Servomotor
Der grau/grüne Zylinder ist der bürstenbehaftete Gleichstrommotor. Der schwarze Abschnitt unten enthält das Planetenuntersetzungsgetriebe, und das schwarze Objekt oben auf dem Motor ist der optische Drehgeber für die Positionsrückmeldung. Dies ist der Lenkantrieb eines großen Roboterfahrzeugs. ⓘ
Ein Servomotor (oder Servomotor) ist ein Drehantrieb oder ein Linearantrieb, der eine präzise Steuerung von Winkel- oder Linearposition, Geschwindigkeit und Beschleunigung ermöglicht. Er besteht aus einem geeigneten Motor, der mit einem Sensor zur Positionsrückmeldung gekoppelt ist. Außerdem ist ein relativ hochentwickelter Regler erforderlich, häufig ein spezielles Modul, das speziell für die Verwendung mit Servomotoren entwickelt wurde. ⓘ
Servomotoren sind keine spezielle Motorklasse, obwohl der Begriff Servomotor häufig für einen Motor verwendet wird, der für den Einsatz in einem geschlossenen Regelkreis geeignet ist. ⓘ
Servomotoren werden in Anwendungen wie der Robotik, CNC-Maschinen und der automatisierten Fertigung eingesetzt. ⓘ
Als Servomotor werden spezielle Elektromotoren bezeichnet, die die Kontrolle der Winkelposition ihrer Motorwelle sowie der Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung erlauben. Sie bestehen aus einem Elektromotor, der zusätzlich mit einem Sensor zur Positionsbestimmung ausgestattet ist. Die vom Sensor ermittelte Drehposition der Motorwelle wird kontinuierlich an eine meist außerhalb des eigentlichen Motors angebrachte Regelelektronik übermittelt, den so genannten Servoregler, der die Bewegung des Motors entsprechend einem oder mehreren einstellbaren Sollwerten – wie etwa Soll-Winkelposition der Welle oder Solldrehzahl – in einem Regelkreis regelt. ⓘ
Ein elektrischer Schrittmotor kann ebenso gezielt gesteuert werden, durch den Verzicht auf Sensorik und Regelkreis hat er jedoch insbesondere bei hohen Lasten diverse Nachteile gegenüber dem Servomotor. ⓘ
Mechanismus
Ein Servomotor ist ein Servomechanismus mit geschlossenem Regelkreis, der zur Steuerung seiner Bewegung und Endposition eine Positionsrückmeldung verwendet. Der Eingang zu seiner Steuerung ist ein (analoges oder digitales) Signal, das die für die Ausgangswelle befohlene Position darstellt. ⓘ
Der Motor ist mit einer Art Positionsgeber gekoppelt, um Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldung zu liefern. Im einfachsten Fall wird nur die Position gemessen. Die gemessene Position des Ausgangs wird mit der Sollposition, dem externen Eingang des Reglers, verglichen. Weicht die Ausgangsposition von der erforderlichen Position ab, wird ein Fehlersignal erzeugt, das den Motor veranlasst, sich in die eine oder andere Richtung zu drehen, um die Ausgangswelle in die entsprechende Position zu bringen. Wenn sich die Positionen nähern, geht das Fehlersignal auf Null zurück und der Motor bleibt stehen. ⓘ
Die einfachsten Servomotoren verwenden eine reine Positionserfassung über ein Potentiometer und eine "Bang-Bang"-Steuerung des Motors; der Motor dreht sich immer mit voller Geschwindigkeit (oder wird angehalten). Diese Art von Servomotor ist in der industriellen Bewegungssteuerung nicht weit verbreitet, bildet aber die Grundlage für die einfachen und billigen Servos, die für ferngesteuerte Modelle verwendet werden. ⓘ
Anspruchsvollere Servomotoren verwenden optische Drehgeber zur Messung der Geschwindigkeit der Abtriebswelle und einen Antrieb mit variabler Drehzahl zur Steuerung der Motordrehzahl. Diese beiden Verbesserungen, in der Regel in Kombination mit einem PID-Regelalgorithmus, ermöglichen es, den Servomotor schneller und präziser in die gewünschte Position zu bringen, ohne dass er überschwingt. ⓘ
Zum genauen Erfassen der Rotorposition ist jeder Servomotor mit einer Messeinrichtung versehen, welche die aktuelle Position (z. B. den zurückgelegten Drehwinkel bezüglich einer Anfangsposition) des Motors bestimmt. Diese Messung erfolgt über einen Drehgeber, z. B. über einen Resolver, einen Inkrementalgeber oder einen Absolutwertgeber. ⓘ
Die elektronische Regelung vergleicht das Signal dieses Gebers mit einem vorgegebenen Positions-Sollwert. Liegt eine Abweichung vor, so wird der Motor in diejenige Richtung gedreht, die einen geringeren Verfahrweg zum Sollwert sicherstellt. Dies führt dazu, dass sich die Abweichung verringert. Die Prozedur wiederholt sich solange, bis der aktuelle Wert inkrementell oder via Approximation innerhalb der Toleranzgrenzen des Sollwerts liegt. Dies ist der einfachste Fall, die Positionsregelung. Alternativ können über dieses Prinzip auch Drehmoment und Geschwindigkeit geregelt werden. Dadurch sind zum Beispiel gleichmäßige Fahrprofile bei schwankenden Lasten möglich. ⓘ
Bei Synchron- oder Asynchronmotoren wird gewöhnlich unterhalb des Positions- und Geschwindigkeitsreglers ein Vektorregler zur Einprägung des Drehmoments eingesetzt. ⓘ
Servomotoren vs. Schrittmotoren
Servomotoren werden im Allgemeinen als leistungsstarke Alternative zum Schrittmotor eingesetzt. Schrittmotoren haben eine gewisse inhärente Fähigkeit zur Positionssteuerung, da sie über integrierte Ausgangsstufen verfügen. Dadurch können sie oft als offene Positionssteuerung ohne Rückkopplungsgeber verwendet werden, da ihr Ansteuersignal die Anzahl der zu drehenden Bewegungsschritte vorgibt, aber dafür muss die Steuerung die Position des Schrittmotors beim Einschalten kennen. Daher muss die Steuerung beim ersten Einschalten den Schrittmotor aktivieren und ihn in eine bekannte Position drehen, z. B. bis er einen Endschalter betätigt. Dies kann beim Einschalten eines Tintenstrahldruckers beobachtet werden; die Steuerung bewegt den Tintenstrahlträger ganz nach links und rechts, um die Endpositionen festzulegen. Ein Servomotor dreht sich sofort in den Winkel, den die Steuerung ihm vorgibt, unabhängig von der Ausgangsposition beim Einschalten. ⓘ
Die fehlende Rückkopplung eines Schrittmotors schränkt seine Leistung ein, da der Schrittmotor nur eine Last antreiben kann, die innerhalb seiner Kapazität liegt, andernfalls können verpasste Schritte unter Last zu Positionierungsfehlern führen und das System muss möglicherweise neu gestartet oder neu kalibriert werden. Der Encoder und der Controller eines Servomotors verursachen zusätzliche Kosten, optimieren aber die Leistung des Gesamtsystems (in Bezug auf Geschwindigkeit, Leistung und Genauigkeit) im Verhältnis zur Kapazität des Basismotors. Bei größeren Systemen, bei denen ein leistungsstarker Motor einen immer größeren Anteil der Systemkosten ausmacht, sind Servomotoren im Vorteil. ⓘ
Schrittmotoren mit geschlossenem Regelkreis sind in den letzten Jahren immer beliebter geworden. Sie verhalten sich wie Servomotoren, weisen aber einige Unterschiede in der Softwaresteuerung auf, um eine gleichmäßige Bewegung zu erreichen. Der Hauptvorteil eines Schrittmotors mit geschlossenem Regelkreis sind seine relativ niedrigen Kosten. Außerdem muss der PID-Regler eines Schrittmotorsystems mit geschlossenem Regelkreis nicht eingestellt werden. ⓘ
Viele Anwendungen, wie z. B. Laserschneidmaschinen, können in zwei Bereichen angeboten werden: im preisgünstigen Bereich mit Schrittmotoren und im Hochleistungsbereich mit Servomotoren. ⓘ
Drehgeber
Die ersten Servomotoren wurden mit Synchros als Drehgebern entwickelt. Mit diesen Systemen wurde während des Zweiten Weltkriegs bei der Entwicklung von Radar und Flugabwehrartillerie viel gearbeitet. ⓘ
Einfache Servomotoren können resistive Potentiometer als Positionsgeber verwenden. Diese werden nur auf der einfachsten und billigsten Ebene eingesetzt und stehen in enger Konkurrenz zu den Schrittmotoren. Sie leiden unter Verschleiß und elektrischem Rauschen in der Potentiometerspur. Obwohl es möglich wäre, ihr Positionssignal elektrisch zu differenzieren, um ein Geschwindigkeitssignal zu erhalten, rechtfertigen PID-Regler, die ein solches Geschwindigkeitssignal nutzen können, im Allgemeinen einen präziseren Geber. ⓘ
Moderne Servomotoren verwenden Drehgeber, entweder absolut oder inkremental. Absolute Drehgeber können ihre Position beim Einschalten bestimmen, sind aber komplizierter und teurer. Inkrementalgeber sind einfacher, billiger und arbeiten mit höheren Geschwindigkeiten. Inkrementelle Systeme, wie Schrittmotoren, kombinieren oft ihre inhärente Fähigkeit, Rotationsintervalle zu messen, mit einem einfachen Nullpositionssensor, um ihre Position beim Einschalten zu bestimmen. ⓘ
Anstelle von Servomotoren wird manchmal ein Motor mit einem separaten, externen linearen Encoder verwendet. Diese Systeme aus Motor und linearem Messsystem vermeiden Ungenauigkeiten im Antriebsstrang zwischen Motor und Linearschlitten, aber ihre Konstruktion ist komplizierter, da es sich nicht mehr um ein werkseitig vorgefertigtes System handelt. ⓘ
Motoren
Der Motortyp ist für einen Servomotor nicht entscheidend und es können verschiedene Typen verwendet werden. Am einfachsten sind bürstenbehaftete Permanentmagnet-Gleichstrommotoren, die aufgrund ihrer Einfachheit und geringen Kosten verwendet werden. Kleine industrielle Servomotoren sind in der Regel elektronisch kommutierte bürstenlose Motoren. Für große industrielle Servomotoren werden in der Regel AC-Induktionsmotoren verwendet, die häufig mit Frequenzumrichtern ausgestattet sind, um ihre Geschwindigkeit zu steuern. Für ultimative Leistung in einem kompakten Gehäuse werden bürstenlose AC-Motoren mit Permanentmagnetfeldern verwendet, praktisch große Versionen von bürstenlosen DC-Elektromotoren. ⓘ
Antriebsmodule für Servomotoren sind eine industrielle Standardkomponente. Ihr Aufbau ist ein Zweig der Leistungselektronik und basiert in der Regel auf einer dreiphasigen MOSFET- oder IGBT-H-Brücke. Diese Standardmodule akzeptieren eine einzige Richtung und Impulszahl (Drehabstand) als Eingang. Sie können auch Funktionen zur Überwachung von Übertemperatur, Überdrehmoment und Blockiererkennung enthalten. Da der Gebertyp, die Getriebeübersetzung und die Gesamtdynamik des Systems anwendungsspezifisch sind, ist es schwieriger, den gesamten Regler als Standardmodul zu produzieren, weshalb diese oft als Teil des Hauptreglers implementiert werden. ⓘ
Steuerung
Die meisten modernen Servomotoren werden mit einem speziellen Reglermodul desselben Herstellers entwickelt und geliefert. Steuerungen können auch auf der Basis von Mikrocontrollern entwickelt werden, um die Kosten für großvolumige Anwendungen zu senken. ⓘ
Integrierte Servomotoren
Integrierte Servomotoren sind so konzipiert, dass Motor, Treiber, Encoder und die zugehörige Elektronik in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. ⓘ
Beschreibung
Die Kombination aus Servomotor und Servoregler bildet zusammen den Servoantrieb. Servomotoren werden in einem geschlossenen Regelkreis betrieben. Der Betrieb kann momenten-, geschwindigkeits- oder positionsgeregelt sein. Kombinationen sind durch die Schachtelung der Regelkreise möglich. Dies ermöglicht eine Anpassung an verschiedenste Anwendungen. ⓘ
Der Begriff Servomotor kommt von seinem früheren Einsatzgebiet als Hilfsantrieb (servus lat. Diener) und beschreibt im Gegensatz zu Motorbezeichnungen wie DC-Motor oder Induktionsmotor kein physikalisches Wirkungsprinzip. Ein Servoantrieb kann einen Gleichstrommotor, einen Asynchronmotor oder einen Synchronmotor, also jede Art Elektromotor enthalten. Die Unterscheidung zu anderen Motoren liegt also nicht im Motor selbst, sondern allein in ihrer Ansteuerung, die in einem geschlossenen Regelkreis betrieben wird (im Gegensatz etwa zum Schrittmotor oder zum Zuschaltbetrieb am Drehstromnetz wie beispielsweise bei der Stern-Dreieck-Schaltung). ⓘ
Anwendungsgebiete
Servomotoren besitzen eine Vielzahl von Anwendungsfeldern. Sie werden häufig in industriellen Anlagen verwendet, aber auch in diversen Maschinen, etwa in Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen oder Industrierobotern.
Servomotoren findet man auch in Servos, wie sie etwa im Modellbau in ferngesteuerten Fahrzeug-, Flug- oder Schiffsmodellen eingesetzt werden. In einem Servo können jedoch auch andere Motortypen verbaut sein. Im allgemeinen Sprachgebrauch werden jedoch der „Servo“ und der „Servomotor“ miteinander verwechselt. ⓘ
Aufgrund ihrer höheren Zuverlässigkeit im Vergleich zu Drehspulinstrumenten werden Servomotoren auch in Anzeigegeräten des Flugwesens und des Militärs eingesetzt. ⓘ
Für den Anschluss sowie für die Integration in Prozessrechnerperipherien werden Servomotoren auch in Modulen mit Feldbusschnittstellen angeboten. Derartige Module werden bereits seit Jahren mit der Feldbusschnittstelle CANopen nach Kommunikationsprofil DS 301 und Geräteprofil DSP 402 offeriert. Sie sind dazu bestimmt, für die Automatisierung als Kompaktantriebe zu fungieren. (Funktionsbausteine, die einer Soft-SPS im Prozessrechner nachgeschaltet werden, übernehmen in solchen Fällen die Regelung der Motoren.) DC-Servomotoren werden unter anderem auch mit dem Profibus DP Interface nach dem PROFIdrive-Profil ausgestattet. Solche Motoren stehen mit Abgabeleistungen von etwa 40 bis 500 W zur Verfügung. Sie decken damit ausschließlich den Kleinleistungsbereich ab. ⓘ