Grundlagen der Antriebstechnik
Was ist eigentlich ein Servomotor?
Wo kommen denn die kleinen Babys her? Es gibt Fragen, die können einen ganz schön in Verlegenheit bringen. Auch in der Automatisierungs- und Antriebstechnik, beispielsweise: Was ist eigentlich ein Servomotor? Die Antwort mag bisweilen verschieden ausfallen, denn was genau ein Servomotor ist, wird tatsächlich unterschiedlich interpretiert.
Bild: Dunkermotoren GmbHZum Unternehmen
Als Antriebshersteller entwickelt und produziert Dunkermotoren mit etwa 1.200 Mitarbeitern hochwertige lineare und rotative elektrische Antriebssysteme. Aufgrund des modularen Baukastensystems mit Antriebskomponenten bis 1.100W Dauerabgabeleistung und der Integration von Logik- und Leistungselektronik mit verschiedenen Busschnittstellen bietet Dunkermotoren seinen Kunden hohe Flexibilität. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Bonndorf im Schwarzwald ist weltweit tätig und nach eigenen Angaben Weltmarktführer im Bereich integrierter, smarter BLDC-Servoantriebe.
Der Begriff Servo stammt vom lateinischen Servus, also dem Sklaven ab. Der Begriff Motor vom lateinischen moto (ich bewege). So unschön die Herkunft des Begriffes ist, so passend ist doch der Begriff Servomotor für einen fleißigen Diener, der etwas bedingungslos bewegt. Gäbe es keine weiteren Einschränkungen, wäre damit auch ein ungeregelter Bandantrieb oder ein einfacher Lüftermotor eingeschlossen. Das ist aber im allgemeinen Verständnis nicht so.
Regelung und Rückmeldung
Generell wird ein Servomotor als ein Motor verstanden, der zumindest über eine Regelung verfügt bzw. eine Rückmeldung über seine dreh- oder lineare Position liefern kann. Hier einige Definitionen aus Literatur und Internet:
- • Servomotor (Antriebstechnik): ein beliebiges Antriebssystem mit guter Regelbarkeit.
- • Ein Servomotor ist ein elektrischer Motor, der strom-, drehzahl- und/oder positionsgeregelt ist. Er ermöglicht die Einstellung vorgegebener Ströme, Drehzahlen und/oder Drehwinkel.
- • Als Servomotor werden spezielle Elektromotoren bezeichnet, die die Kontrolle der Winkelposition ihrer Motorwelle sowie der Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung erlauben. Sie bestehen aus einem Elektromotor, der zusätzlich mit einem Sensor zur Positionsbestimmung ausgestattet ist. Die vom Sensor ermittelte Drehposition der Motorwelle wird kontinuierlich an eine meist außerhalb des eigentlichen Motors angebrachte Regelelektronik übermittelt, den so genannten Servoregler, der die Bewegung des Motors entsprechend einem oder mehreren einstellbaren Sollwerten - etwa Sollwinkelposition der Welle oder Solldrehzahl - in einem Regelkreis regelt.
Der nur als Servo bezeichnete Modellbau-Servo, der ja auch eine vorgegebene Drehposition einstellt, wird in den meisten Fällen vom Begriff des Servomotors ausgeschlossen. Servomotor beschreibt damit also keine bestimmte Motorbauart, vielmehr können Servomotoren ganz unterschiedlicher Bauart sein. Auch elektrohydraulische oder elektropneumatische werden teilweise als Servomotoren bezeichnet (im Gegensatz zur Wikipedia Definition). Im Folgenden werden nur noch Elektromotoren als Servomotoren behandelt. Als Servomotoren weit verbreitet sind permanenterregte Synchronmotoren, Asynchronmotoren und bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Aber auch bei diesen Motoren gibt es eine Vielzahl von Begriffen, die teilweise unterschiedlich verwendet werden. Hier eine Übersicht einiger häufig verwendeter Begriffe mit Erklärung:
Bild: Dunkermotoren GmbHAC- und DC-Servomotoren
Als AC-Servomotoren werden in der Regel Motoren bezeichnet, die an Versorgungsspannungen betrieben werden, die direkt durch Gleichrichtung einer Wechselspannung (einphasig oder dreiphasig) erzeugt werden. Dies sind in der Regel Gleichspannungen ab ca. 230VDC bis über 600VDC. Im Gegensatz dazu werden Servomotoren, die direkt an einer Kleinspannung bis ca. 48VDC betrieben werden können, als DC-Servomotoren bezeichnet. Eine Aussage über die Motorbauart lässt diese Einteilung aber nicht zu. Permanenterregte Synchronmotoren werden nach dieser Definition sowohl als AC- als auch als DC-Synchronmotoren verwendet. Asynchronmotoren und Reluktanzmotoren werden hauptsächlich als AC-Servomotoren eingesetzt; permanent- oder fremderregte bürstenbehaftete Gleichstrommotoren eher als DC-Servomotoren. Auch wenn es auf den ersten Blick nicht sinnvoll erscheint, bietet der Markt auch Schrittmotoren, die mithilfe eines Encoders eine Positionsrückführung erhalten und somit als DC Servomotoren angeboten werden.
BLDC- und EC-Servomotoren
BLDC- (Brushless Direct Current) und EC-Antriebe (Electrically Commutated) sind technisch gesehen permanenterregte Synchronmotoren. Oft werden diese Begriffe noch mit eher kleinen, blockkommutierten Motoren, die im Kleinspannungsbereich betrieben werden, verbunden. Mittlerweile werden die als BLDC und EC bezeichneten Motoren häufig feldorientiert angesteuert, wodurch sie in Sachen Dynamik, Geräuschverhalten und Energieeffizienz den als AC-Servo bezeichneten Motoren in nichts nachstehen. Viele Motoren, die als Servomotoren angeboten werden, können selbst nicht drehen, da sie keine integrierten Servoverstärker haben. Lediglich Servomotoren mit integriertem Servoverstärker können ohne externe Komponenten, nach Anlegen einer Versorgungsspannung im Servobetrieb selbstständig, Drehmoment, Drehzahl oder Position regeln. Das geschieht nach Vorgaben über einen Busanschluss oder über digitale bzw. analoge Eingänge. Im Sprachgebrauch hat es sich trotzdem durchgesetzt, dass Motoren, die einen externen Servoverstärker benötigen als Servomotoren bezeichnet werden. Sie stellen sogar nach wie vor den größten Anteil der Servomotoren dar. Die Kombination aus Motor und Verstärker wird in der Regel als Servoantrieb bezeichnet.
Dynamik und Motor-Feedback
Sind alle Servomotoren hochdynamisch? Viele Servomotor-Definitionen gehen auf die Dynamik nicht ein. Dennoch denkt man bei einem Servomotor an einen hochdynamischen Antrieb. Mechanische Zeitkonstanten, also die Dauer von Stillstand bis 63% der Maximaldrehzahl ohne Last, liegen bei hochdynamischen Servomotoren im Bereich von einer bis wenigen Millisekunden. Erreicht wird eine hohe Dynamik durch mehrere Faktoren. Neben einer hohen Flussdichte und einer niedrigen Läufermassenträgheit muss der Servoverstärker auf die Motorwicklung abgestimmt sein, damit der Motor dynamisch arbeiten kann. Resolver waren lange Zeit das Maß der Dinge bei Motor Feedback-Systemen von Servomotoren. Mit der Digitalisierung sind magnetische und optische Systeme, die voll digitale Ausgangssignale liefern, auf dem Vormarsch. Wichtig ist, dass das Feedback-System hinsichtlich Robustheit, Genauigkeit und Schnittstelle zum Servoverstärker passt. Motoren mit voll integriertem Feedback-System und Servoverstärker haben den Vorteil, dass das Feedback-System gleich auf den Regler abgestimmt ist.
Wo kommen denn die kleinen Babys her? Es gibt Fragen, die können einen ganz schön in Verlegenheit bringen. Auch in der Automatisierungs- und Antriebstechnik, beispielsweise: Was ist eigentlich ein Servomotor? Die Antwort mag bisweilen verschieden ausfallen, denn was genau ein Servomotor ist, wird tatsächlich unterschiedlich interpretiert.
Bild: Dunkermotoren GmbHZum Unternehmen
Als Antriebshersteller entwickelt und produziert Dunkermotoren mit etwa 1.200 Mitarbeitern hochwertige lineare und rotative elektrische Antriebssysteme. Aufgrund des modularen Baukastensystems mit Antriebskomponenten bis 1.100W Dauerabgabeleistung und der Integration von Logik- und Leistungselektronik mit verschiedenen Busschnittstellen bietet Dunkermotoren seinen Kunden hohe Flexibilität. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Bonndorf im Schwarzwald ist weltweit tätig und nach eigenen Angaben Weltmarktführer im Bereich integrierter, smarter BLDC-Servoantriebe.
Der Begriff Servo stammt vom lateinischen Servus, also dem Sklaven ab. Der Begriff Motor vom lateinischen moto (ich bewege). So unschön die Herkunft des Begriffes ist, so passend ist doch der Begriff Servomotor für einen fleißigen Diener, der etwas bedingungslos bewegt. Gäbe es keine weiteren Einschränkungen, wäre damit auch ein ungeregelter Bandantrieb oder ein einfacher Lüftermotor eingeschlossen. Das ist aber im allgemeinen Verständnis nicht so.
Dunkermotoren GmbH
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN SPS-Special 2017 - 14.11.17.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
