摘 要 ：挖掘機行業(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，以及可實現(xiàn)真正的提升和推壓機構(gòu)零速懸停的特點，并通過對國內(nèi)4m3挖掘機的成功調(diào)試，最終證明了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可以完全適應挖掘機行業(yè)的應用。 1　引言 　　近年來，大型露天礦山中的裝運設備的生產(chǎn)力逐年提高，主要體現(xiàn)在大型電氣設備－挖掘機上。挖掘機上的電氣設備主要由提升、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)引入到挖掘機行業(yè)上，使其采用籠型感應電動機成為可能，從而使電控系統(tǒng)具有了速度更高、功率更大、可靠性更強、效率更高和維護費用更低的優(yōu)點。 2　挖掘機的關(guān)鍵技術(shù) 　　將交流調(diào)速系統(tǒng)應用于挖掘機的電控系統(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 　　由于挖掘機工作在露天環(huán)境中，灰塵污染嚴重，易覆蓋和堵塞測速編碼器，影響其正常工作。另外，挖掘機工作過程中會產(chǎn)生很強烈的自身震動，而強烈震動將很有可能導致編碼器的損害。 （2） 低頻時能保證電機的滿轉(zhuǎn)矩輸出，以避免低頻時滿負載工況下發(fā)生帶不動負載的現(xiàn)象。 （3） 滿負載時在空中制動停車或再提升時，在不允許采用機械制動抱閘的情況下，提升和推壓機構(gòu)不會出現(xiàn)下滑或溜車的現(xiàn)象。 　　在挖掘機工作過程中，每完成一次鏟料—提升—回轉(zhuǎn)—下放—卸料的過程，提升和推壓機構(gòu)就需要在空中制動停車一次。若采用機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的工作效率，同時抱閘與變頻器加減速時間的配合不當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)、過流等保護功能。 （6）挖掘機行走機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(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，故對負載的變化相應迅速，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。基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點能夠完全滿足挖掘機的關(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 　　交流異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制理論是由德國魯爾大學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)已成為當今交流傳動的最先進的控制方法之一。 　　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的軟件數(shù)學模型，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轉(zhuǎn)矩和定子磁通實際值，并將這些參數(shù)值直接應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)組合并對負載變化作出快速地轉(zhuǎn)矩響應，并將轉(zhuǎn)矩相應限制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，真正實現(xiàn)了對電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的實時控制。控制原理圖如圖1所示。 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，當傳感器失效時，其控制精度大為降低，只有額定轉(zhuǎn)速的±1－3％，很難保證電機零速時輸出滿轉(zhuǎn)矩的特性，從而出現(xiàn)提升和推壓機構(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模型，不需要測速傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置，對測速傳感器的依賴性不強，即使沒有傳感器仍可以有很高的調(diào)速精度，可達額定轉(zhuǎn)速的±0.1－0.5％，故在零速附近仍可以維持滿轉(zhuǎn)矩的輸出，保證提升和推壓機構(gòu)實現(xiàn)零速懸停。另一方面，根據(jù)無速度傳感器的控制原理，定子磁鏈由電壓模型計算得出，轉(zhuǎn)子磁鏈可有等式（1）得到： 轉(zhuǎn)子磁鏈和靜止坐標系α軸的夾角為 對式（2）求導得到轉(zhuǎn)子磁鏈的角速度為 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角速度的計算公式為 電機轉(zhuǎn)子的角速度為轉(zhuǎn)子磁鏈角速度與轉(zhuǎn)差角速度之差；ω=ωe-ωs1 （5） 　　式中：ψr－轉(zhuǎn)子磁通；ψs－ 定子磁通；Lr－轉(zhuǎn)子電感；Ls－定子電感；Lm－定轉(zhuǎn)子互感；is－ 定子電流；ψrα、ψrβ－轉(zhuǎn)子磁通在靜止坐標系α軸和β軸的分量；Tem－電磁轉(zhuǎn)矩；Rr－轉(zhuǎn)子電阻；pn－極對數(shù)。 　　由等式（5）得到的電機轉(zhuǎn)速精度與定子磁鏈的準確性關(guān)系密切。由電壓模型得到的定子磁鏈在低速時受到定子電阻壓降的影響，估算的磁鏈值準確性下降，因此得到的轉(zhuǎn)速精度也隨之下降。為此，為了保證全速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速的估算精度，在無速度傳感器的條件下，當電機轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速的10％，負載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的30％時，ABB變頻器ACS 800系列采用了FS-method （Flux Stabilizer）的控制側(cè)略，即高于額定轉(zhuǎn)速的10％時采用基于電壓模型的轉(zhuǎn)速估算值，低于額定轉(zhuǎn)速的10％時采用基于電流模型的轉(zhuǎn)速估算值，克服了低速下由電壓模型估算轉(zhuǎn)速不準確的缺陷，從而保證了電動機不僅在電動狀態(tài)而且在發(fā)電狀態(tài)都具有零速滿轉(zhuǎn)矩的特性，最大轉(zhuǎn)矩輸出可達額定轉(zhuǎn)矩的200％。 　　正是由于ACS800系列變頻器所具有的無傳感器高控制精度和零速滿轉(zhuǎn)矩的特點，可完全保證挖掘機的提升和推壓機構(gòu)實現(xiàn)空中的零速懸停而不必采用機械抱閘裝置，提高了挖掘機系統(tǒng)的可靠性和工作效率。 3.3　再生能量的處理 　　對于挖掘機提升和推壓機構(gòu)工作中的再生能量的處理，可采取兩種解決方案:一種是整流橋采用由二極管組成的三相不控橋，外接制動斬波器的方案，再生能量通過制動電阻以熱能的形式耗散掉，可采用的變頻器型號為ACS800-04/07;另一種是整流橋采用由IGBT組成的三相可控橋，再生能量通過可控整流橋回饋到電網(wǎng)中去,可采用的變頻器型號為ACS800-17。這里采用成本較低的解決方案，即外接制動斬波器的方案。 　　ACS800變頻器具有高達200％的轉(zhuǎn)矩輸出能力，能夠滿足挖掘機在遇到大塊堅硬巖石而出現(xiàn)的過大負載力矩需求，快速的堵轉(zhuǎn)和過流等保護功能可保證系統(tǒng)的安全可靠工作。 　　另外，由于挖掘機的行走和回轉(zhuǎn)是分別運行的，故為了節(jié)省投資，行走和回轉(zhuǎn)采用同一個變頻調(diào)速裝置。為了實現(xiàn)這一目的，可采用ACS800標準軟件的兩個用戶宏切換的功能，即分別將行走和回轉(zhuǎn)的電機參數(shù)以及軟件參數(shù)設置存儲在用戶宏1和用戶宏2中，通過設定的數(shù)字輸入口的上升和下降沿即可實現(xiàn)行走和回轉(zhuǎn)兩套控制參數(shù)的切換，達到一臺變頻器控制兩臺電機的目的。 4　樣機電氣系統(tǒng)配置 　　樣機電氣系統(tǒng)主要由變壓器、變頻器、電機以及操作室控制平臺和PLC組成。其中，提升電機和推壓電機各由一臺變頻器驅(qū)動，大車的行走電機和回轉(zhuǎn)電機由一臺變頻器驅(qū)動，二者的電氣控制之間具有互鎖電路。系統(tǒng)的操作命令由控制室的操作平臺經(jīng)PLC給出。系統(tǒng)框圖如圖2所示。 5　實驗分析 　　將ACS800系列變頻器應用于4m3挖掘機的電控系統(tǒng)中，并在湖北葛洲壩水泥廠進行了試驗，試驗樣機如圖3所示。 　　其中，提升電機參數(shù):功率 200kW;額定頻率 37.5Hz;額定電流 370A;額定轉(zhuǎn)速 732r/min;變頻器型號為ACS800-04-0440-3，輸出視在功率為440kVA; 推壓電機參數(shù):功率 75kW;額定頻率 38.9Hz;額定電流 132A;額定轉(zhuǎn)速 1150r/min;變頻器型號為ACS800-04-0260-3，輸出視在功率為260kVA。 5.1　提升機構(gòu)試驗結(jié)果分析 　　采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在無測速傳感器的條件下可完全保證提升機構(gòu)的真正零速懸停。提升系統(tǒng)零速懸停時電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示（波形由ABB專用調(diào)試和監(jiān)控軟件DriveWindow測得）。圖中，1-轉(zhuǎn)速估算值;2-轉(zhuǎn)速測量值;3-電機轉(zhuǎn)矩;4-給定轉(zhuǎn)速值。由3圖可見，由于采用了FS-Method，當轉(zhuǎn)速給定值（曲線4所示）由400 r/min下降為0 r/min時，由變頻器根據(jù)電機內(nèi)部數(shù)學模型計算得到的電機轉(zhuǎn)速（曲線1所示）也迅速下降為0 r/min，且該轉(zhuǎn)速基本與由測速編碼器得到的轉(zhuǎn)速測量值（曲線2）一致，并與轉(zhuǎn)速給定值（曲線4）完全吻合。由于轉(zhuǎn)速在零速時估算的準確性，變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩（曲線3所示）可始終保持為恒定值，與負載相平衡，故可實現(xiàn)挖掘機提升結(jié)構(gòu)的零速懸停。由此說明，在提升機構(gòu)采用無傳感器控制時，由于ACS800變頻器采用了FS-Method的控制策略，由電機內(nèi)部計算得到的轉(zhuǎn)速值與實際轉(zhuǎn)速基本一致，達到了較高的轉(zhuǎn)速控制精度，實現(xiàn)了無傳感器條件下的零速懸停。 5.2　推壓機構(gòu)試驗結(jié)果分析 　　采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在無測速傳感器的條件下可完全保證推壓機構(gòu)的真正零速懸停。推壓系統(tǒng)零速懸停時電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示（波形由ABB專用調(diào)試和監(jiān)控軟件DriveWindow測得）。圖中，1-轉(zhuǎn)速估算值;2-電流測量值;3-電機給定轉(zhuǎn)矩;4-電機實際轉(zhuǎn)矩;5-轉(zhuǎn)速給定值。由圖4可見，當電機轉(zhuǎn)速給定值（曲線5所示）由500 r/min下降為0 r/min時，由變頻器根據(jù)電機數(shù)學模型計算得到的轉(zhuǎn)速估算值（曲線1）也迅速跟蹤轉(zhuǎn)速給定值下降為零，并與給定值曲線相重合。由于轉(zhuǎn)速估算的準確性，故變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩給定值（曲線3）和轉(zhuǎn)矩實際值（曲線4）保持為恒定值，與實際負載相平衡，實現(xiàn)了推壓機構(gòu)零速懸停。由此說明，在推壓機構(gòu)采用無傳感器控制時，由于ACS800變頻器采用了FS-Method的控制策略，同樣可以實現(xiàn)無傳感器條件下的零速懸停。 6　結(jié)束語 　　在挖掘機行業(yè)采用以直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為核心的變頻器ACS800系列可完全滿足在無測速傳感器條件下的轉(zhuǎn)速控制精度和轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)響應，可達到額定轉(zhuǎn)矩的200％的起動轉(zhuǎn)矩，而且不必采用機械抱閘裝置就可實現(xiàn)提升和推壓機構(gòu)的零速懸停，保證了挖掘機工作的可靠性和具有了高的生產(chǎn)效率。