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Grundlagen: Was sind Servomotoren und wie funktionieren sie?

Elektrische Antriebstechnik – Position und Drehzahl im Griff
Was sind Servomotoren und wie funktionieren sie?

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Moderne Servoantriebssysteme sind aus dem Maschinenbau nicht mehr wegzudenken. Insbesondere dort wo Präzision und Flexibilität gefordert ist sowie eine hochdynamische und -genaue Positionierung benötigt wird, spielen sie ihre Stärken aus. Entscheidend für den Erfolg der heutigen Servotechnik war die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Halbleitertechnik und der modernen Mikro-Controller. Hochintegrierte und leistungsfähige Rechnersysteme sowie die zugehörigen Speicherbausteine ermöglichen den Einsatz digitaler Regelungen.


Inhaltsverzeichnis
1. Was ist ein Servomotor?
2. Wie funktioniert ein Servomotor?
3. Wie ist ein Servomotor aufgebaut?
4. Welche Eigenschaften bietet ein Servomotor?
5. Welche Typen von Servomotoren gibt es?
6. AC- und DC-Servomotoren
7. BLDC- und EC-Servomotoren
8. Servomotoren, Servoverstärker und Servoantriebe
9. Für welche Applikationen werden Servomotoren genutzt?
10. In welchen Branchen werden Servomotoren eingesetzt?
11. Welche Normen muss man im Zusammenhang mit Servomotoren beachten?
12. Gesetzliche Vorgaben in Europa

Was ist ein Servomotor?

Was genau ein Servomotor ist, wird tatsächlich unterschiedlich interpretiert. Generell wird ein Servomotor als ein Motor verstanden, der zumindest über eine Regelung verfügt beziehungsweise eine Rückmeldung über seine dreh- oder lineare Position liefern kann. Ein Servomotor ist also ein elektrischer Motor, der strom-, drehzahl- und/oder positionsgeregelt ist. Er ermöglicht die Einstellung vorgegebener Ströme, Drehzahlen und/oder Drehwinkel.

Als Servomotor werden insbesondere 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 – wie etwa Soll-Winkelposition der Welle oder Solldrehzahl – in einem Regelkreis regelt.

„Servomotor“ beschreibt damit also nicht eine bestimmte Motor-Bauart, vielmehr können Servomotoren unterschiedlichster Bauart sein. Auch elektrohydraulische oder elektropneumatische Antriebe werden teilweise als Servomotoren bezeichnet.

Wie funktioniert ein Servomotor?

Ein Servomotor ist ein elektromechanisches Gerät, das auf der Grundlage der angelegten Spannung des zugeführten Stroms ein Drehmoment und eine Geschwindigkeit erzeugt. Ein Servomotor arbeitet als Teil eines geschlossenen Regelkreissystems, das ein Drehmoment und eine Geschwindigkeit liefert, die von einem Servoregler vorgegeben werden, der ein Rückführsystem zum Schließen des Regelkreises nutzt. Das Rückführsystem liefert Informationen wie Strom, Geschwindigkeit oder Position an den Servoregler, der die Motoraktion in Abhängigkeit von den Sollparametern anpasst.

Wie ist ein Servomotor aufgebaut?

Ein Servomotor ist Teil eines Servomechanismus, der aus drei Schlüsselelementen besteht: einem Motor, einem Rückführsystem und einer Steuerelektronik. Der Motor kann AC/DC, mit Bürsten oder bürstenlos, rotierend oder linear und von beliebiger Größe sein. Das Rückführsystem kann ein Potenziometer, ein Hallsensor, ein Tachometer, ein Resolver, ein Encoder, ein linearer Umformer oder ein beliebiger anderer Sensor sein. Das Servosystem wird durch die Steuerelektronik vervollständigt, die den Motor mit Strom versorgt und die Rückführdaten und die Sollreferenz vergleicht, um zu überprüfen, ob der Servomotor wie vorgesehen arbeitet.

Ein einfacher industrieller Servomotor besteht aus einem Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit einem integrierten Tachometer, der eine zur Geschwindigkeit proportionale Ausgangsspannung liefert. Die Antriebselektronik liefert die erforderliche Spannung und den erforderlichen Strom an den Motor, basierend auf der vom Tachometer rückgeführten Spannung. In diesem Beispiel wird eine Solldrehzahl (dargestellt als Soll-Referenzspannung) im Treiber eingestellt. Dann vergleicht die Schaltung im Treiber die Tachometer-Rückführspannung und stellt fest, ob die gewünschte Drehzahl erreicht wurde – als geschlossene Geschwindigkeitsschleife bekannt. Die Geschwindigkeitsschleife überwacht die Sollgeschwindigkeit und die Tachometer-Rückführung, während der Treiber die Leistung für den Motor so anpasst, dass die gewünschte Sollgeschwindigkeit beibehalten wird.

In einem anspruchsvolleren Servomotorsystem werden mehrere integrierte Regelkreise für eine optimale Leistung abgestimmt, um eine präzise Bewegungssteuerung zu ermöglichen. Das System besteht aus Strom-, Geschwindigkeits- und Positionsschleifen, die Präzisions-Rückführelemente verwenden. Jede Schleife signalisiert die nachfolgende Schleife und überwacht die entsprechenden Rückführelemente, um Echtzeitkorrekturen zur Anpassung an die Sollparameter vorzunehmen.

Welche Eigenschaften bietet ein Servomotor?

  • Der Wirkungsgrad des Motors beträgt typisch über 95 % bei voller Leistung.
  • Motoren können mit großem Temperaturanstieg betrieben werden, zum Beispiel bei 40 °C Umgebungstemperatur ist die Wärmeklasse H = 125 ˚C zulässig.
  • Schutzart IP65 (typisch) gegenüber IP54 für Standard-Induktionsmotoren.
  • Standard AC-Asynchronmotoren sind kostengünstig. Für eine höhere Performance ist jedoch eine Rückführeinrichtung erforderlich.
  • Die geringen Zusatzkosten für Inkrementalgeber, Lüfter usw. machen die Asynchron-Servomotoren zu einer interessanten Alternative.
  • Eine hohe Moment-Überlastfähigkeit ist von der Motorkonstruktion und dem magnetischen Material abhängig. Generell haben Synchron-Servomotoren eine 2–5-fache kurzzeitige Überlastbarkeit.
  • Resolver, Inkrementalgeber mit Kommutationskanälen oder verschiedene Typen von SinCos-Gebern können für die Rückführung eingesetzt werden. Digitale Systeme sind auch verfügbar.
  • Neue Entwicklungen bei Antrieben und Motion-Control-Systemen sowie kostengünstiges magnetisches Material haben die Markt- und Anwendungsmöglichkeiten für Synchron-Servomotoren schnell erweitert.

Welche Typen von Servomotoren gibt es?

Als Servomotoren weit verbreitet sind permanenterregte Synchronmotoren, Asynchronmotoren und bürstenbehaftete Gleichstrommotoren beziehungsweise BLDC- und EC-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:

AC- 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. 230 VDC bis über 600 VDC. Im Gegensatz dazu werden Servomotoren, die direkt an einer Kleinspannung bis circa 48 VDC betrieben werden können, als DC-Servomotoren bezeichnet. Eine Aussage über die Motor-Bauart 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.

Schrittmotoren folgen dagegen exakt dem angelegten Feld und können auch ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung genau betrieben werden. Sie zeigen ein ähnliches Verhalten wie Synchronmotoren, weisen aber in der Regel eine deutlich höhere Polpaarzahl auf. Daher können sie einfacher betrieben werden als beispielsweise Servomotoren (meist Gleichstrommotoren oder Synchronmotoren mit Positionsgeber), die auf die gewünschte Position eingeregelt werden müssen.

BLDC- und EC-Servomotoren

BLDC (Brushless Direct Current) und EC (Electronical Commutated) Servomotoren 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.

Servomotoren, Servoverstärker und Servoantriebe

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. Dies geschieht nach Vorgaben über einen Busanschluss oder über digitale beziehungsweise analoge Eingänge.

Im Sprachgebrauch hat es sich durchgesetzt, dass Motoren, die einen externen Servoverstärker benötigen, als Servomotoren bezeichnet werden. Diese stellen sogar nach wie vor den größten Anteil der Servomotoren dar. Die Kombination aus Motor und Verstärker wird in der Regel als Servoantrieb bezeichnet.

Für welche Applikationen werden Servomotoren genutzt?

Es gibt viele Arten von Anwendungen für Servomotoren, von einfachen Gleichstrommotoren, die in Hobbyanwendungen (wie z. B. Modellflugzeugen) verwendet werden, bis hin zu hochentwickelten bürstenlosen Motoren, die von komplexen Motionssteuerungen angetrieben werden, die für mehrachsige Bearbeitungszentren verwendet werden. Ein Beispiel für einen gemeinsamen Servomechanismus ist ein Fahrzeuggeschwindigkeitsregler, der aus einem Motor (dem Motor), einem Geschwindigkeitssensor (Rückführung) und einer Elektronik zum Vergleich der Fahrzeuggeschwindigkeit mit der eingestellten Geschwindigkeit besteht. Wird das Fahrzeug langsamer, leitet der Sensor diese Daten an die Elektronik weiter, die wiederum das Gas zum Motor erhöht, um die Geschwindigkeit auf den gewünschten Sollwert zu erhöhen – ein einfaches System mit geschlossenem Regelkreis.

In welchen Branchen werden Servomotoren eingesetzt?

Die zunehmende Automatisierung in allen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus erfordert immer kürzere Taktzeiten und eine höhere Flexibilität bei einem Produktwechsel. Diese Entwicklung hat hin zu den heute eingesetzten Servoantrieben geführt, also zu synchronen und asynchronen Servomotoren und synchronen Linearmotoren. Diese Antriebe werden vor allem in folgenden Branchen eingesetzt:

  • Verpackungstechnik
  • Robotertechnik
  • Werkzeugmaschinen
  • Handlingsysteme
  • Blechverarbeitung
  • Papierverarbeitung
  • Fördertechnik

Welche Normen muss man im Zusammenhang mit Servomotoren beachten?

Servomotoren Type EY3 – EY4 – EY6 – EY8 mit der Kennzeichnung „II 3 GD Ex nA IIC T3 Gc IP65/Ex tc IIIC T200°C Dc IP65“ erfüllen die Bestimmungen folgender Richtlinien:

  • Richtlinie 2014/35/EU: „Niederspannungsrichtlinie ”, LVD
  • Richtlinie 2011/65/EU: “RoHS (Restriction of hazardous substances/ Richtlinie zur Vermeidung gefährlicher Substanzen)”
  • Richtlinie 2014/34/UE: “ Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen” und zu folgenden Richtlinien oder Normen konform ist:
  • EN 60034-1:2010/AC:2010: Drehende elektrische Maschinen – Teil 1: Bemessung und Betriebsverhalten.
  • EN 60034-5:2001/A1:2007: Drehende elektrische Maschinen – Teil 5: Schutzarten aufgrund der Gesamtkonstruktion von drehenden elektrischen Maschinen (IP-Code) Einteilung.
  • EN 60079-0:2012/A11 :2013: Explosionsfähige Atmosphären – Teil 0: Geräte – Allgemeine Anforderungen.
  • EN 60079-15:2010: Explosionsfähige Atmosphären – Teil 15: Geräteschutz durch Zündschutzart “n”.
  • EN 60079-31:2014 : Explosionsfähige Atmosphären – Teil 31: Ausrüstung Staubexplosionsschutz durch Gehäuse “t”

Gesetzliche Vorgaben in Europa

Inzwischen sind viele Gesetze in der Europäischen Union in Kraft, die das Ziel haben, den Energieverbrauch und damit den CO2-Ausstoß zu reduzieren. In der EU-Verordnung 640/2009 und Ergänzung 04/2014 wird die Energieeffizienz von 3-phasigen Asynchronmotoren für Netzbetrieb im industriellen Umfeld behandelt. Die EU-Verordnung stützt sich in wesentlichen Teilen auf die Norm IEC 60034–30 aus dem Jahr 2008. Die aktualisierte Norm IEC 60034-30-1 aus dem Jahr 2014 wird erst bei der Überarbeitung der EU-Verordnung berücksichtigt werden.

Ziel der Wirkungsgrad-Klassifizierung nach IEC 60034-30-1 war die globale Vereinheitlichung der Vorschriften, um den internationalen Vergleich sowie die Zertifizierung von Elektromotoren zu erleichtern. Die neuen international genormten Energieeffizienzklassen beziehen sich dabei auf Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufern.

Im März 2014 wurde die neue Norm IEC 60034-30-1 veröffentlicht und ersetzt damit den Vorgänger IEC 60034-30 von 2008. Gegenüber der alten IEC Norm aus 2008, die bis dahin drei Wirkungsgradwerte für 3-Phasen-Asynchronmotoren festgelegt hatte, wurde die aktualisierte Norm IEC 60034-30-1 um den Wirkungsgrad IE4 erweitert. IE5-Synchronreluktanz-Motoren erfüllen die Anforderungen der Effizienzklasse gemäß IEC 60034-30-2.

Aktuelle Meldungen zum Themenfeld der elektrischen Antriebstechnik (Elektromotoren) finden sich hier:
https://kem.industrie.de/elektromotoren/

Quellen:
https://download.sew-eurodrive.com/download/pdf/11322802.pdf
www.festo-didactic.com/ov3/media/customers/1100/571851_lw_servomotor_mit_rotationsantrieb_de_leseprobe.pdf
www.precifast.de/servomotor-funktion-ansteuern-anschliessen/
www.kollmorgen.com/de-de/blogs/_blog-in-motion/articles/funktionsweise-servomotoren/
www.dunkermotoren.de/unternehmen/pressemitteilung/was-genau-ist-eigentlich-ein-servomotor/
www.beckhoff.com/de-de/produkte/motion/rotatorische-servomotoren/?pk_campaign=AdWords-AdWordsSearch-servomotoren&pk_kwd=servomotoren&gclid=EAIaIQobChMIz9eXyKyM8AIVkcLtCh0oHQwMEAAYAyAAEgKuPPD_BwE
www.antriebstechnik.fh-stralsund.de/1024×768/Dokumentenframe/Kompendium/Antriebstechnik/Servomotoren_Info/Servo-Antriebe.pdf
www.parker.com/Literature/Electromechanical%20Europe/Parvex/PVD3675_DE_EY_Series.pdf
https://files.danfoss.com/download/Drives/MG75D103.pdf
https://download.schneider-electric.com/files?p_enDocType=User+guide&p_File_Id=681840813&p_File_Name=MH3_Manual_V100_DE.pdf&p_Reference=0198441114041-DE
https://service.projektlabor.tu-berlin.de/projekte/sens-o-thek/unterlagen/referate/Folien_Servo_Hintze_2009–05–21.pdf
https://library.e.abb.com/public/4ff3d1bdee509bfcc1257296004f2775/9_Technical_Guide_Guide_to_motion_control_drives_REV_B_DE.pdf
www.sew-eurodrive.de/media/sew_eurodrive/unternehmen_und_karriere/ihr_erfolg/zukunftsthemen/zvei_energieeffizienz_antriebe_2017_11.pdf

www.stoeber.de/de/produkte/motoren/

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