Funktionsweise von Servomotoren

Wie funktioniert ein Servomotor? Ein Servomotor ist ein elektromechanisches Gerät, das auf der Grundlage des zugeführten Stroms und der Spannung ein Drehmoment und eine Geschwindigkeit erzeugt. Ein Servomotor arbeitet als Teil eines geschlossenen Regelkreissystems, das ein Drehmoment und eine Geschwindigkeit liefert, die von einem Servoregler vorgegeben werden, der ein Rückführsystem zum Schließen des Regelkreises nutzt. Das Rückführsystem liefert Informationen wie Strom, Geschwindigkeit oder Position an den Servoregler, der die Motoraktion in Abhängigkeit von den Sollparametern anpasst.

Servomotoren sind in einer Vielzahl von Typen, Formen und Größen erhältlich. Der Begriff Servo wurde erstmals 1859 von Joseph Facort verwendet, der einen Rückführmechanismus einführte, um die Steuerung eines Schiffes mit Dampf zur Steuerung der Ruder zu unterstützen. Ein Servomotor ist Teil eines Servomechanismus, der aus drei Schlüsselelementen besteht: einem Motor, einem Rückführsystem und einer Steuerelektronik. Der Motor kann AC/DC, mit Bürsten oder bürstenlos, rotierend oder linear und von beliebiger Größe sein. Das Rückführsystem kann ein Potenziometer, ein Halleffektgerät, ein Tachometer, ein Resolver, ein Encoder, ein linearer Umformer oder ein beliebiger anderer Sensor sein. 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 Servomotor wie vorgesehen arbeitet. Es gibt viele Arten von Anwendungen für Servomotoren, von einfachen Gleichstrommotoren, die in Hobbyanwendungen (wie z. B. Modellflugzeugen) verwendet werden, bis hin zu hochentwickelten bürstenlosen Motoren, die von komplexen Motionssteuerungen angetrieben werden, die für mehrachsige Bearbeitungszentren verwendet werden. Ein Beispiel für einen gemeinsamen Servomechanismus ist ein Fahrzeuggeschwindigkeitsregler, der aus einem Motor (dem Motor), einem Geschwindigkeitssensor (Rückführung) und einer Elektronik zum Vergleich der Fahrzeuggeschwindigkeit mit der eingestellten Geschwindigkeit besteht. Wird das Fahrzeug langsamer, leitet der Sensor diese Daten an die Elektronik weiter, die wiederum das Gas zum Motor erhöht, um die Geschwindigkeit auf den gewünschten Sollwert zu erhöhen – ein einfaches System mit geschlossenem Regelkreis.

Ein einfacher industrieller Servomotor besteht aus einem Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit einem integrierten Tachometer, der eine zur Geschwindigkeit proportionale Ausgangsspannung liefert. Die Antriebselektronik liefert die erforderliche Spannung und den erforderlichen Strom an den Motor, basierend auf der vom Tachometer rückgeführten Spannung. In diesem Beispiel wird eine Solldrehzahl (dargestellt als Soll-Referenzspannung) im Treiber eingestellt. Dann vergleicht die Schaltung im Treiber die Tachometer-Rückführspannung und stellt fest, ob die gewünschte Drehzahl erreicht wurde – als geschlossene Geschwindigkeitsschleife bekannt. Die Geschwindigkeitsschleife überwacht die Sollgeschwindigkeit und die Tachometer-Rückführung, während der Treiber die Leistung für den Motor so anpasst, dass die gewünschte Sollgeschwindigkeit beibehalten wird.

In einem anspruchsvolleren Servosystem werden mehrere integrierte Regelkreise für eine optimale Leistung abgestimmt, um eine präzise Bewegungssteuerung zu ermöglichen. Das System besteht aus Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsschleifen, die Präzisions-Rückführelemente 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 Drehmomentschleife. Der Strom ist proportional zum Drehmoment in einem Rotationsmotor (oder der Kraft in einem Linearmotor), der für Beschleunigung oder Schub sorgt. Ein Stromsensor ist das Gerät, das eine Rückführung in Bezug 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 Sollsignal 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. Die Geschwindigkeitsschleife sendet der Stromschleife einen Befehl zur Erhöhung des Stroms (und damit zur Erhöhung der Spannung), wenn die Geschwindigkeit unter die Sollgeschwindigkeit fällt.

Der Positionsregelkreis akzeptiert einen Befehl für eine SPS oder eine Antriebssteuerung, die wiederum einen Geschwindigkeitsbefehl liefert, der dem Geschwindigkeitsregelkreis zugeführt wird, der wiederum den erforderlichen Strom zum Beschleunigen, Halten und Abbremsen des Motors anweist, um den Motor in die befohlene Position zu bewegen. Alle drei Schleifen arbeiten mit optimierter Synchronität, um eine reibungslose und präzise Steuerung des Servomechanismus zu gewährleisten.