Бесшумное бесдатчиковое управление двигателем YASA AFFSPM с использованием ADRC и улучшенного ФАПЧ

Тише и умнее электрические двигатели

От электрокаров до бытовой техники — многие современные устройства полагаются на компактные и мощные электрические двигатели. Однако электроника, обеспечивающая их точность, может также вызывать свист, жужжание и гудение — особенно на низких оборотах, где люди это замечают сильнее всего. В этой статье рассматривается способ управления специальным высокомоментным двигателем без механических датчиков при одновременном снижении раздражающего шума и сохранении быстродействия, плавности и надежности привода.

Почему отказ от датчиков важен

Многие продвинутые двигатели используют такие устройства, как энкодеры или резольверы, чтобы точно сообщать контроллеру положение ротора. Эти датчики увеличивают стоимость, сложность проводки и количество потенциальных точек отказа, особенно в горячих, пыльных или ограниченных пространствах — например, под капотом электромобиля. Альтернативой становится «бесдатчиковое» управление, при котором электроника оценивает положение ротора по электрическим сигналам. Для исследуемого здесь высокомоментного осевого двигателя YASA традиционные бесдатчиковые методы хорошо работают на больших скоростях, но испытывают трудности на малых и нулевых оборотах и часто создают дополнительные потери, пульсацию момента и слышимый шум, когда вводят в обмотки высокочастотные тестовые сигналы.

Рассеивание шума вместо его концентрирования

Первое новшество, описанное в статье, решает проблему шума у её истока. Традиционные схемы бесдатчикового управления вводят высокочастотный сигнал одной фиксированной частоты, который может возбуждать механические резонансы в двигателе и его корпусе — примерно как свист в резонансном стакане. Авторы вместо этого вводят псевдослучайный высокочастотный сигнал с перестройкой частоты внутри узкой полосы и синхронной регулировкой амплитуды. Это «размазывает» энергию по более широкому диапазону тонов, так что отсутствует один доминирующий свист. При этом сигнал остаётся достаточно сильным и структурированным, чтобы контроллер мог считывать магнитный «отпечаток» ротора, а тщательно подобранные соотношения амплитуды и частоты сохраняют полезную информацию о положении практически постоянной при изменениях частоты.

Более внимательное «прослушивание» реакции двигателя

Чтобы превратить эти электрические флуктуации в чистую оценку угла ротора, контроллеру нужно декодировать очень маленькие изменения в токах двигателя. В статье стандартную фазово-локированную петлю — обычный способ отслеживания фазы — заменяют «улучшенной» версией. Во-первых, входные токовые сигналы нормализуют, чтобы их общая амплитуда не имела значения, а важна была только фаза. Затем применяют петлю более высокого порядка, которая ведёт себя как две кооперативные системы слежения вместо одной. Такая конструкция продолжает точно следовать истинному положению ротора даже при колебаниях амплитуды сигнала или когда двигатель разгоняется, тормозится или реверсирует. В испытаниях оценка положения оставалась в пределах примерно плюс-минус двух–трёх электрических градусов в широком диапазоне скоростей и при внезапных изменениях нагрузки.

Борьба с возмущениями до их появления

Второе существенное улучшение касается управления током привода, который напрямую задаёт момент двигателя. Большинство промышленных приводов используют проверенный пропорционально-интегральный (PI) регулятор: он может хорошо работать, но требует аккуратной настройки под конкретную рабочую точку и не адаптируется естественным образом при прогреве двигателя, изменении нагрузки или колебаниях питания. В данной работе авторы реализуют Active Disturbance Rejection Control (ADRC) в основном канале тока, формирующем момент. Этот подход рассматривает все неизвестные воздействия — такие как дрейф параметров и внезапные изменения нагрузки — как единое «суммарное возмущение» и использует встроенный наблюдатель для его реального времени оценки. Контроллер затем практически сразу компенсирует это возмущение, удерживая ток (а следовательно и момент) близко к заданному значению при простой настройке и высокой робастности.

Испытание системы

Все три идеи — псевдослучайная инъекция, улучшенная фазово-локированная петля и регулятор тока с подавлением возмущений — были объединены и испытаны на реальном стенде с двигателем YASA мощностью 750 Вт. По сравнению с хорошо настроенным традиционным решением, использующим инъекцию фиксированной частоты, PI-регулирование тока и стандартную ФАПЧ, новый метод показал меньшие провалы скорости и более быструю её восстановление при удвоении нагрузки, более точное слежение при быстрых реверсах скорости и в целом более плотную оценку положения. Спектры мощности высокочастотных сигналов двигателя показали, что резкие пиковые шумы традиционного подхода были заменены гораздо более плоским спектром, что соответствует заметному снижению тонального акустического шума.

Что это значит для повседневных устройств

Для неспециалиста вывод таков: эта работа демонстрирует способ сделать определённый класс высокомоментных электрических двигателей одновременно тише и надёжнее, улучшив то, как их электроника «ощущает» положение ротора и реагирует на возмущения. Вместо того чтобы полагаться на дополнительные аппаратные датчики или смиряться с компромиссом между тишиной и отзывчивостью, предложенная стратегия использует более умную разработку сигналов и алгоритмы управления, чтобы получить оба преимущества. Результат — многообещающий путь к более плавным, низкошумным бесдатчиковым приводам для электромобилей, прецизионных роботов и других применений, где важны комфорт, надёжность и эффективность.

Цитирование: 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

Ключевые слова: бесдатчиковое управление двигателем, приводы электротранспорта, осевой синхронный двигатель с постоянными магнитами, снижение акустического шума, продвинутые алгоритмы управления двигателями