en el rotor y en el estator como lo muestra la Figura 5, por lo
que posee características altamente no lineales, aunque ha
ganado mucho interés en aplicaciones de tracción vehicular
debido a su construcción robusta y su característica par-
inercia. Sin embargo, sus inconvenientes son: ruido audible,
alto rizado en el par que presenta y bajo factor de potencia
[9].
Fig. 5 Esquema de una MSRC
6) La Máquina Asíncrona (MA) o máquina de inducción
trifásica (MIT) son simples en su construcción, requieren
poco mantenimiento, son más económicos y pequeños
comparados con los de CD. El poco mantenimiento y bajo
costo de las máquinas de inducción las convierte en una
alternativa atractiva para aplicaciones de AE. Una desventaja
de los motores de inducción trifásicos es que su control es
más complicado comparado con uno de CD. Además, el
modelo matemático del motor es de alto orden, no lineal y
fuertemente acoplado. Su control es muy complejo y de gran
dificultad cuando se busca la operación en un amplio rango
de velocidades [10]. Hoy en día se están implementando MA
energizadas mediante convertidores electrónicos con
diversas técnicas de control. La MA ha sido implementada
en AE (“ROADSTER” DE TESLA MOTORS Y EN EL
“KANGOO” DE RENAULT).
III. TÉCNICAS DE CONTROL DE LAS ME
Las técnicas de control se pueden clasificar en dos
categorías: el control escalar y el control vectorial.
A. Técnica de Control Escalar
Una de las técnicas de control más utilizadas en las ME es la
del control escalar o control V/F; esta tiene como objetivo
variar el voltaje de alimentación en proporción a la
frecuencia en la MIT [11]. Para mantener el flujo constante
se debe disminuir el voltaje linealmente en proporción a la
frecuencia. Este proceso se conoce como degradación
(derating). Si esto no se hace, se satura el acero del núcleo de
la máquina y fluyen corrientes de magnetización excesivas.
Si la frecuencia aplicada en el estator se disminuye un 20 %,
mientras que la magnitud del voltaje aplicado a éste
permanece constante, el flujo en el núcleo del motor se
incrementara en un 20% y la corriente de magnetización
también. Una técnica que permite variar en proporción el
voltaje aplicado en el estator y la frecuencia aplicada es la
modulación por ancho de pulso (PWM) mediante la
conversión DC/AC [12].
Los datos de la tabla de la Figura 6 son ciertos si se
desprecian el Vb. No obstante, cuando este voltaje se
desprecia no se garantiza que la máquina arranque o
funcione a bajas velocidades dado que el par inducido es
inversamente proporcional a la frecuencia.
(a)
(b)
Fig. 6 (a) Grafica relación V/F
(b) Relación V/F cuando Valim. = 240 v a 60 Hz.
CIINDET 2016 – ID: 109
Inconvenientes: El convertidor electrónico es similar al de la
MA, pero como no debe magnetizar la máquina, conduce
menor corriente. Debido a las reactancias más bajas debe
trabajar con mayor frecuencia de conmutación o aumentará
el rizado de la corriente.
4) La Máquina Síncrona de Flujo Axial (MSFA): es
aplicada a AE´s ya que puede ser integrada directamente en
la rueda del vehículo por el diseño de su estructura,
optimizando el espacio en el AE y simplificando los
acoplamientos mecánicos entre motor y rueda [7]. La
máquina tiene estator y rotor dispuestos de forma
longitudinal sobre el eje (Figura 4).
Inconvenientes: esfuerzos radiales y mantenimiento costoso.

3
Con el control escalar se puede obtener un control
satisfactorio en lazo abierto cuando el motor trabaja a valores
estables del par, sin muchos requerimientos de la velocidad.
Cuando la aplicación requiere de una respuesta dinámica
rápida, en la velocidad o en el par, es necesario operar la
máquina en lazo cerrado.
B. Técnica de Control Vectorial
Las técnicas de control vectorial permiten desacoplar las
variables de control; ya sea voltaje, corriente, frecuencia, par
electromagnético o flujo magnético. El control vectorial de
una ME de CA permite mejorar su respuesta dinámica,
aproximándola a la ME de CD.
1) Control por Campo Orientado: Con la introducción
de la teoría del control de campo orientado [13], o FOC
(field oriented control) y los aportes presentados en [14] con
el control directo del par o DTC (direct torque control) los
esfuerzos de los investigadores se han centrado en mejorar
las prestaciones dinámicas de la ME. La modulación
vectorial o control vectorial aplicado al control de la ME,
constituye un conjunto de estrategias que mejora el
rendimiento de la máquina controlando el torque, la
velocidad y la posición del eje de la máquina.
La finalidad de la modulación vectorial aplicado a las ME es
lograr un tipo de control lineal, independizando a la corriente
que produce el flujo magnético, de la corriente que produce
el Par de la máquina. De esta manera se obtendrá un control
lineal similar al de la MDC, que posee dos bobinados
desacoplados y por tanto la corriente del campo
magnetizante se controla en forma independiente de la
corriente de armadura. Para lograr esto, debido a que las
máquinas asíncronas no poseen dos bobinados desacoplados,
se recurre a crear una referencia circuital ficticia y
equivalente, de dos bobinados dispuestos en cuadratura (a
90º eléctricos) en el estator, en reemplazo de los tres
bobinados reales (de 120° separados vectorialmente), lo cual
se obtiene transformando el sistema trifásico de corrientes
estatóricas en un sistema bifásico de corrientes en
cuadratura, no estacionario, que gira sincrónicamente con el
campo magnético del rotor (Figura 7). En consecuencia,
estas dos corrientes representan a los dos bobinados
desacoplados y por lo tanto podrán controlarse en forma
independiente. En este nuevo sistema de referencia las dos
corrientes estatóricas son procesadas como vectores rotantes
[15].
Fig. 7 Transformación del sistema trifásico en bifásicos equivalentes.
Por uno de los bobinados (eje d) circula la corriente que
produce el flujo magnetizante y por el otro (eje q) la
corriente que produce el Par electromagnético del motor. La
transformación se puede realizar en cualquier magnitud
trifásica (tensión, corriente, flujo, etc.) puede representarse
por un vector espacial, que gira con velocidad angular ω.
El control vectorial, presenta mayor complejidad que los
controles escalares, pero son implementados sin mayor
dificultad, gracias a los microprocesadores y con mejor
prestación los DSP (Digital Signal Procesor) dedicados a
esta función y especialmente para el control de la ME,
constituyendo un sistema de control de alta eficiencia. La
Figura 8 muestra un esquema FOC directo para una MIT,
esquema que indica la orientación de flujo de rotor.
Fig. 8 Esquema de un control FOC directo para una MIT
2) Control Directo de Par: El esquema del DTC logra
una respuesta del par de la máquina de inducción más rápida
que las logradas por el FOC (<1ms) [16], no se necesita
transformación de coordenadas estacionarias a rotatorias, ni
una técnica de PWM. Sin embargo, este esquema de control
no permite la regulación de la demanda de corriente y
adicionalmente el par generado presenta un fuerte rizado.
La idea básica del DTC es calcular los valores instantáneos
del par y del flujo a partir de las variables del estator de la
máquina. El par y el flujo se controlan directamente y de
forma independiente mediante la selección optima de los
estados de conmutación del inversor y limitando los errores
del flujo y del par mediante controladores de histéresis del
flujo y del par. En la Figura 9 se muestra el diagrama básico
del DTC.
Fig. 9 Diagrama de bloques del sistema DTC
La técnica nos indica que el par de la ME se controla
efectivamente con la rotación del vector del flujo del estator
utilizando estados de conmutación adecuados. En el mismo
tiempo se controla la magnitud del vector del flujo de estator
de la misma manera, es decir, con la utilización de estado de

4
conmutación del inversor. Este valor se puede cambiar según
los requisitos de la consigna del flujo. Los detalles del
funcionamiento se pueden obtener con la ayuda de las Figura
10 los valores calculados del par y del flujo se comparan con
sus consignas. Los errores entran en los controladores de
histéresis. Sus salidas son señales lógicas de valores
discretos +1,0,-1 que se aplican a la tabla de conmutación
(Fig. 11 b) que elige uno de los ocho estados posibles del
vector espacial de la tensión (Fig. 9 a) del inversor.
La técnica nos indica que el par del motor se controla
efectivamente con la rotación del vector del flujo del estator
utilizando estados de conmutación adecuados. En el mismo
tiempo se controla la magnitud del vector del flujo de estator
de la misma manera, es decir, con la utilización de estado de
conmutación del inversor. Este valor se puede cambiar según
los requisitos de la consigna del flujo.
Los detalles del funcionamiento se pueden obtener con la
ayuda de las Fig. 8 los valores calculados del par y del flujo
se comparan con sus consignas. Los errores entran en los
controladores de histéresis. Sus salidas son señales lógicas
de valores discretos +1,0,-1 que se aplican a la tabla de
conmutación (Fig. 9 b) que elige uno de los ocho estados
posibles del vector espacial de la tensión (Fig. 9 a) del
inversor.
Fig. 10 (a) Variación del flujo estatórico en el sector 1”.
(b)Resumen de las influencias de los vectores
espaciales de la tensión sobre el flujo y el par.
(a)
(b)
Fig. 11 (a) Vectores espaciales de tensión VSI instantaneos
(b) Tabla de conmutación
3) Control Potencia Constante: La técnica del control
directo de potencia es muy rápida computacionalmente
hablando, debido a que el vector espacial se escoge a partir
de una tabla preexistente en función de la zona espacial del
enlace de flujo, y de los errores de potencia. La
determinación matemática de estos vectores desplaza su
centro de giro y para obtener el control deseado es necesario
calcular este punto. Este método requiere que los vectores
espaciales giren en torno al origen de coordenadas y este
proceso introduce perturbaciones de magnitud considerable
en las potencias y en la corriente del enlace.
La Figura 12 muestra la relación de la potencia que es
constante, pero el par al llegar a la velocidad nominal
empieza a decaer.
Fig. 12. Relación par, potencia y voltaje respecto a la velocidad nominal.
IV. MÁQUINA SELECCIONADA Y TÉCNICA DE CONTROL
A IMPLEMENTAR
En la Tabla 1 se presenta la comparación de las diferentes
máquinas aplicadas a AE´s [17-18]. La elección de la
máquina implica tomar en cuenta la conveniencia de quien lo
seleccione.

5
Rubro Rango
máximo
MCD MCDB MSIP MSRC MIT
Densidad de potencia 5 2.5 4.5 5 4 3.5
Eficiencia 5 2.5 4.5 5 4 4
Control 5 5 4 4.5 4.5 4
Confiabilidad 5 3 4 4 5 4.5
Robustez 5 4 3.5 4 4 5
Mantenimiento 5 3 4 4 4.5 5
Costo 5 3 3 3.5 4.5 5
Total 35 23.0 27.5 30.0 30.5 31.0
TABLA 1. Comparación de las máquinas eléctricas.
En el Instituto Tecnológico de Apizaco en la división de
Estudios de Posgrado se realiza un control de velocidad para
la máquina de inducción trifásica (MIT) de 11 KW a 440 V
que es con la que se cuenta actualmente y que de acuerdo a
la tabla 1 es la que mejor conviene a nuestros intereses a
implementar. Cabe mencionar que el control (PWM) se
lleva acabo con un DSP TMS320F28335 “Delfino
Microcontroller” de Texas Instruments y en la parte de
potencia (inversor) el drive IRAMX20UP60A de
International Rectifier. Resultados experimentales serán
mostrados en trabajos futuros.
V. CONCLUSIONES
Se han mencionado las ventajas e idoneidad de las máquinas
implementadas a tracción eléctrica para el transporte urbano.
La principal conclusión extraída por el trabajo expuesto es
que la máquina de inducción trifásica de rotor jaula de ardilla
es que cumple los requisitos (costo-robustez-mantenimiento)
en los autos eléctricos.
Las actuales capacidades de las baterías hacen que los autos
totalmente eléctricos se perciban como de limitada utilidad
por su autonomía y tiempos de recarga.
Mientras dure el proceso de evolución de las prestaciones del
vehículo 100 % eléctrico (baterías) hasta alcanzar los
requerimientos a los que el actual usuario de vehículos está
acostumbrado, los vehículos híbridos juegan un papel
decisivo en esta transición.
VI. REFERENCIAS
[1] IDEA, Estrategia de Movilidad Española Asociación
Europea para Vehículos Eléctricos a Batería; Mix Eléctrico
Español según informe básico 2008 sobre sectores de la
energía de la CNE.
[2] A. I. Stan, D. I. Stroe; "A Comparative Study of Lithium
Ion to Lead Acido Batteries for use in UPS Aplications".
IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014
[3] L. C. Diego, Tesis de Maestría en Ciencias: Control de
un Motor Brushless para Aplicación a Vehículos Eléctricos.
(2010), Morelos, México.
[4] J. Bernatt, T. Glinka, M. Jakubiec, E. Król, R. Rossa
Electric Motors with Permanent Magnets with Two-Zone
Rotational Speed Control Research and Development Centre
of Electrical Machines KOMEL Al. Rozdzienskiego 188, PL
40-203 Katowice, Poland.
[5] K. Aoki et al., “Development of integrated motor assist
hybrid system: Development of the ‘Insight’, a personal
hybrid coupe,” SAE Technical Paper Series, Paper # 2000-
01-2216
[6] F. Aguilera Tesis de Maestría Puesta en Operación de un
Sistema de Tracción para un Vehículo Eléctrico. (2010).
CENIDET. pp. 27-31
[7] Profumo, Francesco; Zheng Zhang and Alberto Tenconi:
"Axial Flux Machines Drives: A New Viable Solution for
Electric Cars", IEEE Transactions on Industrial Electronics,
Vol. 44, No.1, February, 1997.
[8] A. Fitzgerald, C. Kingsley, S. Umans (2003). Electric
Machinery. Editorial Mc Graw Hill. Nueva York.
[9] F. Andrada, B. Blanque, F. Castellana, E. Martínez, J.
Perat, J. Sánchez, M. Torrent (2004). El Motor de
Reluctancia Autoconmutado. Revista Técnica Industrial
Especial Electricidad y Magnetismo.
[10] H. Liu, Y. Zhou, Y. Jiang, L. Liu, T. Wang, B. Zhong
(2005). Induction Motor Drive Based on Vector Control for
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Conference on Electrical Machines and Systems, Vol. 1, pp.
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[11] J.L. Diaz. Estrategias Avanzadas de control en
accionamientos de corriente alterna. Universidad de
Camagüey, Cuba. (2004). Revista Ciencia e Ingenieria
Vol.25 No.1
[12] Constant Volts/Hertz Operation for Variable Speed
Control of Induction Motors.
http://www.depeca.uah
[13] F. Blaschke, “The principle of Field Orientation as
applied to the new Transvector-Closed Loop Control
Systems for Rotating Field Machines”, Siemens Review,
1972.
[14] I. Takahashi, T. Noguchi, “A New Quick Response and
High-Efficiency Control Strategy of and Induction Motor”,
IEEE Transaction on Industry Application, Vol 22, No 5,
820-827, 1986.
[15] P. C. Krause, O. Wasynczuk, S. D. Sudhoff, “Analysis
of Electrical Machines and Drive Systems”, IEEE Press
Power Engineering Series, 2002.
[16] D. Casadei, F. Profumo and A. Tani, “FOC and DTC
two viable schemes for induction motors torque control,”
European Conference on Power Electronics and applications,
EPE-PEMC, Kosice, Slovakia, 2000, pp 128-136
[17] P. Andrada, M. Torrent, B. Blanqué, J. I. Perat
Departament of Electrical Engineering E.U.P.V.G.,
Technical University of Catalonia (UPC). e-mail:
andrada.@ee.upc.es
[18] M. Zeraoulia, Student Member, IEEE. M.E.H.
Benbouzid, Senior Member, IEEE, “Electric Motor Drive
Select ion Issues for HEV Propulsion Systems: A
Comparative Study”. – E-mail: m.benbouzid@ieee.org
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