本文针对永磁同步电机（PMSM）介绍了一种覆盖全速范围的无传感器控制策略，采用预定位 + IF + SMO 的三阶段方法进行初始位置检测，IF 强拖动到一定速度，然后切换到 SMO 观察器。在理论介绍之后，仿真实施验证了这一策略的有效性。
1.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条件限制和成本考虑而提出的要求。主要方法分为高频信号注入法和基于模型的方法。PMSM 与感应电机不同–由于电机在不同速度范围的特性，需要采用不同的估算方法。
图 1.1 PMSM 无传感器控制技术分类
除上述方法外，还有覆盖全转速范围的单观测器无传感器控制策略，如非线性磁通观测器方法、基于 dq 轴的电流估计方法等。
2.预定位
PMSM 的高性能控制需要精确的转子位置信息。从已知的转子位置起动可获得最大的起动转矩。从未知转子位置启动可能会导致启动电流过大、反向旋转或电机启动失败，这在许多应用中都是不可接受的。
例如，当定子磁场与永磁体磁场的夹角为 180° 或 0° 时，转子转矩为 0，电机无法正常起动 – 这个位置称为电机的起动死点。相反，当定子电枢磁场与永磁磁场垂直时，此时电机可获得最大启动转矩。但是，由于定子磁场和永磁磁场之间的夹角仍有 90° 和 270° 之分（两个相反的位置）：如果夹角为 90°，则电机以最大扭矩启动；如果夹角为 270°，则电机以相反方向的最大扭矩启动。因此，仍需确定转子的 N 极和 S 极，以确保成功启动 PMSM。
现有的 PMSM 转子初始位置检测方法可分为两类：基于电机自身磁路结构突出效应的方法和基于定子铁芯非线性饱和特性的方法。由于转子磁路结构不对称，导致 d 轴和 q 轴电感不同，因此内部 PMSM 会表现出结构突出效应。通常，表面安装式 PMSM 的 d 轴和 q 轴电感相等。当电流注入定子绕组，产生的磁场方向与永磁体磁场方向一致时，会导致 d 轴磁路饱和，使 d 轴电感小于 q 轴电感，从而出现饱和突出。
本节主要介绍使电机转子轴旋转到指定位置的预定位方法。在实际应用中，它通常用于风扇和水泵。
预定位的实现方法：施加固定的扭矩电流 iq，设置 id=0，施加不同的 theta 角，电机轴将旋转到该角度对应的位置。
3.中频控制
图 3.1 IF 控制框图
IF 控制方法控制电流，用于中高速无传感器控制的起动阶段。中频控制可以实现平稳的电机启动，在启动过程中不会出现电流过冲。但是，基本的中频控制方法是一种开环方案，电流幅值和频率不能自动调节，而且存在容易失步、速度容易受干扰等缺点。它不太适合电机的稳态运行，只能用于辅助起动。
4.仿真实现与验证
本系统仿真为单机仿真系统，分三步实现全速范围无传感器控制：
- 执行预定位以确定 PMSM 的初始转子位置
- 中频强拖动至指定速度（由于 PMSM 的反向电动势与速度成正比，因此观测器难以准确估计低速区域的反向电动势，从而导致系统不稳定甚至发散）
- 从 IF 切换到滑动模式观测器 (SMO)
滑动模式观测器 (SMO) 和锁相环 (PLL) 的内容已在之前的文章中介绍过，这里不再赘述。
图 4.1 预定位过程
图 4.2 中频控制过程
图 4.3 中频强拖曳过程中的角度变化
图 4.4 同步角度变化
从图 (4.3) 和 (4.4) 可以看出，它首先预定位到 1.5π 位置，然后进行中频强拖动，最后切换到 SMO。
图 4.5 速度跟踪变化
图 4.6 定子电流波形
图 (4.5) 显示了转速估算的变化：首先 IF 强拖动到 800rpm，然后切换到 SMO 观察器并变为 2000rpm。在切换过程中，估计转速波动很大。这是由切换函数的选择造成的。为了改善这一问题，需要对这一部分进行修改。
5.讨论问题
5.1 在实际应用中，初始位置检测一般采用什么方法？
5.2 如何选择从 IF 到 SMO 的切换策略，以减少 q 轴电流突变对控制的影响？
