PWM逆變器供電下機(jī)器人用永磁電機(jī)電流諧波分析

安川電機(jī)（沈陽）有限公司 李 敏

沈陽工業(yè)大學(xué)國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心 朱龍飛

為了滿足機(jī)器人行業(yè)對(duì)高定位精度性能的要求，目前機(jī)器人用永磁伺服電機(jī)大多采用PWM逆變器控制，這在提升系統(tǒng)伺服性能的同時(shí)也帶來了諸多問題。如PWM逆變器的斬波環(huán)節(jié)會(huì)在永磁電機(jī)繞組內(nèi)引入諧波成分，這些有害的諧波電流會(huì)在電機(jī)鐵心、永磁體等位置產(chǎn)生大量的諧波損耗，導(dǎo)致電機(jī)溫升上升，效率降低，嚴(yán)重影響電機(jī)的運(yùn)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(jī)繞組電流，探明由于PWM供電引起的諧波電流成分，對(duì)于諧波抑制和伺服電機(jī)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(jī)器人用永磁電機(jī)通常采用矢量控制技術(shù)是以坐標(biāo)變換為理論基礎(chǔ)，通過對(duì)定子電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中幅值和方向的控制，達(dá)到對(duì)交、直軸電流分量解耦的目的，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的獨(dú)立解耦控制，從而使永磁電機(jī)具有類似直流電機(jī)的優(yōu)異控制性能。對(duì)于三相永磁電機(jī)矢量控制技術(shù)而言，其核心技術(shù)包括PWM控制算法、電流跟蹤控制技術(shù)與轉(zhuǎn)速跟蹤控制技術(shù)，為此本文分別對(duì)三種技術(shù)模型搭建與仿真實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究。

1.1 PWM控制技術(shù)

空間矢量調(diào)制（SVPWM）技術(shù)憑借其易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，逐漸成為永磁電機(jī)逆變器中的首選PWM技術(shù)。SVPWM控制策略是利用變流器空間電壓矢量切換來獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而使永磁電機(jī)在較低的逆變器開關(guān)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(jī)空間矢量控制模型，SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)方式主要包括參考電壓矢量的扇區(qū)判斷、各個(gè)扇區(qū)非零矢量和零矢量作用時(shí)間計(jì)算以及各個(gè)扇區(qū)矢量切換點(diǎn)的確定，最后使用一定頻率的三角載波信號(hào)與各個(gè)扇區(qū)矢量切換點(diǎn)進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生變換器所需的PWM脈沖信號(hào)。

圖1 SVPWM算法仿真模型

1.2 電流跟蹤控制技術(shù)

采用PI調(diào)節(jié)器并結(jié)合前饋解耦控制策略，可得永磁電機(jī)電壓方程為：

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

根據(jù)式(1)可構(gòu)建電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器仿真模型，如圖2所示。

圖2 永磁電機(jī)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器模型

1.3 轉(zhuǎn)速跟蹤控制技術(shù)

采用PI調(diào)節(jié)器，基于永磁電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程，轉(zhuǎn)速控制器的表達(dá)式為：

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

圖3 永磁電機(jī)速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器模型

2 永磁電機(jī)電流諧波分析

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

圖4 永磁伺服電機(jī)仿真模型

表1 永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)與控制參數(shù)

基于該仿真模型得出永磁伺服電機(jī)的電壓和電流波形，并利用傅里葉級(jí)數(shù)變換方法對(duì)該電壓和電流波形進(jìn)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(jié)果可知，PWM逆變器供電方式會(huì)在永磁電機(jī)繞組內(nèi)引入大量高次諧波成分，進(jìn)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(jī)基波頻率fb之比。

本文搭建了機(jī)器人用永磁伺服電機(jī)的仿真模型，并對(duì)永磁電機(jī)在PWM逆變器供電情況下的電流波形進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果顯示，PWM逆變器供電會(huì)在電機(jī)繞組中引入大量諧波電流成分，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行品質(zhì)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(duì)性地抑制諧波電流的不利影響。