Controllo senza sensori a basso rumore di un motore YASA AFFSPM usando ADRC e PLL migliorata

Motori elettrici più silenziosi e intelligenti

Dalle auto elettriche agli elettrodomestici, molte macchine moderne si affidano a motori elettrici compatti e potenti. Ma l’elettronica che rende questi motori precisi può anche farli fischiare, ronzare e vibrare—soprattutto a bassa velocità, proprio dove il rumore è più percepibile. Questo articolo esplora un modo per far funzionare un motore ad alto coppia senza sensori meccanici riducendo quel fastidioso rumore e mantenendo l’azionamento veloce, fluido e affidabile.

Perché eliminare i sensori è importante

Molti motori avanzati usano dispositivi come encoder o resolver per comunicare al controllore la posizione esatta del rotore. Questi sensori aumentano i costi, il cablaggio e i punti potenziali di guasto, soprattutto in ambienti caldi, polverosi o angusti come sotto il cofano di un veicolo elettrico. Un’alternativa in crescita è il controllo “senza sensori”, in cui l’elettronica stima la posizione del rotore dai soli segnali elettrici. Per il motore YASA a flusso assiale ad alto coppia studiato qui, i metodi convenzionali senza sensori funzionano bene ad alte velocità ma incontrano difficoltà a bassa o nulla velocità, e spesso generano perdite extra, ondulazioni di coppia e rumore udibile quando iniettano segnali di prova ad alta frequenza negli avvolgimenti.

Diffondere il rumore invece di concentrarlo

La prima innovazione descritta nell’articolo affronta il problema del rumore alla radice. Gli schemi tradizionali senza sensori iniettano un segnale ad alta frequenza a una sola tonalità fissa, che può eccitare risonanze meccaniche nel motore e nel suo involucro—proprio come fischiare alla frequenza giusta per far vibrare un bicchiere. Gli autori invece iniettano un segnale pseudo-casuale ad alta frequenza la cui frequenza salta all’interno di una banda stretta e la cui ampiezza viene regolata in sincronia. Questo “sfuma” l’energia su un intervallo più ampio di toni in modo che non esista un singolo fischio dominante. È importante che il segnale rimanga comunque abbastanza forte e strutturato da permettere al controllore di leggere l’impronta magnetica del rotore, e rapporti ampiezza–frequenza scelti con cura mantengono le informazioni utili sulla posizione a un livello quasi costante anche quando la frequenza varia.

Ascoltare con più attenzione la risposta del motore

Per trasformare queste piccole variazioni elettriche rumorose in una stima pulita dell’angolo del rotore, il controllore deve decodificare cambiamenti molto piccoli nelle correnti del motore. L’articolo sostituisce un tipico phase-locked loop—un metodo comune per tracciare la fase—con una versione “migliorata”. Prima normalizza i segnali di corrente in ingresso in modo che conti la sola fase e non l’ampiezza complessiva. Poi usa una struttura di loop di ordine superiore che si comporta un po’ come due inseguitori cooperativi invece di uno solo. Questo progetto continua a seguire accuratamente la vera posizione del rotore anche quando l’ampiezza del segnale oscilla o quando il motore accelera, rallenta o inverte la rotazione. Nei test, la posizione stimata è rimasta nell’ordine di ±2–3 gradi elettrici su una gamma di velocità e variazioni di carico improvvise.

Contrastare le perturbazioni prima che si manifestino

Il secondo miglioramento importante riguarda il modo in cui l’azionamento controlla la corrente, che determina direttamente la coppia del motore. La maggior parte degli azionamenti industriali si basa su un collaudato controllore proporzionale–integrale (PI) che può funzionare molto bene ma deve essere sintonizzato con cura per un punto operativo specifico e non si adatta naturalmente quando il motore si riscalda, il carico cambia o l’alimentazione fluttua. Qui, gli autori implementano l’Active Disturbance Rejection Control nel canale di corrente principale responsabile della coppia. Questo approccio tratta tutti gli effetti sconosciuti—come la deriva dei parametri e i cambi di carico improvvisi—come un’unica “perturbazione totale” e utilizza un osservatore integrato per stimarla in tempo reale. Il controllore quindi annulla quella perturbazione quasi nel momento in cui si manifesta, mantenendo la corrente (e quindi la coppia) vicina al valore desiderato con una messa a punto semplice e una robustezza elevata.

Mettere il sistema alla prova

Tutte e tre le idee—iniezione pseudo-casuale, PLL migliorata e controllore di corrente che respinge le perturbazioni—sono state combinate e testate su una vera piattaforma con un motore YASA da 750 watt. Rispetto a un setup convenzionale ben tarato che usa iniezione a frequenza fissa, controllo di corrente PI e un PLL standard, il nuovo metodo ha mostrato cali di velocità minori e recuperi più rapidi quando il carico è stato raddoppiato improvvisamente, tracciamento più preciso durante rapide inversioni di velocità e stime di posizione complessivamente più compatte. Le misure dello spettro di potenza dei segnali ad alta frequenza del motore hanno rivelato che i picchi di rumore acuti dell’approccio tradizionale sono stati sostituiti da uno spettro molto più piatto, coerente con una chiara riduzione del rumore acustico tonale.

Cosa significa per le macchine di tutti i giorni

Per un non specialista, la conclusione è che questo lavoro mostra come rendere una particolare classe di motori elettrici ad alto coppia sia più silenziosa sia più robusta migliorando il modo in cui l’elettronica “percepisce” la posizione del rotore e reagisce alle perturbazioni. Invece di affidarsi a sensori hardware aggiuntivi o accettare un compromesso tra silenziosità e reattività, la strategia proposta usa un design del segnale più intelligente e algoritmi di controllo per ottenere entrambi gli obiettivi. Il risultato è una direzione promettente verso azionamenti senza sensori, più fluidi e a basso rumore per veicoli elettrici, robot di precisione e altre applicazioni in cui comfort, affidabilità ed efficienza sono importanti.

Citazione: 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

Parole chiave: controllo motore senza sensori, azionamenti per veicoli elettrici, motore sincrono a magneti permanenti a flusso assiale, riduzione del rumore acustico, algoritmi avanzati di controllo motore