直接转矩控制技术在挖掘机行业上的应用

摘要：挖掘机行业一直以来采用的直流调速系统由于其存在的缺陷，逐渐将被高速发展的交流高性能调速技术所取代。本文分析了直接转矩控制技术的原理及其无测速传感器即可获得的高的转速控制精度和转矩动态响应，以及可实现真正的提升和推压机构零速悬停的特点，并通过对国内4m3挖掘机的成功调试，最终证明了直接转矩控制技术可以完全适应挖掘机行业的应用。
　　1、引言
　　近年来，大型露天矿山中的装运设备的生产力逐年提高，主要体现在大型电气设备－挖掘机上。挖掘机上的电气设备主要由提升、推压、行走和回转等部分组成，控制系统采用技术十分成熟的直流驱动系统。然而，由于直流调速系统维修费用较高，且直流牵引电机在功率、速度和空间尺寸方面受到限制，基本上没有更大的潜力可挖。随着交流变频调速技术的日趋成熟，基于矢量控制技术和直接转矩控制技术的调速系统以其宽广的调速范围，较高的稳态转速精度、快速的动态响应以及可四象限运行的性能位居交流传动技术之首，其调速性能已经可以和直流调速系统相媲美。因此，将交流调速系统引入到挖掘机行业上，使其采用笼型感应电动机成为可能，从而使电控系统具有了速度更高、功率更大、可靠性更强、效率更高和维护费用更低的优点。
　　2、挖掘机的关键技术
　　将交流调速系统应用于挖掘机的电控系统中，主要着手解决以下几方面的关键技术：
　　(1)采用无速度传感器的控制策略
　　由于挖掘机工作在露天环境中，灰尘污染严重，易覆盖和堵塞测速编码器，影响其正常工作。另外，挖掘机工作过程中会产生很强烈的自身震动，而强烈震动将很有可能导致编码器的损害。
　　(2)低频时能保证电机的满转矩输出，以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象。
　　(3)满负载时在空中制动停车或再提升时，在不允许采用机械制动抱闸的情况下，提升和推压机构不会出现下滑或溜车的现象。
　　在挖掘机工作过程中，每完成一次铲料―提升―回转―下放―卸料的过程，提升和推压机构就需要在空中制动停车一次。若采用机械抱闸的制动方法来保证提升和推压结构的零速悬停，虽然可保障两机构不会出现下滑或溜车的现象，然而频繁的抱闸动作一方面会严重缩短抱闸的使用周期，另一方面抱闸的打开和闭合所需的延时时间会极大地限制挖掘机的工作效率，同时抱闸与变频器加减速时间的配合不当还会引起溜车或变频器堵转跳闸的现象。
　　(4)对再生制动能量的处理必须迅速可靠。
　　(5)系统具有高的过载能力以及快速的堵转、过流等保护功能。
　　(6)挖掘机行走机构和回转机构由于采用同一套控制系统，二者的切换必须快速可靠。
　　在上述的几项关键技术中，尤以无传感器技术和零速满转矩技术最为重要，它对于保证挖掘机安全可靠的工作起着举足轻重的作用。
　　3、技术方案
　　根据目前比较成熟的高性能的交流调速技术，有矢量控制技术和直接转矩控制技术两种方案可以选择，这两种技术方案都可以较好地解决挖掘机的技术难题，然而直接转矩控制技术由于所采用的基于定子磁场定向的控制方法，故不需要在电机轴端安装测速编码器来反馈转子位置信号，而且仍能实现高精度的动静态速度和力矩控制。另外，直接转矩控制是对转矩的直接控制，故对负载的变化相应迅速，可实现快速的过程控制，同时又具有过高的过载能力和200%的起动转矩。基于直接转矩控制技术的特点能够完全满足挖掘机的关键技术要求，故在这里采用以直接转矩控制技术为核心的交流调速装置。
　　3.1 直接转矩控制原理
　　交流异步电动机直接转矩控制理论是由德国鲁尔大学Depenbrock教授首次提出，后经过ABB公司10多年的逐步完善以及产品化，直接转矩控制技术已成为当今交流传动的最先进的控制方法之一。
　　直接转矩控制技术是在变频器内部建立了一个交流异步电动机的软件数学模型，根据实测的直流母线电压、开关状态和电流计算出一组精确的电机转矩和定子磁通实际值，并将这些参数值直接应用于控制输出单元的开关状态，变频器的每一次开关状态都是单独确定的，这意味着可以产生最佳的开关组合并对负载变化作出快速地转矩响应，并将转矩相应限制在一拍以内，且无超调，真正实现了对电动机转矩和转速的实时控制。
　　3.2 无测速传感器及零速满转矩
　　矢量控制技术和直接转矩控制技术在有测速传感器的条件下控制精度相差无几，大约为额定转速的±0.01%。然而，矢量控制技术的调速精度尤其是在零速附近对测速传感器的依赖性较强，当传感器失效时，其控制精度大为降低，只有额定转速的±1－3%，很难保证电机零速时输出满转矩的特性，从而出现提升和推压机构在零速时下滑或溜车的现象。为了避免这一现象，实际应用中可采用加转速偏置的方法可在一定程度上解决这一问题，然而偏置量的过大或过小会引起两个机构的缓慢上升或下滑。
　　采用直接转矩控制技术则不会存在上面的问题。一方面由于其采用基于定子磁场定向的电机模型，不需要测速传感器检测转子的位置，对测速传感