直接转矩控制技术在电铲车上的应用

0 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———电铲车上。

电铲车上的电气设备主要由提升、推压、行走和回转等部分组成，控制系统一般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电铲车上，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。

1 电铲车电控系统的关键技术

将交流调速系统应用于电铲车的电控系统中，须解决以下几个关键技术。

1)采用无速度传感器的控制策略。由于电铲车工作在露天环境中，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，电铲车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。在电铲车工作过程中，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极大地限制了电铲车的工作效率，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)电铲车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，它对于保证电铲车安全可靠的工作起着举足轻重的作用。

2 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供选择，这两种技术方案都可以较好地解决电铲车的技术难，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，故对负载的变化响应迅速，可实现快速的过程控制，同时又具有较高的过载能力和200豫的起动转矩。基于直接转矩控制技术能够完全满足电铲车的关键技术要求，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。

2.1 直接转矩控制原理

交流异步电动机直接转矩控制理论由德国鲁尔大学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做出快速的转矩响应，并将转矩响应限制在一拍以内，且无超调，真正实现了对电动机转矩和转速的实时控制。控制原理图如图1 所示。

2.2 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条件下的控制精度相差无几，大约为额定转速的依0.01豫。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，只有额定转速的依1%~3豫，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有下滑或溜车的现象。为了避免这一现象，实际应用中可采用加转速偏置的方法，虽在一定程度上可解决这一问题，然而偏置量的过大或过小都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述问题。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，可达额定转速的依0.1%~0.5豫，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，转子磁链追r为

由式(5)可知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，在无速度传感器的条件下，为了保证全速范围内转速的估算精度，当电机转速小于额定转速的10豫，负载转矩大于额定转矩的30豫时，ABB 变频器ACS800 系列采用了FS-method(Flux Stabilizer)的控制策略，即高于额定转速的10豫时采用基于电压模型的转速估算值，低于额定转速的10豫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的转速不准确的缺陷，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豫。