盾構機是一種綜合應用機械、電氣、液壓、氣動等技術的挖掘機械，在城市地鐵施工中得到廣泛使用。液壓系統各種液壓閥的操縱、控制都是通過力（力矩）或位移（角位移）形式的機械量來實現。它可以用手動、機動、氣動、液動、電動及其組合等方式來進行。當控制規律比較復雜或要求達到較高的控制性能時，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，經控制放大器處理和功率放大，再由某種形式的電機械(E-M)轉換器，將電量轉換成控制元件運動需要的機械量。

VT3000就是這樣一個控制放大模塊，可以將微弱的控制信號處理并放大。

1．VT3000構成

比例放大器VT3000是雙路、不帶電反饋、開關式比例放大器，主要由電源電路、信號處理電路、電流調節電路、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準電源供電，并將電源電壓進行整流、濾波、穩壓和過載保護。內輔助電源是通過選擇新的參考點，得到以新參考點為基準零點，能滿足控制放大器中運算放大器等元件正常工作所需要的穩定電源。

(2)信號處理電路將輸入的指令信號根據不同的控制對象和工況要求進行處理，一般都有斜坡信號發生器、階躍函數發生器、初始電流設定等電路。

1)斜坡信號發生器。斜坡信號發生器將一個階躍輸入信號變成緩慢上升或下降的輸出信號，并可通過內置電位計進行調節，以實現被控系統工作壓力或運動速度等的無沖擊過渡。調節電位計可以改變輸出電壓的斜率，當輸入電壓小于額定電壓時，斜坡時間也相應減少，其特性如圖82所示。

2)階躍函數發生器。階躍函數發生器的輸出信號經放大器放大后，給比例電磁鐵一個階躍電流，使比例閥閥心快速躍過零位死區，削弱或排除比例閥閥心正遮蓋的影響，適應零區控制的要求，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不同參數的比例電磁鐵得到對稱的控制特性。調節平衡電路中的內置電位計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反相，實現兩個電磁鐵差動工作。

4)初始電流調節主要用于產生比例電磁鐵的預激電流，調整比例閥的零位死區大小，避開死區，使比例閥在設定值輸入時，從起始位置迅速起動。

(3)電流調節器用于改善控制系統的穩態和動態品質，使控制閥或系統穩定并達到一定的控制精度，對于干擾起抑制作用，使其動態特性得到提高。其中，串并聯混合式PID（比例積分微分環節）運算電路zui為常見，該連接方式可以避免級間誤差，保證控制精度。

(4)顫振信號發生器可以輸出頻率和幅值穩定可調的顫振信號，并能疊加到控制信號上，可以減小比例電磁鐵甚至整個電液控制閥的滯環。比例放大器VT3000的顫振信號發生器頻率為170(1±10%)Hz。

VT3000采用的是開關式功率放大級中的脈寬調制式(PWM)放大電路。它由脈寬調制器和功率放大級組成，可以使放大管工作在飽和區（開）或截止區（關），功耗低且負荷相應較小，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)可以分別通過導通繼電器K1～K4(繼電器的工作電壓為DC 24V)來進行賦值。設定的電壓值可以由內置輔助電源③或外置電位計提供。這四個賦值端賦值的大小還可以分別通過調節電位計R₁～R₄來設定。當這些賦值端用外置電位計賦值時，如果內置電位計沒有調到zui大，由于內置電位計分壓的原因，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，那么必須從賦值端6進行賦值。所有賦值端輸入電壓值以測量零點為參考電壓。

VT3000控制面板上指示燈VD1～VD4發亮時，分別表示賦值端1～4正在賦值。如果兩個賦值端同時賦值，那么較大的值將被設定。在開始或停止賦值時，必須將輸入端的兩條信號線同時連接或斷開。所有設定的參數傳遞到加法器⑧進行相加，然后輸出一階躍電壓信號到斜坡發生器。上升時間（斜率）通過電位計進行調節。電壓信號到達額定值的斜坡時間(1s或5s)可以通過是否短接放大器板卡上的J5、J6端來選擇。當使用外置電位計調節斜坡時間時，內置電位計必須調到zui大值。因為內外置電位計并聯，額定斜坡時間將變小。通過導通繼電器K5或外部短接14a與14c端，可以設定zui小斜坡時間30ms。

斜坡發生器輸出信號送至階躍函數發生器⑦和加法器⑧。在階躍函數發生器的出口產生一階躍函數，它和斜坡發生器的輸出信號在加法器內相加。加法器⑧的電流輸出信號分別流向雙路平衡電路⑨、電流調節器?和控制面板檢測點W（檢測電壓為0～±6V）。如果在W點檢測到的電壓為0～+6V時，放大器將控制電磁鐵A；如果在W點檢測到的電壓為0～-6V時，放大器將控制電磁鐵B。如果檢測電壓小于額定值的1%（階躍函數發生器沒有動作），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I_a，I_b進行測量(額定值為800mA或800mV)。

加法器⑧輸出信號流經雙路平衡電路后反相，可以實現電磁鐵A和B的差動工作。初始電流調節電路⑩可以分別通過內置電位計，調節電磁鐵A和B的預激電流(一般為20mA)。加法器⑧輸出信號和初始電流分別流到電流調節器?。電流調節器輸出的連續信號經過疊加顫振信號?后，轉換成脈沖寬度與其大小成比例的脈沖信號。該信號經脈寬調制器和功率放大級?放大后，在電磁鐵兩端產生與之同相的脈沖電壓。當開關頻率遠高于線圈的截止頻率時，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。電流產生的磁場帶動比例閥閥心動作，實現電機械能量的轉換。當比例放大器賦值端輸入正值時，電磁鐵B動作；反之，則A動作。繼電器K6可以實現電磁鐵A和B的轉換控制。

3．VT3000在海瑞克盾構機上的應用

比例放大器VT3000在盾構機上共有兩塊，分別應用于刀盤和螺旋機的轉速調節，控制刀盤和螺旋機的旋轉速度。VT3000在刀盤和螺旋機轉速調節方面的工作原理是一樣的，這里以刀

盾構機是一種綜合應用機械、電氣、液壓、氣動等技術的挖掘機械，在城市地鐵施工中得到廣泛使用。液壓系統各種液壓閥的操縱、控制都是通過力（力矩）或位移（角位移）形式的機械量來實現。它可以用手動、機動、氣動、液動、電動及其組合等方式來進行。當控制規律比較復雜或要求達到較高的控制性能時，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，經控制放大器處理和功率放大，再由某種形式的電機械(E-M)轉換器，將電量轉換成控制元件運動需要的機械量。

VT3000就是這樣一個控制放大模塊，可以將微弱的控制信號處理并放大。

1．VT3000構成

比例放大器VT3000是雙路、不帶電反饋、開關式比例放大器，主要由電源電路、信號處理電路、電流調節電路、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準電源供電，并將電源電壓進行整流、濾波、穩壓和過載保護。內輔助電源是通過選擇新的參考點，得到以新參考點為基準零點，能滿足控制放大器中運算放大器等元件正常工作所需要的穩定電源。

(2)信號處理電路將輸入的指令信號根據不同的控制對象和工況要求進行處理，一般都有斜坡信號發生器、階躍函數發生器、初始電流設定等電路。

1)斜坡信號發生器。斜坡信號發生器將一個階躍輸入信號變成緩慢上升或下降的輸出信號，并可通過內置電位計進行調節，以實現被控系統工作壓力或運動速度等的無沖擊過渡。調節電位計可以改變輸出電壓的斜率，當輸入電壓小于額定電壓時，斜坡時間也相應減少，其特性如圖82所示。

2)階躍函數發生器。階躍函數發生器的輸出信號經放大器放大后，給比例電磁鐵一個階躍電流，使比例閥閥心快速躍過零位死區，削弱或排除比例閥閥心正遮蓋的影響，適應零區控制的要求，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不同參數的比例電磁鐵得到對稱的控制特性。調節平衡電路中的內置電位計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反相，實現兩個電磁鐵差動工作。

4)初始電流調節主要用于產生比例電磁鐵的預激電流，調整比例閥的零位死區大小，避開死區，使比例閥在設定值輸入時，從起始位置迅速起動。

(3)電流調節器用于改善控制系統的穩態和動態品質，使控制閥或系統穩定并達到一定的控制精度，對于干擾起抑制作用，使其動態特性得到提高。其中，串并聯混合式PID（比例積分微分環節）運算電路zui為常見，該連接方式可以避免級間誤差，保證控制精度。

(4)顫振信號發生器可以輸出頻率和幅值穩定可調的顫振信號，并能疊加到控制信號上，可以減小比例電磁鐵甚至整個電液控制閥的滯環。比例放大器VT3000的顫振信號發生器頻率為170(1±10%)Hz。

VT3000采用的是開關式功率放大級中的脈寬調制式(PWM)放大電路。它由脈寬調制器和功率放大級組成，可以使放大管工作在飽和區（開）或截止區（關），功耗低且負荷相應較小，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)可以分別通過導通繼電器K1～K4(繼電器的工作電壓為DC 24V)來進行賦值。設定的電壓值可以由內置輔助電源③或外置電位計提供。這四個賦值端賦值的大小還可以分別通過調節電位計R₁～R₄來設定。當這些賦值端用外置電位計賦值時，如果內置電位計沒有調到zui大，由于內置電位計分壓的原因，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，那么必須從賦值端6進行賦值。所有賦值端輸入電壓值以測量零點為參考電壓。

VT3000控制面板上指示燈VD1～VD4發亮時，分別表示賦值端1～4正在賦值。如果兩個賦值端同時賦值，那么較大的值將被設定。在開始或停止賦值時，必須將輸入端的兩條信號線同時連接或斷開。所有設定的參數傳遞到加法器⑧進行相加，然后輸出一階躍電壓信號到斜坡發生器。上升時間（斜率）通過電位計進行調節。電壓信號到達額定值的斜坡時間(1s或5s)可以通過是否短接放大器板卡上的J5、J6端來選擇。當使用外置電位計調節斜坡時間時，內置電位計必須調到zui大值。因為內外置電位計并聯，額定斜坡時間將變小。通過導通繼電器K5或外部短接14a與14c端，可以設定zui小斜坡時間30ms。

斜坡發生器輸出信號送至階躍函數發生器⑦和加法器⑧。在階躍函數發生器的出口產生一階躍函數，它和斜坡發生器的輸出信號在加法器內相加。加法器⑧的電流輸出信號分別流向雙路平衡電路⑨、電流調節器?和控制面板檢測點W（檢測電壓為0～±6V）。如果在W點檢測到的電壓為0～+6V時，放大器將控制電磁鐵A；如果在W點檢測到的電壓為0～-6V時，放大器將控制電磁鐵B。如果檢測電壓小于額定值的1%（階躍函數發生器沒有動作），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I_a，I_b進行測量(額定值為800mA或800mV)。

加法器⑧輸出信號流經雙路平衡電路后反相，可以實現電磁鐵A和B的差動工作。初始電流調節電路⑩可以分別通過內置電位計，調節電磁鐵A和B的預激電流(一般為20mA)。加法器⑧輸出信號和初始電流分別流到電流調節器?。電流調節器輸出的連續信號經過疊加顫振信號?后，轉換成脈沖寬度與其大小成比例的脈沖信號。該信號經脈寬調制器和功率放大級?放大后，在電磁鐵兩端產生與之同相的脈沖電壓。當開關頻率遠高于線圈的截止頻率時，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。電流產生的磁場帶動比例閥閥心動作，實現電機械能量的轉換。當比例放大器賦值端輸入正值時，電磁鐵B動作；反之，則A動作。繼電器K6可以實現電磁鐵A和B的轉換控制。

3．VT3000在海瑞克盾構機上的應用

比例放大器VT3000在盾構機上共有兩塊，分別應用于刀盤和螺旋機的轉速調節，控制刀盤和螺旋機的旋轉速度。VT3000在刀盤和螺旋機轉速調節方面的工作原理是一樣的，這里以刀盤轉速調節為例，介紹其實際應用。

刀盤轉速調節的電路分為控制回路和執行回路兩部分：①在執行回路中，比例放大器VT3000的32a和26a分別接DC24V電源的正負極，控制回路輸出的模擬信號接微分輸入端（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，有一個外置電位計(-43R3)。VT3000是通過外置電位計調節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，達到控制刀盤旋轉速度的目的。

盤轉速調節為例，介紹其實際應用。

刀盤轉速調節的電路分為控制回路和執行回路兩部分：①在執行回路中，比例放大器VT3000的32a和26a分別接DC24V電源的正負極，控制回路輸出的模擬信號接微分輸入端（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，有一個外置電位計(-43R3)。VT3000是通過外置電位計調節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，達到控制刀盤旋轉速度的目的。