国越贸易（上海）有限公司

盾构机是一种综合应用机械、电气、液压、气动等技术的挖掘机械，在城市地铁施工中得到广泛使用。液压系统各种液压阀的操纵、控制都是通过力（力矩）或位移（角位移）形式的机械量来实现。它可以用手动、机动、气动、液动、电动及其组合等方式来进行。当控制规律比较复杂或要求达到较高的控制性能时，一般都采用电液控制的方式。这种方式是将微弱的控制信号，经控制放大器处理和功率放大，再由某种形式的电机械(E-M)转换器，将电量转换成控制元件运动需要的机械量。

VT3000就是这样一个控制放大模块，可以将微弱的控制信号处理并放大。

1．VT3000构成

比例放大器VT3000是双路、不带电反馈、开关式比例放大器，主要由电源电路、信号处理电路、电流调节电路、功率放大电路等组成。VT3000比例放大器原理图如图81所示。

(1)电源电路是通过外置标准电源供电，并将电源电压进行整流、滤波、稳压和过载保护。内辅助电源是通过选择新的参考点，得到以新参考点为基准零点，能满足控制放大器中运算放大器等元件正常工作所需要的稳定电源。

(2)信号处理电路将输入的指令信号根据不同的控制对象和工况要求进行处理，一般都有斜坡信号发生器、阶跃函数发生器、初始电流设定等电路。

1)斜坡信号发生器。斜坡信号发生器将一个阶跃输入信号变成缓慢上升或下降的输出信号，并可通过内置电位计进行调节，以实现被控系统工作压力或运动速度等的无冲击过渡。调节电位计可以改变输出电压的斜率，当输入电压小于额定电压时，斜坡时间也相应减少，其特性如图82所示。

2)阶跃函数发生器。阶跃函数发生器的输出信号经放大器放大后，给比例电磁铁一个阶跃电流，使比例阀阀心快速跃过零位死区，削弱或排除比例阀阀心正遮盖的影响，适应零区控制的要求，其特性如图83所示。

3)双路平衡电路。双路平衡电路可以使两个不同参数的比例电磁铁得到对称的控制特性。调节平衡电路中的内置电位计可以使比例电磁铁的控制通道增益相同，并使其中一路控制信号反相，实现两个电磁铁差动工作。

4)初始电流调节主要用于产生比例电磁铁的预激电流，调整比例阀的零位死区大小，避开死区，使比例阀在设定值输入时，从起始位置迅速起动。

(3)电流调节器用于改善控制系统的稳态和动态品质，使控制阀或系统稳定并达到一定的控制精度，对于干扰起抑制作用，使其动态特性得到提高。其中，串并联混合式PID（比例积分微分环节）运算电路zui为常见，该连接方式可以避免级间误差，保证控制精度。

(4)颤振信号发生器可以输出频率和幅值稳定可调的颤振信号，并能叠加到控制信号上，可以减小比例电磁铁甚至整个电液控制阀的滞环。比例放大器VT3000的颤振信号发生器频率为170(1±10%)Hz。

VT3000采用的是开关式功率放大级中的脉宽调制式(PWM)放大电路。它由脉宽调制器和功率放大级组成，可以使放大管工作在饱和区（开）或截止区（关），功耗低且负荷相应较小，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

如图5 83所示，VT3000有六个赋值端，其中赋值端1～4(额定输入电压为±9V)可以分别通过导通继电器K1～K4(继电器的工作电压为DC 24V)来进行赋值。设定的电压值可以由内置辅助电源③或外置电位计提供。这四个赋值端赋值的大小还可以分别通过调节电位计R₁～R₄来设定。当这些赋值端用外置电位计赋值时，如果内置电位计没有调到zui大，由于内置电位计分压的原因，其赋值功能将减弱或受限制。直接赋值端5可以直接输入0～±6V电压(额定输入电压为±6V)。赋值端6是一个微分输入端，可以直接输入0～±10V电压(额定输入电压为±10V)。如果用不同参考电压的电器元件赋值时，那么必须从赋值端6进行赋值。所有赋值端输入电压值以测量零点为参考电压。

VT3000控制面板上指示灯VD1～VD4发亮时，分别表示赋值端1～4正在赋值。如果两个赋值端同时赋值，那么较大的值将被设定。在开始或停止赋值时，必须将输入端的两条信号线同时连接或断开。所有设定的参数传递到加法器⑧进行相加，然后输出一阶跃电压信号到斜坡发生器。上升时间（斜率）通过电位计进行调节。电压信号到达额定值的斜坡时间(1s或5s)可以通过是否短接放大器板卡上的J5、J6端来选择。当使用外置电位计调节斜坡时间时，内置电位计必须调到zui大值。因为内外置电位计并联，额定斜坡时间将变小。通过导通继电器K5或外部短接14a与14c端，可以设定zui小斜坡时间30ms。

斜坡发生器输出信号送至阶跃函数发生器⑦和加法器⑧。在阶跃函数发生器的出口产生一阶跃函数，它和斜坡发生器的输出信号在加法器内相加。加法器⑧的电流输出信号分别流向双路平衡电路⑨、电流调节器⑪和控制面板检测点W（检测电压为0～±6V）。如果在W点检测到的电压为0～+6V时，放大器将控制电磁铁A；如果在W点检测到的电压为0～-6V时，放大器将控制电磁铁B。如果检测电压小于额定值的1%（阶跃函数发生器没有动作），那么流过电磁铁的电流为20mA。流过电磁铁A和B的电流大小可以分别通过控制面板检测点I_a，I_b进行测量(额定值为800mA或800mV)。

加法器⑧输出信号流经双路平衡电路后反相，可以实现电磁铁A和B的差动工作。初始电流调节电路⑩可以分别通过内置电位计，调节电磁铁A和B的预激电流(一般为20mA)。加法器⑧输出信号和初始电流分别流到电流调节器⑪。电流调节器输出的连续信号经过叠加颤振信号⑫后，转换成脉冲宽度与其大小成比例的脉冲信号。该信号经脉宽调制器和功率放大级⑬放大后，在电磁铁两端产生与之同相的脉冲电压。当开关频率远高于线圈的截止频率时，由于线圈的电感性，可以在线圈上得到平均值与脉宽成比例，带有交流纹波分量的直流电流。电流产生的磁场带动比例阀阀心动作，实现电机械能量的转换。当比例放大器赋值端输入正值时，电磁铁B动作；反之，则A动作。继电器K6可以实现电磁铁A和B的转换控制。

3．VT3000在海瑞克盾构机上的应用

比例放大器VT3000在盾构机上共有两块，分别应用于刀盘和螺旋机的转速调节，控制刀盘和螺旋机的旋转速度。VT3000在刀盘和螺旋机转速调节方面的工作原理是一样的，这里以刀盘转速调节为例，介绍其实际应用。

刀盘转速调节的电路分为控制回路和执行回路两部分：①在执行回路中，比例放大器VT3000的32a和26a分别接DC24V电源的正负极，控制回路输出的模拟信号接微分输入端（赋值端6）l6a和l6c，比例溢流阀的电磁铁(-42Y6)接24a和30a；②在控制回路中，有一个外置电位计(-43R3)。VT3000是通过外置电位计调节流过比例溢流阀电磁铁电流的大小，从而改变溢流阀阀心的压力，达到控制刀盘旋转速度的目的。