PWM逆变器供电下机器人用永磁电机电流谐波分析

安川电机（沈阳）有限公司 李 敏

沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心 朱龙飞

为了满足机器人行业对高定位精度性能的要求，目前机器人用永磁伺服电机大多采用PWM逆变器控制，这在提升系统伺服性能的同时也带来了诸多问题。如PWM逆变器的斩波环节会在永磁电机绕组内引入谐波成分，这些有害的谐波电流会在电机铁心、永磁体等位置产生大量的谐波损耗，导致电机温升上升，效率降低，严重影响电机的运行性能和稳定性。因此，研究PWM逆变器供电情况下永磁伺服电机绕组电流，探明由于PWM供电引起的谐波电流成分，对于谐波抑制和伺服电机性能的提升具有十分重要的理论意义。

1 PWM逆变器仿真模型搭建

机器人用永磁电机通常采用矢量控制技术是以坐标变换为理论基础，通过对定子电流在同步旋转坐标系中幅值和方向的控制，达到对交、直轴电流分量解耦的目的，实现励磁电流和转矩电流的独立解耦控制，从而使永磁电机具有类似直流电机的优异控制性能。对于三相永磁电机矢量控制技术而言，其核心技术包括PWM控制算法、电流跟踪控制技术与转速跟踪控制技术，为此本文分别对三种技术模型搭建与仿真实现方法进行研究。

1.1 PWM控制技术

空间矢量调制（SVPWM）技术凭借其易于数字化实现的优势被广泛应用，逐渐成为永磁电机逆变器中的首选PWM技术。SVPWM控制策略是利用变流器空间电压矢量切换来获得准圆形旋转磁场，从而使永磁电机在较低的逆变器开关频率情况下同样能获得较好的控制性能。图1所示为利用Simulink软件搭建的永磁电机空间矢量控制模型，SVPWM算法的实现方式主要包括参考电压矢量的扇区判断、各个扇区非零矢量和零矢量作用时间计算以及各个扇区矢量切换点的确定，最后使用一定频率的三角载波信号与各个扇区矢量切换点进行比较，从而产生变换器所需的PWM脉冲信号。

图1 SVPWM算法仿真模型

1.2 电流跟踪控制技术

采用PI调节器并结合前馈解耦控制策略，可得永磁电机电压方程为：

式中，Kpd和Kpq为PI调节器的比例增益，Kid和Kiq为PI调节器的积分增益。

根据式(1)可构建电流环PI调节器仿真模型，如图2所示。

图2 永磁电机电流环PI调节器模型

1.3 转速跟踪控制技术

采用PI调节器，基于永磁电机的运动方程，转速控制器的表达式为：

式中，Kpω和Kiω分别为PI调节器的比例、积分增益，Ba为阻尼系数。根据式(2)可构建速度环PI调节器仿真模型，如图3所示。

图3 永磁电机速度环PI调节器模型

2 永磁电机电流谐波分析

图4所示为机器人用三相永磁伺服电机矢量控制仿真模型，永磁电机与控制器参数如表1所示。

图4 永磁伺服电机仿真模型

表1 永磁电机结构与控制参数

基于该仿真模型得出永磁伺服电机的电压和电流波形，并利用傅里叶级数变换方法对该电压和电流波形进行谐波分析，如图5、图6所示。

图5 电压波形及其谐波分析

图6 电流波形及其谐波分析

由谐波分析结果可知，PWM逆变器供电方式会在永磁电机绕组内引入大量高次谐波成分，进一步分离各部分谐波频次可知，PWM逆变器供电情况下主要谐波电流次数集中在Nc±2、Nc±4、2Nc±1、2Nc±5，其中Nc为三角载波频率fc与永磁电机基波频率fb之比。

本文搭建了机器人用永磁伺服电机的仿真模型，并对永磁电机在PWM逆变器供电情况下的电流波形进行了仿真分析。结果显示，PWM逆变器供电会在电机绕组中引入大量谐波电流成分，导致电机运行品质低下，主要次谐波集中在载波比的整数倍附近，可以通过提升载波比等措施有针对性地抑制谐波电流的不利影响。