Wie unterscheiden sich Servoantrieb und Motion Controller?

In der Automatisierungstechnik besteht manchmal nur ein feiner Unterschied zwischen Motion Controllern und einfachen Servoantrieben.In vielen Anwendungen sind sowohl Motion Controller als auch Servoantriebe zur Vervollständigung des Systems erforderlich. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, die Funktionsweise und Intelligenz eines jeden Geräts zu verstehen.

Das Servosystem

Ein Servomotor wird mit einem Servoantrieb gesteuert. Dieser versorgt die Motorspulen mit Spannung und Strom und überwacht anschließend die Rückführung, um den Servokreis zu schließen.Meist besteht der Servoantrieb aus drei eingebetteten Servoregelkreisen, der Stromregelung (auch Drehmomentregelung), der Drehzahlregelung und der Positionsregelung. Durch deren gegenseitige Interaktion wird präzise Bewegung erzeugt.Die erwartete Motorbewegung bestimmt schließlich, welche Regelkreise benötigt werden.

• In einer Anwendung zur Drehmomentregelung, die ein bestimmtes Drehmoment benötigt, ist nur die Stromregelung erforderlich.Da das Drehmoment sich direkt proportional zu Strom verhält, wird es über einen Sensor reguliert, der die aktuellen Stromwerte an den Servoantrieb liefert.
• Bei Anwendungen zur Drehzahlregelung finden sich oftmals Strom- und Drehzahlregelungen. Die Drehzahlregelung überwacht einen Sensor, der Informationen zu Drehzahl an den Servoantrieb liefert. Diese Daten werden anschließend zur Anpassung der Stromregelung verwendet, um das Drehmoment zu erhöhen oder zu verringern.
• Schließlich verwendet eine Anwendung zur Positionsregelung einen an den Monitor angeschlossenen Rückführungssensor, der Positionsinformationen an den Servoantrieb oder Motion Controller sendet. Dieser wiederum meldet der Drehzahlregelung, die Geschwindigkeit zu verringern oder zu erhöhen. Diese Informationen werden anschließend an die Stromregelung weitergegeben, um das Drehmoment zu steuern.

Definition der Funktionen von Servoantrieb und Controller

In einer Anwendung zur Drehmomentregelung eines Servomotors versorgt ein „Gerät“ einen Motor mit Strom und Spannung. Dies passiert auf Grundlage eines Sollwerts, der anhand der Stromrückführung gemessen wird.Die korrekte Bezeichnung für die Vorrichtung, die den Motor mit Strom versorgt, lautet Servoverstärker oder Servoantrieb.Ein Strom- oder Drehmomentantrieb ist nutzlos, solange er kein bestimmtes Kommando erhält, das ihm vorgibt, welches Drehmoment er erzeugen soll.Das Kommando kann von verschiedenen Quellen kommen, die im Wesentlichen als „Controller“ fungieren.Das Kommando kann so einfach sein wie die manuelle Einstellung eines Potentiometers durch eine Person, die als Controller fungiert und ein +/- 10-V-Gleichstromsignal, basierend auf dem gewünschten Ausgangsdrehmoment, an den Antrieb sendet.

In einem klassischen Servosystem finden sich drei eingebettete Regelkreise mit verschiedenen Filter- und Ausgleichselementen.Der innere Regelkreis (die Stromregelung) wird von der Drehzahlregelung gesteuert, und diese wiederum wird von der Positionsregelung gesteuert.Die Stromregelung befindet sich immer im Servoantrieb, während sich Drehzahl- und Positionsregelung entweder im Servoantrieb oder im Controller befinden.Die Stromregelung verwendet einen Motorstromsensor zur Messung des Stroms in den Motorwicklungen, während die Drehzahlregelung einen Drehzahlsensor (üblicherweise einen Encoder) benutzt, um die Geschwindigkeit des Motors zu messen. Dieser liefert außerdem Positionsinformationen, um den Positionsregelkreis zu schließen.

Motion Controller sind mikroprozessorbasierte Geräte mit komplexen Algorithmen, die pulsweitenmodulierte (PWM) Wellenformen erzeugen. Leistungstransistoren im Servoantrieb übertragen Strom- und Spannungswellenformen und versorgen so den Motor mit Energie. Der Motion Controller verarbeitet üblicherweise die Rückführungsinformationen der verschiedenen Servokreise.Controller verwenden Rückführungsinformationen, um den Motor so zu kommutieren, dass er sich exakt so verhält, wie es der Mikroprozessor vorgibt.Im Wesentlichen dient die vom Mikroprozessor bereitgestellte Intelligenz als Controller, während die Elektronik der Stromversorgungseinheiten als Antrieb fungieren. Unter einem Controller ist grundsätzlich ein Element zu verstehen, das ein bestimmtes Kommando an eine Positions-, Drehzahl- oder Stromregelung sendet, während ein Antrieb Spannung und Strom wie vom Controller angefordert an die Motoren liefert.

Der Controller ist üblicherweise ein programmierbares Gerät, das die Codes, die vom Programmierer bereitgestellt werden, speichert und ausführt.Programmierung wird in verschiedenen Sprachen entwickelt, wie zum Beispiel BASIC, C+/C++, VB und anderen Sprachen, die in der Norm IEC 61131-3 festgelegt sind.Controller haben zahlreiche Sicherheitselemente, um Überspannungen zu verhindern oder Bewegung im Fall von Komponentenausfällen zu stoppen.Bei Antrieben liegt der Fokus hingegen üblicherweise darauf, die Eingangsbefehle des Controllers zu empfangen und die Leistungstransistoren ein- und auszuschalten. So werden der Strom und die Spannung erzeugt, die zur Erreichung des vorgegebenen Drehmoments und der vorgegebenen Drehzahl erforderlich sind.

Aufgrund der Fortschritte im Bereich der Mikroprozessoren und neuen Umschalteinrichtungen sind Controller und Antriebe immer stärker miteinander verbunden, insbesondere in zentralisierten Systemen, bei denen die gesamte Elektronik in einem einzigen Schaltschrank untergebracht ist.In dezentralisierten Lösungen befindet sich der Motion Controller im Schrank, während die Antriebe nahe den Motoren platziert sind und über einen Motion Field Bus mit dem zentralen Motion Controller kommunizieren.