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Wie funktioniert ein Servomotor für lineare Direktantriebe?

22 Jan 2021
Kollmorgen Experten

Ein Aktuator für lineare Direktantriebe mit einem linearen Permanentmagnet-Servomotor produziert Kraft und Geschwindigkeit basierend auf dem zugeführten Strom und der Spannung und sorgt für lineare Bewegung entlang der angetriebenen Achse. Der lineare Servomotor arbeitet als Teil eines geschlossenen Regelkreissystems, welches Kraft und Geschwindigkeit liefert, die von einem Servoregler vorgegeben werden, der Rückführungen zum Schließen des Regelkreises nutzt. Einfach ausgedrückt verhält sich ein linearer Servomotor genauso wie ein rotierender Servomotor, mit dem Unterschied, dass er flach ausgestreckt ist. Verschiedene Feedbackelemente im System liefern Informationen wie Strom, Geschwindigkeit oder Position der Motorspule an den Servoregler, der die Motoraktion in Abhängigkeit von den Sollparametern anpasst. Ein linearer Servomotor ist eine Direktantriebslösung, bei der die Last direkt mit dem beweglichen Teil des Motors verbunden ist.

 

Motoren für lineare Direktantriebe sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich (Eisenkern, U-förmig, rohrförmig), haben jedoch stets dieselbe Funktionsweise. Ein linearer Direktantrieb ist Teil des Servomechanismus, der aus fünf wesentlichen Elementen besteht: einer Spule oder einem Kolben, einer Magnetbahn oder einer magnetischen Welle, einem Rückführsystem, mechanischen Bauteilen, bestehend aus Linearlagern und -führungen, sowie einem Servoverstärler oder einer Steuerung für den Antrieb. Das Feedbacksystem ist für gewöhnlich ein Linearmaßstab, zum Beispiel ein Lineargeber oder ein linearer Wandler. Es kann sich jedoch auch um andere Geräte handeln, beispielweise um ein Potenziometer, ein Halleffektgerät, einen Tachometer, einen LVDT oder einen beliebigen anderen Sensor. Die mechanischen Elemente führen den Kolben oder die Spule an der Magnetbahn entlang, wobei stets ein angemessener Luftspalt zwischen Spule und Magneten gewahrt wird. Das Servosystem wird durch die Steuerelektronik vervollständigt, die den Motor mit Strom versorgt und die Rückführdaten und die Sollreferenz vergleicht, um zu überprüfen, ob der lineare Servomotor wie vorgesehen arbeitet. Es gibt viele verschiedene Anwendungen für lineare Direktantriebe, von einfachen X-Y-Verfahrtischen zu komplexen Portalsystemen, wie Laserschneidanlagen mit mehreren Achsen, die von komplexen Bewegungssteuerungen angetrieben werden.

Ähnlich wie in unserem Blogeintrag zur Funktionsweise von Servomotoren, werden mehrere integrierte Servoregelkreise für eine optimale Leistung eingestellt, um eine präzise Bewegungssteuerung zu ermöglichen. Das System besteht aus Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsregelschleifen, die Präzisions-Feedbackelemente verwenden. Jede Schleife gibt Signale an die nachfolgende Schleife weiter und überwacht die entsprechenden Rückführungselemente, um zum Angleich an die vorgegebenen Parameter Korrekturen in Echtzeit vorzunehmen.

 

Die Basisschleife ist die Strom- oder Kraftschleife. Der Strom ist proportional zur Kraft in einem linearen Servomotor, die für Beschleunigung oder Schub sorgt. Ein Stromsensor ist das Gerät, das ein Rückführsignal bezogen auf den durch den Motor fließenden Strom liefert. Der Sensor sendet ein Signal an die Steuerelektronik zurück – üblicherweise ein Analog- oder Digitalsignal, das proportional zum Motorstrom ist. Dieses Signal wird vom Sollwert subtrahiert. Wenn der Servomotor den Sollstrom erreicht hat, ist die Schleife erfüllt, bis der Strom unter den Sollstrom fällt. Die Schleife erhöht dann den Strom, bis der Sollstrom erreicht ist, wobei der Zyklus mit Aktualisierungsraten unterhalb einer Sekunde fortgesetzt wird.

Die Geschwindigkeitsschleife arbeitet auf die gleiche Weise mit einer zur Geschwindigkeit proportionalen Spannung. Wenn die Geschwindigkeit unter die Sollgeschwindigkeit fällt, sendet die Stromschleife einen Befehl zur Erhöhung des Stroms (und damit zur Erhöhung der Spannung) an die Geschwindigkeitsschleife.

Die Positionsregelschleife übernimmt einen Sollwert von einer SPS oder Bewegungssteuerung, und gibt selbst wiederum einen Geschwindigkeitssollwert ab, der in die Geschwindigkeitsregelschleife eingespeist wird. Dieser wiederum veranlasst, dass über den erforderlichen Strom der Motor beschleunigt beziehungsweise dessen Geschwindigkeit beibehalten oder gedrosselt wird, um die vorgegebene Position zu erreichen. Alle drei Schleifen arbeiten optimal synchronisiert, um eine reibungslose und präzise Steuerung des Servomotors für lineare Direktantriebe zu gewährleisten.

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Dieses Blogthema wurde in Zusammenarbeit von Motion- und Automationsexperten bei Kollmorgen erstellt, darunter Ingenieure, Customer Service - Mitarbeiter und Applikateure. Gerne helfen wir auch bei Ihrem Projekt.

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