前言
无传感器控制策略是电机控制的关键研究领域之一。本文是系列文章的第一篇，重点介绍永磁同步电机 (PMSM) 的无传感器技术。每篇文章都将从理论和验证两个角度分析所提出的方法和策略。
I.永磁电机无传感器控制的研究背景
无传感器控制的研究主要是为了解决由于外部约束和成本要求造成的限制。主要方法分为高频信号注入和基于模型的方法。与感应电机不同，永磁同步电机（PMSM）在不同速度范围内表现出不同的特性，需要不同的估算方法。在这些应用中，可靠的直流无刷电机驱动器或直流无刷电机驱动器，甚至是三相无刷电机驱动器往往是必不可少的。
图 1.1 永磁同步电机无传感器控制技术的分类
除上述方法外，还有覆盖全速域的单观测器无传感器控制策略，如非线性磁通观测器和 dq 轴电流估计。
II.永磁同步电机无传感器控制策略概述
2.2 基于电磁场的观测器方法
2.2.1 了解 EMF 观察器
图 2.2.1 估计方法的控制框图
利用反向电动势 (EMF) 和锁相环 (PLL) 估算转速和转子位置包括两个步骤：
- 获取反向电动势
- 使用 PLL 计算电机速度和转子位置
该算法提取与速度相关的物理量，如电压、电流、磁通联系和反向 EMF，并从中得出速度信号。估算精度取决于反向 EMF 的信噪比；转速越高，EMF 振幅越大，估算效果越好。然而，在零速或低速时，信噪比非常低，外部干扰会阻碍获得有用的数据。因此，基于模型的方法不适合零速或低速区域。
开环算法主要是指基于电机电磁关系的电磁场积分法。它通过对定子电流和电压的实时测量来估算速度。由于它不使用迭代计算，因此每次计算都是独立的，从而确保了快速的动态响应，并提高了控制系统的带宽。这种实现方式适用于工业直流电机控制器或较简单应用中的无传感器 直流 控制器。然而，其主要局限性在于易受外部干扰和参数变化的影响。因此，它需要较高的精度，并通常与纠错和参数识别相结合，以缓解这些问题。
总之，开环算法很难应用于高精度伺服驱动器–它们更适用于干扰最小、精度要求不高的应用，如基本的BLDC FOC 控制器应用。
2.2.2 内部安装和表面安装 PMSM 的电磁场数学模型
2.2.2.1 EMF 数学模型
有多种方法可以获得 EMF，通常是通过观测器（如滑动模式或 Luenberger 类型）。为便于分析反向 EMF，我们给出了静态参考框架下的电机数学模型。这些模型符合无刷直流电机控制器或集成式三相直流电机控制器系统的设计。
2.2.2.2 LPF 增强型电磁场观测器
传统的电磁场观测器产生的波形具有失真和微弱的正弦特性。由于精确的电磁场估算直接影响到速度和位置估算，因此有必要对其进行改进，如使用低通滤波器的无传感器双直流控制器。
2.2.3 内部和表面安装 PMSM 的仿真验证
图 2.2.3 使用传统微分方程计算的背 EMF 波形
如图 2.2.3 所示，反向 EMF 波形失真且正弦质量较差。这直接影响了速度和位置估算的精度，因此有必要改进方法。
图 2.2.4 利用基于低通滤波器的观测器估算的反向 EMF 波形
如图 2.2.4 所示，通过基于滤波器的扩展电磁场观测器估算出的波形是高度正弦的。
- 传统的扩展电磁场观测器方法
(b) 滤波增强的扩展电磁场观测器方法
图 2.2.5 转速估算跟踪
从图 2.2.5 中可以明显看出，滤波增强型观测器可获得较低的速度估计误差和最小的稳态误差，而这正是高性能工业直流电机控制器设计所要达到的目标。
III.结论与讨论
独立的 EMF 观察器无法在 PMSM 的整个速度范围内独立估计转子速度和位置。由于 EMF 幅值与信噪比成正比，因此在零速或低速时无法获得准确的 EMF，从而无法进一步估算转子信息。
为了实现全速域转子速度估算，常用的策略是 IF + SMO，我们将在今后的文章中介绍并验证这一策略。
