挖机直接转矩控制技术在挖掘机行业上的应用
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。
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，对测速传感器的依赖性不强，即使没有传感器仍可以有很高的调速精度，可达额定转速的±0.1-0.5%，故在零速附近仍可以维持满转矩的输出，保证提升和推压机构实现零速悬停。另一方面，根据无速度传感器的控制原理，定子磁链由电压模型计算得出
转子磁链和静止坐标系α轴的夹角为
对式(2)求导得到转子磁链的角速度为
转子转差角速度的计算公式为
电机转子的角速度为转子磁链角速度与转差角速度之差;ω=ωe-ωs1(5)
式中：ψr-转子磁通;ψs-定子磁通;Lr-转子电感;Ls-定子电感;Lm-定转子互感;is-定子电流;ψrα、ψrβ-转子磁通在静止坐标系α轴和β轴的分量;Tem-电磁转矩;Rr-转子电阻;pn-极对数。
由等式(5)得到的电机转速精度与定子磁链的准确性关系密切。由电压模型得到的定子磁链在低速时受到定子电阻压降的影响，估算的磁链值准确性下降，因此得到的转速精度也随之下降。为此，为了保证全速范围内转速的估算精度，在无速度传感器的条件下，当电机转速小于额定转速的10%，负载转矩大于额定转矩的30%时，ABB变频器ACS800系列采用了FS-method(FluxStabilizer)的控制侧略，即高于额定转速的10%时采用基于电压模型的转速估算值，低于额定转速的10%时采用基于电流模型的转速估算值，克服了低速下由电压模型估算转速不准确的缺陷，从而保证了电动机不仅在电动状态而且在发电状态都具有零速满转矩的特性，最大转矩输出可达额定转矩的200%。
正是由于ACS800系列变频器所具有的无传感器高控制精度和零速满转矩的特点，可完全保证挖掘机的提升和推压机构实现空中的零速悬停而不必采用机械抱闸装置，提高了挖掘机系统的可靠性和工作效率。
3.3 再生能量的处理
对于挖掘机提升和推压机构工作中的再生能量的处理，可采取两种解决方案:一种是整流桥采用由二极管组成的三相不控桥，外接制动斩波器的方案，再生能量通过制动电阻以热能的形式耗散掉，可采用的变频器型号为ACS800-04/07;另一种是整流桥采用由IGBT组成的三相可控桥，再生能量通过可控整流桥回馈到电网中去，可采用的变频器型号为ACS800-17。这里采用成本较低的解决方案，即外接制动斩波器的方案。
ACS800变频器具有高达200%的转矩输出能力，能够满足挖掘机在遇到大块坚硬岩石而出现的过大负载力矩需求，快速的堵转和过流等保护功能可保证系统的安全可靠工作。
另外，由于挖掘机的行走和回转是分别运行的，故为了节省投资，行走和回转采用同一个变频调速装置。为了实现这一目的，可采用ACS800标准软件的两个用户宏切换的功能，即分别将行走和回转的电机参数以及软件参数设置存储在用户宏1和用户宏2中，通过设定的数字输入口的上升和下降沿即可实现行走和回转两套控制参数的切换，达到一台变频器控制两台电机的目的。
4 样机电气系统配置
样机电气系统主要由变压器、变频器、电机以及操作室控制平台和PLC组成。其中，提升电机和推压电机各由一台变频器驱动，大车的行走电机和回转电机由一台变频器驱动，二者的电气控制之间具有互锁电路。系统的操作命令由控制室的操作平台经PLC给出。
5 实验分析
将ACS800系列变频器应用于4m3挖掘机的电控系统中，并在湖北葛洲坝水泥厂进行了试验
其中，提升电机参数:功率200kW;额定频率37.5Hz;额定电流370A;额定转速732r/min;变频器型号为ACS800-04-0440-3，输出视在功率为440kVA;
推压电机参数:功率75kW;额定频率38.9Hz;额定电流132A;额定转速1150r/min;变频器型号为ACS800-04-0260-3，输出视在功率为260kVA。
5.1 提升机构试验结果分析
采用直接转矩控制技术在无测速传感器的条件下可完全保证提升机构的真正零速悬停。提升系统零速悬停时电机转速和转矩波形如图4所示(波形由ABB专用调试和监控软件DriveWindow测得)。图中，1-转速估算值;2-转速测量值;3-电机转矩;4-给定转速值。由3图可见，由于采用了FS-Method，当转速给定值由400r/min下降为0r/min时，由变频器根据电机内部数学模型计算得到的电机转速也迅速下降为0r/min，且该转速基本与由测速编码器得到的转速测量值一致，并与转速给定值完全吻合。由于转速在零速时估算的准确性，变频器输出的转矩可始终保持为恒定值，与负载相平衡，故可实现挖掘机提升结构的零速悬停。由此说明，在提升机构采用无传感器控制时，由于ACS800变频器采用了FS-Method的控制策略，由电机内部计算得到的转速值与实际转速基本一致，达到了较高的转速控制精度，实现了无传感器条件下的零速悬停。
5.2 推压机构试验结果分析
采用直接转矩控制技术在无测速传感器的条件下可完全保证推压机构的真正零速悬停。推压系统零速悬停时电机转速和转矩波形(波形由ABB专用调试和监控软件DriveWindow测得)。当电机转速给定值由500r/min下降为0r/min时，由变频器根据电机数学模型计算得到的转速估算值也迅速跟踪转速给定值下降为零，并与给定值曲线相重合。由于转速估算的准确性，故变频器输出的转矩给定值和转矩实际值保持为恒定值，与实际负载相平衡，实现了推压机构零速悬停。由此说明，在推压机构采用无传感器控制时，由于ACS800变频器采用了FS-Method的控制策略，同样可以实现无传感器条件下的零速悬停。
在挖掘机行业采用以直接转矩控制技术为核心的变频器ACS800系列可完全满足在无测速传感器条件下的转速控制精度和转矩的高动态响应，可达到额定转矩的200%的起动转矩，而且不必采用机械抱闸装置就可实现提升和推压机构的零速悬停，保证了挖掘机工作的可靠性和具有了高的生产效率。
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。