- 頭條永磁同步電機電流諧波抑制策略2020-11-04 作者：李帥、孫立志、劉興亞、安群濤 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語哈爾濱工業大學電氣工程系、蘇州匯川技術有限公司的研究人員李帥、孫立志、劉興亞、安群濤，在2019年《電工技術學報》增刊1上撰文指出，逆變器非線性、反電動勢波形非正弦等因素會使得永磁同步電機繞組電流中包含5、7次諧波，從而導致電機轉矩波動，并使電機產生振動和噪聲，影響系統的控制性能。本文對電流諧波抑制策略進行綜述，闡述其原理，并進行實驗對比。
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因具有高功率密度、高效率、高可靠性等特點，在電力傳動、電動汽車、數控機床以及航空航天等各種功率場合得到了廣泛的研究與應用。但由于逆變器開關斬波和非線性及電機反電動勢波形非正弦等因素會產生諧波電流，從而導致電機損耗增加和轉矩波動，使系統的控制性能變差。
PMSM電流諧波分為5、7、11、13次等低次諧波和開關頻率及其倍數次的高次諧波。對于PWM斬波導致的高次電流諧波，通常采用改變逆變器拓撲、優化PWM策略、增加輸出濾波器等方式來降低逆變器輸出的高次電壓諧波。對于低次電流諧波，其產生原因復雜且抑制策略多樣。
低次電流諧波的來源主要有兩個方面：一是電機本體方面，如齒槽效應、繞組分布形式、磁路磁飽和效應、轉子磁極結構等引起的電機氣隙磁場畸變；二是驅動方面，如逆變器死區時間和器件管壓降等非線性特性導致的逆變器輸出電壓畸變、A-D電流的采樣偏差、數字控制器分辨率的限制以及控制器參數偏差等。
針對影響電流低次諧波的兩方面因素，國內外學者展開了電流諧波抑制的研究工作，以期改善電流波形的正弦度。
- 一是改進和優化電機的本體結構，主要有斜槽或斜極、永磁體形狀優化、定子繞組類型和磁路優化等，目的是削弱反電動勢的畸變，降低反電動勢中的諧波含量。
- 二是從系統控制策略角度，利用諧波補償算法來抑制電流諧波，主要電流諧波抑制策略有諧波電壓補償、多旋轉PI控制、比例諧振（Proportional Resonant, PR）控制、復矢量PI（Complex Vector PI, CVPI）控制、重復控制（Repetitive Control, RC）、自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control, ADRC）等。
本文分別介紹了抑制電流低次諧波的控制策略，并進行實驗對比。
圖10 基于二階自抗擾控制器的PMSM控制系統
總結
永磁同步電機電流諧波導致電機損耗增加，引起轉矩波動，使得系統的控制效果變差。本文闡述了電流諧波的主要來源，給出了永磁同步電機的諧波數學模型，介紹了電流諧波抑制算法的原理，并給出了實驗結果。
對于電流諧波的抑制，一方面需要從本體上優化電機結構，采用先進的加工工藝，盡可能提高氣隙磁場的正弦度，減小反電動勢諧波；另一方面，在控制策略上，利用諧波補償算法來抑制電流諧波，改善電機電流波形。
多旋轉PI控制具有較好的諧波抑制效果，但需要多個PI控制器，參數整定較為困難。復矢量PI控制是對傳統PI控制器的一種推廣，可減少PI控制器的數量，簡化多旋轉PI控制系統，應用時需要增加控制器帶寬以提高系統穩定性，但也使得增益衰減。PR是以正弦信號為內模的一種控制器，可對交流量進行無靜差控制，具有良好的諧波抑制效果，但其參數整定是一個難題。
重復控制是以周期信號作為內模的一種控制器，只對周期性擾動有作用，對非周期性擾動無法抑制，其問題在于動態響應較慢。自抗擾控制器將所有擾動通過擴張狀態觀測器觀測出來，經過非線性PID抑制擾動，但是控制器參數較多，整定困難，較難達到理想效果。
從目前的研究現狀看，針對永磁同步電機電流諧波的抑制算法已取得一些突破，但仍然有些問題需要解決。隨著數字處理器運算速度的提高，控制理論的完善，未來可在實際應用中采取多種方法結合的控制策略，同時可在現有理論方法的基礎上進一步完善，提高永磁同步電機的控制性能。
