Robuuste sensorloze regeling van hogesnelheids‑PMSM‑aandrijvingen bij lage carrier‑verhoudingen en parameteronzekerheden

Waarom snellere elektrische motoren slimere besturing nodig hebben

Nu elektrische auto’s, treinen en industriële machines streven naar meer vermogen en hogere efficiëntie, draaien hun motoren sneller dan ooit. Deze hogesnelheidsmotoren efficiënt laten werken betekent de vermogenselektronica minder vaak schakelen om energieverlies en warmte te verminderen. Dat creëert echter een lastig probleem: het elektronische regelorgaan dat de motor aanstuurt verliest het zicht op wat de rotor doet, vooral wanneer de positie zonder fysieke sensor moet worden geschat. Dit artikel presenteert een nieuwe methode om zulke motoren stabiel, efficiënt en betrouwbaar te houden, zelfs onder deze zware bedrijfsomstandigheden.

De uitdaging van meer doen met minder schakelingen

Moderne Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) zijn de krachtpatsers van elektrische voertuigen en geavanceerde industriële aandrijvingen omdat ze compact en efficiënt zijn. Om nog meer prestaties uit hen te halen, verhogen ingenieurs de elektrische frequentie van de motor (door sneller te laten draaien) terwijl ze de schakelingsfrequentie van de inverter verlagen (om verliezen te verminderen). De verhouding tussen deze twee frequenties, bekend als de carrier‑to‑fundamental (C/F) verhouding, wordt daardoor zeer klein, soms zo laag als zes. In dit regime is de tijd tussen regelupdates lang in vergelijking met de elektrische periode van de motor, waardoor numerieke fouten en vertragingen in de digitale regelaar sterk worden versterkt. Conventionele “sensorloze” regelmethoden, die de rotorpositie afleiden uit gemeten stromen en spanningen in plaats van een fysieke sensor te gebruiken, worden onstabiel of onnauwkeurig, wat leidt tot ruisende stromen, koppelrimpel en zelfs uitschakelingen.

De motor observeren zonder sensor

Om positie‑sensoren en hun kosten te elimineren, vertrouwen de meeste hogesnelheidsaandrijvingen op wiskundige observers die de rotorpositie reconstrueren uit elektrische metingen. Traditionele observers gebruiken vaak een eenvoudige terugkoppellus (gebaseerd op proportioneel‑integraal, of PI, regeling) om de geschatte magnetische flux in de motor te corrigeren. Deze schema’s werken redelijk goed bij gematigde snelheden en comfortabele C/F‑verhoudingen maar hebben moeite wanneer parameters zoals weerstand en inductantie met de temperatuur afwijken, of wanneer de numerieke discretisatie in de microcontroller niet langer overeenkomt met de snelle onderliggende fysica. Bij zeer lage C/F‑verhoudingen kunnen lage‑orde numerieke methoden zoals de bekende Euler‑ of Tustin‑benaderingen de discrete tijdpolen van het systeem buiten het veilige gebied verplaatsen, waardoor de observer in oscillatie of divergentie raakt.

Een regelstrategie die storingen on the fly wegwerkt

De auteurs pakken dit aan door de observer opnieuw te ontwerpen rond Active Disturbance Rejection Control (ADRC). In plaats van parameterfouten, belastingsveranderingen en ongemodelleerde effecten afzonderlijk te behandelen, bundelt ADRC ze in één “totale storing” en schat die in realtime met een uitgebreid toestandobserver. Deze schatting van de storing wordt vervolgens actief geneutraliseerd in het regelsignaal, waardoor het systeem zich als een veel eenvoudigere, bekende dynamiek kan gedragen. In de voorgestelde Adaptive Compensation Rotor Flux Observer wordt ADRC gebruikt om voortdurend een interne correctiespanning aan te passen zodat de geschatte magnetische fluxsterkte een gewenste referentie volgt. Uit deze gecorrigeerde flux worden de rotorhoek en -snelheid afgeleid, wat de cruciale positiereferentie levert voor veldgeoriënteerde motorbesturing zonder mechanische sensor.

Hybride numerieke methoden voor realtime‑hardware

De kracht van ADRC gaat echter gepaard met een prijs: de vergelijkingen zijn complexer en vereisen normaal gesproken een hoge‑orde numerieke integratiemethode, zoals de vierde‑orde Runge–Kutta (RK4), om stabiliteit bij lage C/F‑verhoudingen te behouden. RK4 is nauwkeurig maar rekenintensief voor automotive‑grade microcontrollers die binnen microseconden veel bestuurlijke taken moeten uitvoeren. Om dit op te lossen introduceren de auteurs een hybride discretisatiestrategie die de observer opsplitst in een langzaam variërend lineair deel en een snel niet‑lineair terugkoppelingsdeel. Het lineaire component wordt bijgewerkt met een lichte Euler‑stap, terwijl het niet‑lineaire component RK4 gebruikt. Deze hybride aanpak behoudt RK4‑niveau nauwkeurigheid waar dat het meest telt, maar vermindert het aantal vermenigvuldigingen met ongeveer 30% vergeleken met volledige RK4 in de ADRC‑observer, waarmee de uitvoeringstijd daalt tot ongeveer 18,5 microseconden per regelsignaal op een 200 MHz digitale signaalprocessor.

De methode testen op een industriële aandrijving

Het voorgestelde schema is gevalideerd op een veeleisende 100‑kilowatt PMSM die tot 20.000 omwentelingen per minuut draait, representatief voor echte elektrische voortstuwingshardware. Gedetailleerde polenanalyse en experimenten tonen aan dat observers gebaseerd op Euler‑ en Tustin‑discretisatie onstabiel worden naarmate de snelheid toeneemt of de C/F daalt, terwijl die met RK4 of de nieuwe hybride methode comfortabel binnen het stabiele gebied blijven. In de praktijk maakt de hybride ADRC‑observer sensorloze werking mogelijk bij een C/F‑verhouding van slechts zes, met stroomvormen en koppelrimpel dicht bij die van een systeem met een fysieke positiemeter. Belastingsstappen onthullen snellere inslingertijden, kleinere overshoot en betere ontkoppeling van stroomcomponenten vergeleken met conventionele observers. Zelfs wanneer belangrijke motorparameters opzettelijk verkeerd worden ingesteld—de veronderstelde weerstand verdubbeld of de inductantie gehalveerd—blijft het systeem stabiel, met slechts bescheiden toename van stroom‑ en snelheidsrimpel op de orde van enkele delen per tienduizend.

Wat dit betekent voor toekomstige elektrische aandrijvingen

In toegankelijke bewoordingen laat dit werk zien hoe een slimmer “virtueel sensor” en een zorgvuldige numerieke motor zeer snelle elektrische motoren onder controle kunnen houden, zelfs wanneer de elektronica langzaam schakelt en de praktijk afwijkt van het boekmodel. Door ADRC’s storingsonderdrukkende observer te combineren met een hybride discretisatie die binnen strakke processorbegrotingen past, tonen de auteurs sensorloze regeling die bijna zo schoon en robuust is als sensorgebaseerde regeling, maar eenvoudiger en goedkoper te bouwen. Dit opent de deur naar efficiëntere, compactere en betrouwbaardere aandrijfsystemen voor elektrische voertuigen en andere hoogpresterende toepassingen waar elke watt en elk gram telt.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: sensorloze motorbesturing, hogesnelheids‑PMSM, lage schakelingsfrequentie, actieve storingsonderdrukking, hybride discretisatie