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1.1.電動執行機構

電動執行機構和氣動執行機構一樣，是控制系統中的一個重要部分。它接收來自控制器的0?10mA或4?20mA的直流電流信號，并將其轉換成相應的角位移或直行程位移，去操縱閥門、擋板等控制機構以實現自動控制。

電動執行器有角行程、直行程和多轉式等類型。角行程電動執行機構以電動機為動力元件，將輸入的直流電流信號轉換為相應的角位移（0°?90°)，這種執行機構適用于操縱蝶閥、擋板之類的旋轉式控制閥。直行程執行機構接收輸入的直流電流信號后，使電動機轉動，然后經減速器減速并轉換為直線位移輸出，去操縱單座、雙座、三通等各種控制閥和其他直線式控制機構。多轉式電動執行機構主要用來開啟和關閉閘閥、截止閥等多轉式閥門。由于它的電動功率比較大，zui大的有幾十千瓦，一般多用作就地操作和遙控。

幾種類型的電動執行機構在電氣原理上基本是相同的，只是減速器不一樣。以下簡單介紹一下角行程的電動執行機構。

電動執行機構由伺服放大器和執行機構兩部分組成。執行機構又包括兩相伺服蘭減速器和位置發送器。為電動執行機構的組成框圖。

來自調節器的Ii作為伺服放大器的輸入信號，它與位置反饋信號If進行比較，其差值經放大后控制兩相伺服電動機正轉或反轉，再經減速器減速后，改變輸出軸即調節閥的開度或擋板的角位移）。與此同時，輸出軸的位移又經位置發送器轉換成電流信號，作為閥位指示與反饋信號If。當If與Ii相等時，兩相電動機停止轉動，這時調節閥的開度就穩定在與調節器輸出（即執行器的輸入）信號Ii成比例的位置上。

輸出軸轉角θ與輸入信號Ii的關系為

式中，尺為比例系數。

由上式可知，輸出軸轉角和輸入信號成正比，斫以電動執行機構可看成是比例環節。電動執行機構還可以通過電動操作器實現控制系統的自動操作和手動操作的相互切換。當操作器的切換開關切向“手動”位置時，由正、反操作按鈕直接控制電機的電源，以實現執行機構輸出軸的正轉和反轉，進行遙控手動操作。

下面對電動執行機構的伺服放大器和執行機構分別介紹。

1.伺服放大器

伺服放大器由前置磁放大器、觸發器、可控硅主回路及電源等部分組成。如圖4-5所示。它的作用是綜合輸入信號和反饋信號，并將該結果信號加以放大，使之有足夠大的功率來控制伺服電動機的轉動。根據綜合后結果信號的極性，放大器應輸出相應極性的信號，以控制電動機的正、反運轉。

為滿足組成復雜控制系統的要求，伺服放大器有3個輸入信號通道和一個位置反饋通道-_因此，它可以同時輸入3個信號和一個位置反饋信號。簡單控制系統，只用其中一個輸入通道和位置反饋通道。

前置級磁放大器是一個增益很高的放大器，來自控制器的輸入信號和位置反饋信號在磁放大器中進行比較，當兩者不相等時，放大器把偏差信號進行放大，根據輸入信號與反饋相減后偏差的正負極性和放大器在a、b兩點產生兩位式的輸入電壓，控制兩個晶體管觸發電路中一個工作、一個截止，使主回路的晶閘管導通，兩相伺服電動機接通電源而旋轉，從而帶動調節機構進行主動控制。晶閘管在電路中起無觸電開關作用。伺服放大器有兩組開關電路，即觸發器與主回路兩套，各自分別接受正偏差或負偏差的輸入信號，以控制伺服電動機的正轉或反轉。與此同時，位置反饋信號隨電動機轉角的變化而變化，當位置反饋信號與輸入信號相等時，前置反饋信號隨電動機轉角的變化而變化，當位置反饋信號與輸入信號相等時，前置放大器沒有輸出，伺服電動機停轉。

2.執行機構

執行機構由伺服電機、減速器和位置變送器3部分組成。它接收伺服放大器或電動操作器的輸出信號，控制伺服電機的正、反轉，再經減速器減速后變成輸出力矩去推動調節機構動作。與此同時，位置發送器將調節機構的角位移轉換成相應的直流電流信號，用以指示閥位，并反饋到前置磁放大器的輸入端，去平衡輸入電流信號。

(1)伺服電機

伺服電動機是執行機構的動力部分，它是采用沖槽硅鋼片疊成的定子和鼠籠型轉子組成的兩相伺服電動捫：定子上具有相同的繞組，靠移相電容使兩相繞組中的電流相位相差90°，同時兩相繞組在空間也相差90°，因此構成定子旋轉磁場。電動機旋轉方向，取決于兩組繞組中電流相位的超前或滯后。

考慮到執行器中的電動機常處于頻繁的啟動、制動過程中，在控制器輸出過載或其他原因使閥卡位時，電動機還可能長期處于堵轉狀態，為保證電動機在這種情況下不致因過熱而燒毀，這種電動機具有啟動轉矩大和啟動電流較小的特點。另外，為了盡量減少伺服電動機在斷電后按慣性繼續“惰走”的過程，并防止電動機斷電后被負載作用力推動，發生反轉現象，在伺服電動機內部還裝有傍磁式制動機構，以保證電動機在斷電時，轉子立即被制動。

(2)減速器

伺服電動機轉速較高，輸出轉矩小。轉速一般為600?900r/min，而調節機構的轉速比較低，輸出轉矩大，輸出軸全行程（90°)時間一般為25s，即輸出軸轉速為0.6r/min。因此伺服電動機和調節機構之間必須裝有減速器，將高轉速、低轉速變成低轉速、高轉矩，伺服電動機和調節機構之間一般裝有兩級減速器，減速比一般為（1000?1500):1。

減速器采用平齒輪和行星減速機混合的傳動機構。其中平齒輪加工簡單，傳動效率高，但減速器體積大，行星減速機構具有體積小、減速比大、承載力大、效率高等優點。

(3)位置發送器

位置發送器是根據差動變壓器的工作原理，利用輸出軸的位移來改變鐵芯在差動線圈中的位置，以產生反饋信號和位置信號。為保證位置發送器穩定的電壓及反饋信號與輸出軸位移成線性關系，位置發送器的差動變壓器電源采用LC串聯諧振磁飽和穩壓，并在位置發送器內設置零點補償電路，從而保證了位置發送器良好的反饋特性。

角行程電動執行器的位置發送器通過凸輪和減速器輸出軸相接，差動變壓器的鐵芯用彈簧緊壓在凸輪的斜面上，輸出軸旋轉0°?90°,差動變壓器鐵芯產生軸向位移，Z置i送H內輸出電流為4?20mADC。

直行程電動機執行器的位置發送器與減速器之間的連接和調整是通過杠桿和彈簧來實現的。當減速器輸出軸上下運動時，杠桿一端依靠彈簧力緊壓在輸出軸的端面上，使差動變壓器推桿產生軸向位移，從而改變鐵芯在差動變壓器繞組中的位置，以達到改變位置發送器輸出電流的目的。

(4)操作器

操作器是用來完成手動與自動之間的切換、遠方操作和自動跟蹤無擾動切換等任務。根據它的功能不同，有三種類型：*種是有切換、閥位指示、跟蹤電流指示和中途限位的；第二種是有切換操作、閥位指示和跟蹤電流的；第三種是有切換操作、閥位指示和跟蹤電流，但無跟蹤電流指示的。

隨著自動化程度的不斷提高，對電動執行機構提出了更多的要求，如要求能直接與計算機連接、有自動保持作用和不需數/模轉換的數字輸入電動執行機構，伺服電動機采用了低速電動機后，有利于簡化電動執行機構的結構，提高性能，有待于進一步推廣

3.電動執行機構的整機特性

電動執行機構各環節的特性及信號傳遞方面框圖如圖4-6所示。

伺服放大器是一個具有繼電特性的非線性環節，具有不靈敏區（<150μA)。當|Ii-If|<△/2時，無輸出；當|Ii-If|≥△/2輸出為一恒定交流電壓（約為215V)。

減速器和位置發送器為比例環節。

伺服電機接通電源：伺服電機工作在恒速狀態，故為一個積分環節，因此，電動執行機構的動態特性主要取決于伺服電機時特性，即具有積分特性。

由于伺服放大器的不靈敏區很小，在系統平衡時，可認為Ii-If=△≈0，故有Ii=If=kfθ，所以電動執行機構的靜態關系式為：，式中kf為位置發送器的比例系數，亦即反饋系數（kf=10mA/90°)。上式表明，電動執行機構的輸入與輸出之間具有良好的線性關系。

1.2智能執行機構

智能式電動執行機構的構成原理與模擬式電動執行機構相同，但是，智能式電動執行機構采取了新穎的結構部件。伺服放大器中采用了微處理系統，所有控制功能均可通過編程實現，而且還具有數字通信接口，從而具有HART協議或現場總線通信功能，成為現場總線控制系統中的一個節點。有的伺服放大器中還采用了變頻技術，可以更有效地控制伺服電動機的動作。減速器采用新穎的傳動結構，運行平穩、傳動效率高、無爬行、摩擦小。位置發送器采用了新技術和新方法，有的采用了霍爾效應傳感器，直接感應閥桿的縱向或旋轉動作，實現了非接觸式定位檢測；也有的采用特殊的電位器，電位器中裝有球軸承和特種導電塑料材質做成的電阻薄片；還有的采用磁阻效應的非接觸式旋轉角度傳感器。

與常規電動執行器相比，智能電動執行器有如下特點。

1)具有智能化和高精度的控制功能。智能電動執行器可直接接收變送器信號，按設定值自動進行PID調節，控制流量、壓力和溫度等過程變量。通過組態可按折線形成多種形狀的非線性流量特性，‘實現對過程非線性特性的補償，以提高系統的控制精度，同時也擺脫了長期以來依靠改變閥芯形狀來改變流量特性的落后狀況。

2)一體化的g構設計思想。將位置控制器、PID控制器、伺服放大器、電-氣轉換器、閥位變送器等裝在+臺現場儀表中，減少了信號傳輸中的泄漏和干擾等因素對系統控制精度的影響；還采用電d動和斷續調節技術代替機械摩擦制動技術，以提高整機的可靠性。

3)具有智能化的通信功能。與上位機或控制系統之間可通過現場總線按規定的通信協議進行雙向數字通信，并構成所需要的控制系統，這是智能執行器與常規電動執行器的重要區別之一。

4)具有智能化的自診斷與保護功能。當電源、氣動部件、機械部件、控制信號、通信或其他方面出現故障時，均能迅速識別并能有效采取保護措施，確保控制系統及生產過程的安全。

5)具有靈活的組態功能，“一機多用”，提高了經濟效益。例如，對于輸入信號，可通過軟件組態來選擇合適的信號源；對于執行器的運行速度和行程，也可通過組態軟件進行任意設置，所有這些都無需更換硬件。這樣一來，只要用少量類型的智能執行器就能夠滿足各種工業過程的不同需求，從而大大提高了制造商和用戶的經濟效益。

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