电动执行机构的原理与常见故障分析
仪表一车间 曹宇
摘要：本文介绍了电动执行机构以及伺服放大器的工作原理及构成，
并对各组成部件的原理进行了剖析。
通过对各部件原理的了解，并对日常工作中遇到电动执行机构及伺服放大器出现的常发故障进行了全面分析。同时区别各类故障发生的原因。针对电动执行机构的伺服放大器存在可靠性不高的缺点，提出利用DCS组态来替代伺服放大器的建议。相信可整体提高控制系统的可靠性，保证调节系统安全平稳运行。 关键词：电动执行机构 伺服放大器 电机 减速器 位置发
送器
1概述：
电动执行机构是电动单元组合式仪表中的执行单元。它是以单相交流电源为动力，接受统一的标准直流信号，输出相应的转角位移，操纵风门、挡板等调节机构，可配用各种电动操作器完成调节系统“手动—自动”的无扰动切换，及对被调对象的远方手动操作，电动执行机构还设有电气限位和机械限位双重保护来完成自动调节的任务。它在电力、冶金、石油化工及锅炉系统的上水及风门挡板的调节等部门得到广泛应用。
2电动执行机构的工作原理
电动执行机构包括伺服放大器及执行机构两大部分，其中执行 机构又分为电机、减速器及位置发送器三大部件
来自调节器的电流信号Ii（4-20mA）作为伺服放大器的输入，与阀
的位置反馈信号If进行比较，当输入信号和反馈信号比较差值不等于零时，其差值经伺服放大器放大后，控制两相伺服电机按相应的方向转动，再经减速器减速后使输出轴产生位移；同时，输出轴位移又经位置发送器转换成阀的反馈信号If；当反馈信号与输入信号相等时，伺服放大器无输出，电机不转动，执行机构就稳定在与输入信号相应的位置上。电动执行机构的输出轴位移和输入信号成线性关系。
电动执行机构有连续调节、远程手动控制和就地手动操作三种控制方式。
2.1电动执行机构就地调节方式
电动执行机构需就地手动操作时，当电动操作器切换开关放置“手动”位置，把电机端部旋钮拨到“手动”位置，拉出执行机构上的手轮，摇动手轮就可以实现手动操作。当不用就地操作时，千万要注意，把电机端部的旋钮拨到“自动”位置，并把手轮推进。
2.2电动执行机构远程遥控调节方式
当电动操作器切换开关放在“手动”位置时，即处在手动远程控制状
态，操作时只要将旋转切换开关分别拔到“开”或“关”的位置，带动电机正转或反转，执行机构输出轴就可以实现上行或下行动作，在运动过程中观察电动操作器上的阀位开度表，到所需控制阀位开度时，立即松开切换开关即可。
2.3电动执行机构自动调节方式
当电动操作器切换开关放在“自动”位置时，即处在自动调节状态，其控制过程如下：
当输入信号Iλ1=0（或4mA DC）时,位置发送器反馈电流I反=0(或
4mA DC) ,此时伺服放大器没有输出电压，电机停转，执行机构输出轴稳定在预选好的零位；
当输入信号Iλ1>0（或4mA DC）时，此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，由于这二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电机，执行机构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二者相等为止，此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。
3电动执行机构的组成分为电机、减速器及位置发送器三大部件
3.1电机
电机是接受伺服放大器或电动操作器输出的开关电源，把电能转化为机械能，从而驱动执行机构动作。
3.2减速器
减速器上有手动部件、输出轴、机械限位块。减速器是将电机的高转
速、小转矩转换为低转速、大转矩的输出功率，以带动阀门机构动作。机座上有两块刹车片，可使输出轴的转角限制在90°范围内以保证不损坏调节机构及有关连杆。
3.3位置发送器
位置发送器由电源变压器、差动变压器、印刷电路板等部件组成。 当减速器输出轴移动时，凸轮随之旋转，是压在凸轮斜面上的差动变压器的铁芯连杆产生轴向位移，改变铁芯在差动变压器线圈中的位置，使差动变压器输出对应位置的电压转换成标准的直流电流信号（4~20mA）。减速器输出轴的转角位移与位置发送器的输出电流呈线性关系。
在自动控制系统中，这些执行机构需要外挂式的伺服放大器进行开关控制。电动执行机构的指令信号与阀位反馈信号在伺服放大器中进行比较放大后，经过可控硅送出220V的开关信号。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。电动执行机构的指令信号与阀位反馈信号的比较放大靠这些电子线路板的运行来实现。
4 伺服放大器的原理
伺服放大器是电动执行机构的控制单元仪表，可分为墙挂式和架装式两种。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转、反转，连续调节阀位开度。实现各种工艺过程参数自动调节。
伺服放大器的调节原理类似于一个纯积分作用的调节器，只要指令信号与阀位反馈信号的偏差超过调节不灵敏区的范围，伺服放大器就会一直发出开指令或者关指令。
5电动执行机构常见故障的分析
5.1经常发生电源保险丝被烧断或空开跳闸；执行机构电机不转动故障分析：
5.1.1执行机构大部分都安装在工作环境恶劣、灰尘较多、容易漏水的地方。在其电源插头 13 和 14 两脚之间很容易沉积附着灰尘和
污垢，即在电源插头 13 、 14 两脚之间形成了外接的“附加电阻”，造成电源被短路；或有漏水滴在了电源插座上引起保险丝烧坏或空开跳闸；有时执行机构内部电容器（执行机构电机的换相电容）的外壳断电，而外壳又与表壳相接形成电源接地而烧断保险丝或空开跳闸。
5.1.2执行机构内部或传输线路有了问题。此时，可以把执行机构的测量插头拔掉以检查是否是其内部还是传输线路的问题。如拔掉该插头后，保险丝不再被烧坏或空开不跳闸。，就是其内部有问题，否则很可能是传输线路出了问题。很可能是近插头的线路受潮，致使电源造成短路。
5.2执行机构输出转角到极限（最大或最小）故障分析：
锅炉系统经常出现因为阀位反馈故障使信号达到上限值或下限值，因为伺服放大器的偏差消除导致执行机构连续关或者开直到行程的极限。另外，可控硅在击穿后，也会使电动执行机构一直带电，使执行机构全开或全关。该现象的原因可能是伺服放大器接受信号有误缘故，具体分析如下：
5.2.1执行机构输出最小转角
由于调节器给出的阀位调节信号未到伺服放大器，传输线路出现故障，伺服放大器误以为给定信号小于阀位反馈信号，从而使电机反转直至最小输出转角。
5.2.2执行机构输出最大转角
由于电动执行机构的阀位反馈装置可靠性不高，阀位反馈信号没送到伺服放大器；传输线路出现故障或进入伺服放大器的信号线正负极性
接反。此时伺服放大器误认为阀位在最小位置，因此输出信号使电机正转，直至电动执行机构达到最大转角。
5.3调节器输出变化但执行机构始终不动作故障分析：
5.3.1闭环回路上各连接线有断开或各接点接触不良的现象
5.3.2伺服放大器无输出
伺服放大器本体故障，一般在放大器前级，导致伺服放大器无输出。
5.3.3电机故障造成执行机构不动作
电动执行机构的电机烧坏，或电机绕组损坏；电机绕组断路或短路造成执行机构不动作。有时电机内刹车片断裂，造成电机卡死。导致执行机构不动作。
5.4执行机构的动作方向与调节器给定方向相反的故障分析：
从调节器给出阀位调节信号，当要求阀位开大时，阀位反馈信号却显示关小了。经检查发现是由于伺服放大器输出的正反转信号线接反造成，这样就导致电机该增大输出转角时却反而减小了。
5.5阀位输出线性不好或没有输出信号故障分析：
5.5.1导电塑料电位器损坏。调整电位器但电阻值不变化或变化很小。
5.5.2位置发送器工作不正常，导致电流信号无输出。
结束语：
在日常维护中我们发现，电动执行机构的故障多发于伺服放大器故障。而伺服放大器是由电器元件组成的电子线路板构成，电子元件的质量和电路板的可靠性决定了伺服放大器的可靠性。常规伺服放大器抗干扰的能力普遍不高，电压的波动、高温、高粉尘、振动等外部
环境的影响都容易导致伺服放大器故障。针对伺服放大器存在可靠性差的缺点，建议利用DCS来实现伺服放大器的控制功能。因为DCS具有灵活的组态方法、丰富的软件功能和很高的可靠性，。可自动判断执行机构的状态，当固态继电器击穿或者阀位反馈信号有误时能够使电动执行机构保持在原位置，以防止事故的扩大化。而且在可靠性方面有了很大程度的提高。
去伺服放大器(4-20mA) 阀位反馈进伺服放
大器 正转 反转
电动执行机构的原理与常见故障分析
仪表一车间 曹宇
摘要：本文介绍了电动执行机构以及伺服放大器的工作原理及构成，
并对各组成部件的原理进行了剖析。
通过对各部件原理的了解，并对日常工作中遇到电动执行机构及伺服放大器出现的常发故障进行了全面分析。同时区别各类故障发生的原因。针对电动执行机构的伺服放大器存在可靠性不高的缺点，提出利用DCS组态来替代伺服放大器的建议。相信可整体提高控制系统的可靠性，保证调节系统安全平稳运行。 关键词：电动执行机构 伺服放大器 电机 减速器 位置发
送器
1概述：
电动执行机构是电动单元组合式仪表中的执行单元。它是以单相交流电源为动力，接受统一的标准直流信号，输出相应的转角位移，操纵风门、挡板等调节机构，可配用各种电动操作器完成调节系统“手动—自动”的无扰动切换，及对被调对象的远方手动操作，电动执行机构还设有电气限位和机械限位双重保护来完成自动调节的任务。它在电力、冶金、石油化工及锅炉系统的上水及风门挡板的调节等部门得到广泛应用。
2电动执行机构的工作原理
电动执行机构包括伺服放大器及执行机构两大部分，其中执行 机构又分为电机、减速器及位置发送器三大部件
来自调节器的电流信号Ii（4-20mA）作为伺服放大器的输入，与阀
的位置反馈信号If进行比较，当输入信号和反馈信号比较差值不等于零时，其差值经伺服放大器放大后，控制两相伺服电机按相应的方向转动，再经减速器减速后使输出轴产生位移；同时，输出轴位移又经位置发送器转换成阀的反馈信号If；当反馈信号与输入信号相等时，伺服放大器无输出，电机不转动，执行机构就稳定在与输入信号相应的位置上。电动执行机构的输出轴位移和输入信号成线性关系。
电动执行机构有连续调节、远程手动控制和就地手动操作三种控制方式。
2.1电动执行机构就地调节方式
电动执行机构需就地手动操作时，当电动操作器切换开关放置“手动”位置，把电机端部旋钮拨到“手动”位置，拉出执行机构上的手轮，摇动手轮就可以实现手动操作。当不用就地操作时，千万要注意，把电机端部的旋钮拨到“自动”位置，并把手轮推进。
2.2电动执行机构远程遥控调节方式
当电动操作器切换开关放在“手动”位置时，即处在手动远程控制状
态，操作时只要将旋转切换开关分别拔到“开”或“关”的位置，带动电机正转或反转，执行机构输出轴就可以实现上行或下行动作，在运动过程中观察电动操作器上的阀位开度表，到所需控制阀位开度时，立即松开切换开关即可。
2.3电动执行机构自动调节方式
当电动操作器切换开关放在“自动”位置时，即处在自动调节状态，其控制过程如下：
当输入信号Iλ1=0（或4mA DC）时,位置发送器反馈电流I反=0(或
4mA DC) ,此时伺服放大器没有输出电压，电机停转，执行机构输出轴稳定在预选好的零位；
当输入信号Iλ1>0（或4mA DC）时，此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，由于这二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电机，执行机构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二者相等为止，此时输出轴就稳定在与输入信号相对应的位置上。
3电动执行机构的组成分为电机、减速器及位置发送器三大部件
3.1电机
电机是接受伺服放大器或电动操作器输出的开关电源，把电能转化为机械能，从而驱动执行机构动作。
3.2减速器
减速器上有手动部件、输出轴、机械限位块。减速器是将电机的高转
速、小转矩转换为低转速、大转矩的输出功率，以带动阀门机构动作。机座上有两块刹车片，可使输出轴的转角限制在90°范围内以保证不损坏调节机构及有关连杆。
3.3位置发送器
位置发送器由电源变压器、差动变压器、印刷电路板等部件组成。 当减速器输出轴移动时，凸轮随之旋转，是压在凸轮斜面上的差动变压器的铁芯连杆产生轴向位移，改变铁芯在差动变压器线圈中的位置，使差动变压器输出对应位置的电压转换成标准的直流电流信号（4~20mA）。减速器输出轴的转角位移与位置发送器的输出电流呈线性关系。
在自动控制系统中，这些执行机构需要外挂式的伺服放大器进行开关控制。电动执行机构的指令信号与阀位反馈信号在伺服放大器中进行比较放大后，经过可控硅送出220V的开关信号。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。电动执行机构的指令信号与阀位反馈信号的比较放大靠这些电子线路板的运行来实现。
4 伺服放大器的原理
伺服放大器是电动执行机构的控制单元仪表，可分为墙挂式和架装式两种。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转、反转，连续调节阀位开度。实现各种工艺过程参数自动调节。
伺服放大器的调节原理类似于一个纯积分作用的调节器，只要指令信号与阀位反馈信号的偏差超过调节不灵敏区的范围，伺服放大器就会一直发出开指令或者关指令。
5电动执行机构常见故障的分析
5.1经常发生电源保险丝被烧断或空开跳闸；执行机构电机不转动故障分析：
5.1.1执行机构大部分都安装在工作环境恶劣、灰尘较多、容易漏水的地方。在其电源插头 13 和 14 两脚之间很容易沉积附着灰尘和
污垢，即在电源插头 13 、 14 两脚之间形成了外接的“附加电阻”，造成电源被短路；或有漏水滴在了电源插座上引起保险丝烧坏或空开跳闸；有时执行机构内部电容器（执行机构电机的换相电容）的外壳断电，而外壳又与表壳相接形成电源接地而烧断保险丝或空开跳闸。
5.1.2执行机构内部或传输线路有了问题。此时，可以把执行机构的测量插头拔掉以检查是否是其内部还是传输线路的问题。如拔掉该插头后，保险丝不再被烧坏或空开不跳闸。，就是其内部有问题，否则很可能是传输线路出了问题。很可能是近插头的线路受潮，致使电源造成短路。
5.2执行机构输出转角到极限（最大或最小）故障分析：
锅炉系统经常出现因为阀位反馈故障使信号达到上限值或下限值，因为伺服放大器的偏差消除导致执行机构连续关或者开直到行程的极限。另外，可控硅在击穿后，也会使电动执行机构一直带电，使执行机构全开或全关。该现象的原因可能是伺服放大器接受信号有误缘故，具体分析如下：
5.2.1执行机构输出最小转角
由于调节器给出的阀位调节信号未到伺服放大器，传输线路出现故障，伺服放大器误以为给定信号小于阀位反馈信号，从而使电机反转直至最小输出转角。
5.2.2执行机构输出最大转角
由于电动执行机构的阀位反馈装置可靠性不高，阀位反馈信号没送到伺服放大器；传输线路出现故障或进入伺服放大器的信号线正负极性
接反。此时伺服放大器误认为阀位在最小位置，因此输出信号使电机正转，直至电动执行机构达到最大转角。
5.3调节器输出变化但执行机构始终不动作故障分析：
5.3.1闭环回路上各连接线有断开或各接点接触不良的现象
5.3.2伺服放大器无输出
伺服放大器本体故障，一般在放大器前级，导致伺服放大器无输出。
5.3.3电机故障造成执行机构不动作
电动执行机构的电机烧坏，或电机绕组损坏；电机绕组断路或短路造成执行机构不动作。有时电机内刹车片断裂，造成电机卡死。导致执行机构不动作。
5.4执行机构的动作方向与调节器给定方向相反的故障分析：
从调节器给出阀位调节信号，当要求阀位开大时，阀位反馈信号却显示关小了。经检查发现是由于伺服放大器输出的正反转信号线接反造成，这样就导致电机该增大输出转角时却反而减小了。
5.5阀位输出线性不好或没有输出信号故障分析：
5.5.1导电塑料电位器损坏。调整电位器但电阻值不变化或变化很小。
5.5.2位置发送器工作不正常，导致电流信号无输出。
结束语：
在日常维护中我们发现，电动执行机构的故障多发于伺服放大器故障。而伺服放大器是由电器元件组成的电子线路板构成，电子元件的质量和电路板的可靠性决定了伺服放大器的可靠性。常规伺服放大器抗干扰的能力普遍不高，电压的波动、高温、高粉尘、振动等外部
环境的影响都容易导致伺服放大器故障。针对伺服放大器存在可靠性差的缺点，建议利用DCS来实现伺服放大器的控制功能。因为DCS具有灵活的组态方法、丰富的软件功能和很高的可靠性，。可自动判断执行机构的状态，当固态继电器击穿或者阀位反馈信号有误时能够使电动执行机构保持在原位置，以防止事故的扩大化。而且在可靠性方面有了很大程度的提高。
去伺服放大器(4-20mA) 阀位反馈进伺服放
大器 正转 反转