永磁同步电机谐波抑制策略研究

永磁同步电机谐波抑制策略研究

施信信

广东舆芯半导体科技有限公司  广东广州510000

摘要：由于电机本体设计和电控电压调制的非线性，基波电流主要含有5次和7次谐波。为了抑制基波电流中的谐波电流，首先在dq坐标系进行对应的旋转变换，经变换后电流送入低通滤波器去除交流信号得到直流分量，然后进入交叉前馈解耦PI调节器得到谐波抑制参考电压，该电压汇入FOC基波电压进而消除基波电流中的谐波电流。仿真表明，该策略可以有效抑制基波电流中的谐波电流，提高电机NVH性能。

关键词：永磁同步电机；谐波抑制； NVH

0引言

永磁同步电机（PMSM）由于其功率密度大、设计方便、控制简单、可靠性高等优点，被用作新能源汽车的整车动力总成的动力部件[1]。由于电机本体设计及逆变器电压调制的非线性，永磁同步电机控制会产生谐波。谐波的产生会产生扭矩脉动，这种脉动对电机运行噪音、扭矩平顺性都有非常大的影响[2]。若仅考虑逆变器电压调制的非线性，通过傅里叶分析，容易得出谐波中主要成分为高次奇次谐波[3]。在电机设计和电控设计定型的情况下，硬件参数完全确定，可以通过控制算法优化改善谐波产生的扭矩脉动，进而在提到电机性能的同时而不增加任何硬件成本[4]。

1电机模型分析

1.1 abc坐标系下电压平衡方程

建立电压平衡方程前，取电流方向流入负载为正方向，相电压与电流方向相同，反电势方向与电流方向相反，永磁体磁链方向与电流方向相同。在abc坐标系下的电压方程如下式所示：

   (1)

式(1)中：是相电压，是相电流，是永磁体磁链，是电角速度，是单相绕组电阻。

1.2 坐标变换

首先3变2得到静止坐标系下、。

        (3)

然后进行旋转变换得到dq坐标系下、。

      (4)

综合式(3)和式(4)可得到abc坐标系到dq坐标系的变换矩阵[5]，如式(5)所示：

(5)

1.3 dq坐标系下电压平衡方程

用式(5)对式(1)作坐标变换，可以得到在dq坐标系的电压平衡方程，如式(6)所示：

(6)

式中，、、、、、分别是变换后的电压、电流和电感。

2谐波抑制策略

2.1谐波提取

理论上可以忽略电机中3次谐波，而7次以上谐波分量比较小，可以忽略不计。

为了对谐波进行抑制，首先需要提取谐波电流。对于5次谐波电流，由于其旋转方向与基波方向相反，所以在dq坐标系下采用旋转变换，如式(7)所示，变换后得到dq5坐标系下的电流，在dq5坐标系中直流分量即为5次谐波电流，然后使用低通滤波器对dq5坐标系的交流分量进行滤波，即可得到5次谐波分量。

    (14)

采用同样的方法可以得到7次谐波分量。

2.2 谐波抑制策略

通过采用带交叉解耦控制的PI 调节器，可以提高电流控制的精度和速度，通过前馈补偿，可以改善系统动态响应[6-8]。因此，采用如图1所示的5次谐波抑制策略，7次谐波抑制策略和7次相同。

图1 5次谐波抑制策略

3 系统仿真验证

3.1仿真分析

将2节谐波抑制策略应用于建立的系统模型，在电机模型中注入适当的5次和7次谐波电流，不考虑逆变器电压调制比的限制。图2有无谐波抑制策略的电流傅里叶分析对比。可以看出，本文提出的谐波抑制策略可以有效抑制三相电流中的5次和7次谐波，进而抑制扭矩脉动。

图2有无谐波抑制策略的电流傅里叶分析对比

4 结语

1. 由于电机设计和逆变器电压调制产生的非线性，基波电流中不可避免会产生谐波，为此提出了5次和7次前馈交叉解耦PI调节谐波抑制策略，该策略首先在dq坐标系做旋转变换，然后经低通滤波器滤波后将直流分量送入前馈交叉解耦PI调节器，调节出的参考电压汇入基波参考电压，进而对谐波电流进行抑制。

参考文献

[1]张荣建. 基于谐波电流注入法的永磁同步电机转矩脉动抑制策略[D]. 哈尔滨工业大学, 2014.

[2]高宏伟, 杨贵杰, 刘剑. 三次谐波注入式五相永磁同步电机矢量控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2014.

[3]钱喆, 刘同鑫, 邓文哲,等. 电流谐波注入的车用永磁同步驱动电机振动噪声抑制[J]. 电机与控制学报, 2022(026-007).

[4]田静. 车用永磁同步电机的优化设计[D]. 大连理工大学.

[5]潘月斗. 现代交流电机控制技术[M]. 机械工业出版社, 2018.

[6]邓仁燕.  基于前馈补偿的永磁同步电机电流环解耦控制 [J].  电力电子技

术，2013，47(6)：68-70.

[7]Geun H. Lee, Sung I. Kim, Jung Pyo Hong. Torque Ripple Reduction of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Using Harmonic Injected Current[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008, 44(6): 1582-1585.

[8]Umans, StephenD. Fitzgerald & Kingsley's electric machinery = 电机学 / 第七版[M]. Publishing House of Electronics Industry, 2013.

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