Niska głośność sterowania bezczujnikowego silnika YASA AFFSPM z wykorzystaniem ADRC i ulepszonego PLL

Cichsze, inteligentniejsze silniki elektryczne

Od samochodów elektrycznych po urządzenia gospodarstwa domowego — wiele współczesnych maszyn opiera się na kompaktowych, wydajnych silnikach elektrycznych. Elektronika, która zapewnia im precyzję, może jednak powodować piski, brzęczenie i buczenie — szczególnie przy niskich prędkościach, właśnie tam, gdzie ludzie to zauważają. Niniejszy artykuł bada sposób pracy specjalnego silnika o wysokim momencie bez użycia mechanicznych czujników, jednocześnie ograniczając irytujący hałas oraz zachowując szybkie, płynne i niezawodne sterowanie.

Dlaczego rezygnacja z czujników ma znaczenie

Wiele zaawansowanych silników wykorzystuje enkodery lub resolvery do precyzyjnego określenia położenia wirnika. Czujniki te zwiększają koszty, wymagają okablowania i stwarzają dodatkowe punkty awarii, szczególnie w gorących, zapylonych lub ciasnych warunkach, jak pod maską pojazdu elektrycznego. Coraz popularniejszą alternatywą jest sterowanie „bezczujnikowe”, w którym elektronika szacuje pozycję wirnika wyłącznie na podstawie sygnałów elektrycznych. Dla badanej tu osiowej maszyny YASA konwencjonalne metody bezczujnikowe działają dobrze przy wyższych prędkościach, ale mają trudności przy niskich lub zerowych obrotach i często powodują dodatkowe straty, pulsacje momentu oraz słyszalny hałas, gdy wprowadzają do uzwojeń wysokoczęstotliwościowe sygnały testowe.

Rozpraszanie hałasu zamiast jednego głośnego tonu

Pierwsza innowacja opisana w pracy atakuje problem hałasu u źródła. Tradycyjne schematy bezczujnikowe wprowadzają sygnał wysokiej częstotliwości o stałej tonacji, który może pobudzać rezonanse mechaniczne silnika i jego obudowy — podobnie jak gwizdanie na odpowiedniej wysokości, które wprawia w drgania szklankę. Autorzy zamiast tego wstrzykują pseudolosowy sygnał wysokiej częstotliwości, którego częstotliwość skacze w wąskim paśmie, a amplituda jest dostosowywana synchronicznie. To „rozmazuje” energię na szerszy zakres tonów, dzięki czemu nie powstaje pojedynczy głośny pisk. Co ważne, sygnał pozostaje wystarczająco silny i uporządkowany, aby sterownik mógł odczytać magnetyczny odcisk palca wirnika, a starannie dobrane relacje amplituda–częstotliwość utrzymują użyteczną informację o położeniu prawie na stałym poziomie w miarę zmiany częstotliwości.

Uważniejsze słuchanie reakcji silnika

Aby przekształcić te zakłócające elektryczne fluktuacje w czyste oszacowanie kąta wirnika, sterownik musi odszyfrować bardzo małe zmiany w prądach silnika. W pracy standardową pętlę fazową — powszechną metodę śledzenia fazy — zastąpiono „ulepszoną” wersją. Najpierw normalizuje się przychodzące sygnały prądowe tak, by liczyła się wyłącznie ich faza, a nie całkowita siła. Następnie użyto struktury pętli wyższego rzędu, która działa nieco jak dwa współpracujące śledzące układy zamiast jednego. Takie rozwiązanie utrzymuje dokładne podążanie za rzeczywistą pozycją wirnika nawet gdy amplituda sygnału waha się lub gdy silnik przyspiesza, zwalnia czy zmienia kierunek. W testach oszacowana pozycja pozostawała w przybliżeniu w granicach plus minus dwóch–trzech stopni elektrycznych w szerokim zakresie prędkości i nagłych zmian obciążenia.

Przeciwdziałanie zakłóceniom zanim się pojawią

Drugie istotne ulepszenie dotyczy sposobu sterowania prądem napędowym, który bezpośrednio determinuje moment obrotowy. Większość napędów przemysłowych opiera się na sprawdzonym regulatorze proporcjonalno-całkującym (PI), który może działać bardzo dobrze, ale wymaga starannego dostrojenia dla konkretnego punktu pracy i nie adaptuje się naturalnie, gdy silnik się nagrzewa, zmienia się obciążenie lub waha się zasilanie. Autorzy wprowadzili tutaj sterowanie aktywną eliminacją zaburzeń (Active Disturbance Rejection Control, ADRC) w głównym kanale prądu wytwarzającym moment. Podejście to traktuje wszystkie nieznane efekty — takie jak dryf parametrów czy nagłe zmiany obciążenia — jako jedną „całkowitą zaburzenie” i wykorzystuje wbudowany obserwator do szacowania go w czasie rzeczywistym. Sterownik następnie niemal natychmiast anuluje to zaburzenie, utrzymując prąd (a więc moment) blisko wartości zadanej przy prostym strojenie i dużej odporności na zmiany.

Próby systemu

Wszystkie trzy pomysły — wstrzykiwanie pseudolosowe, ulepszona pętla fazowa i regulator prądu odrzucający zaburzenia — zostały połączone i przetestowane na rzeczywistym stanowisku z silnikiem YASA o mocy 750 W. W porównaniu z dobrze dostrojonym konwencjonalnym układem używającym wstrzykiwania o stałej częstotliwości, sterowania prądem PI i standardowej pętli fazowej, nowa metoda wykazała mniejsze spadki prędkości i szybsze odzyskiwanie po nagłym podwojeniu obciążenia, bardziej precyzyjne śledzenie przy szybkich zmianach kierunku obrotów oraz ogólnie dokładniejsze estymaty położenia. Pomiary widma mocy wysokoczęstotliwościowych sygnałów silnika wykazały, że ostre szczyty hałasu tradycyjnego podejścia zostały zastąpione znacznie płytszym widmem, co odpowiada wyraźnemu zmniejszeniu tonalnego hałasu akustycznego.

Znaczenie dla urządzeń codziennego użytku

Dla czytelnika nietechnicznego wniosek jest taki, że praca pokazuje sposób na uczynienie określonej klasy silników o dużym momencie jednocześnie cichszymi i bardziej odpornymi poprzez ulepszenie tego, jak ich elektronika „wyczuwa” pozycję wirnika i reaguje na zakłócenia. Zamiast polegać na dodatkowych czujnikach sprzętowych lub akceptować kompromis między ciszą a responsywnością, proponowana strategia wykorzystuje inteligentniejsze projektowanie sygnałów i algorytmy sterowania, by uzyskać oba efekty. Rezultatem jest obiecująca ścieżka do płynniejszych, niskoszumowych, bezczujnikowych napędów dla pojazdów elektrycznych, robotów precyzyjnych i innych zastosowań, w których komfort, niezawodność i wydajność są istotne.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: sterowanie bezczujnikowe silnika, napędy do pojazdów elektrycznych, osiowy silnik z magnesami trwałymi, redukcja hałasu akustycznego, zaawansowane algorytmy sterowania silnikami