摘要：电动执行机构在各种工业自动化过程中被广泛应用。本文介绍了电动执行机构的工作原理及日常故障的维护维修方法，并对电动执行机构和伺服放大器原理进行了剖析。
关键词：电动执行机构 伺服放大器 工作原理 维护维修
1、概述
电动执行机构在我公司锅炉引风机风门、锅炉上水调节阀、电解净化车间排烟机多叶阀操作控制等生产过程中广泛应用。它是电动单元组合式仪表中的执行单元，通过接受来自调节器的4-20mA的直流信号，将其线性地转换成转角或直线位移，完成对风门、挡板等节流控制元件的开启与关闭。它与SWP、HR系列手动操作器配套使用，可实现对风门、挡板的远程操作控制。如果与智能模糊PID调节器配套，组成一个闭环调节系统，不仅可实现手动控制，还能实现自动控制。
2、电动执行机构的组成及工作原理
2.1电动执行机构的基本结构
电动执行机构主要由伺服放大器、执行机构两大部分组成，其中执行机构又由电机、减速器及位置反馈器等三大部件组成。电动执行机构在搭配伺服放大器后，可以实现正反作用的互换，以及控制信号断后阀位的状态恒定。
2.2电动执行机构的工作原理
现以DKZ直行程电动执行器与DKJ角行程电动执行器为例，简要说明电动执行机构的工作原理。
图一 电动执行机构的组成及系统原理框图
由框图可知，电动执行机构的输出轴位移和输入信号始终成线性关系。当输入信号大于0（或4mADC）时，输入信号与系统本身的位置反馈电流在伺服放大器的前置级磁放大器中进行磁势的综合比较，由于这两个信号大小不相等且极性相反就有误差磁势出现，从而使伺服放大器有足够的输出功率，驱动交流伺服电动机，执行机构的输出轴就朝着减少这个误差磁势的方向运动，直到输入信号和位置反馈信号两者相等为止，此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。当输入信号等于0（或4mADC）时，伺服放大器无输出电压，电机停止转动，执行机构输出轴稳定在预选好的零位上。
3、电动执行器技术要求
电动执行器的正常工作需要满足以下条件：
3.1周围环境温度：
伺服放大器为：0℃—45℃。
执行机构为：–10℃—55℃。
3.2空气相对的湿度：
伺服放大器不大于85% ；执行机构不大于95% 。
3.3工作的振动频率不大于25Hz，振幅不小于0.1mm（全振幅）。
3.4周围空气中不含有腐蚀作用的介质。
3.5由额定频率为50Hz，额定电压为220V的交流电源供电。
2.6电动执行机构的主要技术参数如下：
2.6.1输入信号：4—20mADC。
2.6.2输入电阻250Ω（或220Ω）。
2.6.3输入通道（三个）。
2.6.4输出轴力矩和输出轴每转时间见下表1：
表1. 电动执行器型号、规格参考表
2.6.5输出轴转度范围：0—90度
2.6.6基本误差：±1.5%(1.5级)； ±2.5%(2.5级)
2.6.7来回变差：1.5%
2.6.8死区：不超过150μA（或240μA）
2.6.9阻尼特性：输出轴不超过3次“半周期”摆动
4、伺服放大器的原理
伺服放大器是由电器元件组成的电子线路板构成，分前置级磁放大器线路板、触发器线路板、可控硅交流开关线路板三部分。可分为墙挂式和架装式两种。
伺服放大器的主要原理是将操作器给定的信号与执行机构位置反馈器反馈回来的信号进行比较，产生偏差信号，触发可控硅部件使其输出驱动电源，从而控制执行器朝减小差值的方向移动，直到两个信号的差值小于电动执行机构的死区时，执行机构的输出轴稳定在与输出信号相应的位置上。放大器的前置板包括信号的隔离、比较、极性的判别、故障诊断等功能。主回路板上有两路交流开关，电源变压器及直流稳压电源，前置板安装在主回路板上。它接受调节仪表的标准信号（4-20mA）和执行机构的反馈信号，输出220V交流电驱动伺服电动机正反转，连续调节阀位开度。实现各种工艺过程参数自动调节。
5、常见的故障及维修
5.1电动执行机构常见故障的分析及处理方法
5.1.1执行机构不动作
（1）“执行机构不动作”指给定信号（或叫控制信号）改变时执行机构没有响应。
（2）“就地手轮能否操动执行机构”指通过在现场操动执行机构自带的手轮，执行机构能否动作。
（3）“阀门卡死或执行机构卡死”：如何判断是阀门卡死或执行机构卡死呢？可以把执行机构从阀门上取下来再进行进一步判断。
（4）“就地电动能否操动执行器”指通过在现场按下执行机构自带的手操按钮，执行机构能否动作。
（5）“电路板故障（电机驱动部分）或力矩超限”：如何判断是电路板故障还是力矩超限？如果执行机构有力矩超限报警功能，可以查看是否有报警信息；对于有力矩保护功能但没有报警功能的执行机构，此时请确认力矩开关是否动作。
（6）“输入信号正常与否”的判断方法可按如下操作进行：开关量型，可直接用万用表的电压挡测量信号是否正常；调节型，可将电流表串入执行器模拟控制信号输入端，看电流值是否与系统给定值相符。
（7）“控制板输入端阻抗是否正常”的判断方法是先断掉执行机构电源，再断开输入信号，用万用表欧姆档测量模拟输入端的阻抗。对于调节型，输入阻抗一般应在500Ω以下（如果说明书上提供了输入端阻抗参数值，可进一步确定测量值是否与说明书一致）；对于开关型或两位式，如果执行机构自带伺服控制板，输入阻抗一般应在1kΩ以上。
（8）“电路板故障（控制信号检测部分）”指执行机构控制电路板发生故障，这一故障为控制信号检测部分电路故障。
（9）“反馈信号是否正常”的判断方法如下：将执行机构分别置于全关位置、全开位置和中间任意一个位置，查看反馈值是否为0%、100%和介于0～100%之间的一个数。
（10）“是否已设定好执行机构行程”：如不确定是否已设定好行程，请参考说明书重新设定行程即可。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆（“行程设置”也有以下说法：零点和满量程设置、终端位置设置、全开位置和全关位置设置）
5.1.2 阀门泄漏过大
图3 阀门故障排除方法
说明：（见图3）
（1）“阀门泄漏过大”指执行机构全关时阀门仍有比较大的泄漏量。
（2）“通过就地手轮将阀门关死能否排除故障”的操作方法为先将执行机构切换到就地控制状态，再操作执行机构自带的就地手轮，在阀门关死以前注意排除执行机构本身是否已经走到机构零位。
（3）“阀门故障”：有可能阀芯损坏，或者阀门内有异物。
（4）“跟踪是否在误差范围以内”指执行机构的反馈值与给定值是否在误差范围以内，这个误差一般应小于1.5%。
（5）“重新设定行程后能否排除故障”：请按照说明书介绍的行程设置方法进行操作。
（6）“行程未设置好”：一般说来应该是零点位置（或叫全关位置）没有设置好。
（7）“可能阀门选型有误”：如阀门形式、阀门口径、阀门填料等。
5.1.3执行机构振荡
（1）“执行机构振荡”指执行机构在自动状态下，控制信号没有改变而执行机构在某一位置来回动作几下或永远动作，或控制信号改变而执行机构在运行到指定位置时要来回频繁动作许多下才能停下来或根本停不下来。
（2）“增大死区后能否排除故障”有些执行机构提供了调节死区功能，请试着增大死区，如果增大死区能消除振荡，证明死区设得过小了。（3）“死区设得过小”：一般死区在0.75%～1.5%比较常见，如果对精度要求没有那么高，也有可能设到2.5%。如果死区设为0.5%，那么执行机构肯定会产生振荡，这主要是由于执行机构的惰走性和信号的不稳定性造成的。
（4）“执行机构由开向转为关向运行时反馈是否不变”：操作方法为切换到就地手操状态，先往某一方向操动执行机构，此时反馈信号有变化，然后再操动执行机构往相反方向运行，如果反馈信号要过一会儿才有变化，证明执行机构的回差过大了。
（5）“回差过大”：引起回差过大的因素主要是机械间隙过大。
（6）“输入信号是否稳定”：可以用电流表直接测量输入信号的稳定性。如果输入信号不稳定，可能需要更换对应的IO模块才能解决问题。
（7）“执行机构的惰走性是否过大”：由于电机转子有惯性，当切掉电机电源后转子还会继续转几圈才能停下来，所以在切断电机电源后执行机构输出轴还会继续运行一段距离。
（8）“可能电机刹车有故障或失效”如果制动装置是刹车盘，一般都可以对它进行重新调节。
（9）“行程是否设行过小”：一般执行机构在出厂前都已设定好了标准行程，或者已限定了它的行程范围。
5.1.4跟踪不准确
图4 跟踪不准确排除方法
说明：（见图4）
（1）“跟踪不准确”：或叫误差过大。
（2）“输入信号是否准确”：可用电流表直接测量输入信号的准确，输入信号不准确，要进行校正，如果无法对输入信号进行校正，可更换相应IO模块试试。
（3）“全开和全关位置处反馈是否正常”：将执行机构操到全开和全关位置，再测量反馈输出是否为100%和0%。
（4）“反馈信号未校正好”：各种执行机构的调节方法都不一样，请参考说明书。
（5）“减小死区能否消除故障”：因为死区和精度有密切的关系，所以故障原因有可能是死区设得过大所致。
（6）“死区过大”：将死区减小即可，如果执行机构未提供这一接口，那只能更换电路板了。
5.2伺服放大器常见故障与处理方法
5.2.1前置磁放大器故障及其检修
a：前置磁放大器在输入信号为零时，输出信号不能调到零，应作如下检查：
（1）双拍磁放大器位移电流平衡电位器W1有无焊错，脱焊或损坏。
（2）与两个单拍磁放大器共同组成电桥的两个桥臂电阻以及电容C1，C2是否虚焊，C1，C2是否接反。
（3）D5—D8是否损坏或虚焊。
（4）偏移电流是否正常（正常值应为1.4mA左右）。
（5）偏移绕组，交流激磁绕组，反馈绕组的头尾有无接错。
（6）交流绕组是否对称。（正常电阻值为25—30Ω）。
b：前置磁放大器有输入时，输出不对称或单边输出，可检查：
（1）变压器IBD的次级5.6间和6.7间的端电压是否对称。
（2）交流激磁绕组的匝数是否合乎要求。
（3）R6—R5阻值是否相等，C1，C2是否损害。
（4）D5—D8中可能有一管损坏或虚焊。
5.2.2触发器的故障及其检修
a：触发器无输入信号时（指前置磁放大器工作正常，但无输出信号）输出端有触发脉冲，可检查：
（1）有触发脉冲输出侧的三极管是否损坏，或C，e极有否虚焊，触发器无输入信号时，三极管C，e极间的电压值应为0.14V左右。
（2）R15，R16，R17，R18的电阻值是否合适。
b．触发器有信号输入，输出端无触发脉冲、可检查：
（1）无输出脉冲侧的三极管，单结晶体管是否损坏：有输入信号时，三极管C，e极间的正常电压应为7—9V左右。
（2）脉冲变压器初、次级有否断路或短路。
（3）D11，D12是否短路或接反。
随着电子科学技术和机械制造工艺的发展，电动执行器的电子控制部分和机械传动部分也在向集成化、轻型化发展。PLC、DCS等控制技术的广泛应用，执行器的操作控制将变得更简单，系统故障率会不断下降。但就执行器本身而言，其作用和功能仍无可替代。
参考文献：
〔1〕吉林化学工业出版社.《电动调节仪表》.1987年.
〔2〕施引瑄 编著.《仪表维修工》. 化学工业出版.2005年.
论文作者:郭德嫔
论文发表刊物:《科技中国》2017年8期
论文发表时间:2017/12/13
标签：执行机构论文; 信号论文; 放大器论文; 死区论文; 位置论文; 阀门论文; 故障论文; 《科技中国》2017年8期论文;