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(shè)備的生產(chǎn)力逐年提高，主要體現(xiàn)在大型電氣設(shè)備－挖掘機上。挖掘機上的電氣設(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。
　　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