Servoantriebe oder Servoachsen dienen dazu, einer vorgegebenen Sollbewegung zu folgen. Dies sind in der Regel Positionssollwerte in Form von Sollwegen oder Sollwinkeln . Das heißt, dass der Servoantrieb einem vorgegebenen Sollweg oder Sollwinkel mit geringer Abweichung folgen soll. Dazu sind eine Messung der Istwerte und eine Regelung zum Vergleich der Soll- und Istwerte erforderlich.
Ein Servoantrieb ist entsprechend ein Antrieb mit elektronischer Lage-, Geschwindigkeits- oder Momentenregelung (oder eine Kombination derselben) mit hohen bis sehr hohen Anforderungen an die Dynamik, die Stellbereiche und/oder die Genauigkeit der Bewegung. Servoantriebe werden häufig eingesetzt in Maschinen des produzierenden Gewerbes (etwa in Werkzeugmaschinen) und in Automatisierungslösungen (Verpackungsmaschinen, Industrieroboter).
Einsatz- und Betriebsbedingungen Der Einsatz von Servoantrieben ist dadurch gekennzeichnet, dass sie häufig mit starken Drehzahl- und Drehmomentänderungen sowie hoher Überlast und Haltemoment im Stillstand betrieben werden. Sie dienen häufig zum Bewegen von Maschinenteilen, etwa Greifern oder Roboterarmen. Bei Anwendungen mit kontinuierlicher Drehung steht die Winkelsynchronisation im Vordergrund, z. B. bei den verschiedenen Farbwalzen einer Druckmaschine.
Komponenten Servoantriebe haben die typischen Elemente eines mechatronischen Systems, das als funktionale Einheit zusammenwirkt: Aktuator Gleichstrommotoren Asynchronmotoren Synchronmotoren BLDC/BLAC-Motor Leistungselektronik Bremsen Sensoren Strom-, Drehzahl- und Winkelsensor oder Geschwindigkeits- und Wegsensor Regler häufig kaskadierter PID-Regler (Regler mit Proportional-, Integral- und Differential-Anteil) Sollwertgenerierung Berechnung der Sollwerte für Weg und Geschwindigkeit bzw. Winkel und Drehzahl Mechanik Umsetzung der Motorbewegung in die von der Maschine benötigte Bewegung.
Aufbau Servoantriebe bestehen aus einem Servomotor; der Servomotor für rotative Servoantriebe ist ein Synchron- oder Asynchronmotor mit in der Regel schlanker Bauform und hoher Überlastbarkeit. Damit wird ein hohes Beschleunigungsvermögen erreicht.Zur Rückführung der Geschwindigkeit und der Lage besitzt der Servomotor einen integrierten Winkelgeber. Eine integrierte Bremse im Motor dient dazu, die Position des Motors auch im stromlosen Zustand, z. B. nach Abschalten der Maschine, festzuhalten, so dass insbesondere vertikale Achsen in ihrer Position bleiben.Für besonders präzise Linearbewegungen werden auch Linearmotoren eingesetzt. dem Servoumrichter mit Leistungselektronik Regelung; sie ermittelt aus den Signalen des Winkelgebers den Ist-Drehwinkel und die Ist-Geschwindigkeit des Motors und errechnet daraus die Stellgrößen, um die Sollwerte zu erreichen Der Servoumrichter versorgt den Servomotor mit dem für die Bewegung erforderlichen Strom. Dazu enthält der Servoumrichter neben der Leistungselektronik eine hochdynamische Regelung für Strom, Geschwindigkeit und Position. Ferner gehören eine Auswerteelektronik für den Lagegeber des Motors sowie eine Schnittstelle zur Datenübertragung/Kommunikation mit der Maschinensteuerung zum Servoumrichter. Zur Ausstattung eines Servoumrichters gehören grundsätzlich Überwachungseinrichtungen gegen Kurzschluss, Überlast oder Übertemperatur. Häufig bietet der Servoumrichter auch einen gewissen Umfang an Steuerungsfunktionen zur Bewegungsführung und zur Steuerung eines Teils der Maschine. ggf. Getriebe zur Drehzahlanpassung oder zur Umsetzung der Drehbewegung in eine Linearbewegung; sie sind zur Übertragung der starken Drehmomentänderungen in der Regel mit geringerem Spiel und höherer Belastbarkeit als Standardlösungen ausgelegt. Je nach Anwendung werden diese Komponenten in unterschiedlichen Ausprägungen kombiniert, folgende sind typisch: Motor Getriebe Leistungselektronik / Steller Regler Sensor Anmerkung Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit Kommutator ja elektronischer Schalter 3-Punkt-Regler Potentiometer zur Messung des Winkel-Istwertes Stellservoantrieb Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit Kommutator ja Gleichstromsteller mit Pulsweitenmodulation PI-Regler Inkrementalgeber zur Messung des Winkel-Istwertes bürstenloser Permanentmagnetmotor BLDC ja Blockumrichter mit Pulsmodulation PI-Regler Inkrementalgeber mit Kommutierungssignalen zur Messung des Winkel-Istwertes und zur Steuerung der Kommutierung bürstenloser Permanentmagnetmotor mit Sinusspannung BLAC ja Pulsumrichter Regler mit Vektorsteuerung, Resolver Inkrementalgeber oder Sin-Cos-Geber zur Messung des Winkel-Istwertes, der Drehzahl und zur Steuerung der Kommutierung bürstenloser Permanentmagnetmotor mit Sinusspannung BLAC nein Pulsumrichter Regler mit Vektorsteuerung, Resolver Inkrementalgeber oder Sin-Cos-Geber zur Messung des Winkel-Istwertes, der Drehzahl und zur Steuerung der Kommutierung Direktantrieb Permanentmagnet-Linearmotor mit Sinusspannung nein Pulsumrichter Regler mit Vektorsteuerung Inkrementalgeber oder Sin-Cos-Geber zur Messung des Positions-Istwertes, der Geschwindigkeit und zur Steuerung der Kommutierung Direktantrieb Asynchronmotor mit Sinusspannung ja Pulsumrichter Regler mit Vektorsteuerung, Resolver Inkrementalgeber oder Sin-Cos-Geber zur Messung des Winkel-Istwertes, der Drehzahl und zur Steuerung der Kommutierung Am Markt gibt es weitere Antriebsausprägungen, z. B. andere Sensoren für die Drehzahl- und Winkelerfassung oder andere Ausführungen der Leistungselektronik.
Anwendungen Servoantriebe werden sowohl für dynamische Positionieranwendungen, präzise Bewegungen aber auch für einfache Positionieraufgaben eingesetzt. Im Folgenden werden typische Anwendungen dargestellt:
Produktionsmaschinen Dynamische Positionieranwendungen in Produktionsmaschinen Verpackungsmaschinen Bestückungsmaschinen für die Elektronikproduktion Handhabungs- und Montagemaschinen Sägen, Pressen Bohrmaschinen Roboter für Positionieranwendungen Spiegelverstellungen für Laserschweißanlagen Punktschweißanlagen Präzise Anwendungen in Produktionsmaschinen Schweißmaschinen für Bahnschweißen, Reibschweißen Laserschneidanlagen Wasserstrahlschneidanlagen Druckmaschinen, besonders für den Mehrfarbendruck Werkzeugmaschinen, z. B. Drehmaschinen, Fräsmaschinen Plotter Klebemaschinen fliegende Sägen, lineare Querschneider rotative Querschneider Ventilverstellungen, Klappenverstellungen, Leitradeinstellungen an Turbinen Kraftfahrzeuge Servolenkung Unterstützung der Lenkbewegung des Fahrers, Lenkung bei Assistenzsystemen, z. B. Parkassistent, Spurhalteassistent Klappenverstellungen am Verbrennungsmotor Zuluft Abgasrückführung Bürotechnik Drucker, Plotter, Scanner Modellbau Lenkung und Steuerung von Fahrzeugen Lenkung von Landfahrzeugen Ruderverstellung von Wasserfahrzeugen Flügel- und Klappenverstellung bei Flugzeugen Bewegung von Komponenten zur Nachbildung von Bewegungen aus der Realität bewegte Personen oder Tiere öffnen und schließen von Toren und Schranken bewegen von Kränen, Schiffsaufbauten u. ä.
Kennwerte für das dynamische Verhalten Zusammenfassung der Kennwerte Servoantriebe sind durch hohe Dynamik und Genauigkeit gekennzeichnet. Die folgende Tabelle führt die Mindestanforderungen für rotierende Servoantriebe im Drehmomentbereich bis 50 Nm auf. Die Bedeutung der Kennwerte wird weiter unten erläutert. Die Werte der Tabelle können sinngemäß auf Linearbewegungen übertragen werden.
Kenngröße Ausdruck Anforderung für Servoantriebe Überlastbarkeit Zykluszeit Sollwerte und Lageregelung Bandbreite geschlossener Stromregelkreis
, Bandbreite geschlossener Geschwindigkeitsregelkreis
, Bandbreite geschlossener Lageregelkreis
, Leistungsvermögen Geschwindigkeitsregelkreis ,
, Anmerkungen: : Maximaldrehmoment, : Haltedrehmoment, : Motor-Massenträgheitsmoment, : Bemessungsdrehzahl
Erläuterung der Kennwerte Servoantriebe sind für Bewegungen mit hoher Präzision und Dynamik gemacht. Daher ist die Qualität eines Servoantriebs durch Kennwerte für das dynamische Verhalten und die Präzision für die mechanischen Größen Drehmoment, Geschwindigkeit und Lage beschrieben. Die folgende Darstellung konzentriert sich auf rotierende Antriebe. Linearantriebe werden in der gleichen Weise behandelt. Anwendungen für Servoantriebe sind durch die Zykluszeit des Bearbeitungsprozesses und die geforderte Genauigkeit der Bewegung gekennzeichnet.
Dies führt zu folgenden Fragen, die durch geeignete Kennwerte beantwortet werden sollen:
Ist der Servoantrieb in der Lage den Sollwerten der Bewegungssteuerung mit einer definierten Genauigkeit zu folgen? Kann der Servoantrieb die Leistung zur Beschleunigung und Positionierung der Maschine mit der geforderten Zykluszeit zur Verfügung stellen?
Mit Blick auf dynamische Bewegungen wird das Verhalten durch das Kleinsignalverhalten beschrieben. Um schnelle dynamische Reaktionszeiten des Antriebs zu erreichen, sind kurze Zykluszeiten für die Sollwertvorgabe und die Regelkreise erforderlich.
Letztlich ist eine Sollwertzykluszeit: erforderlich.
Der Lageregelkreis muss mit der gleichen Zeit: arbeiten.
Für die maximale Zykluszeit des Geschwindigkeitsreglers gilt: .
Entsprechend IEC 61800-4 IEC 61800-4 chapter 7.2 dynamic performance wird das dynamische Verhalten durch die Kennwerte
Antwortzeit (response time), Anstiegszeit (rise time) und Einschwingzeit (settling time) beschrieben.
Die Antwortzeit
ist eine besonders gut zu verwendende Größe.
Für konkrete Antriebe liegt die Zeit für den Stromregelkreis unter 0,7 ms.
Die Mindestanforderung ist:
.
Die Antwortzeit ist eng mit der Regelungsbandbreite verknüpft. Die Bandbreite ist der Frequenzbereich in dem sich die Verstärkung und der Phasengang innerhalb der Grenzen ±3dB und ±90° bewegen.
Die Bandbreite kann grob aus der Antwortzeit:
nach der Gleichung
bestimmt werden, wenn die Antwortzeit für einen Anstieg auf 90 % des Endwerts gilt. Die Gleichung basiert auf dem PT2-Verhalten des geschlossenen Regelkreises mit einer großen und einer kleinen Zeitkonstante. Die Bandbreite kann auch grob aus den Parametern des geschlossenen Regelkreises bestimmt werden.
Letztlich sind nur die gesamte Massenträgheit von Motor und Maschine:
sowie die Proportionalverstärkung
notwendig.
Wenn der Integralanteil des Reglers vernachlässigt wird, beschreiben die folgenden Gleichungen grob die Zusammenhänge im Regelkreis:
Drehmoment:
Mechanik:
Geschlossener Regelkreis:
Bandbreite für den geschlossenen Regelkreis: ;
Für einen dynamischen Antrieb ist für den Geschwindigkeitsregler eine Bandbreite von mindestens 150 Hz erforderlich. Der Lageregler benötigt eine Bandbreite von wenigstens 50 Hz. Diese Werte gelten für einen Antrieb, der ohne Stellgrößenbeschränkungen arbeitet. Dies bedeutet, dass weder Maximalstrom, noch Maximaldrehmoment, Maximaldrehzahl oder Maximalspannung während der Bewegung erreicht werden.
Die Begrenzung des Stroms, des Drehmoments oder der Drehzahl führt auf die Leistungsbandbreite. Die Leistungsbandbreite beschreibt die Fähigkeit des Antriebs für eine sinusförmige Bewegung Leistung zur Maschine zu übertragen. Um Leistung bei einer sinusförmigen Drehzahl zu übertragen, sowohl Wirkleistung als auch Blindleistung, muss der Antrieb unterhalb der Stellgrößengrenzen arbeiten.
Stellgrößengrenzen sind das Maximaldrehmoment: ,
die Maximaldrehzahl:
und die Maximalspannung, die auf die maximale Drehmomentsteilheit:
mit der Anstiegszeit:
für den Drehmomentanstieg von 0 auf Maximaldrehmoment: führt.
Die Maximalleistung, die zwischen Motor und Maschine ausgetauscht werden kann, errechnet sich zu .
Das Drehmoment muss sinusförmig sein und ist durch das Maximaldrehmoment und die maximale Drehmomentsteilheit begrenzt:
mit: