電動(dòng)執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)原理和常見故障分析

過程控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的平臺(tái)，而過程控制儀表及裝置是過程控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制系統(tǒng)，由變送器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成了一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。方框圖如下圖，執(zhí)行器是過程控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要的組成部分，人們常把執(zhí)行器比喻為生產(chǎn)過程自動(dòng)化的“手腳”，執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分組成。簡(jiǎn)單介紹執(zhí)行器的種類及特點(diǎn)、執(zhí)行器的作用方式，電動(dòng)執(zhí)行器工作原理及選用的原則，電動(dòng)執(zhí)行器的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

一、執(zhí)行器的定義

執(zhí)行器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制閥組合體。它在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用是接受來自調(diào)節(jié)器發(fā)出的信號(hào)，以其在工藝管路的位置和特性，調(diào)節(jié)工藝介質(zhì)的流量，從而將被空數(shù)控制在生產(chǎn)過程所要求的范圍內(nèi)。

二、執(zhí)行器分類特點(diǎn)

1、分類

（1） 執(zhí)行器按所用驅(qū)動(dòng)能源分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液壓執(zhí)行器三種。 （2） 按輸出位移的形式，執(zhí)行器有轉(zhuǎn)角型和直線型兩種。

（3） 按動(dòng)作規(guī)律，執(zhí)行器可分為開關(guān)型、積分型和比例型三類。

（4） 按輸入控制信號(hào)，執(zhí)行器分為可以輸入空氣壓力信號(hào)、直流電流信號(hào)、電接點(diǎn)通

斷信號(hào)、脈沖信號(hào)等幾類。

2、優(yōu)點(diǎn)

電動(dòng)執(zhí)行器的能源取用方便，動(dòng)作靈敏，信號(hào)傳輸速度快，適合于遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳送，便于與電子計(jì)算機(jī)配合使用。

3、缺點(diǎn)

電動(dòng)執(zhí)行器一般不適用與防火防爆的場(chǎng)合，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格貴。

單回路系統(tǒng)控制方框圖

三、結(jié)構(gòu)原理

以MD系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體式比例調(diào)節(jié)型為例。

MD系列電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以交流伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)裝置的位皿伺服機(jī)構(gòu)，由配接的位置定位器PM-2控制板接受調(diào)節(jié)系統(tǒng)的4～20mA直流控制信號(hào)與位置發(fā)送器的位置反饋借號(hào)進(jìn)行比較，比較后的信號(hào)偏差經(jīng)過放大使功率級(jí)導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出件朝著減小這一偏差的方向移動(dòng)（位置發(fā)送器不斷將輸出件的實(shí)際位置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)—位盈反饋信號(hào)送至位致定位器），直到偏差信號(hào)小于設(shè)定值為止。此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出件就穩(wěn)定在與輸人信號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置上。該系列角行程機(jī)構(gòu)示意圖如圖1、直行程機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示，其實(shí)際使用接線圖如圖3所示。

MD系列角行程調(diào)節(jié)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由動(dòng)力部件和位置定位器（PM-2控制板）兩大部分組成。其中動(dòng)力部件主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、力矩行程限制器、開關(guān)控制箱、手輪和機(jī)械限位裝置以及位置發(fā)送器等組成，其各部分作用簡(jiǎn)述如下：

1、電動(dòng)機(jī)：電動(dòng)機(jī)是特種單相或三相交流異步電動(dòng)機(jī)，具有高啟動(dòng)力矩、低啟動(dòng)電流和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而有較好的伺服特性。在電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)部裝有熱敏開關(guān)（詳見圖3所示）做過熱保護(hù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常過熱（內(nèi)部溫度超過130℃）時(shí)該開關(guān)將控制電動(dòng)機(jī)的電路斷開以保護(hù)電動(dòng)機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)冷卻以后開關(guān)恢復(fù)接通，電路恢復(fù)工作。為了克服慣性惰走，調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)控制電路均有電制動(dòng)功能。 2、減速器：角行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用行星減速加渦輪渦桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既有較高的機(jī)械效率，又具有機(jī)械自鎖特性。直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)的減速器由多轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速器配接絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)裝置組成。

3、力矩行程限制器：它是一個(gè)設(shè)置在減速器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)單元，由過力矩保護(hù)機(jī)構(gòu)、行程控制機(jī)構(gòu)（電氣限位）、位置傳感器及接線端子等組成。

（1）過力矩保護(hù)機(jī)構(gòu)：內(nèi)行星齒輪在傳遞力矩時(shí)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)撥動(dòng)嵌裝在齒輪外圈的擺桿，擺桿的兩端各裝有一個(gè)測(cè)力壓縮彈贊作為正、反向力矩的傳感元件，當(dāng)輸出力矩超過設(shè)定限制力矩時(shí)，內(nèi)齒輪的偏轉(zhuǎn)使擺桿觸動(dòng)力炬開關(guān)，切斷控制電路使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。調(diào)整力炬限制彈資的壓縮量即可調(diào)整力炬的限定值。該保護(hù)具有記憶功能，對(duì)應(yīng)于接線圖中的電器設(shè)備是力矩開關(guān)LEF、LEO。當(dāng)該保護(hù)動(dòng)作以后，在排除機(jī)械力矩故障后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷電或信號(hào)瞬間反向一下即可恢復(fù)（即記憶解除）正常工作。

（2）行程控制機(jī)構(gòu)：由凸輪組和微動(dòng)開關(guān)組成。該凸輪組通過齒輪減速裝殷，與減速器傳動(dòng)軸相連，通過調(diào)整分別作用于正、反方向微動(dòng)開關(guān)（即行程限位開關(guān)）的凸輪板的位置可限定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程（行程開關(guān)FCO，F(xiàn)CF）。該電氣限位的范圍在出廠時(shí)已經(jīng)調(diào)好，一般情況下請(qǐng)勿隨便調(diào)整，以免損壞機(jī)構(gòu)。

（3）位置傳感器：采用高精度、長(zhǎng)壽命的導(dǎo)電塑料電位器作為位置傳感元件，它與凸輪組同軸連接，整體式比例調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置指示信號(hào)，是將電位器隨輸出軸行程變化的電阻值送入PM-2控制板的比較放大電路，并由它送出一個(gè)4-20mA的DC電流信號(hào)用于指示。

4、開關(guān)控制箱：在開關(guān)控制箱內(nèi)裝有PM電子位置定位器。

5、手輪：在故障狀態(tài)和調(diào)試過程中，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)就地操作。

6、機(jī)械限位裝置：主要用于故障時(shí)以及防止手動(dòng)操作時(shí)超過極限位置保護(hù)。角行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械限位采用內(nèi)置扇形渦輪限位結(jié)構(gòu)，外形體積小，限位可靠；直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械限位采用內(nèi)置擋塊型限位結(jié)構(gòu)，可十分有效地保護(hù)閥座、閥桿、閥芯。 位置定位器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)將控制信號(hào)與位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較并放大以控制電動(dòng)機(jī)開停和旋轉(zhuǎn)方向的多功能大功率放大板，它與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力部件相連以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按系統(tǒng)規(guī)定的狀態(tài)工作。位置定位器主要由比較、邏輯保護(hù)、放大驅(qū)動(dòng)及功率放大等電路組成。控制單相電動(dòng)機(jī)的位置定位器功率放大部分主要由光電禍合過零觸發(fā)固態(tài)繼電器（無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)）構(gòu)成。其主體部分示意如圖4所示。需要注意的是“手動(dòng)一自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開關(guān)，該開關(guān)的作用是在沒有外加信號(hào)時(shí)，與手動(dòng)調(diào)整電位器P1配合使用，以便觀察或調(diào)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)。用后一定要將其撥回“自動(dòng)”位世，以免影響投人系統(tǒng)自動(dòng)控制。

三、執(zhí)行器常見故障

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收控制系統(tǒng)發(fā)出的開關(guān)信號(hào)后，電機(jī)不轉(zhuǎn)并有嗡嗡聲。

其原因可能是：

1）減速器的行星齒輪部分卡澀、損壞或變形；

2）減速器的斜齒輪傳動(dòng)部分變形或過度磨損或損壞；

3）減速器的渦輪渦桿或絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)部分變形損壞、卡澀等； 4）整體機(jī)械部分配合不好，不靈活，需調(diào)整加油。

（2）電氣部分故障 結(jié)構(gòu)原理

1）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制系統(tǒng)發(fā)出的開、關(guān)信號(hào)后，電機(jī)不轉(zhuǎn)，也無(wú)嗡嗡聲?？赡茉蚴牵簺]有交流電源或電源不能加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)部分或位置定位器部分；PM放大板工作不正常，不能發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)；固態(tài)繼電器部分損壞，不能將放大板送來的弱信號(hào)轉(zhuǎn)變成電機(jī)需要的強(qiáng)電信號(hào)；電機(jī)熱保護(hù)開關(guān)損壞；力矩限制開關(guān)損壞；行程限制開關(guān)損壞；手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)位置選錯(cuò)或開關(guān)損壞；電機(jī)損壞。

2）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制系統(tǒng)發(fā)出的開、關(guān)信號(hào)后，電機(jī)不轉(zhuǎn)，有嗡嗡聲。其可能原因是：電機(jī)的啟動(dòng)電容損壞；電機(jī)線圈匝間輕微短路；電源電壓不夠。

3）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制系統(tǒng)發(fā)出的開、關(guān)信號(hào)后，電機(jī)抖動(dòng)，并伴有咯咯聲，其原因可能是：PM放大板的輸出信號(hào)不足不能使固態(tài)繼電器完全導(dǎo)通，造成電機(jī)的加載電壓不足；固態(tài)繼電器性能變壞，造成其輸出端未完全導(dǎo)通。

（3）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制系統(tǒng)發(fā)出的開、關(guān)信號(hào)后，電機(jī)能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但沒有閥位反饋。

其可能原因是：

1）位置傳感器的電位器與行程控制機(jī)構(gòu)不能同軸旋轉(zhuǎn)，需檢查連接部分是否損壞；

2）電位器損壞或性能變壞，阻值不隨轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化；

3）位置傳感器的電位器及放大板間連接導(dǎo)線是否正常；

4）PM放大板是否損壞，有無(wú)反饋信號(hào)送出。

（4）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制系統(tǒng)發(fā)出的開、關(guān)信號(hào)后，電機(jī)能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但閥位反饋始終為一固定值，不隨閥門的開、關(guān)而變化，

其可能原因是：

1）導(dǎo)電塑料電位器的阻值為一恒值，不隨轉(zhuǎn)動(dòng)而變，檢修更換電位器；

2）放大板中有關(guān)部分異常，檢查處理。

審核編輯：郭婷