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Servomotor

Servomotor - Definition und Funktionsweise

Der Servomotor gliedert sich in die Gruppe der Elektromotoren ein und definiert sich grundlegend über seine äußerst ausgeprägte Regelbarkeit und entsprechende Ansteuerungsmöglichkeiten. Er erlaubt in diesem Zusammenhang die genaue Regelung von Winkelposition, Beschleunigung und Geschwindigkeit. Um dieser Charakteristik gerecht zu werden, zählt neben dem Servomotor an sich ein kompatibler Rotorlagesensor zur Grundarchitektur eines jeden Servomotors. Besagter Rotorlagesensor, auch Positionssensor, Drehgeber oder Motorfeedbacksystem genannt, ist in der Lage, die zu einem bestimmten Zeitpunkt gegebene Motorwellenposition präzise zu erfassen.

Für die darauffolgende Verarbeitung der Informationen und mögliche Anschlussjustierungen ist eine Regelelektronik zuständig – der sogenannte und in der Regel außerhalb des Servomotors installierte Servoregler. Dieser vergleicht die aktuelle mit vorgesehenen Werten und berichtigt sie bei Bedarf, wodurch ein Regelkreis entsteht. Der beschriebene Vorgang geschieht fortlaufend und hat das Ziel, potenzielle Unterschiede zwischen Soll und Ist auf ein Minimum zu senken oder vielmehr auszugleichen. Grundsätzlich hält der Rotor des Servomotors allerdings seine festgelegte Stellung; erst durch die Einwirkung von Last, Druck oder anderen Rahmenbedingungen kommen Positionsänderungen zustande.

Als Regelsystem trägt der Regelkreis maßgeblich zur Konzeption eines Servomotors bei. Dessen Betrieb kann entweder momentengeregelt, geschwindigkeitsgeregelt oder positionsgeregelt sein. Eine Verflechtung dieser Varianten ist durch komplexe Regelsysteme mit Kaskadierung möglich.

Mit Motor und Regler zum Servoantrieb

Das Zusammenspiel von Servomotor und Servoregler im geschlossenen Regelkreis wird als Servoantrieb bezeichnet. Dabei spielt es in erster Instanz lediglich eine untergeordnete Rolle, über welche Bauart der elektrische Motor verfügt. Ob Gleichstrommotor, Synchronmotor oder doch Asynchronmotor – durch den Betrieb im geschlossenen Regelkreis mit einem Servoregler rangiert der Servoantrieb zur kompakten Antriebseinheit.

Der Stellmotor (z.B. Schrittmotor) grenzt sich dagegen in Bezug auf die Ansteuerung ab. Während der Servomotor im geschlossenen Regelkreis, also "geregelt" betrieben wird, ist bei Stellmotoren nur ein gesteuerter, sprich "ungeregelter" Betrieb, möglich.

Fallweise wird beim Servoantrieb zur Anpassung von Drehzahl und Drehmoment an die Applikation ein Getriebe eingesetzt. In der Praxis müssen Servomotor und Regler aufeinander abgestimmt sein, um effizient zu arbeiten. Dank flexibler Konfigurationsmöglichkeiten weisen Servoantriebe der Harmonic Drive SE – wie unter anderem der CanisDrive® und der LynxDrive® – eine hohe Kompatibilität zu nahezu jedem Servoregler auf dem Markt auf. Mit dem Servoregler der Baureihe YukonDrive®, der speziell auf die Bedürfnisse der Harmonic Drive® Servoantriebe abgestimmt ist, steht ein vorkonfiguriertes Antriebssystem samt Servomotor aus einer Hand zur Verfügung. Bei spezifischen Anwendungen bieten vorkonfigurierte Harmonic Drive® Antriebssysteme eine individualisierte Lösung.

Generelle Komponenten eines Servoantriebs

  • Servo-Umrichter samt Leistungs- und Steuerelektronik

  • Servomotor mit Messeinrichtungen und Bremse zwecks Halten im Stillstand

  • Getriebe zur Wandlung von Drehzahl und Drehmoment

Exakte Positionserfassung - das A und O des Servomotors

Unterschiedliche Möglichkeiten bieten sich nicht nur hinsichtlich des Servomotor-Typs, denn bei der Erfassung der Rotorposition existieren ebenfalls verschiedene Messmethoden. Hier unterscheidet man im Wesentlichen inkrementelle, singleturn absolute und multiturn absolute Messgeräte zur Positionserfassung.

Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal bei der Positionserfassung liegt in der physikalischen Art der Positionserzeugung. Hier werden im Wesentlichen optische, magnetische, elektromagnetische, induktive oder kapazitive Messverfahren eingesetzt. Die erfassten Rohsignale werden im Allgemeinen im Rotorlagesensor aufbereitet und als inkrementelle, singleturn absolute oder multiturn absolute Positionswerte an den Servoregler weitergegeben.

Abhängig vom gewählten Drehgeber werden dabei analoge Signale, analoge- und digitale aber auch rein digitale Signale Übertragen. Als Datenschnittstelle für die digitalen Signale wird in Europa typischerweise ein EnDat®, HIPERFACE®, BiSS oder SSI Interface verwendet.

Anwendungsbereiche und Formen

Servomotoren kommen in erster Linie dort zum Einsatz, wo enorme Präzision und Dynamik erforderlich sind. So finden sie unter anderem in industriellen Anlagen und automatisierten Fertigungen, aber auch in unterschiedlichsten Anwendungen in Verpackungs- und Werkzeugmaschinen Verwendung. Letztere profitieren besonders durch moderne Steuerungs- und Regelungstechniken, da diese die Bearbeitung von Werkstücken selbst bei komplexen und aufwändigen Formen ermöglichen.

Ein weiteres Anwendungsfeld von Servomotoren ist die Wehrtechnik. Hier, wo kurze Reaktionszeiten und hohe Trefferwahrscheinlichkeiten maßgeblich sind, vertrauen militärische Landsysteme auf Servomotoren mit hochdynamischer und robuster Regel- und Leistungselektronik. Häufig werden sie dabei in Anzeigegeräten implementiert. Das Einsatzspektrum des Servomotors reicht jedoch weit über die Bereiche Militär und Industrie hinaus. Auf humaner Ebene vollbringen Servoantriebe im Rahmen von sogenannten Exoskeletten große Leistungen. Um Menschen mit gesundheitlicher Beeinträchtigung – beispielsweise Lähmungen oder Krankheiten wie Muskelschwund und Parkinson – bei alltäglichen Bewegungsabläufen zu assistieren, werden nämlich mehrere Servomotoren an einer Stützstruktur angebracht. Das Exoskelett wird am Körper angelegt, wobei die angebrachten Servomotoren exakt festgelegte Bewegungsmuster unterstützen und gegebenenfalls die Voraussetzung für das Gehen und Stehen schaffen.

Servomotoren als Fundament der Robotik

Eine elementare Basis stellt die Servoantriebstechnik darüber hinaus für die gesamte Robotik dar. Während immer mehr Branchen die Fähigkeiten intelligenter Roboter nutzen und sich Dynamik als auch Komplexität der Geräte dementsprechend rasant weiterentwickeln, bleibt der Servomotor als elektronischer Antrieb in vielen Systemen bestehen. Ob in der Medizin oder Industrie – die stetige Entwicklung der Robotik fördert und fordert im gleichen Zug Servomotoren.

Weitere Anwendungsgebiete des Servomotors sind unter anderem die Automobilbranche, der Geräte-, Maschinen- und Vorrichtungsbau sowie Handhabungs- und Transportanlagen. Dank hervorragender Leistungsdichte und Energieeffizienz weiten sich die Anwendungsbereiche laufend aus.

Hohlwellenantriebe der Harmonic Drive SE