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摘要：为了适应自动控制技术的不断发展，生产过程的稳定运行，电动执行器在设备维护方面要求不断提高。通过PSQ电动执行器在现场使用情况，介绍了PS执行器的一些常见电气故障分析和处理办法。
关键词：自动控制，电动执行器，故障
Abstract: in order to adapt to the development of the automatic control technology, the stable operation of the production process, electric actuators in equipment maintenance requirement enhances unceasingly. Through the PSQ electric actuators in field use, this paper introduces the implementation of the PS some common electrical fault analysis and treatment measures.
Keywords: automatic control, electric actuators, fault
中图分类号： TB486+.3 文献标识码： A 文章编号：
1、执行器及在现场的使用情况
执行器是自动控制系统不可缺少的重要组成部分，它接收控制器或人工给定的控制信号，将其功率放大，并转换为机械部分输出轴相应的转角或直线位移，可进行间断或连续地作用与执行机构，如控制阀、流量挡板等，以完成对生产过程中各种参数需求的控制。现场使用的执行器以电动执行器为主，执行器使用品牌较多，包括rotork、SCHIEBEL、艾莫柯、PS、DKJ系列、HQ等执行器。PS执行器包括电子式和智能式（带微处理机面板式操作）两种，根据力作用情况分为PSL直行程和PSQ角行程两种，现场大多使用PSQ角行程执行器。PS执行器具有体积小、扭矩大、精度高、运行稳定、抗干扰性强、价格低等特点。
2、PSQ执行器组成及工作原理
2.1 PSQ-1002MA执行器主要结构
PSQ-1002MA角行程执行机构主要由由伺服放大器和执行机构二个结构上相互独立的整体构成。 执行机构为现场就地安装式结构，在减速器箱体上装有交流伺服电机和位置发送器。PSQ-1002MA执行器结构如图1所示。执行器主要部件包括（1）传动机构：把电机的旋转运动转变为执行机构输出轴角位移（0～90°）动作，通过限位开关和力矩开关实现被控阀门的调节和开（关）。（2）阀位检测机构：将输出轴的角位移开度（0～90°）经一二级减速齿轮机构反馈给电位器，由反馈电位器转换为电信号再反馈给逻辑电路伺服板。（3）手动机构：执行器上设计有手动操作部件，在断电情况下，根据需要可以摇动手柄来完成阀门的开（关）功能。（4）控制部分：控制板上接收来自PLC输出模块给定的DC4～20mA信号，控制执行器按预定的要求工作。
图1 PSQ-1002AM电动执行器结构图
2.2PSQ-1002AM执行器工作原理
执行器控制部分是通过专用的伺服电路使其处于连续调节的控制过程状态：（1）当输入信号Ii= 4mA DC时,位置发送器反馈电流Ii=4mA DC ,此时伺服放大器没有输出电压，交流伺服电机停转，执行机构输出轴稳定在预选好的零位。（2）当输入信号Ii>4 mA时交流伺服电动机被驱动，带动一二级减速机构动作，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，控制原理如图2所示。
图2 电动执行机构输入输出方框图
3、PSQ执行器常见电气故障分析及处理过程
3.1执行机构不动作，电机不转，电源指示灯亮。
3.1.1电机抱闸故障
电机抱闸工作原理：执行器电机在切除电源后依靠惯性还要转动一段时间（或距离）才能停下来，而生产中对阀门开度要求准确定位，这就要求对电动机进行制动。电机抱闸由制动电磁铁和制动器两部分组成，电磁铁由铁芯、衔铁和线圈组成，制动器由闸轮（和电机安装在一起），闸瓦（刹车片）和弹簧组成。接通电源后，拨动执行器伺服板上的操作开关为开（关）时，电机得电，同时电机抱闸线圈也得电，衔铁吸合，克服弹簧拉力使制动器的闸轮与闸瓦分开，电机正常运转。当拨动执行器操作开关至中间，即停止位时，电机失电，同时抱闸也失电，衔铁在弹簧弹力作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦抱住闸轮，电机被制动，电机停止转动。如图3所示。
图3 PSQ-1002AM电动执行器抱闸
故障分析：拆除执行器电机抱闸线路，检查抱闸是否烧坏。用万用表测量线圈两根引线电阻值是否在正常范围，一般情况下可以通过欧姆公式 ,其中U为线圈電压（PS执行器电机抱闸额定电压为DC 102V），I为进入线圈电流,一般小于0.1A，通过公式可以计算线圈电阻值,电阻值大于1kΩ，用万用表测得正常情况下抱闸线圈阻值约为1.38kΩ。
故障原因1：当测量发现抱闸线圈烧电阻显示无穷大，则抱闸线圈断，电机会被抱闸抱死无法转动。重新更换抱闸。
故障原因2：当测试发现电机无故障，抱闸测试也未烧毁，把抱闸和电机拆离通电测试，发现抱闸得电后闸瓦收缩力不平衡。移动闸瓦在抱闸里的位置，清理干净闸瓦与衔铁之间的灰尘等异物，然后接电继续试验，直到闸瓦受力平衡，将电机和抱闸安装到一起测试抱闸是否能正常工作。
故障原因3：当抱闸线圈的电吸合，但闸瓦不受拉力作用，则拆开抱闸线圈更换制动器上得弹簧。
3.1.2电机故障
PS-1002MA执行器电机供电电压为220VAC，为单相电容式电机，下面讲述单相电容式电机工作原理。
单相电容式电机是采用单相交流电源供电的异步电动机。其由定子（单相绕组）和转子（鼠笼式）两部分构成，定子上有启动绕组（副绕组）和运行绕组（主绕组）构成。启动绕组中串接引向电容，然后与运行绕组并联接入电源，这两个绕组在空间位置上相差90°，从而产生一个单相旋转磁场。在这个旋转磁场作用下，转子就可以自动启动。启动后待转速升到一定时，借助安装在转子上的离心开关将启动绕组断开，运行绕组工作。单相电容式电机工作原理如图4所示。
图4 单相电容式电机接线图
PS电动执行器电机上有5根线，用万用表电阻档依次量每两根线的阻值。经对PSQ-1002AM执行器测量得电机线各接头电阻值如表1所示
表1 执行器电机线各端阻值
下面判断5根线分别连接到定子的那个部位。首先量出电阻值很小的两根即位接离心开关；然后测量出阻值较大的两根（启动绕组和运行绕组阻值之和），则剩余的那根为启动绕组和运行绕组的连接点；分别用阻值较大的两根与剩余的那根分别测量，阻值稍大的为接启动绕组，阻值稍小的为接运行绕组。判断结果如表2所示。
接主板 黑——橙 橙——蓝 紫色1 紫色2
接定子 启动绕组 运行绕组 离心开关
表2电机接线分配表
故障1：电源正常，通电后电机不能启动。
故障分析：1.电机引线部分断路，按表1和表2分别对电机线进行测试，发现其中某两根或多根断路，判断出故障点，重新接好线路； 2.离心开关坏，触点不闭合，更换开关；3.引向电容坏，测试发现电容器开路，更换新电容。
故障2：电机启动后很快发熱，有时会烧坏电机。
故障分析：1.电机引线部分短路，按表1和表2分别对电机线进行测试，发现其中某根或多根短路，判断出故障点，更换电机；2.离心开关在电机启动后不断开，更换开关；3启动绕组和运行绕组线路接错，重新接好线路。
故障3：烧保险丝。
故障分析1.绕组严重短路，更换电机；2.电容被击穿而造成短路，更换损坏原件。
3.2执行器只能单向动作。
PS执行器在使用过程中经常发生只能开或只能关的故障，就其故障原因有以下几个方面。
故障原因1：执行器开（关）过力矩，导致执行器只能往一个方向动作，通过观察可以发现开（关）力矩限位开关已经动作。解决办法：手摇执行器，在不过力矩的情况下重新设置开（关）限位，且保证执行器能动作90°。
故障原因2：给开信号时开（关）指示灯亮，说明开（关）正常，给关（开）信号时关指示灯不亮，说明关（开）可控硅部分有问题，首先检查关指示灯，用万用表检测发现关指示灯开路，解决办法：更换同型号指示灯。关和开指示灯不亮(开路)时可控硅不动作。
故障原因3：伺服放大器板上开（关）可控硅坏，先确认伺服板上控制开（关）可控硅电子元器件位置，解决办法：重新更换对应的可控硅模块。
3.3执行机构振荡
执行器在调试或维修过程中经常发生震荡现象，特别是智能型执行器。当给定输入信号时，执行器反馈信号来回在给定值附近动作，这在生产中是不允许的，阀位来回动作，会造出被控对象不稳定，同时缩短执行器寿命。
故障原因1： 死区（精度）设得过小。PS电子式和智能型执行器死区通常设置为1%～2%。但有时在1%处会发生震荡，这主要是由于执行机构的惰走性和信号不稳定造成的。解决办法：稍增大死区后排除故障。
故障原因2：输入信号不稳定。从PLC输出模块接入到执行器的输入信号存在干扰或输入模块通道坏所引起。解决办法：用万用表分别测量执行器输入信号值与PLC输出信号是否一致，如果不一致，更换对应的IO模块解决故障。
故障原因3：电机抱闸故障或失效。通过观察执行器在动作时电机抱闸工作情况，发现电机抱闸有抱不死的现象，处理办法：采用3.1电机抱闸故障项处理好抱闸问题，然后再测试执行器是否还震荡。
故障原因4：反馈电位器工作不正常。反馈电位器在执行器中的作用是，当给执行机构一个输入信号，使执行机构动作，同时执行机构反馈一个信号与给定信号比较，这个值就是信号输出值，可以用信号发生器测量。一般情况下执行器在某一段动作异常时就判断为反馈电位器故障。处理办法：重新调整反馈电位器位置，经多次测试后如果还存在震荡问题，更换同型号新电位器。
4、结束语
作为现场近年来使用最多的执行器，PS执行器固然有很多优点，但执行器故障较多，通过对各类故障的分析与总结，及时解决存在的问题，为设备稳定运行作出贡献。
参考文献
[1] 李发海 王岩，电机与拖动基础 第2版，北京：清华大学出版社，2005.
[2] 杜继宏 王诗宓，控制工程基础，北京：清华大学出版社，2008.
[3] 刘建清，从零开始学电子元器件识别与检测技术，北京：国防工业出版社，2007.
[4]贺增耀 高文彦，电动执行器在自动控制系统中得发展及应用，北京：技术经济综述论文，2007.
[5] PS电动执行机构用户手册，2010.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：自动控制，电动执行器，故障
Abstract: in order to adapt to the development of the automatic control technology, the stable operation of the production process, electric actuators in equipment maintenance requirement enhances unceasingly. Through the PSQ electric actuators in field use, this paper introduces the implementation of the PS some common electrical fault analysis and treatment measures.
Keywords: automatic control, electric actuators, fault
中图分类号： TB486+.3 文献标识码： A 文章编号：
1、执行器及在现场的使用情况
执行器是自动控制系统不可缺少的重要组成部分，它接收控制器或人工给定的控制信号，将其功率放大，并转换为机械部分输出轴相应的转角或直线位移，可进行间断或连续地作用与执行机构，如控制阀、流量挡板等，以完成对生产过程中各种参数需求的控制。现场使用的执行器以电动执行器为主，执行器使用品牌较多，包括rotork、SCHIEBEL、艾莫柯、PS、DKJ系列、HQ等执行器。PS执行器包括电子式和智能式（带微处理机面板式操作）两种，根据力作用情况分为PSL直行程和PSQ角行程两种，现场大多使用PSQ角行程执行器。PS执行器具有体积小、扭矩大、精度高、运行稳定、抗干扰性强、价格低等特点。
2、PSQ执行器组成及工作原理
2.1 PSQ-1002MA执行器主要结构
PSQ-1002MA角行程执行机构主要由由伺服放大器和执行机构二个结构上相互独立的整体构成。 执行机构为现场就地安装式结构，在减速器箱体上装有交流伺服电机和位置发送器。PSQ-1002MA执行器结构如图1所示。执行器主要部件包括（1）传动机构：把电机的旋转运动转变为执行机构输出轴角位移（0～90°）动作，通过限位开关和力矩开关实现被控阀门的调节和开（关）。（2）阀位检测机构：将输出轴的角位移开度（0～90°）经一二级减速齿轮机构反馈给电位器，由反馈电位器转换为电信号再反馈给逻辑电路伺服板。（3）手动机构：执行器上设计有手动操作部件，在断电情况下，根据需要可以摇动手柄来完成阀门的开（关）功能。（4）控制部分：控制板上接收来自PLC输出模块给定的DC4～20mA信号，控制执行器按预定的要求工作。
图1 PSQ-1002AM电动执行器结构图
2.2PSQ-1002AM执行器工作原理
执行器控制部分是通过专用的伺服电路使其处于连续调节的控制过程状态：（1）当输入信号Ii= 4mA DC时,位置发送器反馈电流Ii=4mA DC ,此时伺服放大器没有输出电压，交流伺服电机停转，执行机构输出轴稳定在预选好的零位。（2）当输入信号Ii>4 mA时交流伺服电动机被驱动，带动一二级减速机构动作，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，控制原理如图2所示。
图2 电动执行机构输入输出方框图
3、PSQ执行器常见电气故障分析及处理过程
3.1执行机构不动作，电机不转，电源指示灯亮。
3.1.1电机抱闸故障
电机抱闸工作原理：执行器电机在切除电源后依靠惯性还要转动一段时间（或距离）才能停下来，而生产中对阀门开度要求准确定位，这就要求对电动机进行制动。电机抱闸由制动电磁铁和制动器两部分组成，电磁铁由铁芯、衔铁和线圈组成，制动器由闸轮（和电机安装在一起），闸瓦（刹车片）和弹簧组成。接通电源后，拨动执行器伺服板上的操作开关为开（关）时，电机得电，同时电机抱闸线圈也得电，衔铁吸合，克服弹簧拉力使制动器的闸轮与闸瓦分开，电机正常运转。当拨动执行器操作开关至中间，即停止位时，电机失电，同时抱闸也失电，衔铁在弹簧弹力作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦抱住闸轮，电机被制动，电机停止转动。如图3所示。
图3 PSQ-1002AM电动执行器抱闸
故障分析：拆除执行器电机抱闸线路，检查抱闸是否烧坏。用万用表测量线圈两根引线电阻值是否在正常范围，一般情况下可以通过欧姆公式 ,其中U为线圈電压（PS执行器电机抱闸额定电压为DC 102V），I为进入线圈电流,一般小于0.1A，通过公式可以计算线圈电阻值,电阻值大于1kΩ，用万用表测得正常情况下抱闸线圈阻值约为1.38kΩ。
故障原因1：当测量发现抱闸线圈烧电阻显示无穷大，则抱闸线圈断，电机会被抱闸抱死无法转动。重新更换抱闸。
故障原因2：当测试发现电机无故障，抱闸测试也未烧毁，把抱闸和电机拆离通电测试，发现抱闸得电后闸瓦收缩力不平衡。移动闸瓦在抱闸里的位置，清理干净闸瓦与衔铁之间的灰尘等异物，然后接电继续试验，直到闸瓦受力平衡，将电机和抱闸安装到一起测试抱闸是否能正常工作。
故障原因3：当抱闸线圈的电吸合，但闸瓦不受拉力作用，则拆开抱闸线圈更换制动器上得弹簧。
3.1.2电机故障
PS-1002MA执行器电机供电电压为220VAC，为单相电容式电机，下面讲述单相电容式电机工作原理。
单相电容式电机是采用单相交流电源供电的异步电动机。其由定子（单相绕组）和转子（鼠笼式）两部分构成，定子上有启动绕组（副绕组）和运行绕组（主绕组）构成。启动绕组中串接引向电容，然后与运行绕组并联接入电源，这两个绕组在空间位置上相差90°，从而产生一个单相旋转磁场。在这个旋转磁场作用下，转子就可以自动启动。启动后待转速升到一定时，借助安装在转子上的离心开关将启动绕组断开，运行绕组工作。单相电容式电机工作原理如图4所示。
图4 单相电容式电机接线图
PS电动执行器电机上有5根线，用万用表电阻档依次量每两根线的阻值。经对PSQ-1002AM执行器测量得电机线各接头电阻值如表1所示
表1 执行器电机线各端阻值
下面判断5根线分别连接到定子的那个部位。首先量出电阻值很小的两根即位接离心开关；然后测量出阻值较大的两根（启动绕组和运行绕组阻值之和），则剩余的那根为启动绕组和运行绕组的连接点；分别用阻值较大的两根与剩余的那根分别测量，阻值稍大的为接启动绕组，阻值稍小的为接运行绕组。判断结果如表2所示。
接主板 黑——橙 橙——蓝 紫色1 紫色2
接定子 启动绕组 运行绕组 离心开关
表2电机接线分配表
故障1：电源正常，通电后电机不能启动。
故障分析：1.电机引线部分断路，按表1和表2分别对电机线进行测试，发现其中某两根或多根断路，判断出故障点，重新接好线路； 2.离心开关坏，触点不闭合，更换开关；3.引向电容坏，测试发现电容器开路，更换新电容。
故障2：电机启动后很快发熱，有时会烧坏电机。
故障分析：1.电机引线部分短路，按表1和表2分别对电机线进行测试，发现其中某根或多根短路，判断出故障点，更换电机；2.离心开关在电机启动后不断开，更换开关；3启动绕组和运行绕组线路接错，重新接好线路。
故障3：烧保险丝。
故障分析1.绕组严重短路，更换电机；2.电容被击穿而造成短路，更换损坏原件。
3.2执行器只能单向动作。
PS执行器在使用过程中经常发生只能开或只能关的故障，就其故障原因有以下几个方面。
故障原因1：执行器开（关）过力矩，导致执行器只能往一个方向动作，通过观察可以发现开（关）力矩限位开关已经动作。解决办法：手摇执行器，在不过力矩的情况下重新设置开（关）限位，且保证执行器能动作90°。
故障原因2：给开信号时开（关）指示灯亮，说明开（关）正常，给关（开）信号时关指示灯不亮，说明关（开）可控硅部分有问题，首先检查关指示灯，用万用表检测发现关指示灯开路，解决办法：更换同型号指示灯。关和开指示灯不亮(开路)时可控硅不动作。
故障原因3：伺服放大器板上开（关）可控硅坏，先确认伺服板上控制开（关）可控硅电子元器件位置，解决办法：重新更换对应的可控硅模块。
3.3执行机构振荡
执行器在调试或维修过程中经常发生震荡现象，特别是智能型执行器。当给定输入信号时，执行器反馈信号来回在给定值附近动作，这在生产中是不允许的，阀位来回动作，会造出被控对象不稳定，同时缩短执行器寿命。
故障原因1： 死区（精度）设得过小。PS电子式和智能型执行器死区通常设置为1%～2%。但有时在1%处会发生震荡，这主要是由于执行机构的惰走性和信号不稳定造成的。解决办法：稍增大死区后排除故障。
故障原因2：输入信号不稳定。从PLC输出模块接入到执行器的输入信号存在干扰或输入模块通道坏所引起。解决办法：用万用表分别测量执行器输入信号值与PLC输出信号是否一致，如果不一致，更换对应的IO模块解决故障。
故障原因3：电机抱闸故障或失效。通过观察执行器在动作时电机抱闸工作情况，发现电机抱闸有抱不死的现象，处理办法：采用3.1电机抱闸故障项处理好抱闸问题，然后再测试执行器是否还震荡。
故障原因4：反馈电位器工作不正常。反馈电位器在执行器中的作用是，当给执行机构一个输入信号，使执行机构动作，同时执行机构反馈一个信号与给定信号比较，这个值就是信号输出值，可以用信号发生器测量。一般情况下执行器在某一段动作异常时就判断为反馈电位器故障。处理办法：重新调整反馈电位器位置，经多次测试后如果还存在震荡问题，更换同型号新电位器。
4、结束语
作为现场近年来使用最多的执行器，PS执行器固然有很多优点，但执行器故障较多，通过对各类故障的分析与总结，及时解决存在的问题，为设备稳定运行作出贡献。
参考文献
[1] 李发海 王岩，电机与拖动基础 第2版，北京：清华大学出版社，2005.
[2] 杜继宏 王诗宓，控制工程基础，北京：清华大学出版社，2008.
[3] 刘建清，从零开始学电子元器件识别与检测技术，北京：国防工业出版社，2007.
[4]贺增耀 高文彦，电动执行器在自动控制系统中得发展及应用，北京：技术经济综述论文，2007.
[5] PS电动执行机构用户手册，2010.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。