学术简报｜永磁同步电机电流谐波抑制策略
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哈尔滨工业大学电气工程系、苏州汇川技术有限公司的研究人员李帅、孙立志、刘兴亚、安群涛，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，逆变器非线性、反电动势波形非正弦等因素会使得永磁同步电机绕组电流中包含5、7次谐波，从而导致电机转矩波动，并使电机产生振动和噪声，影响系统的控制性能。本文对电流谐波抑制策略进行综述，阐述其原理，并进行实验对比。
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因具有高功率密度、高效率、高可靠性等特点，在电力传动、电动汽车、数控机床以及航空航天等各种功率场合得到了广泛的研究与应用。但由于逆变器开关斩波和非线性及电机反电动势波形非正弦等因素会产生谐波电流，从而导致电机损耗增加和转矩波动，使系统的控制性能变差。
PMSM电流谐波分为5、7、11、13次等低次谐波和开关频率及其倍数次的高次谐波。对于PWM斩波导致的高次电流谐波，通常采用改变逆变器拓扑、优化PWM策略、增加输出滤波器等方式来降低逆变器输出的高次电压谐波。对于低次电流谐波，其产生原因复杂且抑制策略多样。
低次电流谐波的来源主要有两个方面：一是电机本体方面，如齿槽效应、绕组分布形式、磁路磁饱和效应、转子磁极结构等引起的电机气隙磁场畸变；二是驱动方面，如逆变器死区时间和器件管压降等非线性特性导致的逆变器输出电压畸变、A-D电流的采样偏差、数字控制器分辨率的限制以及控制器参数偏差等。
针对影响电流低次谐波的两方面因素，国内外学者展开了电流谐波抑制的研究工作，以期改善电流波形的正弦度。
一是改进和优化电机的本体结构，主要有斜槽或斜极、永磁体形状优化、定子绕组类型和磁路优化等，目的是削弱反电动势的畸变，降低反电动势中的谐波含量。
二是从系统控制策略角度，利用谐波补偿算法来抑制电流谐波，主要电流谐波抑制策略有谐波电压补偿、多旋转PI控制、比例谐振（Proportional Resonant, PR）控制、复矢量PI（Complex Vector PI, CVPI）控制、重复控制（Repetitive Control, RC）、自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control, ADRC）等。
本文分别介绍了抑制电流低次谐波的控制策略，并进行实验对比。
图10 基于二阶自抗扰控制器的PMSM控制系统
永磁同步电机电流谐波导致电机损耗增加，引起转矩波动，使得系统的控制效果变差。本文阐述了电流谐波的主要来源，给出了永磁同步电机的谐波数学模型，介绍了电流谐波抑制算法的原理，并给出了实验结果。
对于电流谐波的抑制，一方面需要从本体上优化电机结构，采用先进的加工工艺，尽可能提高气隙磁场的正弦度，减小反电动势谐波；另一方面，在控制策略上，利用谐波补偿算法来抑制电流谐波，改善电机电流波形。
多旋转PI控制具有较好的谐波抑制效果，但需要多个PI控制器，参数整定较为困难。复矢量PI控制是对传统PI控制器的一种推广，可减少PI控制器的数量，简化多旋转PI控制系统，应用时需要增加控制器带宽以提高系统稳定性，但也使得增益衰减。PR是以正弦信号为内模的一种控制器，可对交流量进行无静差控制，具有良好的谐波抑制效果，但其参数整定是一个难题。
重复控制是以周期信号作为内模的一种控制器，只对周期性扰动有作用，对非周期性扰动无法抑制，其问题在于动态响应较慢。自抗扰控制器将所有扰动通过扩张状态观测器观测出来，经过非线性PID抑制扰动，但是控制器参数较多，整定困难，较难达到理想效果。
从目前的研究现状看，针对永磁同步电机电流谐波的抑制算法已取得一些突破，但仍然有些问题需要解决。随着数字处理器运算速度的提高，控制理论的完善，未来可在实际应用中采取多种方法结合的控制策略，同时可在现有理论方法的基础上进一步完善，提高永磁同步电机的控制性能。