Ein Servosystem ist ein Bewegungssteuerungssystem mit geschlossenem Regelkreis, das aus drei Kernkomponenten besteht: einem Aktuator (dem Muskel), einem Steuergerät (dem Gehirn), einem Feedback (den Sinnen) und dem Kabel (dem Nervensystem). Diese Elemente arbeiten zusammen, um durch kontinuierliches Feedback und Korrektur präzise, wiederholbare Bewegungen zu erzielen.
In der industriellen Automatisierung ist der Aktuator meist ein Servomotor, während das Steuergerät typischerweise ein Servoantrieb, eine Bewegungssteuerung oder eine Kombination aus beidem ist. Das Feedback kann je nach den Leistungsanforderungen der Anwendung einen Stromsensor, einen Encoder, einen Revolver oder sogar ein Bildverarbeitungssystem umfassen; das Kabel vervollständigt das Servosystem, indem es Strom-, Kommunikations- und Feedbacksignale zwischen Motor, Antrieb und Steuerelementen überträgt. Kabel mit geeigneter Abschirmung und Konstruktion tragen dazu bei, Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Gesamtsystemleistung aufrechtzuerhalten.
Das Verständnis, wie diese Komponenten einzeln funktionieren und wie sie als integriertes Bewegungssystem, zusammenarbeiten, ist die Grundlage für die Auswahl und Optimierung von Servoanwendungen.
Wichtige Erkenntnisse
- Servosysteme basieren auf fünf integrierten Komponenten. Servomotoren, Antriebe, Steuerungen, Feedbacksysteme und Verkabelungen arbeiten zusammen, um eine präzise Bewegungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis zu ermöglichen.
- Die Systemleistung hängt von der Komponentenanpassung ab. Die richtige Auswahl und Integration jeder Bewegungskomponente verbessert Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit.
- Anwendungsanforderungen bestimmen die Auswahl des Servosystems. Belastungs-, Drehmoment-, Präzisions- und Koordinationsanforderungen bestimmen die richtige Kombination aus Motor, Antrieb und Feedback.
- Durch die Optimierung des kompletten Bewegungssystems wird das Risiko reduziert. Ein Ansatz auf Systemebene vereinfacht die Integration, verbessert die Leistung und beschleunigt die Inbetriebnahme.
Was macht ein Servosystem?
Ein Servosystem überwacht und korrigiert kontinuierlich die Bewegung des Servomotors, um eine vorgegebene Position, Geschwindigkeit oder ein vorgegebenes Drehmoment mit hoher Präzision zu erreichen. Wenn der Bewegungscontroller oder Servoantrieb ein Signal an den Motor sendet, sich in eine bestimmte Position zu drehen, beginnt sich der Motor zu bewegen, und das Feedback signalisiert dem Bewegungscontroller oder Servoantrieb, wo und wie schnell sich der Motor bewegt. Der Bewegungscontroller oder Servoantrieb überprüft dann das Feedback und stellt fest, ob der Motor die befohlene Position erreicht hat. Wenn nicht, signalisiert das Steuergerät dem Motor weiterhin, bis es vom Feedbacksystem die Bestätigung erhält, dass der Motor die gewünschte Position erreicht hat.
Dieser geschlossene Bewegungssteuerungsprozess funktioniert ähnlich wie die Prozesse des menschlichen Körpers — ein bemerkenswertes mehrachsiges Bewegungssystem mit Hunderten von Muskeln, mehreren Feedbacksystemen und einem Steuerungssystem, das schnelle Anpassungen vornimmt. Wenn Sie beispielsweise nach einem Glas Wasser greifen, sendet Ihr Gehirn Signale an Ihre Muskeln, während Ihre Augen und Ihr Tastsinn ein kontinuierliches Feedback zur Position des Glases und zur Bewegung Ihrer Hand geben. Ohne bewusstes Nachdenken nimmt Ihr Gehirn unzählige Korrekturen vor, bis Ihre Hand ihr Ziel erreicht. Ein Servosystem führt denselben kontinuierlichen Zyklus aus Befehl, Rückmeldung und Korrektur durch — jedoch in Mikrosekunden. Moderne industrielle Servosysteme verwenden hochentwickelte Controller, mehrere Feedbacksysteme und Hochgeschwindigkeitsprozessoren, um diese Anpassungen mit außergewöhnlicher Präzision auszuführen.
Was sind die Hauptkomponenten eines Servosystems?
Die Grundelemente eines Servosystems erfüllen jeweils eine unterschiedliche, voneinander abhängige Funktion. Eine Aufschlüsselung eines typischen industriellen Servosystems umfasst:
- Servomotor – Der Muskel des Systems ist in einer Vielzahl von Technologien verfügbar, darunter bürsten- oder bürstenlos, mit oder ohne Gehäuse sowie linear oder rotierend. Der Servomotor erzeugt das Drehmoment, das zum Beschleunigen und Bewegen der Last erforderlich ist.
- Servoantrieb – Dies kann entweder das Gehirn des Systems oder ein Teil des Gehirns sein. Einfache Servoregler können Drehmoment und/oder Geschwindigkeit regeln, während leistungsfähigere Servoregler zusätzliche Funktionen bieten und sich als Positioniersteuerungen mit Programmiermöglichkeiten konfigurieren lassen. Ein auf den Servomotor abgestimmter Antrieb steuert die Spannung und den Strom, die der Motor empfängt.
- Servocontroller – Das Gehirn des Systems, das eine Programmierumgebung nutzt, um eine Vielzahl von Optionen für die Maschinensteuerung, den Betrieb von Ein- und Ausgängen und die Verbindung mit einer grafischen Benutzeroberfläche zu ermöglichen. Servocontroller können eigenständig oder in Servolaufwerke integriert sein.
- Feedback – Die Sinne des Systems, typischerweise in den Servomotor integriert. Das Feedbackelement kann aus einem Encoder, Resolver, einem linearen Feedbackgerät, einem Drehzahlmesser oder einem anderen Sensor bestehen. Ausgefeilte Steuerungssysteme können fortschrittlichere Formen des Feedbacks umfassen, beispielsweise ein Bildverarbeitungssystem.
- Verkabelung – Das Nervensystem des Servosystems verbindet Feedback, Kommunikation und Energie zwischen Gehirn, Muskeln und Sinnen miteinander verbindet.
Welche Art von Feedbacksystem wird in einem Servosystem verwendet?
Das Feedback eines Servosystems meldet Motorposition und -geschwindigkeit in Echtzeit an das Steuergerät und ermöglicht so die Korrektur des geschlossenen Regelkreises, die die Servoleistung definiert. Die gebräuchlichsten Feedbacksysteme sind Encoder und Resolver, die beide typischerweise direkt in den Servomotor integriert sind.
Encoder (inkrementell oder absolut) wandeln die Wellenposition in digitale Signale um und werden häufig in industriellen Bewegungssteuerungsanwendungen eingesetzt. Resolver sind analoge Geräte, die wegen ihrer Robustheit in rauen Umgebungen geschätzt werden. Anspruchsvollere Anwendungen können lineare Feedbacksysteme zur direkten linearen Positionsmessung, Drehzahlmesser zur Geschwindigkeitsrückkopplung oder Bildverarbeitungssysteme für komplexe räumliche Rückkopplungen umfassen.
Die Präzisionsanforderungen der Anwendung treiben die Auswahl des Feedbacksystems voran. Die Rückkopplung mit höherer Auflösung, die feinere Positionsgenauigkeit und die engere Regelkreisleistung. Für einen tieferen Einblick schauen Sie sich unser Whitepaper zur Auswahl des richtigen Servopositions-Feedbacksystems an.
So wählen Sie den richtigen Servomotor und Antrieb für Ihre Anwendung aus
Die Auswahl des richtigen Servomotors und Antriebs erfordert eine strukturierte Analyse der Systemleistungsanforderungen. Das zum Beschleunigen und Bewegen der Last erforderliche Drehmoment bestimmt die Größe des Servomotors, was wiederum die Auswahl des Servoantriebs einschränkt. Der folgende Prozess deckt die wichtigsten Entscheidungspunkte ab:
1. Definieren Sie Last- und Drehmomentanforderungen
Berechnen Sie die Drehmoment- und Trägheitsanforderungen der Anwendung, einschließlich Beschleunigung, Verzögerung und Dauerbetriebslasten. Dadurch wird die Mindestgröße des Servomotors bestimmt.
2. Ermitteln Sie die erforderlichen Präzisions-, Feedback- und Sicherheitsanforderungen
Die Genauigkeits-, Leistungs- und Sicherheitsanforderungen der Anwendung bestimmen die Art des Feedbacksystems und alle funktionalen Sicherheitsfunktionen, die im Antriebssystem erforderlich sind. Hochpräzise Anwendungen erfordern typischerweise hochauflösende absolute Encoder.
3. Passen Sie den Servoantrieb an den Motor an
Wählen Sie einen Servoantrieb aus, der für die Spannung, den Strom und die Kommunikationsschnittstelle des Motors ausgelegt ist. Ein richtig abgestimmter Antrieb und Motor gewährleisten eine stabile Regelung im geschlossenen Regelkreis und schützen beide Komponenten davor, außerhalb ihrer Nennparameter zu arbeiten.
4. Bewerten Sie die Koordinations- und Controlleranforderungen
Die Anzahl der Achsen, der Grad der Koordination zwischen den Achsen und die erforderliche Reaktionsgeschwindigkeit bestimmen, ob ein eigenständiger Servoantrieb mit eingebetteter Positionierungsfähigkeit ausreicht oder ob ein dedizierter Servocontroller erforderlich ist.
5. Überprüfen Sie die Verkabelung und Systemintegration
Bestätigen Sie, dass Feedback, Kommunikation und Stromverkabelung für die Umgebung und Systemarchitektur spezifiziert sind. Die Verkabelung ist das Nervensystem des Servosteuerungssystems. Unterdimensionierte oder nicht übereinstimmende Kabel führen zu Signalfehlern, die die Leistung beeinträchtigen können.
Nächster Schritt: Starten des Auswahlprozesses
Dies alles zusammenzustellen, kann eine erhebliche Aufgabe sein. Wenn Sie an der Auswahl eines Servosystems für ein neues Maschinendesign arbeiten, lassen Sie sich von den Antriebsexperten von Kollmorgen dabei helfen, die richtige Kombination für Ihre Anwendungsanforderungen zu finden.
Mit diesen zugehörigen Ressourcen können Sie auch tiefer in jede Phase des Prozesses eintauchen:
- So wählen Sie ein Servomotor aus – erfahren Sie, wie Drehmoment, Geschwindigkeit, Trägheit, physikalische Größe und Umgebungsbedingungen die Motorauswahl beeinflussen.
- So wählen Sie ein Servoantrieb aus – verstehen Sie, wie Spannung, Strom, Feedbackoptionen und Kommunikationsprotokolle den richtigen Servoantrieb für Ihre Anwendung bestimmen.
- Erste Schritte: Dimensionierung und Auswahl von Servos – Erkunden Sie einen Ansatz auf Systemebene zur Dimensionierung von Motoren, Antrieben, Feedbacksystemen und Kabeln für optimale Maschinenleistung.
- Auswahl der richtigen Kabel für Ihr System – Erfahren Sie, wie sich Kabeldesign, Abschirmung und Umgebungsbedingungen auf die Signalintegrität, Zuverlässigkeit und Gesamtsystemleistung auswirken.
Häufig gestellte Fragen
Wie unterscheidet sich ein Servosystem von einem Open-Loop-Antriebssystem?
Ein Servosystem basiert auf einem geschlossenen Regelkreis, der Position, Drehzahl und Drehmoment des Motors kontinuierlich erfasst und bei Abweichungen automatisch korrigiert. Ein System mit offenem Regelkreis hingegen überprüft die tatsächliche Bewegung nicht und arbeitet ohne entsprechendes Feedback. Da Servosysteme Fehler in Echtzeit erkennen und korrigieren, bieten sie eine höhere Genauigkeit, eine bessere dynamische Leistung und einen zuverlässigeren Betrieb bei anspruchsvollen Antriebsanwendungen.
Was ist der Unterschied zwischen einem Servoantrieb und einem Servocontroller?
Ein Servoantrieb regelt die an den Servomotor gelieferte Spannung und den Strom, während ein Servocontroller übergeordnete Maschinenfunktionen wie Bewegungssequenzierung, Koordination und E/A verwaltet. Einige fortschrittliche Servoantriebe kombinieren beide Funktionen, während andere einen separaten Controller erfordern. Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen Servoantrieben und Antriebssteuerungen.
Kann ein Servoantrieb als Servocontroller fungieren?
Servoantriebe höherer Ebene können über Positionierungs- und Programmierfunktionen verfügen, sodass sie als kombinierter Antrieb und Controller für ein- oder mehrachsige Anwendungen ohne separaten Bewegungscontroller fungieren können. Für komplexe Maschinen, die eine koordinierte mehrachsige Bewegung erfordern, bieten dedizierte Servocontroller jedoch eine umfassendere E/A-Verwaltung, Programmierumgebungen und grafische Benutzeroberflächen, die eigenständige Servolaufwerke nicht bieten.
Wie wirkt sich das Feedbacksystem auf die Leistung des Servosystems aus?
Die Qualität des Feedbacks hat direkten Einfluss auf die Positionsgenauigkeit und die Dynamik eines Servosystems. Eine höhere Feedbackauflösung ermöglicht präzisere Regelkreise und damit eine höhere Bewegungsgenauigkeit. Encoder und Resolver sind die am häufigsten verwendeten Feedbacksysteme in industriellen Servosystemen. Bei Anwendungen mit extremer Präzision oder Umweltanforderungen können jedoch lineare Feedbacks, Drehzahlmesser oder Bildverarbeitungssysteme erforderlich sein, um die erforderliche Leistung zu erzielen.
