电动执行机构和智能执行机构概述

1.1.电动执行机构

电动执行机构和气动执行机构一样，是控制系统中的一个重要部分。它接收来自控制器的0〜10mA或4〜20mA的直流电流信号，并将其转换成相应的角位移或直行程位移，去操纵阀门、挡板等控制机构以实现自动控制。

电动执行器有角行程、直行程和多转式等类型。角行程电动执行机构以电动机为动力元件，将输入的直流电流信号转换为相应的角位移（0°〜90°)，这种执行机构适用于操纵蝶阀、挡板之类的旋转式控制阀。直行程执行机构接收输入的直流电流信号后，使电动机转动，然后经减速器减速并转换为直线位移输出，去操纵单座、双座、三通等各种控制阀和其他直线式控制机构。多转式电动执行机构主要用来开启和关闭闸阀、截止阀等多转式阀门。由于它的电动功率比较大，zui大的有几十千瓦，一般多用作就地操作和遥控。

几种类型的电动执行机构在电气原理上基本是相同的，只是减速器不一样。以下简单介绍一下角行程的电动执行机构。

电动执行机构由伺服放大器和执行机构两部分组成。执行机构又包括两相伺服兰减速器和位置发送器。为电动执行机构的组成框图。

来自调节器的Ii作为伺服放大器的输入信号，它与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后控制两相伺服电动机正转或反转，再经减速器减速后，改变输出轴即调节阀的开度或挡板的角位移）。与此同时，输出轴的位移又经位置发送器转换成电流信号，作为阀位指示与反馈信号If。当If与Ii相等时，两相电动机停止转动，这时调节阀的开度就稳定在与调节器输出（即执行器的输入）信号Ii成比例的位置上。

输出轴转角θ与输入信号Ii的关系为

式中，尺为比例系数。

由上式可知，输出轴转角和输入信号成正比，斫以电动执行机构可看成是比例环节。电动执行机构还可以通过电动操作器实现控制系统的自动操作和手动操作的相互切换。当操作器的切换开关切向“手动”位置时，由正、反操作按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出轴的正转和反转，进行遥控手动操作。

下面对电动执行机构的伺服放大器和执行机构分别介绍。

1.伺服放大器

伺服放大器由前置磁放大器、触发器、可控硅主回路及电源等部分组成。如图4-5所示。它的作用是综合输入信号和反馈信号，并将该结果信号加以放大，使之有足够大的功率来控制伺服电动机的转动。根据综合后结果信号的极性，放大器应输出相应极性的信号，以控制电动机的正、反运转。

为满足组成复杂控制系统的要求，伺服放大器有3个输入信号通道和一个位置反馈通道-_因此，它可以同时输入3个信号和一个位置反馈信号。简单控制系统，只用其中一个输入通道和位置反馈通道。

前置级磁放大器是一个增益很高的放大器，来自控制器的输入信号和位置反馈信号在磁放大器中进行比较，当两者不相等时，放大器把偏差信号进行放大，根据输入信号与反馈相减后偏差的正负极性和放大器在a、b两点产生两位式的输入电压，控制两个晶体管触发电路中一个工作、一个截止，使主回路的晶闸管导通，两相伺服电动机接通电源而旋转，从而带动调节机构进行主动控制。晶闸管在电路中起无触电开关作用。伺服放大器有两组开关电路，即触发器与主回路两套，各自分别接受正偏差或负偏差的输入信号，以控制伺服电动机的正转或反转。与此同时，位置反馈信号随电动机转角的变化而变化，当位置反馈信号与输入信号相等时，前置反馈信号随电动机转角的变化而变化，当位置反馈信号与输入信号相等时，前置放大器没有输出，伺服电动机停转。

2.执行机构

执行机构由伺服电机、减速器和位置变送器3部分组成。它接收伺服放大器或电动操作器的输出信号，控制伺服电机的正、反转，再经减速器减速后变成输出力矩去推动调节机构动作。与此同时，位置发送器将调节机构的角位移转换成相应的直流电流信号，用以指示阀位，并反馈到前置磁放大器的输入端，去平衡输入电流信号。

(1)伺服电机

伺服电动机是执行机构的动力部分，它是采用冲槽硅钢片叠成的定子和鼠笼型转子组成的两相伺服电动扪：定子上具有相同的绕组，靠移相电容使两相绕组中的电流相位相差90°，同时两相绕组在空间也相差90°，因此构成定子旋转磁场。电动机旋转方向，取决于两组绕组中电流相位的超前或滞后。

考虑到执行器中的电动机常处于频繁的启动、制动过程中，在控制器输出过载或其他原因使阀卡位时，电动机还可能长期处于堵转状态，为保证电动机在这种情况下不致因过热而烧毁，这种电动机具有启动转矩大和启动电流较小的特点。另外，为了尽量减少伺服电动机在断电后按惯性继续“惰走”的过程，并防止电动机断电后被负载作用力推动，发生反转现象，在伺服电动机内部还装有傍磁式制动机构，以保证电动机在断电时，转子立即被制动。

(2)减速器

伺服电动机转速较高，输出转矩小。转速一般为600〜900r/min，而调节机构的转速比较低，输出转矩大，输出轴全行程（90°)时间一般为25s，即输出轴转速为0.6r/min。因此伺服电动机和调节机构之间必须装有减速器，将高转速、低转速变成低转速、高转矩，伺服电动机和调节机构之间一般装有两级减速器，减速比一般为（1000〜1500):1。

减速器采用平齿轮和行星减速机混合的传动机构。其中平齿轮加工简单，传动效率高，但减速器体积大，行星减速机构具有体积小、减速比大、承载力大、效率高等优点。

(3)位置发送器

位置发送器是根据差动变压器的工作原理，利用输出轴的位移来改变铁芯在差动线圈中的位置，以产生反馈信号和位置信号。为保证位置发送器稳定的电压及反馈信号与输出轴位移成线性关系，位置发送器的差动变压器电源采用LC串联谐振磁饱和稳压，并在位置发送器内设置零点补偿电路，从而保证了位置发送器良好的反馈特性。

角行程电动执行器的位置发送器通过凸轮和减速器输出轴相接，差动变压器的铁芯用弹簧紧压在凸轮的斜面上，输出轴旋转0°〜90°,差动变压器铁芯产生轴向位移，Z置i送H内输出电流为4〜20mADC。

直行程电动机执行器的位置发送器与减速器之间的连接和调整是通过杠杆和弹簧来实现的。当减速器输出轴上下运动时，杠杆一端依靠弹簧力紧压在输出轴的端面上，使差动变压器推杆产生轴向位移，从而改变铁芯在差动变压器绕组中的位置，以达到改变位置发送器输出电流的目的。

(4)操作器

操作器是用来完成手动与自动之间的切换、远方操作和自动跟踪无扰动切换等任务。根据它的功能不同，有三种类型：*种是有切换、阀位指示、跟踪电流指示和中途限位的；第二种是有切换操作、阀位指示和跟踪电流的；第三种是有切换操作、阀位指示和跟踪电流，但无跟踪电流指示的。

随着自动化程度的不断提高，对电动执行机构提出了更多的要求，如要求能直接与计算机连接、有自动保持作用和不需数/模转换的数字输入电动执行机构，伺服电动机采用了低速电动机后，有利于简化电动执行机构的结构，提高性能，有待于进一步推广

3.电动执行机构的整机特性

电动执行机构各环节的特性及信号传递方面框图如图4-6所示。

伺服放大器是一个具有继电特性的非线性环节，具有不灵敏区（<150μA)。当|Ii-If|<△/2时，无输出；当|Ii-If|≥△/2输出为一恒定交流电压（约为215V)。

减速器和位置发送器为比例环节。

伺服电机接通电源：伺服电机工作在恒速状态，故为一个积分环节，因此，电动执行机构的动态特性主要取决于伺服电机时特性，即具有积分特性。

由于伺服放大器的不灵敏区很小，在系统平衡时，可认为Ii-If=△≈0，故有Ii=If=kfθ，所以电动执行机构的静态关系式为：，式中kf为位置发送器的比例系数，亦即反馈系数（kf=10mA/90°)。上式表明，电动执行机构的输入与输出之间具有良好的线性关系。

1.2智能执行机构

智能式电动执行机构的构成原理与模拟式电动执行机构相同，但是，智能式电动执行机构采取了新颖的结构部件。伺服放大器中采用了微处理系统，所有控制功能均可通过编程实现，而且还具有数字通信接口，从而具有HART协议或现场总线通信功能，成为现场总线控制系统中的一个节点。有的伺服放大器中还采用了变频技术，可以更有效地控制伺服电动机的动作。减速器采用新颖的传动结构，运行平稳、传动效率高、无爬行、摩擦小。位置发送器采用了新技术和新方法，有的采用了霍尔效应传感器，直接感应阀杆的纵向或旋转动作，实现了非接触式定位检测；也有的采用特殊的电位器，电位器中装有球轴承和特种导电塑料材质做成的电阻薄片；还有的采用磁阻效应的非接触式旋转角度传感器。

与常规电动执行器相比，智能电动执行器有如下特点。

1)具有智能化和高精度的控制功能。智能电动执行器可直接接收变送器信号，按设定值自动进行PID调节，控制流量、压力和温度等过程变量。通过组态可按折线形成多种形状的非线性流量特性，‘实现对过程非线性特性的补偿，以提高系统的控制精度，同时也摆脱了长期以来依靠改变阀芯形状来改变流量特性的落后状况。

2)一体化的g构设计思想。将位置控制器、PID控制器、伺服放大器、电-气转换器、阀位变送器等装在+台现场仪表中，减少了信号传输中的泄漏和干扰等因素对系统控制精度的影响；还采用电d动和断续调节技术代替机械摩擦制动技术，以提高整机的可靠性。

3)具有智能化的通信功能。与上位机或控制系统之间可通过现场总线按规定的通信协议进行双向数字通信，并构成所需要的控制系统，这是智能执行器与常规电动执行器的重要区别之一。

4)具有智能化的自诊断与保护功能。当电源、气动部件、机械部件、控制信号、通信或其他方面出现故障时，均能迅速识别并能有效采取保护措施，确保控制系统及生产过程的安全。

5)具有灵活的组态功能，“一机多用”，提高了经济效益。例如，对于输入信号，可通过软件组态来选择合适的信号源；对于执行器的运行速度和行程，也可通过组态软件进行任意设置，所有这些都无需更换硬件。这样一来，只要用少量类型的智能执行器就能够满足各种工业过程的不同需求，从而大大提高了制造商和用户的经济效益。