Robuste sensorlose Regelung von Hochgeschwindigkeits‑PMSM‑Antrieben bei niedrigen Trägerverhältnissen und Parameterunsicherheiten

Warum schnellere Elektromotoren eine intelligentere Regelung brauchen

Während Elektroautos, Züge und industrielle Maschinen auf mehr Leistung und höhere Effizienz drängen, rotieren ihre Motoren schneller denn je. Diese Hochgeschwindigkeitsmotoren effizient zu betreiben bedeutet oft, die Leistungselektronik seltener zu schalten, um Verluste und Wärme zu reduzieren. Das führt jedoch zu einem heiklen Problem: Die elektronische Steuerung beginnt, die Rotorlage schlechter nachzuverfolgen, insbesondere wenn sie die Position ohne physikalischen Sensor schätzen muss. Dieser Beitrag stellt eine neue Methode vor, die solche Motoren auch unter diesen schwierigen Betriebsbedingungen stabil, effizient und zuverlässig hält.

Die Herausforderung, mehr mit weniger Schaltungen zu erreichen

Moderne Permanentmagnet‑Synchronmotoren (PMSM) sind die Arbeitspferde von Elektrofahrzeugen und fortschrittlichen Industrietrieben, weil sie kompakt und effizient sind. Um noch mehr Leistung aus ihnen herauszuholen, erhöhen Ingenieure die elektrische Frequenz des Motors (durch schnellere Drehzahlen) und senken gleichzeitig die Schaltfrequenz des Wechselrichters (um Verluste zu verringern). Das Verhältnis zwischen diesen beiden Frequenzen, bekannt als Träger‑zu‑Fundamental (C/F)‑Verhältnis, wird dann sehr klein, mit Werten bis hinunter zu etwa sechs. In diesem Bereich ist die Zeit zwischen Regelaktualisierungen im Vergleich zur elektrischen Periode des Motors lang, sodass numerische Fehler und Verzögerungen im digitalen Regler stark verstärkt werden. Konventionelle „sensorlose“ Regelungsverfahren, die die Rotorlage aus Messungen von Strömen und Spannungen ableiten statt einen physischen Sensor zu verwenden, werden instabil oder ungenau, was zu verrauschten Strömen, Drehmomentwelligkeit und sogar Abschaltungen führen kann.

Den Motor ohne Sensor beobachten

Um Positionssensoren und deren Kosten zu vermeiden, verlassen sich die meisten Hochgeschwindigkeitsantriebe auf mathematische Beobachter, die die Rotorlage aus elektrischen Messgrößen rekonstruieren. Traditionelle Beobachter verwenden häufig eine einfache Regel­rückkopplung (basierend auf proportional‑integraler, PI‑Regelung), um die geschätzte magnetische Flussgröße im Motor zu korrigieren. Diese Verfahren funktionieren bei mäßigen Drehzahlen und angenehmen C/F‑Verhältnissen recht gut, geraten jedoch ins Straucheln, wenn Parameter wie Widerstand und Induktivität durch Temperatur drifteten oder wenn die zur Diskretisierung genutzten numerischen Verfahren im Mikrocontroller nicht mehr zur schnelleren physikalischen Dynamik passen. Bei sehr niedrigen C/F‑Verhältnissen können niedrig­ordige numerische Verfahren wie die bekannte Euler‑ oder Tustin‑Diskretisierung die diskreten Pole des Systems aus dem stabilen Bereich verschieben und den Beobachter in Schwingung oder Divergenz treiben.

Eine Regelung, die Störungen in Echtzeit ausgleicht

Die Autoren begegnen diesem Problem, indem sie den Beobachter um Active Disturbance Rejection Control (ADRC) herum neu entwerfen. Anstatt Parameterfehler, Laständerungen und nicht modellierte Effekte getrennt zu behandeln, fasst ADRC sie zu einer einzigen „Gesamtstörung“ zusammen und schätzt diese in Echtzeit mit einem erweiterten Zustandsbeobachter. Diese Störungsschätzung wird dann aktiv im Stellglied kompensiert, sodass das System wie eine wesentlich einfachere, bekannt stabile Dynamik agiert. Im vorgeschlagenen Adaptive Compensation Rotor Flux Observer wird ADRC verwendet, um eine interne Korrekturspannung kontinuierlich so anzupassen, dass die geschätzte magnetische Flussgröße einem gewünschten Referenzwert folgt. Aus diesem korrigierten Fluss werden Rotationswinkel und -geschwindigkeit gewonnen, die die entscheidenden Positionsinformationen für die feldorientierte Regelung des Motors liefern — ganz ohne mechanischen Sensor.

Hybride numerische Methoden für Echtzeit‑Hardware

ADRCs Stärke bringt jedoch einen Preis mit sich: Die zugehörigen Gleichungen sind komplexer und erfordern normalerweise ein numerisches Integrationsverfahren höheren Grades, wie das Runge–Kutta 4. Ordnung (RK4), um bei niedrigen C/F‑Verhältnissen Stabilität zu bewahren. RK4 ist zwar genau, aber rechenintensiv für mikrocontrollerähnliche Automotive‑Hardware, die viele Regelaufgaben in Mikrosekunden ausführen muss. Um dem zu begegnen, führen die Autoren ein hybrides Diskretisierungsschema ein, das den Beobachter in einen langsam variierenden linearen Anteil und einen schnellen nichtlinearen Rückkopplungsanteil aufteilt. Der lineare Bestandteil wird mit einem leichten Euler‑Schritt aktualisiert, während der nichtlineare Anteil mit RK4 integriert wird. Dieser hybride Ansatz bewahrt die Genauigkeit auf RK4‑Niveau dort, wo sie am wichtigsten ist, reduziert aber zugleich die Anzahl der Multiplikationen um etwa 30 % gegenüber einem vollständigen RK4 im ADRC‑Beobachter und senkt die Ausführungszeit auf etwa 18,5 Mikrosekunden pro Regelzyklus auf einem 200 MHz digitalen Signalprozessor.

Prüfung der Methode an einem Industrieantrieb

Das vorgeschlagene Schema wurde an einem anspruchsvollen 100‑Kilowatt‑PMSM mit bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute validiert, repräsentativ für reale elektrische Antriebs‑Hardware. Detaillierte Polanalysen und Experimente zeigen, dass Beobachter auf Basis von Euler‑ und Tustin‑Diskretisierung mit steigender Drehzahl oder fallendem C/F‑Verhältnis instabil werden, während solche mit RK4 oder dem neuen Hybridverfahren komfortabel im stabilen Bereich bleiben. Praktisch ermöglicht der hybride ADRC‑Beobachter einen sensorlosen Betrieb bei einem C/F‑Verhältnis von bis zu sechs, mit Stromverläufen und Drehmomentwelligkeit, die nahe an denjenigen eines systems mit physikalischem Positionssensor liegen. Lastsprungversuche zeigen schnellere Einschwingzeiten, geringere Überschwinger und bessere Entkopplung der Stromkomponenten im Vergleich zu konventionellen Beobachtern. Selbst wenn zentrale Motorparameter absichtlich falsch angesetzt werden — z. B. Verdoppelung des angenommenen Widerstands oder Halbierung der Induktivität — bleibt das System stabil, mit nur moderaten Zunahmen von Strom‑ und Drehzahlwelligkeit im Bereich einiger Teile in zehntausend.

Was das für zukünftige elektrische Antriebe bedeutet

Vereinfacht gesagt zeigt diese Arbeit, wie ein intelligenter „virtueller Sensor“ und eine sorgfältig entworfene numerische Engine sehr schnelle Elektromotoren unter Kontrolle halten können, selbst wenn die Elektronik langsam schaltet und die realen Bedingungen vom Lehrbuchmodell abweichen. Durch die Kombination des störungsunterdrückenden Beobachters von ADRC mit einer hybriden Diskretisierung, die in enge Prozessorbudgets passt, demonstrieren die Autoren eine sensorlose Regelung, die fast so sauber und robust ist wie sensorbasierte Lösungen, dabei jedoch einfacher und kostengünstiger zu realisieren ist. Das eröffnet Spielraum für effizientere, kompaktere und zuverlässigere Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge und andere Hochleistungsanwendungen, bei denen jedes Watt und jedes Gramm zählt.

Zitation: Lin, Z., Jin, S., Wang, H. et al. Robust sensorless control of high speed PMSM drives under low carrier ratios and parameter uncertainties. Sci Rep 16, 11269 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41212-z

Schlüsselwörter: sensorlose Motorsteuerung, Hochgeschwindigkeits‑PMSM, niedrige Schaltfrequenz, aktive Störungsunterdrückung, hybride Diskretisierung