VT3000比例放大器在盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用
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(guò)力(力矩)或位移(角位移)形式的機(jī)械量來(lái)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(lái)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(kāi)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(guò)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(guò)載保護(hù)。內(nèi)輔助電源是通過(guò)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(mǎn)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(duì)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(guò)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(wú)沖擊過(guò)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(guò)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(duì)稱(chēng)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(kāi)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(duì)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)算電路最為常見(jiàn),該連接方式可以避免級(jí)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(kāi)關(guān)式功率放大級(jí)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(jí)組成,可以使放大管工作在飽和區(qū)(開(kāi))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(guò)導(dǎo)通繼電器K1~K4(繼電器的工作電壓為DC 24V)來(lái)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(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)R1~R4來(lái)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(méi)有調(diào)到最大,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(cè)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(kāi)始或停止賦值時(shí),必須將輸入端的兩條信號(hào)線(xiàn)同時(shí)連接或斷開(kāi)。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(guò)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(guò)是否短接放大器板卡上的J5、J6端來(lái)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)到最大值。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(guò)導(dǎo)通繼電器K5或外部短接14a與14c端,可以設(shè)定最小斜坡時(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(cè)點(diǎn)W(檢測(cè)電壓為0~±6V)。如果在W點(diǎn)檢測(cè)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(cè)到的電壓為0~-6V時(shí),放大器將控制電磁鐵B。如果檢測(cè)電壓小于額定值的1%(階躍函數(shù)發(fā)生器沒(méi)有動(dòng)作),那么流過(guò)電磁鐵的電流為20mA。流過(guò)電磁鐵A和B的電流大小可以分別通過(guò)控制面板檢測(cè)點(diǎn)Ia,Ib進(jìn)行測(cè)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(guò)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(guò)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(jí)?放大后,在電磁鐵兩端產(chǎn)生與之同相的脈沖電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于線(xiàn)圈的截止頻率時(shí),由于線(xiàn)圈的電感性,可以在線(xiàn)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(chǎng)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(pán)和螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),控制刀盤(pán)和螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。VT3000在刀盤(pán)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(pán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為例,介紹其實(shí)際應(yīng)用。
刀盤(pán)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(guò)外置電位計(jì)調(diào)節(jié)流過(guò)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(pán)旋轉(zhuǎn)速度的目的。