Was ist Servo, Servolenkung?

Ein Servoantrieb ist ein Antrieb, dessen präzise Steuerung durch Gegenkopplung erfolgt und es Ihnen so ermöglicht, die notwendigen Parameter der Bewegung des Arbeitskörpers zu erreichen.

Mechanismen dieser Art verfügen über einen Sensor, der einen bestimmten Parameter überwacht, beispielsweise Geschwindigkeit, Position oder Kraft, sowie eine Steuereinheit (mechanische Stangen oder eine elektronische Schaltung), deren Aufgabe es ist, den erforderlichen Parameter während des Betriebs des Geräts automatisch aufrechtzuerhalten , abhängig vom Signal des Sensors zu jedem Zeitpunkt.

Der Ausgangswert des Betriebsparameters wird beispielsweise über eine Steuerung eingestellt Potentiometerknopf oder durch Verwendung eines anderen externen Systems, in das ein numerischer Wert eingegeben wird. Der Servoantrieb führt also automatisch die zugewiesene Aufgabe aus – basierend auf dem Signal des Sensors passt er den eingestellten Parameter präzise an und hält ihn am Antrieb stabil.

Viele Verstärker und Regler mit negativer Rückkopplung können als Servos bezeichnet werden.Servoantriebe umfassen beispielsweise das Bremsen und Lenken in Autos, wo ein handbetriebener Verstärker zwangsläufig eine negative Positionsrückmeldung hat.

Hauptkomponenten des Servos:

• Antriebseinheit;

• Sensor;

• Steuergerät;

• Konverter.

Als Antrieb kann beispielsweise ein Pneumatikzylinder mit Stange oder ein Elektromotor mit Getriebe verwendet werden. Der Feedback-Sensor kann sein Encoder (Winkelsensor) oder zum Beispiel Hallsensor… Steuereinheit – einzelner Wechselrichter, Frequenzumrichter, Servoverstärker (engl. Servodrive). Das Steuergerät kann unmittelbar einen Steuersignalsensor (Wandler, Eingang, Stoßsensor) umfassen.

In ihrer einfachsten Form basiert die Steuereinheit für einen elektrischen Servoantrieb auf einer Schaltung zum Vergleich der Werte der eingestellten Signale und des vom Rückkopplungssensor kommenden Signals, wodurch eine Spannung entsprechender Polarität zugeführt wird zum Elektromotor.

Wenn eine sanfte Beschleunigung oder sanfte Verzögerung erforderlich ist, um dynamische Überlastungen des Elektromotors zu vermeiden, kommen komplexere Steuerungsschemata auf Basis von Mikroprozessoren zum Einsatz, die den Arbeitskörper genauer positionieren können. So ist beispielsweise die Vorrichtung zur Positionierung der Köpfe in Festplatten angeordnet.

Die präzise Steuerung von Gruppen oder einzelnen Servoantrieben wird durch den Einsatz von CNC-Steuerungen erreicht, die übrigens auch auf speicherprogrammierbaren Steuerungen aufbauen können. Auf solchen Steuerungen basierende Servoantriebe erreichen eine Leistung von 15 kW und können ein Drehmoment von bis zu 50 Nm entwickeln.

Rotatorische Servoantriebe sind synchron, mit der Möglichkeit einer äußerst präzisen Einstellung von Drehzahl, Drehwinkel und Beschleunigung, und asynchron, bei denen die Geschwindigkeit auch bei extrem niedrigen Drehzahlen sehr präzise gehalten wird.

Synchron-Servomotoren sind in der Lage, sehr schnell auf Nenndrehzahl zu beschleunigen. Üblich sind auch kreisförmige und flache Linearservos, die Beschleunigungen bis zu 70 m/s² ermöglichen.

Im Allgemeinen werden Servogeräte in elektrohydromechanische und elektromechanische unterteilt. Bei ersteren wird die Bewegung durch das Kolben-Zylinder-System erzeugt und das Ansprechverhalten ist sehr hoch, bei letzteren kommt lediglich ein Elektromotor mit Getriebe zum Einsatz, allerdings ist die Leistung um eine Größenordnung geringer.

Der Anwendungsbereich von Servoantrieben ist heute aufgrund der Möglichkeit einer äußerst genauen Positionierung des Arbeitskörpers sehr breit.

Es gibt mechanische Schlösser, Ventile und Arbeitskörper verschiedener Werkzeuge und Werkzeugmaschinen, insbesondere mit CNC, darunter automatische Maschinen für die Fabrikproduktion von Leiterplatten sowie verschiedene Industrieroboter und viele andere Präzisionswerkzeuge. Hochgeschwindigkeits-Servomotoren erfreuen sich bei Modellflugzeugen großer Beliebtheit. Servomotoren zeichnen sich insbesondere durch ihre charakteristische Bewegungsgleichmäßigkeit und Effizienz im Energieverbrauch aus.

Dreipolige Kommutatormotoren dienten ursprünglich als Antriebe für Servomotoren, bei denen der Rotor Wicklungen und der Stator Permanentmagnete enthielt. Es hatte auch eine Sammelbürste. Später wurde die Anzahl der Spulen auf fünf erhöht, das Drehmoment wurde größer und die Beschleunigung schneller.

Die nächste Verbesserungsstufe bestand darin, dass die Wicklungen außerhalb der Magnete platziert wurden, wodurch das Gewicht des Rotors reduziert und die Beschleunigungszeit verkürzt wurde, aber die Kosten stiegen. Infolgedessen wurde ein entscheidender Verbesserungsschritt unternommen – man verzichtete auf den Verteiler (insbesondere verbreiteten sich Permanentmagnetrotormotoren) und der Motor erwies sich als bürstenlos, noch effizienter, da Beschleunigung, Geschwindigkeit und Drehmoment jetzt noch höher waren.

Servomotoren erfreuen sich in den letzten Jahren großer Beliebtheit. Gesteuert durch Arduino, was sowohl für die Amateurluftfahrt als auch für die Robotik (Quadcopter usw.) sowie für die Herstellung von Präzisionsmaschinen für die Metallbearbeitung vielfältige Möglichkeiten eröffnet.

Herkömmliche Servomotoren arbeiten größtenteils mit drei Drähten. Einer davon ist für die Stromversorgung, der zweite für das Signal und der dritte für die gemeinsame Nutzung. Der Signalleitung wird ein Steuersignal zugeführt, anhand dessen die Position der Abtriebswelle angepasst werden muss. Die Position der Welle wird durch die Potentiometerschaltung bestimmt.

Der Regler bestimmt über den Widerstand und den Wert des Steuersignals, in welche Richtung gedreht werden muss, damit die Welle die gewünschte Position erreicht. Je höher die vom Potentiometer abgenommene Spannung ist, desto größer ist das Drehmoment.

Aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz, präzisen Steuerungsmöglichkeiten und hervorragenden Leistung finden Servoantriebe auf Basis bürstenloser Motoren zunehmend Einsatz in Spielzeugen, Haushaltsgeräten (Hochleistungsstaubsauger mit HEPA-Filtern) und Industrieanlagen.