Control sensorless de baja contaminación acústica de un motor YASA AFFSPM usando ADRC y PLL mejorado

Motores eléctricos más silenciosos e inteligentes

Desde coches eléctricos hasta electrodomésticos, muchas máquinas modernas dependen de motores eléctricos compactos y potentes. Pero la electrónica que hace que estos motores sean precisos también puede provocar silbidos, zumbidos y vibraciones acústicas, sobre todo a baja velocidad, justo donde la gente los percibe más. Este artículo explora una forma de operar un motor de alto par especial sin sensores mecánicos, reduciendo ese ruido molesto y manteniendo el accionamiento rápido, suave y fiable.

Por qué importa prescindir de los sensores

Muchos motores avanzados usan dispositivos como codificadores o resolvers para indicar al controlador la posición exacta del rotor. Estos sensores añaden coste, cableado y posibles puntos de fallo, especialmente en entornos calientes, polvorientos o confinados, como bajo el capó de un vehículo eléctrico. Una alternativa cada vez más extendida es el control “sin sensores”, en el que la electrónica estima la posición del rotor únicamente a partir de las señales eléctricas. Para el motor de flujo axial YASA de alto par estudiado aquí, los métodos sensorless convencionales funcionan bien a velocidades altas, pero tienen dificultades a baja o nula velocidad, y a menudo generan pérdidas adicionales, ondulación de par y ruido audible cuando inyectan señales de prueba de alta frecuencia en los bobinados.

Difundir el ruido en lugar de gritar

La primera innovación descrita en el artículo aborda el problema del ruido en su fuente. Los esquemas sensorless tradicionales inyectan una señal de alta frecuencia en un tono fijo, lo que puede excitar resonancias mecánicas en el motor y su carcasa—de forma parecida a silbar en la nota exacta para hacer vibrar una copa. Los autores, en cambio, inyectan una señal pseudoaleatoria de alta frecuencia cuya frecuencia salta dentro de una banda estrecha y cuya amplitud se ajusta de forma sincronizada. Esto “extiende” la energía sobre un rango más amplio de tonos para que no haya un único silbido fuerte. Es importante que la señal siga siendo lo bastante fuerte y estructurada para que el controlador pueda leer la huella magnética del rotor, y las relaciones amplitud–frecuencia escogidas con cuidado mantienen la información útil de posición en un nivel casi constante incluso cuando cambia la frecuencia.

Escuchar con más atención la respuesta del motor

Para convertir estas rizadas eléctricas ruidosas en una estimación limpia del ángulo del rotor, el controlador debe decodificar cambios muy pequeños en las corrientes del motor. El artículo sustituye un bucle de enganche de fase estándar—una forma común de seguir la fase—por una versión “mejorada”. Primero, normaliza las señales de corriente entrantes de modo que importe su fase pero no su intensidad global. Luego emplea una estructura de bucle de orden superior que se comporta un poco como dos rastreadores cooperativos en lugar de uno. Este diseño continúa siguiendo con precisión la verdadera posición del rotor incluso cuando la amplitud de la señal fluctúa o cuando el motor acelera, frena o invierte el sentido. En las pruebas, la posición estimada se mantuvo dentro de aproximadamente más o menos dos a tres grados eléctricos en un rango de velocidades y cambios bruscos de carga.

Combatir las perturbaciones antes de que aparezcan

La segunda mejora principal se refiere a la forma en que el accionamiento controla la corriente, que determina directamente el par del motor. La mayoría de los variadores industriales confían en un controlador proporcional–integral (PI) probado que puede funcionar muy bien, pero debe ajustarse con cuidado para un punto de operación específico y no se adapta de forma natural cuando el motor se calienta, la carga cambia o la alimentación fluctúa. Aquí, los autores implementan Control de Rechazo Activo de Perturbaciones (ADRC) en la vía principal de corriente productora de par. Este enfoque trata todos los efectos desconocidos—como la deriva de parámetros y los cambios bruscos de carga—como una única “perturbación total” y utiliza un observador incorporado para estimarla en tiempo real. El controlador entonces cancela esa perturbación casi en el mismo momento en que aparece, manteniendo la corriente (y por tanto el par) cercana a su objetivo con un ajuste sencillo y una fuerte robustez.

Poner el sistema a prueba

Las tres ideas—inyección pseudoaleatoria, el bucle de enganche de fase mejorado y el controlador de corriente con rechazo de perturbaciones—se combinaron y probaron en un banco real con un motor YASA de 750 vatios. En comparación con una configuración convencional bien ajustada que usa inyección de frecuencia fija, control de corriente PI y un bucle de enganche de fase estándar, el método nuevo mostró caídas de velocidad menores y recuperación más rápida cuando la carga se duplicó súbitamente, mayor precisión en el seguimiento durante inversiones rápidas de velocidad y estimaciones de posición globalmente más cerradas. Las mediciones del espectro de potencia de las señales de alta frecuencia del motor revelaron que los picos agudos de ruido del enfoque tradicional fueron reemplazados por un espectro mucho más plano, coherente con una clara reducción del ruido acústico tonal.

Qué significa esto para las máquinas de uso cotidiano

Para un público no especialista, la conclusión es que este trabajo muestra cómo hacer que una clase particular de motores eléctricos de alto par sea a la vez más silenciosa y más robusta mejorando la forma en que su electrónica “siente” la posición del rotor y reacciona a las perturbaciones. En lugar de depender de sensores adicionales de hardware o aceptar un compromiso entre silencio y capacidad de respuesta, la estrategia propuesta usa un diseño de señal y algoritmos de control más inteligentes para lograr ambos objetivos. El resultado es una vía prometedora hacia accionamientos sin sensores, más suaves y de bajo ruido para vehículos eléctricos, robots de precisión y otras aplicaciones donde importan la comodidad, la fiabilidad y la eficiencia.

Cita: 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

Palabras clave: control sin sensores de motores, trenes de potencia para vehículos eléctricos, motor de imán permanente de flujo axial, reducción del ruido acústico, algoritmos avanzados de control de motores