基于SOGI的船用永磁同步电机谐波电流抑制方法

张 浩，何忠祥，郑海滨，吴昌浩

应用研究

基于SOGI的船用永磁同步电机谐波电流抑制方法

张 浩，何忠祥，郑海滨，吴昌浩

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

受转子磁体谐波、变频器死区效应、导通压降等因素的影响，船用永磁同步电机运行过程中气隙磁场会产生畸变，导致定子电流含有大量特征谐波分量。本文通过引用改进型二阶广义积分器(SOGI)，可实现低频谐波分量的提取，进而通过PI反馈调制，实现了输出电流主导谐波成分的抑制。仿真分析验证了该文理论分析和计算的正确性。

永磁同步电机 磁场谐波 二阶广义积分器

0 引言

随着永磁材料性能的提高和现代自动控制技术的成熟，永磁推进电机以其高启动转矩、宽调速范围的优点在船用电力推进领域的应用广泛。受转子磁体谐波、变频器死区效应、导通压降等因素的影响，船用永磁同步电机气隙磁场中存在大量谐波分量；这导致输出电磁转矩中产生较大的脉动，影响电力驱动设备的声隐身性能。

永磁同步电机推进系统采用转速、电流双闭环的矢量控制策略，变流器和电机各种非理想因素都会体现至定子谐波电流中。因此，研究定子谐波电流的提取和反馈控制具有重要的意义。结合考虑控制器带宽、振动主导频谱，目前的谐波电流抑制研究，主要集中在因逆变器死区和管压降等因素引起的6次分量上[1-3]。本文首先给出永磁同步电机双闭环矢量控制系统基本原理，然后分析逆变器死区和管压降等非理想因素的谐波影响，进而结合二阶广义积分器SOGI[4]，通过PI反馈调制，实现了永磁同步电机低频主导谐波成分的抑制，最后通过仿真验证了本文理论分析的正确性和所提策略的有效性。

1 永磁同步电机矢量控制系统

为实现电机高性能控制，需要推导永磁同步电机的数学模型。不计磁路饱和、磁滞等效应的影响，考虑定转子对称分布，定子磁势理想正弦分布，可建立永磁同步电机在旋转两相坐标系下的数学模型：

2 永磁同步电机谐波分析

受采样计算频率的影响，软件仅能针对电机基频及其倍频谐波采取闭环控制。本文控制对象为因变流器非理想因素导致的低频谐波主导分量。

由于开关管死区效应、导通压降和最小脉宽等因素的影响。根据冲量守恒定律，逆变开关管平均误差电压表示为：

开关管非理想特性会造成输出电压基频分量减小和高频分量增加，使得电机静止两相坐标系下施加的电压与期望电压产生偏差。对式（4）电压偏差进行频谱分析，可知该非理想因素会导致定子电流中产生5次负序、7次正序谐波分量，进而导致旋转坐标系下产生6次谐波分量，产生对应频次的转矩脉动。

3 基于SOGI的永磁同步电机谐波控制

为实现正弦交流信号的无静差跟踪控制，根据内模控制原理，控制器必须含有正弦信号的内模。为了降低频率系统动态特性的影响，本文引入改进型二阶积分器SOGI，系统结构为：

图1 SOGI结构图

该SOGI的传递函数为：

式(4)为二阶带通滤波器，其传递函数可以转换为：

该SOGI波特图如图2所示，由此可得，该型控制器通带宽，对频率的依赖性不强。

图2 不同SOGI增益下的bode图

品质因数越大，陷波器窄带滤波效果越好，性能越佳；但对频率变化的敏感性也越强，因此，品质因数(控制器增益)需要根据电机频率波动范围和窄带滤波效果综合考虑。

为抑制交直轴的电流谐波，本文采用PI控制器和SOGI串联的方法，如图3所示。通过SOGI提取谐波电流，然后根据PI控制器得到需要补偿的电压。选择低频6次谐波分量作为控制输入，扰动表达式为：

4 仿真与分析

为验证本文理论分析的正确性和所提策略的有效性，运用Matlab/Simulink建立了基于SOGI的永磁同步电机谐波控制模型。该电机额定转速为260 min，极对数为6，定子电阻为0.0188 Ω，交轴电感为1.02687 mH，直轴电感为0.9585 mH。，设置开关管延时导通死区为2 μs。

图4 交直轴电流偏差输入输出对比波形图

图5和图6分别为未采取基于SOGI的谐波控制和采取控制，转矩电流iq反馈偏差FFT频谱波形图。从中可知，采取基于SOGI的谐波控制后，6倍频谐波电流分量从1.351 A降低至0.1814 A，可显著提高电力驱动设备的声隐身性能。

图5 无谐波控制下的转矩电流偏差频谱图

图6 谐波控制下的转矩电流偏差频谱图

5 结论

本文通过分析转子磁体谐波、变频器死区效应、导通压降等因素的影响，得到了低频主导谐波含量，通过采用改进型二阶广义积分器(SOGI)，实现了谐波分量的无差别提取，进而通过PI反馈调制，实现了该谐波成分的抑制，最后，通过仿真验证了该文理论分析和计算的正确性。

[1] 李帅, 孙立志, 刘兴亚, 等. 永磁同步电机电流谐波抑制策略[J]. 电工技术学报, 2019, 34(S1): 87-96.

[2] 张海洋, 许海平, 方程, 等. 基于比例积分-准谐振控制器的直驱式永磁同步电机转矩脉动抑制方法[J]. 电工技术学报, 2017, 32(19): 41-51.

[3] 廖勇, 甄帅, 刘刃, 等. 用谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(21): 119-127.

[4] 李生民, 梁吉宁, 肖亚敏. 基于SOGI的PMSM谐波电流抑制方法研究[J]. 电力电子技术, 2019, 53(10): 67-70.

Harmonic current suppression method of marine PMSM based on SOGI

Zhang Hao, He Zhongxiang, Zheng Haibing, Wu Changhao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP273

A

1003-4862（2022）12-0008-03

2022-08-22

张浩(1981-)，男，高级工程师。研究方向：电机与电器。E-mail: 237632488@qq.com