Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

בקרת חסרת חיישנים שקטה של מנוע YASA AFFSPM באמצעות ADRC ו-PLL משופר

· חזרה לאינדקס

מנועים חשמליים שקטים וחכמים יותר

מרכבים חשמליים ועד למכשירי בית, מכונות מודרניות רבות מסתמכות על מנועים חשמליים קומפקטיים וחזקים. האלקטרוניקה שמאפשרת דיוק במנועים אלה עלולה גם לגרום להם לצווח, להזמזם ולנהום — במיוחד במהירויות נמוכות, בדיוק במקום שאנשים שמים לב אליו. מאמר זה בוחן דרך להפעיל מנוע מומנט-גבוה מיוחד ללא חיישנים מכניים ובה בעת להקטין את הרעש המעיק ולשמור על תפעול מהיר, חלק ואמין.

Figure 1
Figure 1.

מדוע חוסר חיישנים חשוב

מנועים מתקדמים רבים משתמשים בהתקנים כגון אנקודרים או ריזולברים כדי להודיע לבקר היכן הרוטור נמצא בדיוק. חיישנים אלה מוסיפים עלות, חיווט ונקודות כשל פוטנציאליות, במיוחד בסביבות חמות, מאובקות או צפופות כמו מתחת למכסה מנוע של רכב חשמלי. אלטרנטיבה מתפתחת היא בקרת "חסרת חיישנים", שבה האלקטרוניקה מעריכה את מיקום הרוטור מתוך האותות החשמליים בלבד. עבור מנוע ה-YASA הצירי בעל המומנט הגבוה הנבדק כאן, שיטות חסרות חיישנים קונבנציונליות פועלות היטב במהירויות גבוהות אך מתקשות במהירויות נמוכות או באפס ומהוות לעתים מקור להפסדי אנרגיה נוספים, תנודות מומנט ורעש נשמע כאשר הן מזרימות אותות בדיקה בתדר גבוה לסלילים.

לפזר את הרעש במקום לצרוח

החדשנות הראשונה המתוארת במאמר מתמודדת עם בעיית הרעש במקור שלה. סכמות חסרות חיישנים מסורתיות מזרימות אות בתדר גבוה בטון קבוע אחד, מה שיכול להמריץ תהודה מכנית במנוע ובמארזו — בדומה לשריקה בתדירות מדויקת שגורמת לכוס זכוכית להרעיד. המחברים מזריקים במקום זאת אות תלם-אקראי בתדר גבוה שהופך תדרים בתוך פס צר והאמפליטודה שלו מותאמת בסינכרון. זה "מרח" את האנרגיה על פני טווח רחב יותר של טונים כך שאין שריקה בולטת יחידה. חשוב מכך, האות נשאר חזק ומובנה דיו כדי שהבקר יוכל לקרוא את טביעת האצבע המגנטית של הרוטור, ויחסי אמפליטודה–תדירות שנבחרו בקפידה שומרים על המידע המיקומי השימושי ברמה כמעט קבועה גם עם שינויי תדירות.

להקשיב לתגובת המנוע ביתר דיוק

כדי להמיר את הגלים החשמליים הרועשים הללו לאומדן נקי של זווית הרוטור, הבקר צריך לפענח שינויים זעירים בזרמי המנוע. המאמר מחליף לולאת נעילה פאזה סטנדרטית — שיטה שכיחה לעקוב אחר פאזה — בגרסה "משופרת". ראשית, היא מנרמלת את אותות הזרם הנכנסים כך שעוצמתם הכוללת אינה משנה, אלא רק הפאזה. לאחר מכן היא משתמשת במבנה לולאה מסדר גבוה שמתרכז בהתנהגות דומה לשני מעקבים משתפים פעולה במקום אחד. עיצוב זה ממשיך לעקוב במדויק אחרי מיקום הרוטור האמיתי גם כאשר אמפליטודת האות מתנדנדת או כאשר המנוע מואץ, מואט או הופך כיוון. במבחנים, האמדן המתקבל נשאר בתוך כ־פלוס־מינוס שתי עד שלוש מעלות חשמליות בטווח מהירויות ושינויים פתאומיים בעומס.

Figure 2
Figure 2.

להילחם בהפרעות עוד לפני שהן מופיעות

שדרוג מרכזי שני נוגע לאופן שבו הנהג שולט בזרם, שקובע ישירות את המומנט. רוב הנהגים התעשייתיים מסתמכים על בקר פרופורציונלי–אינטגרלי (PI) מבוסס שעשוי לעבוד היטב אך דורש כיוונון מדוקדק לנקודת תפעול מסוימת ואינו מסתגל מעצמו כאשר המנוע מתחמם, העומס משתנה או המתח הזין מתנדנד. כאן, המחברים מיישמים בקרת דחיית הפרעות פעילה (ADRC) בערוץ הזרם שיוצר את המומנט הראשי. גישה זו מטפלת בכל ההשפעות הבלתי ידועות — כגון הזחות פרמטרים ושינויים פתאומיים בעומס — כ"הפרעה כוללת" יחידה ומשתמשת בצופה מובנה לאמידתן בזמן אמת. הבקר מבטל אחר כך את ההפרעה כמעט ברגע שהיא מופיעה, ושומר על הזרם (ולכן על המומנט) קרוב ליעדו עם כיוונון פשוט ועמידות חזקה.

המערכת במבחן

שלוש הרעיונות — הזרקה תלם-אקראית, ה-PLL המשופר ובקר הזרם המבטל הפרעות — שולבו ונבחנו על אסדת מנוע YASA אמיתית של 750 וואט. בהשוואה למערכת קונבנציונלית מכוילת היטב שהשתמשה בהזרקה בתדר קבוע, בקרה PI לזרם ו-PLL סטנדרטי, השיטה החדשה הציגה שקעים מהירות קטנים יותר והתאוששות מהירה יותר כאשר העומס הוכפל פתאום, מעקב מדויק יותר בהיפוכי מהירות מהירים והערכות מיקום הדוקות יותר באופן כללי. מדידות ספקטרום ההספק של אותות התדר הגבוה בנעוּל המנוע הראו כי פסגות הרעש החדות של הגישה המסורתית הוחלפו בספקטרום שטוח בהרבה, תואם להפחתה בולטת של רעש טונלי אקוסטי.

מה זה משמעותי למכונות היומיומיות

לקורא שאינו מומחה, המסקנה היא שעבודה זו מציגה כיצד להפוך קבוצה מסוימת של מנועים חשמליים בעלי מומנט גבוה לשקטים ועמידים יותר על ידי שיפור האופן שבו האלקטרוניקה "מרגישה" את מיקום הרוטור ומגיבה להפרעות. במקום להסתמך על חיישנים נוספים בחומרה או לקבל פשרה בין שקט לתגובתיות, האסטרטגיה המוצעת משתמשת בעיצוב אות וחישובי בקרה חכמים כדי להשיג את שניהם. התוצאה היא נתיב מבטיח לכיוונון חלק יותר, נהגים חסרי חיישנים בעלי רעש נמוך לרכבים חשמליים, רובוטים מדויקים ויישומים אחרים שבהם נוחות, אמינות ויעילות חשובים כולם.

ציטוט: 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

מילות מפתח: בקרת מנוע חסרת חיישנים, מניעות לרכב חשמלי, מנוע מגנט קבוע בצריבה צירית, הפחתת רעש אקוסטי, אלגוריתמי בקרת מנועים מתקדמים