DTC控制技術在電鏟車中的應用

段永照 劉波

【摘 要】隨著現(xiàn)代工業(yè)化進程的發(fā)展，對于露天礦開采中的主要設備電力挖掘機（ 電鏟） ，提出了更高效率和節(jié)能的要求，本文針對目前我國電鏟應用現(xiàn)狀，設計了一套基于DTC 控制的全數(shù)字化交流調速系統(tǒng)，通過對其各傳動單元特性曲線分析比較，有效地解決了傳動系統(tǒng)對電鏟運行可靠性的影響，降低了設備成本和能耗，極大地提高了設備的工作效率。

【關鍵詞】DTC控制技術 電鏟車 應用

目前，工業(yè)發(fā)達國家已廣泛應用交流變頻調速于鋼鐵、有色冶金、石油、化工、紡織、電力、機械、輕工和造紙等行業(yè)傳動領域。在露天開采設備，如拉鏟和單斗挖掘機等設備上使用交流變頻調速技術，除了其具有卓越的調速性能外，還有非常顯著的節(jié)電效果，是礦山設備技術改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想設備。本文主要論述了新型的交流變頻技術在電力挖掘機（ 電鏟） 中的應用。

1 DTC 技術的原理

DTC 直接轉矩控制是繼矢量變換控制后，在交流調速領域中出現(xiàn)的一種新型調速技術，在逆變器的開關狀態(tài)最佳狀態(tài)時產(chǎn)生PWM 信號，以獲得高動態(tài)的轉矩性能。電源輸出電壓反饋值Uf與基準電壓值Ug比較。放大后得到誤差電壓Ue。該誤差電壓經(jīng)過與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號電壓進行比較，從而產(chǎn)生了占空比變化的矩形波驅動波形。直接轉矩控制不需要矢量控制中的解耦和復雜的矢量坐標變換，而是將轉子磁通定向更換為定子磁通定向，通過實時檢測電機定子電壓和電流，計算轉矩和磁鏈的幅值，并分別與轉矩和磁鏈的給定值比較所得差值來控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對于轉子磁鏈的夾角，由轉矩和磁鏈調節(jié)器直接輸出所需的空間電壓矢量，從而達磁鏈和轉矩直接控制的目的。直接轉矩控制結構簡單，受電機參數(shù)變化影響小，能夠獲得極佳的動態(tài)性能。

2 系統(tǒng)硬件

直接轉矩控制硬件系統(tǒng)輸入電壓為三相交流電，經(jīng)過交—直—交整流逆變后，變?yōu)轭l率可變的三相電。逆變器由6 個IGBT 橋電路組成，其中每個IGBT 都采用RC 阻容緩沖吸收脈沖尖波。直流母線上并聯(lián)的耗能電阻和IGBT 構成了泵升抑制電路，電路將檢測整流后母線電壓并與電壓限幅值相比較，在泵生電路中產(chǎn)生用于控制IBGT 導通和關斷的控制信號，以保護整個系統(tǒng)強電電路的安全。外圍弱電電路包括：模擬量檢測模塊、保護模塊、通信模塊、IGBT 驅動模塊、D/A 輸出模塊、測速模塊等。系統(tǒng)外圍電路供電均有單獨輔導電源開關提供，供電穩(wěn)定、強弱電分離、抗干擾能力強。

3 軟件部分

圖1 所示為系統(tǒng)主程序流程圖，主流程圖說明了整個系統(tǒng)流程的運行架構，包括PLC 初始化、運行環(huán)境定義、A/D 轉換等功能。其中，封鎖驅動輸出命令是保證在系統(tǒng)初始化時防止IGBT 的誤動作而進行的PWM 通道關閉處理；PLC 初始化是對程序中所用到的各種參數(shù)進行必要的初始恢復設定，包括寄存器、常量、變量、A/D模塊、符號擴展等狀態(tài)位的定義等；A/D 轉換是對電壓、電流的實時檢測；PWM 波形生成是指PWM 模塊根據(jù)A/D 轉換結果結合最優(yōu)開關表生成IGBT 開關狀態(tài)信號；故障檢測是對內(nèi)外部故障中斷的檢測與判斷，并根據(jù)檢測結果將程序轉至相應的中斷服務子程序。

圖1 系統(tǒng)主程序流程 圖2 系統(tǒng)驅動信號生成流程圖

圖2 所示為系統(tǒng)驅動信號生成流程圖，程序分為2 個部分：首先是對電機三相定子電流和定子電壓進行檢測，實時檢測的對比數(shù)據(jù)結果經(jīng)過A/D 轉換模塊進行轉換；對A/D 轉換結果進行坐標變換，將電流、電壓分量經(jīng)過各種算法生成電壓矢量進行準確的IGBT 驅動。軟件部分的軟件控制任務主要完成以下幾方面的內(nèi)容：

（1）對異步電機定子電壓和電流進行實時數(shù)據(jù)采樣，完成A/D 轉換。（2）根據(jù)檢測到的模擬量，通過估計算法完成磁鏈的觀測和速度估算。（3）根據(jù)直接轉矩控制理論，通過最優(yōu)開關表確定逆變器6 個IGBT 模塊的開關狀態(tài)并生成PWM脈沖。（4）檢測并判別系統(tǒng)故障，及時做出中斷處理。

4 結語

本套控制系統(tǒng)采用交流變頻電動機，從根本上解決了電氣傳動系統(tǒng)對挖掘機運行可靠性的影響，大大提高了設備的完好率及生產(chǎn)效率，并降低維護工作量和維修費用。該系統(tǒng)已經(jīng)投運到國內(nèi)一些大型的露天礦廠，從實際運用看系統(tǒng)動態(tài)響應快、定位準確且運行穩(wěn)定，能夠滿足電鏟工況要求。

參考文獻：

[1] 李亞武，王挺.電鏟控制技術的創(chuàng)新[J].中國科技信息，2011（22）.

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作者簡介：段永照（1987—），男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，本科，現(xiàn)就職于內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司，研究方向：采礦工程。