摘要：挖掘機(jī)行業(yè)一直以來采用的直流調(diào)速系統(tǒng)由于其存在的缺陷，逐漸將被高速發(fā)展的交流高性能調(diào)速技術(shù)所取代。本文分析了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的原理及其無測速傳感器即可獲得的高的轉(zhuǎn)速控制精度和轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)，以及可實現(xiàn)真正的提升和推壓機(jī)構(gòu)零速懸停的特點，并通過對國內(nèi)4m3挖掘機(jī)的成功調(diào)試，最終證明了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可以完全適應(yīng)挖掘機(jī)行業(yè)的應(yīng)用。
　　1、引言
　　近年來，大型露天礦山中的裝運設(shè)備的生產(chǎn)力逐年提高，主要體現(xiàn)在大型電氣設(shè)備－挖掘機(jī)上。挖掘機(jī)上的電氣設(shè)備主要由提升、推壓、行走和回轉(zhuǎn)等部分組成，控制系統(tǒng)采用技術(shù)十分成熟的直流驅(qū)動系統(tǒng)。然而，由于直流調(diào)速系統(tǒng)維修費用較高，且直流牽引電機(jī)在功率、速度和空間尺寸方面受到限制，基本上沒有更大的潛力可挖。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，基于矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的調(diào)速系統(tǒng)以其寬廣的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度、快速的動態(tài)響應(yīng)以及可四象限運行的性能位居交流傳動技術(shù)之首，其調(diào)速性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，將交流調(diào)速系統(tǒng)引入到挖掘機(jī)行業(yè)上，使其采用籠型感應(yīng)電動機(jī)成為可能，從而使電控系統(tǒng)具有了速度更高、功率更大、可靠性更強(qiáng)、效率更高和維護(hù)費用更低的優(yōu)點。
　　2、挖掘機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)
　　將交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于挖掘機(jī)的電控系統(tǒng)中，主要著手解決以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)：
　　(1)采用無速度傳感器的控制策略
　　由于挖掘機(jī)工作在露天環(huán)境中，灰塵污染嚴(yán)重，易覆蓋和堵塞測速編碼器，影響其正常工作。另外，挖掘機(jī)工作過程中會產(chǎn)生很強(qiáng)烈的自身震動，而強(qiáng)烈震動將很有可能導(dǎo)致編碼器的損害。
　　(2)低頻時能保證電機(jī)的滿轉(zhuǎn)矩輸出，以避免低頻時滿負(fù)載工況下發(fā)生帶不動負(fù)載的現(xiàn)象。
　　(3)滿負(fù)載時在空中制動停車或再提升時，在不允許采用機(jī)械制動抱閘的情況下，提升和推壓機(jī)構(gòu)不會出現(xiàn)下滑或溜車的現(xiàn)象。
　　在挖掘機(jī)工作過程中，每完成一次鏟料―提升―回轉(zhuǎn)―下放―卸料的過程，提升和推壓機(jī)構(gòu)就需要在空中制動停車一次。若采用機(jī)械抱閘的制動方法來保證提升和推壓結(jié)構(gòu)的零速懸停，雖然可保障兩機(jī)構(gòu)不會出現(xiàn)下滑或溜車的現(xiàn)象，然而頻繁的抱閘動作一方面會嚴(yán)重縮短抱閘的使用周期，另一方面抱閘的打開和閉合所需的延時時間會極大地限制挖掘機(jī)的工作效率，同時抱閘與變頻器加減速時間的配合不當(dāng)還會引起溜車或變頻器堵轉(zhuǎn)跳閘的現(xiàn)象。
　　(4)對再生制動能量的處理必須迅速可靠。
　　(5)系統(tǒng)具有高的過載能力以及快速的堵轉(zhuǎn)、過流等保護(hù)功能。
　　(6)挖掘機(jī)行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于采用同一套控制系統(tǒng)，二者的切換必須快速可靠。
　　在上述的幾項關(guān)鍵技術(shù)中，尤以無傳感器技術(shù)和零速滿轉(zhuǎn)矩技術(shù)最為重要，它對于保證挖掘機(jī)安全可靠的工作起著舉足輕重的作用。
　　3、技術(shù)方案
　　根據(jù)目前比較成熟的高性能的交流調(diào)速技術(shù)，有矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)兩種方案可以選擇，這兩種技術(shù)方案都可以較好地解決挖掘機(jī)的技術(shù)難題，然而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)由于所采用的基于定子磁場定向的控制方法，故不需要在電機(jī)軸端安裝測速編碼器來反饋轉(zhuǎn)子位置信號，而且仍能實現(xiàn)高精度的動靜態(tài)速度和力矩控制。另外，直接轉(zhuǎn)矩控制是對轉(zhuǎn)矩的直接控制，故對負(fù)載的變化相應(yīng)迅速，可實現(xiàn)快速的過程控制，同時又具有過高的過載能力和200%的起動轉(zhuǎn)矩?；谥苯愚D(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點能夠完全滿足挖掘機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)要求，故在這里采用以直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為核心的交流調(diào)速裝置。
　　3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理
　　交流異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論是由德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授首次提出，后經(jīng)過ABB公司10多年的逐步完善以及產(chǎn)品化，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成為當(dāng)今交流傳動的最先進(jìn)的控制方法之一。
　　直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在變頻器內(nèi)部建立了一個交流異步電動機(jī)的軟件數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實測的直流母線電壓、開關(guān)狀態(tài)和電流計算出一組精確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁通實際值，并將這些參數(shù)值直接應(yīng)用于控制輸出單元的開關(guān)狀態(tài)，變頻器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的，這意味著可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對負(fù)載變化作出快速地轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并將轉(zhuǎn)矩相應(yīng)限制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，真正實現(xiàn)了對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的實時控制。
　　3.2 無測速傳感器及零速滿轉(zhuǎn)矩
　　矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在有測速傳感器的條件下控制精度相差無幾，大約為額定轉(zhuǎn)速的±0.01%。然而，矢量控制技術(shù)的調(diào)速精度尤其是在零速附近對測速傳感器的依賴性較強(qiáng)，當(dāng)傳感器失效時，其控制精度大為降低，只有額定轉(zhuǎn)速的±1－3%，很難保證電機(jī)零速時輸出滿轉(zhuǎn)矩的特性，從而出現(xiàn)提升和推壓機(jī)構(gòu)在零速時下滑或溜車的現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象，實際應(yīng)用中可采用加轉(zhuǎn)速偏置的方法可在一定程度上解決這一問題，然而偏置量的過大或過小會引起兩個機(jī)構(gòu)的緩慢上升或下滑。
　　采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)則不會存在上面的問題。一方面由于其采用基于定子磁場定向的電機(jī)模型，不需要測速傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置，對測速傳感