Lågbrusig sensorlös styrning av en YASA AFFSPM-motor med ADRC och förbättrad PLL

Tystare, smartare elmotorer

Från elbilar till hushållsapparater förlitar sig många moderna maskiner på kompakta, kraftfulla elmotorer. Men elektroniken som gör dessa motorer precisa kan också få dem att tjuta, surra och brumma—särskilt vid låga hastigheter, precis där människor märker det mest. Denna artikel undersöker ett sätt att driva en speciell högmomentmotor utan mekaniska sensorer samtidigt som det irriterande bullret minskas och drivningen hålls snabb, mjuk och pålitlig.

Varför det är viktigt att ta bort sensorer

Många avancerade motorer använder enheter som enkodrar eller resolvrar för att tala om exakt var rotorn befinner sig för styrsystemet. Dessa sensorer tillför kostnad, kablage och potentiella felpunkter, särskilt i heta, dammiga eller trånga miljöer som under huven på ett elfordon. Ett växande alternativ är ”sensorlös” styrning, där elektroniken uppskattar rotorpositionen enbart från elektriska signaler. För den högmomentiga YASA axialflödesmotorn som studeras här fungerar konventionella sensorlösa metoder bra vid högre hastigheter men har svårt vid låg eller noll hastighet, och de skapar ofta extra förluster, momentrippel och hörbart brus när de injicerar högfrekventa testsignaler i lindningarna.

Sprida ut bruset istället för att skrika

Den första innovationen som beskrivs i artikeln angriper bullerproblemet vid dess källa. Traditionella sensorlösa scheman injicerar en högfrekvent signal vid en fast ton, vilket kan excitera mekaniska resonanser i motorn och dess hus—på samma sätt som att vissla i precis rätt tonhöjd för att få ett glas att klinga. Författarna injicerar istället en pseudotillfällig högfrekvent signal vars frekvens hoppar inom ett smalt band och vars amplitud justeras synkront. Detta ”smetar ut” energin över ett bredare spektrum av toner så att det inte finns någon enda högljudd vissling. Viktigt är att signalen fortfarande är tillräckligt stark och strukturerad för att styrsystemet ska kunna läsa av rotorns magnetiska fingeravtryck, och noga valda amplitud–frekvens-förhållanden håller den användbara positionsinformationen i stort sett konstant även när frekvensen förändras.

Lyssna noggrannare på motorns respons

För att omvandla dessa elektriska rippel till en ren uppskattning av rotorvinkeln måste styrsystemet avkoda mycket små förändringar i motströmmarna. Artikeln ersätter en standardfaslåst slinga—en vanlig metod för fasspårning—med en ”förbättrad” version. Först normaliserar den inkommande strömsignalerna så att deras totala styrka inte spelar roll, bara deras fas. Därefter använder den en högre ordningens slingstruktur som beter sig lite som två samarbetande spårare istället för en. Denna konstruktion fortsätter att följa den verkliga rotorpositionen noggrant även när signalens amplitud svajar eller när motorn accelererar, bromsar eller backar. I tester höll sig den uppskattade positionen inom ungefär plus eller minus två till tre elektriska grader över ett spektrum av hastigheter och snabba lastförändringar.

Bekämpa störningar innan de visar sig

Den andra stora förbättringen gäller hur drivningen kontrollerar strömmen, vilken direkt bestämmer motorns moment. De flesta industridrivningar förlitar sig på en beprövad proportional–integral (PI)-regulator som kan fungera mycket väl men måste finjusteras för en viss driftspunkt och inte naturligt anpassar sig när motorn värms upp, lasten ändras eller matningen fluktuerar. Här implementerar författarna Active Disturbance Rejection Control i huvudkanalen som producerar momentet. Denna metod behandlar alla okända effekter—såsom parameterdrift och plötsliga laständringar—som en enda ”total störning” och använder en inbyggd observatör för att uppskatta den i realtid. Styrsystemet kansellerar sedan den störningen nästan samtidigt som den uppträder, vilket håller strömmen (och därmed momentet) nära sitt mål med enkel inställning och stark robusthet.

Sätta systemet på prov

Alla tre idéer—pseudotillfällig injektion, den förbättrade faslåsta slingan och den störningsavvisande strömregulatorn—kombinerades och testades på ett verkligt 750-watts YASA-motorrig. Jämfört med en vältrimmad konventionell uppställning med fixfrekvensinjektion, PI-strömstyrning och en standard PLL visade den nya metoden mindre varvtalssänkningar och snabbare återhämtning när lasten plötsligt fördubblades, mer exakt spårning vid snabba varvtalsvändningar och stramare positionsuppskattningar totalt sett. Effektspektralmätningar av motorns högfrekventa signaler visade att de skarpa brusspetsarna hos den traditionella metoden ersattes av ett mycket plattare spektrum, vilket stämmer överens med en tydlig minskning av tonalt akustiskt brus.

Vad detta betyder för vardagsmaskiner

För en icke-specialist är slutsatsen att detta arbete visar hur man gör en viss klass av högmomentelmotorer både tystare och mer robusta genom att förbättra hur deras elektronik ”känner” rotorpositionen och reagerar på störningar. Istället för att förlita sig på extra hårdvarusensorer eller acceptera en kompromiss mellan tystnad och responsivitet använder den föreslagna strategin smartare signalutformning och styralgoritmer för att uppnå båda. Resultatet är en lovande väg mot mjukare, lågbullriga, sensorlösa drivningar för elfordon, precisionsrobotar och andra tillämpningar där komfort, pålitlighet och effektivitet alla är viktiga.

Citering: 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

Nyckelord: sensorlös motorstyrning, drivlinor för elfordon, axialflödes permanentmagnetmotor, reducering av akustiskt brus, avancerade motorstyrningsalgoritmer