التحكم بدون حساسات منخفض الضوضاء في محرك YASA AFFSPM باستخدام ADRC وموفق طور محسن

محركات كهربائية أكثر هدوءًا وذكاءً

من السيارات الكهربائية إلى الأجهزة المنزلية، تعتمد العديد من الآلات الحديثة على محركات كهربائية مدمجة وقوية. لكن الإلكترونيات التي تجعل هذه المحركات دقيقة يمكن أن تسبّب أيضًا أزيزًا وخرخشة وهمهمة — خصوصًا عند سرعات منخفضة، حيث يلاحظ الناس ذلك أكثر. تستعرض هذه الورقة طريقة لتشغيل محرك خاص عالي العزم دون أي حساسات ميكانيكية مع تقليل تلك الضوضاء المزعجة مع الحفاظ على استجابة الدفع بسرعة وسلاسة وموثوقية.

لماذا إزالة الحساسات مهم

تستخدم العديد من المحركات المتقدمة أجهزة مثل المشفرات أو المحللات لإخبار المتحكم بموقع الدوار بدقة. تضيف هذه الحساسات تكلفة وكابلات ونقاط فشل محتملة، خاصة في بيئات حارة أو مغبرة أو ضيقة مثل تحت غطاء محرك السيارة الكهربائية. البديل المتنامي هو التحكم «بدون حساسات»، حيث يقدر إلكترونيات الموضع من الإشارات الكهربائية فقط. بالنسبة لمحرك YASA المحوري عالي العزم المدروس هنا، تعمل الطرق التقليدية بدون حساسات جيدًا عند سرعات أعلى لكنها تواجه صعوبة عند السرعات المنخفضة أو الصفرية، وغالبًا ما تولد خسائر إضافية وتموج عزم وضوضاء مسموعة عندما تُحقن إشارات اختبار عالية التردد في اللفات.

نشر الضوضاء بدلًا من الصراخ

تتعامل الابتكار الأول الموصوف في الورقة مع مشكلة الضوضاء من المصدر. تتضمن الأساليب التقليدية بدون حساسات حقن إشارة عالية التردد بنغمة ثابتة واحدة، والتي يمكن أن تثير توافقيات ميكانيكية في المحرك وغلافه — مثل الصفير على الطبق عند النغمة المناسبة لجعله يهتز. بدلاً من ذلك، يحقن الباحثون إشارة عالية التردد شبه عشوائية تقفز بترددها داخل نطاق ضيق ويُعدَّل مقدارها بتزامن. هذا "يبعثر" الطاقة على نطاق أوسع من النغمات بحيث لا يكون هناك صفير وحيد مرتفع. والأهم أن الإشارة لا تزال قوية ومنظّمة بما يكفي لتمكين المتحكم من قراءة البصمة المغناطيسية للدوار، ونسب السعة إلى التردد المختارة بعناية تحافظ على معلومات الموضع المفيدة بمستوى شبه ثابت حتى مع تغير التردد.

الاستماع بعناية أكبر لاستجابة المحرك

لتحويل هذه التموجات الكهربائية المزعجة إلى تقدير نظيف لزاوية الدوار، يجب على المتحكم فك تشفير تغييرات صغيرة جدًا في تيارات المحرك. تستبدل الورقة حلقة قفل طور تقليدية — طريقة شائعة لتعقب الطور — بنسخة "محسّنة". أولاً، يتم تطبيع إشارات التيار الواردة بحيث لا تهم شدتها الكلية، وإنما يهم طورها فقط. ثم يستخدم التصميم بنية حلقة من رتبة أعلى تتصرف قليلاً كمتتبعين متعاونين بدلاً من متتبع واحد. يحافظ هذا التصميم على تتبع موضع الدوار الحقيقي بدقة حتى عندما تتذبذب سعة الإشارة أو عندما يتسارع المحرك أو يتباطأ أو يعكس الدوران. في الاختبارات، بقي التقدير ضمن نحو زائد أو ناقص درجتين إلى ثلاث درجات كهربائيتين عبر نطاق من السرعات والتغيرات المفاجئة في الحمولة.

مكافحة الاضطرابات قبل أن تظهر

التطوير الكبير الثاني يتعلق بطريقة تحكم الدفع في التيار، الذي يحدد مباشرة عزم المحرك. تعتمد معظم محركات الصناعة على متحكم تناسبي–تكاملي (PI) مجرّب يمكن أن يعمل جيدًا لكنه يجب ضبطه بعناية لنقطة تشغيل محددة ولا يتكيف طبيعيًا عندما يسخن المحرك أو تتغير الحمولة أو يتقلب التغذية. هنا، ينفذ المؤلفون التحكم النشط في رفض الاضطراب (ADRC) في قناة التيار المنتجة للعزم الرئيسية. تتعامل هذه المقاربة مع جميع التأثيرات المجهولة — مثل انجراف المعلمات والتغيرات المفاجئة في الحمولة — باعتبارها "اضطرابًا كليًا" واحدًا وتستخدم مراقبًا مدمجًا ليقدره في الزمن الحقيقي. يلغي المتحكم هذا الاضطراب تقريبًا بمجرد ظهوره، محافظة على التيار (وبالتالي العزم) قريبًا من الهدف بضبط بسيط ومتانة قوية.

وضع النظام على المحك

تم دمج الأفكار الثلاث — الحقن شبه العشوائي، حلقة قفل الطور المحسّنة، ومتحكم التيار الرافض للاضطراب — واختبارها على منصة محرك YASA بقدرة 750 واط حقيقية. مقارنةً بتجهيز تقليدي مضبوط جيدًا يستخدم الحقن بتردد ثابت، والتحكم في التيار PI، وحلقة قفل طور معيارية، أظهر الأسلوب الجديد غرقات سرعة أصغر واستردادًا أسرع عند مضاعفة الحمولة فجأة، وتتبعًا أدق أثناء عكس السرعة السريع، وتقديرات موضع أكثر إحكامًا عمومًا. كشفت قياسات طيف الطاقة لإشارات التردد العالي للمحرك أن قمم الضوضاء الحادة في الأسلوب التقليدي استبدلت بطيف أكثر تسطحًا، متوافقًا مع تقليل واضح في الضوضاء النغمية الصوتية.

ما يعنيه هذا للآلات اليومية

بالنسبة للقارئ غير المتخصص، الخلاصة أن هذا العمل يبيّن كيفية جعل فئة معينة من المحركات الكهربائية عالية العزم أكثر هدوءًا وأكثر متانة عبر تحسين كيفية "إحساس" إلكترونياتها بموقع الدوار وتفاعلها مع الاضطرابات. بدلًا من الاعتماد على حساسات إضافية أو قبول المقايضة بين الصمت والاستجابة، تستخدم الاستراتيجية المقترحة تصميم إشارات وخوارزميات تحكم أذكى لتحقيق كلا الهدفين. النتيجة مسار واعد نحو محركات دفع عديمة الحساسات أكثر سلاسة وقلة ضوضاء للمركبات الكهربائية والروبوتات الدقيقة وتطبيقات أخرى حيث تهم الراحة والاعتمادية والكفاءة.

الاستشهاد: Rahmani-Fard, J., Mohammed, M.J. Low noise sensorless control of a YASA AFFSPM motor using ADRC and improved PLL. Sci Rep 16, 8236 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39335-4

الكلمات المفتاحية: التحكم في المحركات بدون حساسات, محركات المركبات الكهربائية, محرك مغناطيسي دائم بتدفق محوري, خفض الضوضاء الصوتية, خوارزميات متقدمة للتحكم بالمحركات