Wie funktioniert ein Servomotor? Ein Servomotor ist ein elektromechanisches Gerät, das auf der Grundlage des zugeführten Stroms und der zugeführten Spannung Drehmoment und Geschwindigkeit erzeugt. Ein Servomotor arbeitet als Teil eines geschlossenen Regelkreissystems und liefert Drehmoment und Geschwindigkeit, die von einem Servocontroller vorgegeben werden, wobei ein Rückkopplungsgerät zum Schließen des Regelkreises verwendet wird. Das Feedback-Gerät liefert Informationen wie Strom, Geschwindigkeit oder Position an den Servocontroller, der die Motoraktion abhängig von den befohlenen Parametern anpasst.
Servomotoren sind in einer Vielzahl von Typen, Formen und Größen erhältlich. Der Begriff Servo wurde erstmals 1859 von Joseph Facort verwendet, der einen Rückkopplungsmechanismus implementierte, 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 Rückkopplungsgerät und einer Steuerelektronik. Der Motor kann Wechselstrom oder Gleichstrom, bürstenbehaftet oder bürstenlos, rotierend oder linear sein und jede Größe haben. Das Rückkopplungsgerät kann je nach Bedarf ein Potentiometer, ein Hall-Effekt-Gerät, ein Drehzahlmesser, ein Resolver, ein Encoder, ein linearer Wandler oder ein beliebiger anderer Sensor sein. Abgerundet wird das Servosystem durch die Steuerelektronik, die den Motor antreibt und die Rückmeldungsdaten und Befehlsreferenzen vergleicht, um zu überprüfen, ob der Servomotor wie befohlen arbeitet. Es gibt viele Arten von Servomotoranwendungen, von einfachen Gleichstrommotoren für Hobbyanwendungen (z. B. Modellflugzeugen) bis hin zu anspruchsvollen bürstenlosen Motoren, die von komplexen Bewegungssteuerungen angetrieben werden und für mehrachsige Bearbeitungszentren verwendet werden. Ein Beispiel für einen üblichen Servomechanismus ist die Geschwindigkeitsregelung eines Fahrzeugs, die aus einem Motor (dem Motor), einem Geschwindigkeitssensor (Rückmeldung) und einer Elektronik zum Vergleich der Fahrzeuggeschwindigkeit mit der eingestellten Geschwindigkeit besteht. Wenn das Fahrzeug langsamer wird, leitet der Sensor diese Daten an die Elektronik weiter, die wiederum mehr Gas zum Motor gibt, um die Geschwindigkeit auf den gewünschten Sollwert zu erhöhen – ein einfaches geschlossenes System.
Ein einfacher industrieller Servomotor besteht aus einem Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit integriertem Drehzahlmesser, der eine zur Geschwindigkeit proportionale Ausgangsspannung liefert. Die Antriebselektronik liefert auf Basis der vom Drehzahlmesser rückgekoppelten Spannung die nötige Spannung und den nötigen Strom an den Motor. In diesem Beispiel wird im Treiber eine befohlene Geschwindigkeit (dargestellt als Befehlsreferenzspannung) eingestellt, dann vergleicht die Schaltung im Treiber die Rückkopplungsspannung des Drehzahlmessers und bestimmt, ob die gewünschte Geschwindigkeit erreicht wurde – ein sogenannter geschlossener Geschwindigkeitsregelkreis. Der Geschwindigkeitsregelkreis überwacht die befohlene Geschwindigkeit und die Rückmeldung des Drehzahlmessers, während der Fahrer die Leistung des Motors anpasst, um die gewünschte befohlene Geschwindigkeit beizubehalten.
In einem anspruchsvolleren Servosystem sind mehrere eingebettete Regelkreise auf optimale Leistung abgestimmt, um eine präzise Bewegungssteuerung zu ermöglichen. Das System besteht aus Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsschleifen, die Präzisionsrückkopplungselemente nutzen. Jede Schleife signalisiert der nachfolgenden Schleife und überwacht die entsprechenden Rückkopplungselemente, um Echtzeitkorrekturen vorzunehmen, um sie an die befohlenen Parameter anzupassen.
Die Basisschleife ist die Strom- oder Drehmomentschleife. Der Strom ist proportional zum Drehmoment in einem Rotationsmotor (oder zur Kraft in einem Linearmotor), was für Beschleunigung oder Schub sorgt. Ein Stromsensor ist ein Gerät, das eine Rückmeldung über den durch den Motor fließenden Strom liefert. Der Sensor sendet ein Signal zurück an die Steuerelektronik – typischerweise ein analoges oder digitales Signal proportional zum Motorstrom. Dieses Signal wird vom befohlenen Signal subtrahiert. Wenn der Servomotor den befohlenen Strom erreicht, wird die Schleife erfüllt, bis der Strom unter den befohlenen Strom fällt. Die Schleife erhöht dann den Strom, bis der befohlene Strom erreicht ist, wobei der Zyklus mit Aktualisierungsraten von weniger als einer Sekunde fortgesetzt wird.
Die Geschwindigkeitsschleife funktioniert auf die gleiche Weise mit einer zur Geschwindigkeit proportionalen Spannung. Die Geschwindigkeitsschleife sendet der Stromschleife einen Befehl, den Strom zu erhöhen (und damit die Spannung zu erhöhen), wenn die Geschwindigkeit unter die befohlene Geschwindigkeit fällt.
Der Positionsregelkreis akzeptiert einen Befehl für eine SPS oder einen Bewegungscontroller, der wiederum einen Geschwindigkeitsbefehl bereitstellt, der dem Geschwindigkeitsregelkreis zugeführt wird, der wiederum den erforderlichen Strom anweist, um den Motor zu beschleunigen, aufrechtzuerhalten und zu verlangsamen, um sich in die befohlene Position zu bewegen . Alle drei Schleifen arbeiten in optimierter Synchronität, um eine reibungslose und präzise Steuerung des Servomechanismus zu gewährleisten.