基于FFRLS方法的资源受限永磁同步电机控制器的快速无传感器碰撞检测

为什么电机的撞击检测很重要

从工厂机器人到电动汽车，现代机械依赖体积小、转速高且靠近人的紧凑电动机运行。如果运动臂或输送带意外撞到物体或人，系统必须几乎瞬间察觉并做出反应。许多安全系统使用额外传感器来感知这些撞击，但这会增加成本和复杂性。本文提出了一种让常见类型电机仅利用其已有测量信号来感知碰撞的方法，使即便在低成本硬件上也能实现快速的安全反应。

无需额外传感器也能“感知”的电机

研究聚焦于永磁同步电机，这是一类广泛使用的高转矩、轻量电机，常见于协作机器人、工业驱动和电动汽车中。这些电机通常由计算能力有限的紧凑嵌入式控制器驱动。已有的碰撞检测方案常依赖详尽的机器人模型、复杂观测器或甚至神经网络，对此类控制器来说可能过于繁重。其他方法直接监测电机电流，但噪声和正常运行波动使其不可靠。作者的目标是提出一种既足够简单以适配小型控制器，又足够精确以把真正的碰撞与日常干扰区分开的方法。

把电机行为变成一种虚拟触觉

该方法不是增加硬件，而是“听”电机速度和电流随时间的变化。利用电机的简化机械模型，控制器可以从已有的基本测量推断轴上的不可见扭矩——称为负载转矩。核心工具是一种称为遗忘因子的递归最小二乘估计器。实际应用中，该估计器不断调整一小组内部参数，使模型预测的速度与实际速度紧密匹配。通过这些参数，控制器重构轴上随时变化的扭矩，其中既包含常规负载，也包含碰撞造成的突发额外力。

实时识别突发冲击

于是，检测碰撞就成为对估计扭矩进行模式识别的问题。算法寻找估计扭矩信号中的突变，但必须忽略由噪声或正常速度变化引起的小幅波动。为此，它将一个简单的平滑滤波器与强调突变、抑制随机波动的数值差分结合起来。结果得到一个紧凑的“评估值”，当电机遭受冲击时该值会急剧上升。该方法还根据当前转速自适应决策阈值：转速越高，自然波动越大，所以阈值会自动放宽。当评估值超出这个随动的安全带时，算法判定发生碰撞，而整个过程无需求解大型矩阵或运行繁重的优化循环。

将方法付诸测试

研究团队搭建了一个实验平台，围绕小型永磁电机、标准驱动电子设备和施加恒定扭矩的磁制动器展开。为模拟碰撞，他们短暂地将摩擦垫压在轴联轴器上，产生快速且不可预测的负载脉冲。测试涵盖三种现实场景：恒速、受负载加速以及在轻微变化背景负载下的恒速。在每种情况下，该方法都在几毫秒以内检测到碰撞，通常不到一毫秒，并且即使“碰撞”产生的额外转矩远小于现有负载时也能可靠响应。随后在不同电机温度下——室温和约80摄氏度——的重复试验表明，尽管加热改变了电机特性，检测性能仍保持稳健。

对更安全、更廉价机器的意义

对非专业读者而言，关键结论是电机可以在不增加新硬件的情况下获得一种内置的触觉。通过重用驱动器已测量的速度和电流信号，这种方法能迅速识别轻微撞击，从而触发保护动作，例如停止机器人臂或减速输送带。由于该方法依赖紧凑、低成本的计算，易于集成进现有嵌入式控制器，它为在工厂、服务机器人及其他人与强力电机共处的日常应用中实现更安全、更具响应性的机器提供了切实可行的途径。

引用: Zhao, D., Ren, T., Huang, G. et al. Fast sensorless collision detection for resource-constrained pmsm controllers using an FFRLS-based method. Sci Rep 16, 12667 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43846-5

关键词: 碰撞检测, 电动机, 机器人安全, 嵌入式控制, 无传感器监测