Rauschärmere sensorlose Regelung eines YASA AFFSPM-Motors mit ADRC und verbessertem PLL

Leiser, intelligentere Elektromotoren

Von Elektroautos bis zu Haushaltsgeräten verlassen sich viele moderne Maschinen auf kompakte, leistungsstarke Elektromotoren. Doch die Elektronik, die diese Motoren präzise macht, kann auch ein Pfeifen, Brummen und Summen erzeugen — besonders bei niedrigen Drehzahlen, genau dort, wo Menschen es am stärksten wahrnehmen. Dieses Papier untersucht eine Methode, um einen speziellen hochmomentigen Motor ohne mechanische Sensoren zu betreiben, dabei störende Geräusche zu reduzieren und gleichzeitig Antrieb schnell, geschmeidig und zuverlässig zu halten.

Warum das Weglassen von Sensoren wichtig ist

Viele fortschrittliche Motoren nutzen Geräte wie Encoder oder Resolver, um dem Regler die exakte Rotorlage mitzuteilen. Diese Sensoren erhöhen Kosten, Verkabelungsaufwand und potenzielle Ausfallpunkte — besonders in heißen, staubigen oder beengten Umgebungen wie unter der Motorhaube eines Elektrofahrzeugs. Eine zunehmende Alternative ist die „sensorlose“ Regelung, bei der die Elektronik die Rotorposition allein aus elektrischen Signalen schätzt. Für den hier untersuchten hochmomentigen YASA-Axialflussmotor funktionieren konventionelle sensorlose Methoden bei höheren Drehzahlen gut, haben aber bei niedrigen oder null Drehzahlen Probleme und verursachen häufig zusätzliche Verluste, Drehmomentripple und hörbaren Lärm, wenn sie hochfrequente Testsiganle in die Wicklungen einspeisen.

Den Lärm verteilen statt laut aufzutreten

Die erste Innovation im Papier geht das Lärmproblem an der Quelle an. Traditionelle sensorlose Verfahren injizieren ein hochfrequentes Signal bei einem festen Ton, das mechanische Resonanzen im Motor und seinem Gehäuse anregen kann — ähnlich wie ein Pfeifen, das ein Glas zum Schwingen bringt. Die Autoren injizieren stattdessen ein pseudozufälliges hochfrequentes Signal, dessen Frequenz innerhalb eines engen Bands springt und dessen Amplitude synchron angepasst wird. Dadurch wird die Energie über ein breiteres Tonspektrum „verwischt“, sodass es keinen einzelnen lauten Ton mehr gibt. Wichtig ist, dass das Signal weiterhin stark und strukturiert genug ist, damit der Regler den magnetischen Fingerabdruck des Rotors auslesen kann, und sorgfältig gewählte Amplituden–Frequenz-Verhältnisse halten die nutzbare Positionsinformation nahezu konstant, auch wenn sich die Frequenz ändert.

Dem Motorantwort genauer zuhören

Um diese elektrischen Störungen in eine saubere Schätzung des Rotorwinkels zu verwandeln, muss der Regler sehr kleine Änderungen der Motorströme dekodieren. Das Papier ersetzt eine standardmäßige Phasenregelungs-Schleife (PLL) — eine gängige Methode zur Phasenverfolgung — durch eine „verbesserte“ Variante. Zunächst normalisiert sie die eingehenden Stromsignale, sodass deren Gesamtsamplitude keine Rolle mehr spielt, sondern nur noch die Phase. Dann nutzt sie eine Schleifenstruktur höherer Ordnung, die sich etwas wie zwei kooperative Verfolger statt eines einzelnen verhält. Dieses Design folgt der tatsächlichen Rotorposition weiterhin genau, selbst wenn die Signalstärke schwankt oder der Motor beschleunigt, abbremst oder die Drehrichtung ändert. In Tests blieb die geschätzte Position über einen Bereich von Drehzahlen und bei plötzlichen Laständerungen auf etwa plus/minus zwei bis drei elektrische Grad genau.

Störungen bekämpfen, bevor sie auftreten

Das zweite wesentliche Upgrade betrifft die Art und Weise, wie der Antrieb den Strom regelt, der direkt das Motordrehmoment bestimmt. Die meisten industriellen Antriebe verwenden einen bewährten proportional–integralen (PI)-Regler, der sehr gut funktionieren kann, aber für einen bestimmten Betriebspunkt fein abgestimmt werden muss und sich nicht automatisch anpasst, wenn der Motor sich erwärmt, die Last wechselt oder die Versorgung schwankt. Hier implementieren die Autoren Active Disturbance Rejection Control (ADRC) im stromführenden, drehmomentbestimmenden Kanal. Dieser Ansatz behandelt alle unbekannten Effekte — wie Parameterdrift und plötzliche Laständerungen — als eine einzige „gesamte Störung“ und verwendet einen eingebauten Beobachter, um sie in Echtzeit zu schätzen. Der Regler kompensiert diese Störung nahezu in dem Moment, in dem sie auftritt, und hält den Strom (und damit das Drehmoment) mit einfacher Abstimmung und hoher Robustheit nahe dem Sollwert.

Das System im Praxistest

Alle drei Ideen — pseudozufällige Einspeisung, die verbesserte PLL und der störungsunterdrückende Stromregler — wurden kombiniert und an einem realen 750-Watt-YASA-Motorteststand geprüft. Im Vergleich zu einer gut abgestimmten konventionellen Konfiguration mit Festfrequenz-Einspeisung, PI-Stromregelung und einer Standard-PLL zeigte die neue Methode kleinere Drehzahlabfälle und schnellere Erholung, wenn die Last plötzlich verdoppelt wurde, genauere Verfolgung bei schnellen Drehrichtungswechseln und insgesamt engere Positionsschätzungen. Leistungsspektrummessungen der hochfrequenten Signalsignale des Motors zeigten, dass die scharfen Störspitzen des traditionellen Ansatzes durch ein deutlich flacheres Spektrum ersetzt wurden, was mit einer klaren Reduktion tonalem akustischem Lärm übereinstimmt.

Was das für Alltagsgeräte bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Kernaussage: Diese Arbeit zeigt, wie man eine bestimmte Klasse hochmomentiger Elektromotoren sowohl leiser als auch robuster machen kann, indem man verbessert, wie ihre Elektronik die Rotorposition „fühlt“ und auf Störungen reagiert. Anstatt auf zusätzliche Hardware-Sensoren zu setzen oder einen Kompromiss zwischen Stille und Reaktionsfähigkeit zu akzeptieren, nutzt die vorgeschlagene Strategie intelligenteres Signaldesign und Regelungsalgorithmen, um beides zu erreichen. Das Ergebnis ist ein vielversprechender Weg zu sanfteren, rauschärmeren, sensorlosen Antrieben für Elektrofahrzeuge, Präzisionsroboter und andere Anwendungen, in denen Komfort, Zuverlässigkeit und Effizienz gleichermaßen wichtig sind.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: sensorlose Motorregelung, Antriebe für Elektrofahrzeuge, axial-fluss Permanentmagnetmotor, Lärmreduzierung, fortgeschrittene Motorregelungsalgorithmen