\chapter{Introdução}

A área de máquinas elétricas e acionamentos é considerada a mais complexa dentro da eletrônica de potência, pois possui um caráter multidisciplinar e explora dinâmicas não-lineares não usuais na teoria de controle \cite{BOSE2015}. Essa área se divide em três ramos principais: projeto e análise de máquinas, controle de máquinas e estimação e identificação de parâmetros \cite{BOSE2015}.

Este trabalho concentra-se na área de controle de máquinas elétricas. Dessa forma, além de serem estudadas as técnicas tradicionais de acionamento, são apresentadas estratégias de controle preditivo para acionamento do motor síncrono de ímãs permanentes (PMSM -- \ingles{permanent magnet synchronous motor}).

Recentemente, os PMSMs têm ganhado espaço nos mais diversos ramos da indústria, desde aplicações automotivas a aplicações em eletrodomésticos da linha branca. Desse modo, pesquisas envolvendo sobretudo técnicas de projeto e de acionamento relativas a PMSMs têm ganhado destaque, por parte da comunidade acadêmica \cite{NIU2016}.

A estrutura tradicionalmente aplicada ao acionamento de PMSMs é apresentada na Figura \ref{fig:motorinversorideal} \cite{PILLAY1988}. Essa estrutura de acionamento utiliza um inversor trifásico de dois níveis. A título de modelagem, supõe-se que os interruptores eletrônicos sejam bidirecionais e sem perdas. O motor é apresentado através de um modelo de circuito equivalente, com parâmetros concentrados. Ao longo desse trabalho, admite-se que essa estrutura de acionamento está sendo utilizada, tanto para simulação quando para interpretação de resultados experimentais, salvo quando mencionado o contrário. 

\begin{figure}[!ht]
\def\svgwidth{250pt}
\flushleft 
\caption{Circuito de acionamento de PMSMs}
\footnotesize
\centering
\input{./Capitulos/FigCap1/CircuitoInversorIdeal.pdf_tex} \\
\justify
\label{fig:motorinversorideal}
Fonte: Produção do autor. Nessa estrutura, os interruptores eletrônicos são bidirecionais e sem perdas, o barramento de corrente contínua é considerado ideal (fonte de tensão) e o motor é modelado como uma carga do tipo resistência, indutância e força contra-eletromotriz. 
\end{figure}


Baseadas nessa estrutura, diversas técnicas de controle têm sido desenvolvidas para o acionamento de PMSMs. Algumas dessas técnicas serão apresentadas ao final do Capítulo~\ref{cap:motor}, que em seu início discute diferentes possibilidades para modelar o motor propriamente dito. 

Entretanto, a técnica alvo do presente trabalho é o controle preditivo baseado em modelo (MPC -- \ingles{model-based predictive control}). O estudo dessa técnica se concentra no Capítulo~\ref{cap:casos}.

Estratégias de controle MPC surgiram na década de 1970, na indústria petroquímica \cite{QIN2003}. Posteriormente, essas técnicas iniciais de MPC foram fundamentadas e melhor desenvolvidas academicamente. Esses estudos geraram conceitos gerais para projeto daqueles controladores \cite{MAYNE2014}. Esses conceitos se expandiram, de modo que tornaram-se uma filosofia que impulsionou uma numerosa criação de novos algoritmos baseados nos mesmos princípios dos controladores originais. De fato, a classe de controladores MPC permaneceu restrita a aplicação em plantas com dinâmicas lentas, com base de tempo na ordem de horas ou até dias, devido ao elevado número de cálculos necessários para a predição do comportamento do processo antes aplicar a ação de controle. 

No entanto, o advento de tecnologias capazes de realizar maior processamento computacional, a um custo reduzido, permitiu empregar técnicas MPC em plantas de dinâmica na ordem de frações de segundo.  

Assim, controladores MPC têm gerado um alto interesse na área de eletrônica de potência nos últimos anos, em decorrência de uma série de benefícios proporcionados por esses, tais como a minimização de uma dada função custo e o tratamento de restrições  \cite{VAZQUEZ2014}. A malha básica de controle preditivo é apresentada na Figura \ref{fig:MalhaPreditivo}. Verifica-se que o controlador preditivo possui um modelo interno de predição. Esse modelo é utilizado para, por exemplo, minimizar uma função custo que considera, usualmente, entre outros parâmetros, erros de rastreamento futuros. Isso possibilita otimizar as ações de controle futuras escolhidas.


\begin{figure}[!t]
\def\svgwidth{250pt}
\flushleft 
\caption{Malha genérica de controladores preditivos.}
\footnotesize
\centering
\input{./Capitulos/FigCap1/MalhaPreditivoGeral.pdf_tex} \\
\justify
\label{fig:MalhaPreditivo}
Fonte: Produção do autor. A estrutura interna do controle preditivo possui um modelo de predição, que permite predizer o comportamento futuro da planta, e um otimizador, que para um dado índice de desempenho otimiza as ações de controle futuras.
\end{figure}


Dessa forma, o objetivo geral desse trabalho é propor e validar experimentalmente uma estratégia de controle preditivo não-linear para o acionamento de PMSMs. 

Como objetivos específicos, destacam-se:
\begin{itemize}
\itema realizar a modelagem do PMSM;
\itema estudar as principais estratégias de controle e acionamento de PMSMs;
\itema realizar estudo de casos a respeito da aplicação do controle preditivo em PMSMs;
\itema desenvolver uma estratégia de controle que possa ser implementada em um \ingles{hardware} comercial;
\itema validar requisitos de segurança e eficiência da estratégia proposta, em relação à técnicas tradicionais de acionamento de PMSMs.
\end{itemize}

Considerando os objetivos elencados, esse trabalho está disposto em cinco capítulos, sendo o primeiro este capítulo introdutório. No Capítulo \ref{cap:motor}, apresentam-se possíveis modelos aplicáveis a PMSMs e as principais técnicas de acionamento para o mesmo. No Capítulo \ref{cap:casos}, são apresentados os conceitos fundamentais de estratégias  de controle preditivo. Estudos de caso também são realizados, exibindo meios de aplicação do MPC em PMSMs. A estratégia de controle proposta e os detalhes de sua implementação prática são tratados no Capítulo \ref{cap:plataforma}. As considerações finais e sugestões de trabalhos futuros são feitas no Capítulo \ref{cap:conclusao}.

\sectionx{Essa é uma seção}

\subsectionx{Essa é uma subseção}
