圖8-4給出了電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靜態(tài)特性圖。圖中顯示，輸出軸轉(zhuǎn)角θ和輸入信號(hào)i_i之間成一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系，其靜態(tài)傳遞系數(shù)k為9^o /ma。

2、伺服放大器

伺服放大器主要由前置磁放大器、觸發(fā)器和可控硅交流開(kāi)關(guān)等構(gòu)成。它與電機(jī)配合工作的伺服驅(qū)動(dòng)電路如圖8-5所示。

前置放大器是一個(gè)增益很的放大器，根據(jù)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)相減后偏差的正負(fù)，在a、b兩點(diǎn)產(chǎn)生兩位式的輸出電壓，控制兩個(gè)可控硅觸發(fā)電路中一個(gè)工作，一個(gè)截止。當(dāng)前置放大器輸出電壓的極性為a（+）、b（－）時(shí)，觸發(fā)電路2截止，可控硅scr₂接在二極管橋式整流器的直流端，它的導(dǎo)通使橋式整流器的c、d兩端近于短接，故220v的交流電壓直接接到伺服電機(jī)的繞組ⅰ，同時(shí)經(jīng)分相電容c_f加到繞組ⅱ上，這樣，繞組ⅱ中的電流相位比繞組ⅰ超前90^o，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電機(jī)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果前置放大器的輸出電壓極性和上述相反，即a（－）、b（+）時(shí)，觸發(fā)電路1截止，可控硅scr₁不通，而觸發(fā)電路2控制scr₂*導(dǎo)通，使另一橋式整流器的兩端e、f近于短接，電源電壓直接加于電機(jī)繞組ⅱ，并經(jīng)分相電容c_f供電給繞組ⅰ。這樣，繞組ⅰ中的電流相位比繞組ⅱ超前90^o，電機(jī)朝相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由于前置放大器的增益很，只要偏差信號(hào)大于不靈敏區(qū)，觸發(fā)電路便可使可控硅導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)以全速轉(zhuǎn)動(dòng)，這里可控硅起的是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的作用。當(dāng)scr₁和scr₂都不導(dǎo)通，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3、執(zhí)行單元

執(zhí)行單元由伺服電機(jī)、機(jī)械減速和位置發(fā)送器三部分組成。執(zhí)行單元接受伺服放大器或電動(dòng)操作器的輸出信號(hào)，控制伺服電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，經(jīng)機(jī)械減速器減速后變成輸出力矩推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。與此同時(shí)，位置發(fā)送器將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的角位移轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的0～10ma，dc信號(hào)，作為閥位批示，并反饋到前置放大器的輸入端作為位置反饋信號(hào)以平衡輸入信號(hào)。

1、伺服電機(jī)

伺服電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)二相電容異步電機(jī)，它將伺服放大器輸出的電功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)矩，作為執(zhí)行器的動(dòng)力部件。

伺服電機(jī)由一個(gè)用沖槽硅鋼片疊成的定子和鼠籠式轉(zhuǎn)子組成。定子上均布著兩個(gè)匝數(shù)、線徑相同而相隔90^o電角度的定子繞組ⅰ和ⅱ。由于分相電容c_f的作用，ⅰ和ⅱ的電流相位總是相差90^o，其合成向量產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)又在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流并構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

如前所述，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向取決于ⅰ和ⅱ中的電流相位差，即取決于分相電容c_f串接在哪一個(gè)定子繞組中。

2、減速器

由于伺服電機(jī)大多是轉(zhuǎn)速小力矩的，必須經(jīng)過(guò)近千倍的減速，才能推動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。常用的減速器有行星齒輪和蝸輪蝸桿兩種，其中行星齒輪減速器由于體積小、傳動(dòng)效率、承載能力大、單級(jí)速比可達(dá)100倍以上，獲得廣泛的應(yīng)用。

3、位置發(fā)送器

位置發(fā)送器的作用是將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸的位移轉(zhuǎn)變?yōu)?/SPAN>0～10ma，dc反饋信號(hào)的裝置。其主要部分是差動(dòng)變壓器。

差動(dòng)變壓器的鐵芯與凸輪斜面是靠彈簧相接觸的，因此當(dāng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)凸輪使鐵芯左右移動(dòng)。凸輪斜面將保證鐵芯位置與輸出軸之轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。輸出軸旋轉(zhuǎn)90^o時(shí)，鐵芯在線圈中相應(yīng)地移動(dòng)8mm。

（二）氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受氣動(dòng)控制器或閥門(mén)定位器輸出的氣壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的推桿直線位移，以推動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有兩種類型：薄膜式與活塞式。薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作、維修方便、價(jià)格低廉，是Z常用的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)；活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許操作壓力可達(dá)500kpa，因此輸出推力大，但價(jià)格較。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為有彈簧和無(wú)彈簧兩種，有彈簧的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)較之無(wú)彈簧的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出推力小、價(jià)格低。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種形式。當(dāng)信號(hào)壓力增加時(shí)推桿向下動(dòng)作的叫正作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)；信號(hào)壓力增加時(shí)推桿向上動(dòng)作的叫反作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、、本質(zhì)安全防爆、維修方便等突出的點(diǎn)，由其組成的氣動(dòng)控制閥一直是執(zhí)行器的主流產(chǎn)品。即使自70年代以來(lái)電動(dòng)控制儀表大量替代氣動(dòng)控制儀表，氣動(dòng)控制閥依然借助電/氣轉(zhuǎn)換技術(shù)被廣泛使用，并得到不斷發(fā)展和提。

1、氣動(dòng)薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)

正作用式氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖8-8所示。它主要由膜片、壓縮彈簧、推桿、膜蓋、支架等組成。膜片為較深的盆形，采用丁脂橡膠作為涂層以增強(qiáng)滌綸織物的強(qiáng)度并保證密封性，工作溫度一般為－40～85℃；壓縮彈簧現(xiàn)采用多根組合形式，其數(shù)量為4根、6根或8根，這種組合形式可有效降低調(diào)節(jié)閥的度。

當(dāng)信號(hào)壓力通入由上膜蓋1和波紋膜片2組成的薄膜氣室時(shí)，在膜片上產(chǎn)生一個(gè)推力，使推桿4向下移動(dòng)并壓縮彈簧6，當(dāng)彈簧的反作用力與信號(hào)壓力在膜片上產(chǎn)生的推力相平衡 時(shí)，推桿穩(wěn)定在一個(gè)新的位置，推桿的位移即為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出。

氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程規(guī)格有10、16、25、40、60、100mm等。薄膜有效面積有200、280、400、630、1000、1600cm²等六種規(guī)格。有效面積越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移和推力也越大。

2、氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖8-9所示，其基本部分為氣缸，氣缸內(nèi)活塞隨氣缸兩側(cè)壓差而移動(dòng)。兩側(cè)可以分別輸入一個(gè)固定信號(hào)和一個(gè)變動(dòng)信號(hào)，或兩側(cè)都輸入變動(dòng)信號(hào)。它的輸出特性有比例式及兩位式兩種。兩位式是根據(jù)輸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞兩側(cè)的操作壓力的大小，活塞從壓側(cè)推向低壓側(cè)，使推桿從一個(gè)位置移到另一位置。比例式是在兩位式基礎(chǔ)上加有閥門(mén)定位器后，使推桿位移與信號(hào)壓力成比例關(guān)系。

此外，還有一種長(zhǎng)行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)原理與活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本相同，它有行程長(zhǎng)、輸出力矩大的特點(diǎn)，輸出轉(zhuǎn)角位移為90^o，直線位移為40～200mm，適用于輸出角位移和力矩的場(chǎng)合。

圖8-8  正作用氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖  圖8－9氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1—上膜蓋；2—膜片；3—下膜蓋；4—推桿；5—支架；

6—壓縮彈簧；7—彈簧座；8—調(diào)節(jié)桿；

9—連接閥桿螺母；10—行程標(biāo)尺

（三）閥門(mén)定位器

閥門(mén)定位器是氣動(dòng)執(zhí)行器的—種輔助儀表，它與氣動(dòng)執(zhí)行器配套使用。

在圖示8-8的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥中，閥桿的位移是由薄膜上的氣壓推力與彈簧反作用力平衡來(lái)確定的。實(shí)際上，為了防止閥桿引出處的泄漏，填料總要壓得很緊。盡管填料選用密封性而摩擦系數(shù)小的聚四氟乙烯材料，填料對(duì)閥桿的摩擦力仍是不小的。特別是在壓力較的閥上，由于填料壓得很緊，摩擦力可能相當(dāng)大。此外，被調(diào)節(jié)流體對(duì)閥心的作用力，在閥的尺寸大或閥前后壓差、流體粘性大及含有固體懸浮物時(shí)也可能相當(dāng)大。所有這些附加力都會(huì)影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)與輸入信號(hào)之間的定位關(guān)系。使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生回環(huán)特性，嚴(yán)重時(shí)造成調(diào)節(jié)系統(tǒng)振蕩。因此，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作條件差及要求調(diào)節(jié)質(zhì)量的場(chǎng)合，都在調(diào)節(jié)閥上加裝閥門(mén)定位器。

閥門(mén)定位器接受調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)后，去控制氣動(dòng)執(zhí)行器；當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)，閥桿的位移又通過(guò)機(jī)械裝置負(fù)反饋到閥門(mén)定位器，因此定位器和執(zhí)行器組成了一個(gè)閉環(huán)回路，圖8-10所示是閥門(mén)定位器的功能示意圖。圖中顯示，來(lái)自調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)p₀經(jīng)定位器比例放大后輸出p_a，用以控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，位置反饋信號(hào)外送回至定位器，由此構(gòu)成一個(gè)使閥桿位移與輸入壓力成比例關(guān)系的負(fù)反饋系統(tǒng)。

圖8-10  閥門(mén)定位器功能示意圖

閥門(mén)定位器能夠增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率，減少調(diào)節(jié)信號(hào)的傳遞滯后，加快閥桿的移動(dòng)速度，能提信號(hào)與閥位間的線性度，克服閥桿的摩擦力和消除不平衡力的影響，從而保證調(diào)節(jié)閥的正確定位。