11章 执行机构

第十一章 执 行 机 构

147 第十一章 执行机构

在自动控制中，执行机构接受来自调节器、计算机的自动调节信号或来自操作器的远方手动操作信号，并将其转换成使调节机构（阀门、风门或挡板）动作的位移信号，从而改变被调量的大小，以满足生产过程的需要。

常用的执行机构有执行器和调速控制装置，执行其根据所用的能源不同分为电动和气动两大类，根据输出位移量的不同，又有角位移执行机构和线位移执行机构之分。

电动执行机构以电力为动力，它是电动单元组合仪表的执行单元，接受DCS系统或其它设备输出的4～20mA DC统一标准信号，并转换成与之相对应的角位移或线位移输出。角位移与线位移执行机构的电气原理基本相同，其区别主要在减速器的机械部分。

气动执行机构以压缩空气动力能源，接受DCS系统或其它设备输出的4～20mA 直流或0.02～0.1MPa模拟输入信号，并将其转换成相应的输出轴的位移，以控制阀门、挡板、风门等调节机构，实现过程的调节。

本章主要介绍电动执行机构、气动执行机构。

第一节 电动执行机构

电动执行机构按供电电源分有220V、380V的电动执行器，按接受信号份分受4～20mA DC内部带放大器的执行机构、直接接受220V AC的执行机构。

执行机构部分包括保护电路、二相伺服电动机，机械减速器和位置发送器，见图11-1。二相伺服电动机接受伺服放大器、电动操作器或分散控制系统送入的

图11-1 电动执行机构原理图

信号而转动，并经过机械减速器转换成低转速大力矩输出。而位置发送器将输出位移转换成与之成比例的0～10mA或4～20mA电流信号，送至显示或调节系统。保护电路是为了保护两相电机而设置的，内有输出轴到位保护和力矩保护，任意一个开关动作电机都将不带电，避免阀门或挡板故障致使电机发热烧坏。

本节以最基本的DKJ角位移电动执行机构为例，介绍一下执行机构的基本工作原理、功能及调试。其它类型都是在此基础上发展起来的，基本原理和调试方法都是一样的。

一、 电动执行机构的组成

DKJ型电动执行器是一个用两相伺服电动机为原动机的位置伺服机构，其系统方块图如关限位 开限位 开力矩

关力矩

保护电路 二相伺服

电动机 机械减速器

位置发送器 输出轴 控制系统 开指令

关指令 执行机构

If 第十一章 执 行 机 构

148 图11-2所示。

图11-2 电动执行器原理方框图

DKJ型电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。伺服放大器将输入信号Ii和来自执行机构位置发送器反馈信号If进行比较，并将二者的偏差进行放大以驱使两相电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角。输出轴转角的变化以经位置发送器按比例地转换成相应的位置反馈电流If，馈送到伺服放大器的输入端。当Ii与If偏差为0时，两相电动机停止转动，输出轴稳定在与输入信号Ii相对应的位置上。由于DKJ电动执行机构是通过使Ii与If在数值上保持一致来达到输出轴转角跟随输入电流Ii变化的目的的，所以电动执行机构是一个由伺服放大器与执行机构两个独立部分组成的闭合随动系统。

电动执行机构输出轴转角θ与输入信号电流Ii之间的关系为

θ=KIi

式中 K——比例系数。

电动执行机构的输出转角与输入信号成正比，所以整个电动执行机构可近似地看成是一个比例环节。

使用DKJ型电动执行器的自动调节系统，配用电动操作器，可实现自动调节系统的自动手动无扰切换。手动操作时，由操作开关直接控制电动机的电源，使执行机构在全行程范围内操作。自动调节时，二相电动机由发大器供电，输出轴转角随输入信号而变化。

二、电动执行器系统各组成部分的原理

1．伺服放大器（FC）

伺服法大器是由前置磁放大器、触发器、主回路和电源四部分组成，其方块图如图11-3

所示：

前置磁放大器的线路系直流输出的内反馈推挽线路。磁放大器的芯由四个相同的环形导磁体构成，每一个导磁体上都单独有交流绕组中串有硅二极管和输出电阻，流经输出电阻是经整流后的直流电流。四个导磁体又组成二个单臂，上面绕有信号绕组，反馈绕组和偏移绕组。

磁放大器的工作原理是基于铁磁材料的非线性原理。当没有信号输入时，由于两个单臂的参数相同、布置对称，磁放大器输出电压为零。当有直流电流信号输入时，其直流磁场促使二个单臂中铁芯的导磁率发生变化，从而改变了交流绕组的感抗，于是输出电阻上的输出电压也随之改变。由于直流信号在一个单臂中产生的磁通方向和偏移电流产生的磁通方向相同，使铁芯更趋饱和，交流绕组的阻抗减小，在另一个单臂中却相反，使铁芯失去饱和，交流绕组的阻抗增加，此时有电压输出。当输入信号极性改变时，输出电压极性也随之改变。 输入信号

电动操作器

两相伺服

电动机

位置发送器 机械减速器 If Ii

输出轴 执行机构 第十一章 执 行 机 构

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触发器是将前置级磁放大器的输出电压转变成触发脉冲，共有两组分别触发SCR1和SCR2，使电机可逆运转。为了控制电容分相式交流电动机正、反转，伺服放大器中两套触发线路结构完全相同，但工作状态相反。前置磁放大器的输出电压以差动方式接到两组触发器的输入端。当前置磁放大器输出电压极性改变时，两组触发器互换导通或截止。

主路采用一个可控硅整流元件和四个二极管组成的交流无触点开关，共有二组，使电机实现正反转运行。

在图11-4所示的主回路中，SCR相当于一个开关，当控制极加触发脉冲时，在交流的每一个半周内SCR导通，相当于开关接通，负载R（实际是两相电动机）中有交流电流流过。反之，当触发脉冲消失时，交流电过零，可控硅整流元件因流过电流小于其维持电流而关断，相当于开关断开，负载R中无电流。

2．执行机构

执行机构部分包括两相伺服电动机、减速器和位置发送器。两相电动机接受

伺服放大器或电动操作器送入的信号而转动，并经过机械减速器转换成低转速大力矩输出。而位置发送器将输出角位移转换成位置反馈电流，一方面馈送到前置磁放大器的反馈绕组；一方面供电流表或计算机显示阀位。

两相伺服电动机是由一个冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼转子组成。定子上均匀分布着两个相隔90°电角度的定子绕组，借分相电容使两个定子绕组获得有90°相位差的交流电压。其合成向量产生定子旋转磁场，此定子磁场以同步转速旋转，其磁力线通过定子和转子铁芯而闭合。由于转子被旋转磁场的磁力线所切割而产生感应电势，在此电势作用下转子导体内产生感应电流。转子的感应磁场与定子旋转磁场相互作用使转子旋转。利用电容电流超前90°的原理，把一个定子绕组串接电容后接入单相电源，另一个定子绕组直接接到单相电源，则串接电容的绕组中比没有串接电容的绕组超前90°，于是构成了相位差90°的两相电源。

两相伺服电动机内部装有杠杆式制动机构，能保证电动机在断电时迅速地制动。 主回路

可控硅交流开关

SCR1

SCR2

可控硅交流开关 触发器 触发器 前置磁放大器 Ii

If -220V

-220V

R

SCR 第十一章 执 行 机 构

150 机械减速器是采用一组平齿轮和行星齿轮相结合的传动机构，其作用是将高转速、小转矩电动机的输出功率变成低转速、大转矩的输出轴功率。为把输出轴限制在90°的转角范围内，以保证不损坏调解机构及有关杠杆，在机座上装有两块止挡，其机械限位的作用。

位置发送器将执行机构输出轴全程范围0°～90°的角位移转换成与之成比例的0～10mA DC或4～20mA DC直流信号，此信号反馈到伺服放大器的输入端，并同时提供位置指示。

位置发送器包括差动变压器或随轴转动的金属可变电阻、电源变压器、印刷电路板。差动变压器的结构一组对称的线圈，初级线圈位于两个相同的次级线圈之间，由稳定的交流电压激磁。次级线圈反向串联，其感应电压的差值作为输出，输出电压的大小由线圈中铁芯线位移所决定。差动变压器的交流输出经滤波后接负载。为保证在整个行程范围内有良好的线性，用一恒定的直流电压进行零点补偿。位置发送器输出回路有电位器可进行满刻度调整。

位置发送器可以调整为以下二种工作状态：

（1）输出轴按顺时针方向旋转0°～90°转角，位置发送器的输出电流对应4～20mA。

（2）输出轴按逆时针方向旋转0°～90°转角，位置发送器的输出电流对应4～20mA。

由于线路中采用一个恒定的直流进行零点补偿，使位置发送器输出为零时，铁芯在线圈中可以有两个位置，调整时应根据输出轴旋转方向，选择真正的零点。

三、 电动执行器的现场调试

电动执行器各组成部分，出厂时皆经过调试，但为了保证正常运行，使用前

应对基本性能作如下检查，检查步骤分伺服放大器、执行机构、系统三部分。

1．伺服放大器的校验

伺服放大器是在实验室进行校验的，方法如下：

（1） 检查伺服放大器的正反作用是否正常。在伺服放大器的控制信号输入端和反馈输入端分别输入12mA DC,这时正行、反行灯均不亮。将控制端的输入信号加到15mA，这时正行指示灯亮，而且行输出端输出220V AC。将控制端信号减到9mA，反行指示灯亮，且反行输出端输出220V AC。

（2）伺服放大器的死区调整。伺服放大器的死区与灵敏度有关，死区太大，执行机构动作滞后太大，死区太小，执行机构动作太频繁将导致执行机构电机发热甚至于烧坏，因此必须将其控制在一定范围，通常是300～400μA。将控制端信号恢复到12mA，然后缓慢增加到12.30mA，观察正行指示灯状态，如灯不亮，则调节调稳电位器，直到指示灯发亮为止。再将控制信号减小到11.70mA，观察反行指示灯状态，其调节方法同前。经这样调整后的伺放的调节死区为300μA左右，能较好满足现场控制要求。

2．执行机构的调试

执行机构是在现场安装固定好后与挡板或阀门连在一起进行调试。由于力矩开关涉及到执行器的输出转矩，在出厂前已由厂家根据电机能力而设定好，一般在调试时无须再作调整。

（1）确定阀门或挡板的全开和全关位置，并将机械部分固定好。

（2）合电源开关，将电机把手放在“手动”位置，摇动手轮输出轴转到全关的位置，此时指示表指示应为4mA，调整关限位，使关限位开关刚好动作。

（3）摇动手轮，使输出轴顺时针旋转到全关位置，指示表指示应线性从4mA变化到20mA。调整开限位，使开限位开关刚好动作，并调整位置发送器的指示为20mA。

（4）打到“电动”位置，电动操作，操作全开和全关，并反复微调限位开关和位置指示。直至满足要求。