PWM逆變器供電下機器人用永磁電機電流諧波分析

安川電機（沈陽）有限公司 李 敏

沈陽工業(yè)大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心 朱龍飛

為了滿足機器人行業(yè)對高定位精度性能的要求，目前機器人用永磁伺服電機大多采用PWM逆變器控制，這在提升系統(tǒng)伺服性能的同時也帶來了諸多問題。如PWM逆變器的斬波環(huán)節(jié)會在永磁電機繞組內引入諧波成分，這些有害的諧波電流會在電機鐵心、永磁體等位置產生大量的諧波損耗，導致電機溫升上升，效率降低，嚴重影響電機的運行性能和穩(wěn)定性。因此，研究PWM逆變器供電情況下永磁伺服電機繞組電流，探明由于PWM供電引起的諧波電流成分，對于諧波抑制和伺服電機性能的提升具有十分重要的理論意義。

1 PWM逆變器仿真模型搭建

機器人用永磁電機通常采用矢量控制技術是以坐標變換為理論基礎，通過對定子電流在同步旋轉坐標系中幅值和方向的控制，達到對交、直軸電流分量解耦的目的，實現(xiàn)勵磁電流和轉矩電流的獨立解耦控制，從而使永磁電機具有類似直流電機的優(yōu)異控制性能。對于三相永磁電機矢量控制技術而言，其核心技術包括PWM控制算法、電流跟蹤控制技術與轉速跟蹤控制技術，為此本文分別對三種技術模型搭建與仿真實現(xiàn)方法進行研究。

1.1 PWM控制技術

空間矢量調制（SVPWM）技術憑借其易于數(shù)字化實現(xiàn)的優(yōu)勢被廣泛應用，逐漸成為永磁電機逆變器中的首選PWM技術。SVPWM控制策略是利用變流器空間電壓矢量切換來獲得準圓形旋轉磁場，從而使永磁電機在較低的逆變器開關頻率情況下同樣能獲得較好的控制性能。圖1所示為利用Simulink軟件搭建的永磁電機空間矢量控制模型，SVPWM算法的實現(xiàn)方式主要包括參考電壓矢量的扇區(qū)判斷、各個扇區(qū)非零矢量和零矢量作用時間計算以及各個扇區(qū)矢量切換點的確定，最后使用一定頻率的三角載波信號與各個扇區(qū)矢量切換點進行比較，從而產生變換器所需的PWM脈沖信號。

圖1 SVPWM算法仿真模型

1.2 電流跟蹤控制技術

采用PI調節(jié)器并結合前饋解耦控制策略，可得永磁電機電壓方程為：

式中，Kpd和Kpq為PI調節(jié)器的比例增益，Kid和Kiq為PI調節(jié)器的積分增益。

根據式(1)可構建電流環(huán)PI調節(jié)器仿真模型，如圖2所示。

圖2 永磁電機電流環(huán)PI調節(jié)器模型

1.3 轉速跟蹤控制技術

采用PI調節(jié)器，基于永磁電機的運動方程，轉速控制器的表達式為：

式中，Kpω和Kiω分別為PI調節(jié)器的比例、積分增益，Ba為阻尼系數(shù)。根據式(2)可構建速度環(huán)PI調節(jié)器仿真模型，如圖3所示。

圖3 永磁電機速度環(huán)PI調節(jié)器模型

2 永磁電機電流諧波分析

圖4所示為機器人用三相永磁伺服電機矢量控制仿真模型，永磁電機與控制器參數(shù)如表1所示。

圖4 永磁伺服電機仿真模型

表1 永磁電機結構與控制參數(shù)

基于該仿真模型得出永磁伺服電機的電壓和電流波形，并利用傅里葉級數(shù)變換方法對該電壓和電流波形進行諧波分析，如圖5、圖6所示。

圖5 電壓波形及其諧波分析

圖6 電流波形及其諧波分析

由諧波分析結果可知，PWM逆變器供電方式會在永磁電機繞組內引入大量高次諧波成分，進一步分離各部分諧波頻次可知，PWM逆變器供電情況下主要諧波電流次數(shù)集中在Nc±2、Nc±4、2Nc±1、2Nc±5，其中Nc為三角載波頻率fc與永磁電機基波頻率fb之比。

本文搭建了機器人用永磁伺服電機的仿真模型，并對永磁電機在PWM逆變器供電情況下的電流波形進行了仿真分析。結果顯示，PWM逆變器供電會在電機繞組中引入大量諧波電流成分，導致電機運行品質低下，主要次諧波集中在載波比的整數(shù)倍附近，可以通過提升載波比等措施有針對性地抑制諧波電流的不利影響。