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VT3000比例放大器在盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：1350 發(fā)布時(shí)間：2018-1-31
盾構(gòu)機(jī)是一種綜合應(yīng)用機(jī)械、電氣、液壓,、氣動(dòng)等技術(shù)的挖掘機(jī)械,，在城市地鐵施工中得到廣泛使用。液壓系統(tǒng)各種液壓閥的操縱,、控制都是通過力（力矩）或位移（角位移）形式的機(jī)械量來實(shí)現(xiàn),。它可以用手動(dòng)、機(jī)動(dòng),、氣動(dòng),、液動(dòng)、電動(dòng)及其組合等方式來進(jìn)行,。當(dāng)控制規(guī)律比較復(fù)雜或要求達(dá)到較高的控制性能時(shí),，一般都采用電液控制的方式。這種方式是將微弱的控制信號(hào),，經(jīng)控制放大器處理和功率放大,，再由某種形式的電機(jī)械(E-M)轉(zhuǎn)換器，將電量轉(zhuǎn)換成控制元件運(yùn)動(dòng)需要的機(jī)械量,。
VT3000就是這樣一個(gè)控制放大模塊,，可以將微弱的控制信號(hào)處理并放大。
1．VT3000構(gòu)成
比例放大器VT3000是雙路,、不帶電反饋,、開關(guān)式比例放大器，主要由電源電路,、信號(hào)處理電路,、電流調(diào)節(jié)電路、功率放大電路等組成,。VT3000比例放大器原理圖如圖81所示,。
(1)電源電路是通過外置標(biāo)準(zhǔn)電源供電，并將電源電壓進(jìn)行整流,、濾波,、穩(wěn)壓和過載保護(hù)。內(nèi)輔助電源是通過選擇新的參考點(diǎn),，得到以新參考點(diǎn)為基準(zhǔn)零點(diǎn),，能滿足控制放大器中運(yùn)算放大器等元件正常工作所需要的穩(wěn)定電源。
(2)信號(hào)處理電路將輸入的指令信號(hào)根據(jù)不同的控制對象和工況要求進(jìn)行處理,，一般都有斜坡信號(hào)發(fā)生器,、階躍函數(shù)發(fā)生器、初始電流設(shè)定等電路,。
1)斜坡信號(hào)發(fā)生器,。斜坡信號(hào)發(fā)生器將一個(gè)階躍輸入信號(hào)變成緩慢上升或下降的輸出信號(hào),，并可通過內(nèi)置電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)工作壓力或運(yùn)動(dòng)速度等的無沖擊過渡,。調(diào)節(jié)電位計(jì)可以改變輸出電壓的斜率,，當(dāng)輸入電壓小于額定電壓時(shí)，斜坡時(shí)間也相應(yīng)減少,，其特性如圖82所示,。
2)階躍函數(shù)發(fā)生器。階躍函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大后,，給比例電磁鐵一個(gè)階躍電流，使比例閥閥心快速躍過零位死區(qū),，削弱或排除比例閥閥心正遮蓋的影響,，適應(yīng)零區(qū)控制的要求，其特性如圖83所示,。
3)雙路平衡電路,。雙路平衡電路可以使兩個(gè)不同參數(shù)的比例電磁鐵得到對稱的控制特性。調(diào)節(jié)平衡電路中的內(nèi)置電位計(jì)可以使比例電磁鐵的控制通道增益相同,，并使其中一路控制信號(hào)反相,，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電磁鐵差動(dòng)工作。
4)初始電流調(diào)節(jié)主要用于產(chǎn)生比例電磁鐵的預(yù)激電流,，調(diào)整比例閥的零位死區(qū)大小,，避開死區(qū)，使比例閥在設(shè)定值輸入時(shí),，從起始位置迅速起動(dòng),。
(3)電流調(diào)節(jié)器用于改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，使控制閥或系統(tǒng)穩(wěn)定并達(dá)到一定的控制精度,，對于干擾起抑制作用,，使其動(dòng)態(tài)特性得到提高。其中,，串并聯(lián)混合式PID（比例積分微分環(huán)節(jié)）運(yùn)算電路zui為常見,，該連接方式可以避免級間誤差，保證控制精度,。
(4)顫振信號(hào)發(fā)生器可以輸出頻率和幅值穩(wěn)定可調(diào)的顫振信號(hào),，并能疊加到控制信號(hào)上，可以減小比例電磁鐵甚至整個(gè)電液控制閥的滯環(huán),。比例放大器VT3000的顫振信號(hào)發(fā)生器頻率為170(1±10%)Hz。
VT3000采用的是開關(guān)式功率放大級中的脈寬調(diào)制式(PWM)放大電路,。它由脈寬調(diào)制器和功率放大級組成，可以使放大管工作在飽和區(qū)（開）或截止區(qū)（關(guān)）,，功耗低且負(fù)荷相應(yīng)較小，不但可以提高工作效率降低成本,，而且提高了可靠性,。
2．工作原理
如圖5 83所示,，VT3000有六個(gè)賦值端，其中賦值端1～4(額定輸入電壓為±9V)可以分別通過導(dǎo)通繼電器K1～K4(繼電器的工作電壓為DC 24V)來進(jìn)行賦值,。設(shè)定的電壓值可以由內(nèi)置輔助電源③或外置電位計(jì)提供,。這四個(gè)賦值端賦值的大小還可以分別通過調(diào)節(jié)電位計(jì)R1～R4來設(shè)定。當(dāng)這些賦值端用外置電位計(jì)賦值時(shí),，如果內(nèi)置電位計(jì)沒有調(diào)到zui大,，由于內(nèi)置電位計(jì)分壓的原因,，其賦值功能將減弱或受限制,。直接賦值端5可以直接輸入0～±6V電壓(額定輸入電壓為±6V)。賦值端6是一個(gè)微分輸入端,，可以直接輸入0～±10V電壓(額定輸入電壓為±10V),。如果用不同參考電壓的電器元件賦值時(shí),，那么必須從賦值端6進(jìn)行賦值。所有賦值端輸入電壓值以測量零點(diǎn)為參考電壓,。
VT3000控制面板上指示燈VD1～VD4發(fā)亮?xí)r,，分別表示賦值端1～4正在賦值,。如果兩個(gè)賦值端同時(shí)賦值,，那么較大的值將被設(shè)定。在開始或停止賦值時(shí),，必須將輸入端的兩條信號(hào)線同時(shí)連接或斷開,。所有設(shè)定的參數(shù)傳遞到加法器⑧進(jìn)行相加,，然后輸出一階躍電壓信號(hào)到斜坡發(fā)生器,。上升時(shí)間（斜率）通過電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié),。電壓信號(hào)到達(dá)額定值的斜坡時(shí)間(1s或5s)可以通過是否短接放大器板卡上的J5、J6端來選擇,。當(dāng)使用外置電位計(jì)調(diào)節(jié)斜坡時(shí)間時(shí),，內(nèi)置電位計(jì)必須調(diào)到zui大值,。因?yàn)閮?nèi)外置電位計(jì)并聯(lián),，額定斜坡時(shí)間將變小,。通過導(dǎo)通繼電器K5或外部短接14a與14c端,，可以設(shè)定zui小斜坡時(shí)間30ms,。
斜坡發(fā)生器輸出信號(hào)送至階躍函數(shù)發(fā)生器⑦和加法器⑧,。在階躍函數(shù)發(fā)生器的出口產(chǎn)生一階躍函數(shù)，它和斜坡發(fā)生器的輸出信號(hào)在加法器內(nèi)相加,。加法器⑧的電流輸出信號(hào)分別流向雙路平衡電路⑨,、電流調(diào)節(jié)器?和控制面板檢測點(diǎn)W（檢測電壓為0～±6V）,。如果在W點(diǎn)檢測到的電壓為0～+6V時(shí),，放大器將控制電磁鐵A；如果在W點(diǎn)檢測到的電壓為0～-6V時(shí)，放大器將控制電磁鐵B,。如果檢測電壓小于額定值的1%（階躍函數(shù)發(fā)生器沒有動(dòng)作），那么流過電磁鐵的電流為20mA,。流過電磁鐵A和B的電流大小可以分別通過控制面板檢測點(diǎn)Ia，Ib進(jìn)行測量(額定值為800mA或800mV)。
加法器⑧輸出信號(hào)流經(jīng)雙路平衡電路后反相，可以實(shí)現(xiàn)電磁鐵A和B的差動(dòng)工作,。初始電流調(diào)節(jié)電路⑩可以分別通過內(nèi)置電位計(jì),，調(diào)節(jié)電磁鐵A和B的預(yù)激電流(一般為20mA)。加法器⑧輸出信號(hào)和初始電流分別流到電流調(diào)節(jié)器?,。電流調(diào)節(jié)器輸出的連續(xù)信號(hào)經(jīng)過疊加顫振信號(hào)?后，轉(zhuǎn)換成脈沖寬度與其大小成比例的脈沖信號(hào),。該信號(hào)經(jīng)脈寬調(diào)制器和功率放大級?放大后，在電磁鐵兩端產(chǎn)生與之同相的脈沖電壓,。當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于線圈的截止頻率時(shí),，由于線圈的電感性,，可以在線圈上得到平均值與脈寬成比例，帶有交流紋波分量的直流電流,。電流產(chǎn)生的磁場帶動(dòng)比例閥閥心動(dòng)作,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)比例放大器賦值端輸入正值時(shí),，電磁鐵B動(dòng)作,；反之，則A動(dòng)作,。繼電器K6可以實(shí)現(xiàn)電磁鐵A和B的轉(zhuǎn)換控制,。
3．VT3000在海瑞克盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用
比例放大器VT3000在盾構(gòu)機(jī)上共有兩塊，分別應(yīng)用于刀盤和螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制刀盤和螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,。VT3000在刀盤和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方面的工作原理是一樣的,，這里以刀
盾構(gòu)機(jī)是一種綜合應(yīng)用機(jī)械、電氣,、液壓,、氣動(dòng)等技術(shù)的挖掘機(jī)械，在城市地鐵施工中得到廣泛使用,。液壓系統(tǒng)各種液壓閥的操縱,、控制都是通過力（力矩）或位移（角位移）形式的機(jī)械量來實(shí)現(xiàn)。它可以用手動(dòng),、機(jī)動(dòng),、氣動(dòng)、液動(dòng),、電動(dòng)及其組合等方式來進(jìn)行,。當(dāng)控制規(guī)律比較復(fù)雜或要求達(dá)到較高的控制性能時(shí)，一般都采用電液控制的方式,。這種方式是將微弱的控制信號(hào),，經(jīng)控制放大器處理和功率放大，再由某種形式的電機(jī)械(E-M)轉(zhuǎn)換器,，將電量轉(zhuǎn)換成控制元件運(yùn)動(dòng)需要的機(jī)械量,。
VT3000就是這樣一個(gè)控制放大模塊，可以將微弱的控制信號(hào)處理并放大,。
1．VT3000構(gòu)成
比例放大器VT3000是雙路,、不帶電反饋、開關(guān)式比例放大器,，主要由電源電路,、信號(hào)處理電路、電流調(diào)節(jié)電路,、功率放大電路等組成。VT3000比例放大器原理圖如圖81所示,。
(1)電源電路是通過外置標(biāo)準(zhǔn)電源供電,，并將電源電壓進(jìn)行整流、濾波,、穩(wěn)壓和過載保護(hù),。內(nèi)輔助電源是通過選擇新的參考點(diǎn)，得到以新參考點(diǎn)為基準(zhǔn)零點(diǎn),，能滿足控制放大器中運(yùn)算放大器等元件正常工作所需要的穩(wěn)定電源,。
(2)信號(hào)處理電路將輸入的指令信號(hào)根據(jù)不同的控制對象和工況要求進(jìn)行處理，一般都有斜坡信號(hào)發(fā)生器,、階躍函數(shù)發(fā)生器,、初始電流設(shè)定等電路,。
1)斜坡信號(hào)發(fā)生器。斜坡信號(hào)發(fā)生器將一個(gè)階躍輸入信號(hào)變成緩慢上升或下降的輸出信號(hào),，并可通過內(nèi)置電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié),，以實(shí)現(xiàn)被控系統(tǒng)工作壓力或運(yùn)動(dòng)速度等的無沖擊過渡。調(diào)節(jié)電位計(jì)可以改變輸出電壓的斜率,，當(dāng)輸入電壓小于額定電壓時(shí),，斜坡時(shí)間也相應(yīng)減少，其特性如圖82所示,。
2)階躍函數(shù)發(fā)生器,。階躍函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大后，給比例電磁鐵一個(gè)階躍電流,，使比例閥閥心快速躍過零位死區(qū),，削弱或排除比例閥閥心正遮蓋的影響，適應(yīng)零區(qū)控制的要求,，其特性如圖83所示,。
3)雙路平衡電路。雙路平衡電路可以使兩個(gè)不同參數(shù)的比例電磁鐵得到對稱的控制特性,。調(diào)節(jié)平衡電路中的內(nèi)置電位計(jì)可以使比例電磁鐵的控制通道增益相同,，并使其中一路控制信號(hào)反相，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電磁鐵差動(dòng)工作,。
4)初始電流調(diào)節(jié)主要用于產(chǎn)生比例電磁鐵的預(yù)激電流,，調(diào)整比例閥的零位死區(qū)大小，避開死區(qū),，使比例閥在設(shè)定值輸入時(shí),，從起始位置迅速起動(dòng)。
(3)電流調(diào)節(jié)器用于改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì),，使控制閥或系統(tǒng)穩(wěn)定并達(dá)到一定的控制精度,，對于干擾起抑制作用，使其動(dòng)態(tài)特性得到提高,。其中,，串并聯(lián)混合式PID（比例積分微分環(huán)節(jié)）運(yùn)算電路zui為常見，該連接方式可以避免級間誤差,，保證控制精度,。
(4)顫振信號(hào)發(fā)生器可以輸出頻率和幅值穩(wěn)定可調(diào)的顫振信號(hào)，并能疊加到控制信號(hào)上,，可以減小比例電磁鐵甚至整個(gè)電液控制閥的滯環(huán),。比例放大器VT3000的顫振信號(hào)發(fā)生器頻率為170(1±10%)Hz。
VT3000采用的是開關(guān)式功率放大級中的脈寬調(diào)制式(PWM)放大電路。它由脈寬調(diào)制器和功率放大級組成,，可以使放大管工作在飽和區(qū)（開）或截止區(qū)（關(guān)）,，功耗低且負(fù)荷相應(yīng)較小，不但可以提高工作效率降低成本,，而且提高了可靠性,。
2．工作原理
如圖5 83所示，VT3000有六個(gè)賦值端,，其中賦值端1～4(額定輸入電壓為±9V)可以分別通過導(dǎo)通繼電器K1～K4(繼電器的工作電壓為DC 24V)來進(jìn)行賦值,。設(shè)定的電壓值可以由內(nèi)置輔助電源③或外置電位計(jì)提供。這四個(gè)賦值端賦值的大小還可以分別通過調(diào)節(jié)電位計(jì)R1～R4來設(shè)定,。當(dāng)這些賦值端用外置電位計(jì)賦值時(shí),，如果內(nèi)置電位計(jì)沒有調(diào)到zui大，由于內(nèi)置電位計(jì)分壓的原因,，其賦值功能將減弱或受限制,。直接賦值端5可以直接輸入0～±6V電壓(額定輸入電壓為±6V)。賦值端6是一個(gè)微分輸入端,，可以直接輸入0～±10V電壓(額定輸入電壓為±10V),。如果用不同參考電壓的電器元件賦值時(shí)，那么必須從賦值端6進(jìn)行賦值,。所有賦值端輸入電壓值以測量零點(diǎn)為參考電壓,。
VT3000控制面板上指示燈VD1～VD4發(fā)亮?xí)r，分別表示賦值端1～4正在賦值,。如果兩個(gè)賦值端同時(shí)賦值,，那么較大的值將被設(shè)定。在開始或停止賦值時(shí),，必須將輸入端的兩條信號(hào)線同時(shí)連接或斷開,。所有設(shè)定的參數(shù)傳遞到加法器⑧進(jìn)行相加，然后輸出一階躍電壓信號(hào)到斜坡發(fā)生器,。上升時(shí)間（斜率）通過電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié),。電壓信號(hào)到達(dá)額定值的斜坡時(shí)間(1s或5s)可以通過是否短接放大器板卡上的J5、J6端來選擇,。當(dāng)使用外置電位計(jì)調(diào)節(jié)斜坡時(shí)間時(shí),，內(nèi)置電位計(jì)必須調(diào)到zui大值。因?yàn)閮?nèi)外置電位計(jì)并聯(lián),，額定斜坡時(shí)間將變小。通過導(dǎo)通繼電器K5或外部短接14a與14c端,，可以設(shè)定zui小斜坡時(shí)間30ms,。
斜坡發(fā)生器輸出信號(hào)送至階躍函數(shù)發(fā)生器⑦和加法器⑧。在階躍函數(shù)發(fā)生器的出口產(chǎn)生一階躍函數(shù)，它和斜坡發(fā)生器的輸出信號(hào)在加法器內(nèi)相加,。加法器⑧的電流輸出信號(hào)分別流向雙路平衡電路⑨,、電流調(diào)節(jié)器?和控制面板檢測點(diǎn)W（檢測電壓為0～±6V）。如果在W點(diǎn)檢測到的電壓為0～+6V時(shí),，放大器將控制電磁鐵A,；如果在W點(diǎn)檢測到的電壓為0～-6V時(shí)，放大器將控制電磁鐵B,。如果檢測電壓小于額定值的1%（階躍函數(shù)發(fā)生器沒有動(dòng)作）,，那么流過電磁鐵的電流為20mA。流過電磁鐵A和B的電流大小可以分別通過控制面板檢測點(diǎn)Ia,，Ib進(jìn)行測量(額定值為800mA或800mV),。
加法器⑧輸出信號(hào)流經(jīng)雙路平衡電路后反相，可以實(shí)現(xiàn)電磁鐵A和B的差動(dòng)工作,。初始電流調(diào)節(jié)電路⑩可以分別通過內(nèi)置電位計(jì),，調(diào)節(jié)電磁鐵A和B的預(yù)激電流(一般為20mA)。加法器⑧輸出信號(hào)和初始電流分別流到電流調(diào)節(jié)器?,。電流調(diào)節(jié)器輸出的連續(xù)信號(hào)經(jīng)過疊加顫振信號(hào)?后,，轉(zhuǎn)換成脈沖寬度與其大小成比例的脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)脈寬調(diào)制器和功率放大級?放大后,，在電磁鐵兩端產(chǎn)生與之同相的脈沖電壓,。當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于線圈的截止頻率時(shí)，由于線圈的電感性,，可以在線圈上得到平均值與脈寬成比例,，帶有交流紋波分量的直流電流。電流產(chǎn)生的磁場帶動(dòng)比例閥閥心動(dòng)作,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換,。當(dāng)比例放大器賦值端輸入正值時(shí)，電磁鐵B動(dòng)作,；反之,，則A動(dòng)作。繼電器K6可以實(shí)現(xiàn)電磁鐵A和B的轉(zhuǎn)換控制,。
3．VT3000在海瑞克盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用
比例放大器VT3000在盾構(gòu)機(jī)上共有兩塊,，分別應(yīng)用于刀盤和螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，控制刀盤和螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度,。VT3000在刀盤和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方面的工作原理是一樣的,，這里以刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為例，介紹其實(shí)際應(yīng)用,。
刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電路分為控制回路和執(zhí)行回路兩部分：①在執(zhí)行回路中,，比例放大器VT3000的32a和26a分別接DC24V電源的正負(fù)極,，控制回路輸出的模擬信號(hào)接微分輸入端（賦值端6）l6a和l6c，比例溢流閥的電磁鐵(-42Y6)接24a和30a,；②在控制回路中,，有一個(gè)外置電位計(jì)(-43R3)。VT3000是通過外置電位計(jì)調(diào)節(jié)流過比例溢流閥電磁鐵電流的大小,，從而改變溢流閥閥心的壓力,，達(dá)到控制刀盤旋轉(zhuǎn)速度的目的。
盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為例,，介紹其實(shí)際應(yīng)用,。
刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的電路分為控制回路和執(zhí)行回路兩部分：①在執(zhí)行回路中，比例放大器VT3000的32a和26a分別接DC24V電源的正負(fù)極,，控制回路輸出的模擬信號(hào)接微分輸入端（賦值端6）l6a和l6c,，比例溢流閥的電磁鐵(-42Y6)接24a和30a；②在控制回路中,，有一個(gè)外置電位計(jì)(-43R3),。VT3000是通過外置電位計(jì)調(diào)節(jié)流過比例溢流閥電磁鐵電流的大小，從而改變溢流閥閥心的壓力,，達(dá)到控制刀盤旋轉(zhuǎn)速度的目的,。