使用 ADRC 和改进的 PLL 对 YASA AFFSPM 电机进行低噪声无传感控制

更安静、更智能的电动马达

从电动汽车到家用电器，许多现代设备依赖体积小、功率大的电动机。但那些让电机保持精确的电子装置往往也会在低速时产生哀鸣、嗡嗡声和共振——正是在人们最容易注意到的转速范围。本文探讨了一种在不使用机械传感器的情况下驱动一种特殊高转矩电机的方法，旨在减少令人烦躁的噪声，同时保持驱动响应快速、平滑且可靠。

为什么去除传感器很重要

许多先进电机使用编码器或解析器等装置向控制器精确报告转子位置。这些传感器增加了成本、布线和潜在故障点，尤其是在电动车发动机舱等高温、多尘或空间受限的环境中。一个越来越流行的替代方案是“无传感”控制，其通过电气信号本身来估计转子位置。对于本文研究的高转矩 YASA 轴向磁通电机，传统无传感方法在高转速时表现良好，但在低速或零速时困难较大；而且当它们向绕组注入高频测试信号时，常引入额外损耗、转矩脉动和可听噪声。

扩散噪声而不是集中尖叫

论文描述的第一个创新从噪声源头入手。传统的无传感方案在一个固定频率注入高频信号，这可能激发电机及其外壳的机械谐振——类似于用特定音调让玻璃共振。作者改为注入一种伪随机高频信号，其频率在一个窄带内跳变，并且幅值同步调整。这样可将能量“涂抹”到更宽的频谱上，从而避免出现单一明显的哨声。重要的是，该信号仍足够强且具有结构性，控制器可以读取转子的磁性指纹；而且经过精心选择的幅频比使得有用的位置信息在频率变化时保持近似恒定。

更细致地“听”电机的响应

要将这些嘈杂的电流纹波解码为干净的转子角度估计，控制器必须读取电流中非常微小的相位变化。论文用一种“改进”的相位锁定环替换了标准 PLL。首先，它对输入电流信号进行归一化，使得信号的整体幅度不再重要，仅关注相位。然后采用更高阶的环路结构，其行为更像是两个协同工作的跟踪器而不是单一跟踪器。该设计即便在信号幅值摆动或电机加速、减速或反转时，也能保持对真实转子位置的准确跟踪。试验中，估计的位置在多种转速和突变负载下保持在大约正负 2–3 电角度范围内。

在干扰出现前将其抑制

第二项主要改进在于驱动的电流控制方式，电流直接决定电机转矩。大多数工业驱动采用久经考验的比例-积分（PI）控制器，其在特定工作点上调谐良好，但当电机升温、负载变化或电源波动时不会自适应。本文作者在主转矩产生的电流通道中实现了主动扰动抑制控制（ADRC）。该方法将所有未知影响——例如参数漂移和突发负载变化——视为一个“总扰动”，并使用内置观测器实时估计它。控制器随后几乎在扰动出现时就予以抵消，使电流（从而转矩）在简单调节下保持接近目标，且具有很强的鲁棒性。

实机测试

三项技术——伪随机注入、改进的相位锁定环以及抗扰动电流控制——被集成并在一台真实的 750 瓦 YASA 电机装置上进行了测试。与使用固定频注入、PI 电流控制和标准 PLL 的调谐良好常规方案相比，新方法在负载突然加倍时表现出较小的速度跌落和更快的恢复，快速反向时的跟踪更准确，整体位置估计更为紧凑。对电机高频信号的功率谱测量显示，传统方法的尖锐噪声峰值被更平坦的谱取代，这与音调噪声明显降低一致。

对日常设备的意义

对非专业读者而言，结论是：这项工作展示了如何通过改进电子系统对转子位置的“感知”和对扰动的响应，使一类高转矩电机既更安静又更鲁棒。与其依靠额外的硬件传感器或在静音与响应性之间妥协，所提出的策略通过更智能的信号设计和控制算法同时实现两者。其结果为电动汽车、精密机器人和其他对舒适性、可靠性与效率有高要求的应用，提供了一条通向更平顺、低噪声无传感驱动的有前景路径。

引用: 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

关键词: 无传感电机控制, 电动汽车传动, 轴向磁通永磁电机, 声学噪声降低, 先进电机控制算法