Servomotoren
Dec 24
https://pixabay.com/de/strahltriebwerk-jet-flugzeug-motor-371412/
Servomotoren sind spezielle Elektromotoren mit der Möglichkeit, die Winkelposition der Motorwelle, die Drehgeschwindigkeit und die Beschleunigung zu kontrollieren. Der Aufbau besteht grundsätzlich aus einem Elektromotor und einem Sensor für die Positionsbestimmung.
Funktionsweise der Servomotoren
Der Sensor ermittelt die Drehposition der Motorwelle. Diese übermittelt er kontinuierlich an die Regelelektronik, die meistens außerhalb des Motors positioniert ist. Es handelt sich hierbei um einen sogenannten Servoregler, der in einem Regelkreis die Bewegung des Servomotors regelt. Hierzu werden ein oder mehrere einstellbare Sollwerte verwendet. Dabei kann es sich beispielsweise um die Solldrehzahl, die Beschleunigung oder die Soll-Winkelposition der Welle handeln. Es gibt andere Motorvarianten, bei denen ebenso die gezielte Regelung solcher Parameter möglich ist, nämlich vorrangig den elektrischen Schrittmotor. Bei diesem gibt es aber keine Sensorik und keinen Regelkreis. Gerade bei hohen Lasten erweist sich das gegenüber einem Servomotor als sehr nachteilig.
Servoantriebe
Die Kombination von Servomotor und -regler ist der Servoantrieb. Deren Betrieb erfolgt im geschlossenen Regelkreis. Er kann auf den Parametern
- Momentum (Beschleunigung),
- Geschwindigkeit oder
- Position
basieren. Diese Parameter lassen sich per Schachtelung von Regelkreisen kombinieren. Auf diese Weise kann ein Servomotor an verschiedenste Anwendungen angepasst werden. Der Servoantrieb ermöglicht eine sehr hohe Dynamik, flexible Stellbereiche und sehr genaue Bewegungen. Im produzierenden Gewerbe werden die Maschinen häufig mit Servoantrieben ausgestattet (unter anderem nahezu sämtliche Werkzeugmaschinen), auch Maschinen in Automatisierungslösungen wie Verpackungsmaschinen und Industrieroboter benötigen Servoantriebe. Diese verkraften starke Drehzahl- und Drehmomentänderungen und können unter hoher Überlast und mit einem starken Haltemoment betrieben werden. Die Servo-Achsen bestehen aus den Hauptkomponenten des Servomotors, des Servo-Umrichters und des Servogetriebes. Diese Komponenten zusammen sind ein mechatronisches System.
Begrifflichkeit des Servomotors
Der Begriff Servomotor entstand, weil diese Motoren zunächst als Hilfsantriebe eingesetzt wurden. Das lateinische Wort servus bedeutet “Diener”. Der Unterschied zu anderen Begriffen für spezielle Motorarten (so Induktions- oder DC-Motor) besteht darin, dass “Servo” kein physikalisches Wirkungsprinzip, sondern nur die Art der Regelung kennzeichnet. Der Motor des Servoantriebes kann ein Gleichstrom-, ein Asynchron- oder ein Synchronmotor sein, mithin jede Art von Elektromotor. Der prinzipielle Unterschied zu anderen Motoren ist die Ansteuerung über den geschlossenen Regelkreis. Andere angesteuerte Elektromotoren wie der Schrittmotor oder die Stern-Dreieck-Schaltung für den Zuschaltbetrieb am Drehstromnetz verfügen nicht über diese Art von Regelkreis.
Steuer- und Regelabläufe an Servomotoren
Eine Messeinrichtung erfasst beim Servomotor die genaue Rotorposition. Die Messung der aktuellen Position kann anhand des zurückgelegten Drehwinkels gegenüber einer definierten Anfangsposition des Servomotors erfolgen. Für die Messung ist ein Drehgeber erforderlich. Es kann sich beispielsweise um einen Resolver, einen Absolutwertgeber oder einen Inkrementalgeber handeln. Das davon ausgehende Signal vergleicht die elektronische Regelung mit dem vorgegebenen Positions-Sollwert. Wenn es zu diesem Abweichungen gibt, erfolgt die Drehung des Motors in diejenige Richtung, die den geringeren Weg zum Sollwert bedeutet. Damit verringert sich die Abweichung. Diese Prozedur wiederholt die Regel- und Steuereinrichtung des Motors, bis die Toleranzgrenze des Sollwerts via Approximation oder inkrementell erreicht ist. Eine Regelung auf diese Weise wäre als einfachste Option die Positionsregelung, doch es sind auch alternativ die Regelungen der Geschwindigkeit und des Drehmoments möglich. Auf diese Weise lassen sich bei schwankenden Lasten gleichmäßige Fahrprofile erreichen. Für Synchron- und Asynchronmotoren verwendet man in der Regel einen Vektorregler für die Einprägung des Drehmoments.
Einsatz im Kleinleistungsbereich
Im Modellbau von ferngesteuerten Fahrzeugen, Schiffsmodellen und Flugzeugen erweist sich der Servomotor als erstklassige Lösung. Er wird daher sehr oft (von einigen Herstellern ausschließlich) verwendet. Noch kleinere Varianten dieser Motorart finden sich in den Anzeigegeräten von Flugzeugen, Helikoptern und vielen Militärfahrzeugen. Module mit Feldbusschnittstelle benötigen diese Motoren im Kleinleistungsbereich für die Integration von Geräten in Prozessrechnerperipherien. Sehr bekannt sind schon seit Jahren die Module für die Feldbusschnittstelle CANopen (Geräteprofil DSP 402, Kommunikationsprofil DS 301). In Automatisierunglösungen fungieren sie als Kompaktantriebe. DC-Servomotoren verfügen unter anderem über den Profibus DP Interface (PROFIdrive-Profil), ihre Abgabeleistungen betragen ~40 – 500 W. Das ist ein sehr typischer Einsatz dieser Motoren im Kleinleistungbereich.