Controllo robusto senza sensori di azionamenti PMSM ad alta velocità con bassi rapporti portante e incertezze parametriche

Perché i motori elettrici più veloci richiedono un controllo più intelligente

Man mano che auto elettriche, treni e macchine industriali spingono verso potenze maggiori e migliore efficienza, i loro motori girano più velocemente che mai. Far funzionare questi motori ad alta velocità in modo efficiente significa commutare l’elettronica di potenza meno frequentemente per ridurre le perdite energetiche e il calore. Ma questo crea un problema spinoso: il cervello elettronico che controlla il motore comincia a perdere il controllo di ciò che fa il rotore, soprattutto quando deve stimarne la posizione senza un sensore fisico. Questo articolo presenta un nuovo modo per mantenere tali motori stabili, efficienti e affidabili anche in queste condizioni operative difficili.

La sfida di fare di più con meno commutazioni

I moderni motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) sono i cavalli di battaglia dei veicoli elettrici e degli azionamenti industriali avanzati perché sono compatti ed efficienti. Per estrarre ancora più prestazioni, gli ingegneri aumentano la frequenza elettrica del motore (facendolo girare più velocemente) riducendo al contempo la frequenza di commutazione dell’inverter (per diminuire le perdite). Il rapporto tra queste due frequenze, noto come rapporto portante‑su‑fondamentale (C/F), diventa allora molto piccolo, talvolta fin verso sei. In questo regime, il tempo tra gli aggiornamenti di controllo è lungo rispetto al periodo elettrico del motore, quindi gli errori numerici e i ritardi nel controllore digitale vengono fortemente amplificati. Gli schemi di controllo “senza sensori” convenzionali, che ricavano la posizione del rotore da correnti e tensioni misurate invece di usare un sensore fisico, diventano instabili o imprecisi, provocando correnti rumorose, ondulazioni di coppia e perfino arresti.

Osservare il motore senza sensore

Per eliminare i sensori di posizione e i relativi costi, la maggior parte degli azionamenti ad alta velocità si affida a osservatori matematici che ricostruiscono la posizione del rotore a partire dalle misure elettriche. Gli osservatori tradizionali spesso usano un semplice anello di retroazione (basato sul controllo proporzionale‑integrale, PI) per correggere il flusso magnetico stimato all’interno del motore. Questi schemi funzionano ragionevolmente bene a velocità moderate e a rapporti C/F confortevoli, ma faticano quando parametri come resistenza e induttanza derivano con la temperatura, o quando la discretizzazione numerica usata nel microcontrollore non corrisponde più alla fisica sottostante veloce. A rapporti C/F molto bassi, metodi numerici di basso ordine come i familiari approcci di Euler o Tustin possono spostare i poli del sistema in tempo discreto fuori dalla regione sicura, spingendo l’osservatore in oscillazione o divergenza.

Uno schema di controllo che annulla le perturbazioni al volo

Gli autori affrontano questo problema riprogettando l’osservatore attorno alla Reiezione Attiva delle Perturbazioni (ADRC). Invece di trattare gli errori di parametro, i cambi di carico e gli effetti non modellati separatamente, ADRC li aggrega in una singola “perturbazione totale” e la stima in tempo reale con un osservatore di stato esteso. Questa stima della perturbazione viene quindi cancellata attivamente nel segnale di controllo, permettendo al sistema di comportarsi come una dinamica molto più semplice e ben conosciuta. Nel proposto Osservatore Adattivo di Compensazione del Flusso del Rotore, ADRC è usato per regolare continuamente una tensione di correzione interna in modo che l’ampiezza del flusso magnetico stimato segua un riferimento desiderato. Da questo flusso corretto si ricavano l’angolo e la velocità del rotore, fornendo l’informazione di posizione cruciale per il controllo orientato al campo del motore senza alcun sensore meccanico.

Metodi numerici ibridi per hardware in tempo reale

Tuttavia, la forza dell’ADRC ha un costo: le sue equazioni sono più complesse e normalmente richiedono un metodo di integrazione numerica di ordine elevato, come il Runge–Kutta di quarto ordine (RK4), per preservare la stabilità a bassi rapporti C/F. RK4 è accurato ma computazionalmente pesante per microcontrollori di qualità automobilistica che devono eseguire molti compiti di controllo in pochi microsecondi. Per risolvere questo problema, gli autori introducono uno schema di discretizzazione ibrido che divide l’osservatore in una parte lineare a variazione lenta e una parte di retroazione non lineare veloce. Il componente lineare viene aggiornato con un passo Euler leggero, mentre il componente non lineare usa RK4. Questo approccio ibrido mantiene l’accuratezza di livello RK4 dove conta di più, riducendo tuttavia il conteggio delle moltiplicazioni di circa il 30% rispetto a un RK4 completo nell’osservatore ADRC, portando il tempo di esecuzione a circa 18,5 microsecondi per ciclo di controllo su un processore digitale a 200 MHz.

Mettere il metodo alla prova su un azionamento industriale

Lo schema proposto è stato validato su un esigente PMSM da 100 kilowatt che raggiunge 20.000 giri al minuto, rappresentativo dell’hardware di propulsione elettrica reale. Analisi dettagliate dei poli e esperimenti mostrano che gli osservatori basati su discretizzazione Euler e Tustin diventano instabili con l’aumentare della velocità o la diminuzione del C/F, mentre quelli che usano RK4 o il nuovo metodo ibrido restano comodamente nella regione stabile. In pratica, l’osservatore ADRC ibrido permette l’operazione senza sensori a un rapporto C/F basso come sei, con forme d’onda di corrente e ondulazione di coppia vicine a quelle ottenute da un sistema che usa un sensore di posizione fisico. I test a gradino di carico rivelano tempi di assestamento più rapidi, sovraelongazioni minori e migliore disaccoppiamento delle componenti di corrente rispetto agli osservatori convenzionali. Anche quando i parametri chiave del motore sono intenzionalmente impostati in modo errato—raddoppiando la resistenza assunta o dimezzando l’induttanza—il sistema rimane stabile, con solo aumenti modesti dell’ondulazione di corrente e dell’ondulazione di velocità dell’ordine di poche decine di migliaia.

Cosa significa questo per i futuri azionamenti elettrici

In termini accessibili, questo lavoro mostra come un “sensore virtuale” più intelligente e un motore numerico accuratamente progettato possano mantenere sotto controllo motori elettrici molto veloci, anche quando l’elettronica commuta lentamente e le condizioni reali si discostano dal modello dei manuali. Combinando l’osservatore ADRC che annulla le perturbazioni con una discretizzazione ibrida che si adatta ai ristretti vincoli di processore, gli autori dimostrano un controllo senza sensori quasi pulito e robusto quanto il controllo con sensore, ma più semplice e meno costoso da costruire. Questo apre la strada a sistemi di azionamento più efficienti, compatti e affidabili per veicoli elettrici e altre applicazioni ad alte prestazioni dove ogni watt e ogni grammo conta.

Citazione: 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

Parole chiave: controllo motore senza sensori, PMSM ad alta velocità, bassa frequenza di commutazione, reiezione attiva delle perturbazioni, discretizzazione ibrida