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(jī)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(chǎng)定向的控制方法，故不需要在電機(jī)軸端安裝測(cè)速編碼器來(lái)反饋轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，而且仍能實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)靜態(tài)速度和力矩控制。另外，直接轉(zhuǎn)矩控制是對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制，故對(duì)負(fù)載的變化相應(yīng)迅速，可實(shí)現(xiàn)快速的過(guò)程控制，同時(shí)又具有過(guò)高的過(guò)載能力和200％的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?；谥苯愚D(zhuǎn)矩控制技術(shù)的特點(diǎn)能夠完全滿足挖掘機(jī)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(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論是由德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授首次提出，后經(jīng)過(guò)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(dāng)今交流傳動(dòng)的最先進(jìn)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(gè)交流異步電動(dòng)機(jī)的軟件數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)測(cè)的直流母線電壓、開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流計(jì)算出一組精確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁通實(shí)際值，并將這些參數(shù)值直接應(yīng)用于控制輸出單元的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，變頻器的每一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的，這意味著可以產(chǎn)生最佳的開(kāi)關(guān)組合并對(duì)負(fù)載變化作出快速地轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并將轉(zhuǎn)矩相應(yīng)限制在一拍以內(nèi)，且無(wú)超調(diào)，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。
3.2 無(wú)測(cè)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(cè)速傳感器的條件下控制精度相差無(wú)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(duì)測(cè)速傳感器的依賴性較強(qiáng)，當(dāng)傳感器失效時(shí)，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(jī)零速時(shí)輸出滿轉(zhuǎn)矩的特性，從而出現(xiàn)提升和推壓機(jī)構(gòu)在零速時(shí)下滑或溜車的現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)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(wèn)題，然而偏置量的過(guò)大或過(guò)小會(huì)引起兩個(gè)機(jī)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(huì)存在上面的問(wèn)題。一方面由于其采用基于定子磁場(chǎng)定向的電機(jī)模型，不需要測(cè)速傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，對(duì)測(cè)速傳感器的依賴性不強(qiáng)，即使沒(méi)有傳感器仍可以有很高的調(diào)速精度，可達(dá)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(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零速懸停。另一方面，根據(jù)無(wú)速度傳感器的控制原理，定子磁鏈由電壓模型計(jì)算得出
轉(zhuǎn)子磁鏈和靜止坐標(biāo)系α軸的夾角為
對(duì)式（2）求導(dǎo)得到轉(zhuǎn)子磁鏈的角速度為
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角速度的計(jì)算公式為
電機(jī)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(biāo)系α軸和β軸的分量；Tem－電磁轉(zhuǎn)矩；Rr－轉(zhuǎn)子電阻；pn－極對(duì)數(shù)。
由等式（5）得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速精度與定子磁鏈的準(zhǔn)確性關(guān)系密切。由電壓模型得到的定子磁鏈在低速時(shí)受到定子電阻壓降的影響，估算的磁鏈值準(zhǔn)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(wú)速度傳感器的條件下，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速的10％，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的30％時(shí)，ABB變頻器ACS800系列采用了FS-bbbbbb（FluxStabilizer）的控制側(cè)略，即高于額定轉(zhuǎn)速的10％時(shí)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(shí)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(zhǔn)確的缺陷，從而保證了電動(dòng)機(jī)不僅在電動(dòng)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(dá)額定轉(zhuǎn)矩的200％。
正是由于ACS800系列變頻器所具有的無(wú)傳感器高控制精度和零速滿轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，可完全保證挖掘機(jī)的提升和推壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空中的零速懸停而不必采用機(jī)械抱閘裝置，提高了挖掘機(jī)系統(tǒng)的可靠性和工作效率。
3.3 再生能量的處理
對(duì)于挖掘機(jī)提升和推壓機(jī)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(dòng)斬波器的方案，再生能量通過(guò)制動(dòng)電阻以熱能的形式耗散掉，可采用的變頻器型號(hào)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(guò)可控整流橋回饋到電網(wǎng)中去,可采用的變頻器型號(hào)為ACS800-17。這里采用成本較低的解決方案，即外接制動(dòng)斬波器的方案。
ACS800變頻器具有高達(dá)200％的轉(zhuǎn)矩輸出能力，能夠滿足挖掘機(jī)在遇到大塊堅(jiān)硬巖石而出現(xiàn)的過(guò)大負(fù)載力矩需求，快速的堵轉(zhuǎn)和過(guò)流等保護(hù)功能可保證系統(tǒng)的安全可靠工作。
另外，由于挖掘機(jī)的行走和回轉(zhuǎn)是分別運(yùn)行的，故為了節(jié)省投資，行走和回轉(zhuǎn)采用同一個(gè)變頻調(diào)速裝置。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，可采用ACS800標(biāo)準(zhǔn)軟件的兩個(gè)用戶宏切換的功能，即分別將行走和回轉(zhuǎn)的電機(jī)參數(shù)以及軟件參數(shù)設(shè)置存儲(chǔ)在用戶宏1和用戶宏2中，通過(guò)設(shè)定的數(shù)字輸入口的上升和下降沿即可實(shí)現(xiàn)行走和回轉(zhuǎn)兩套控制參數(shù)的切換，達(dá)到一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電機(jī)的目的。
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