Servomotor einfach erklärt!

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In diesem Artikel zeige ich dir was den Servomotor so speziell macht. Ich erkläre dir die Funktionsweise, wie du ihn anschließt und wo er üblicherweise eingesetzt wird!

Was genau ist ein Servomotor?

Servomotor im Modellbau

Explosionsdarstellung eines einfachen Modellbauservos by oomlout  [CC BY-SA 2.0]

Als Servomotor kann jeder Elektromotor-Typ mit Rotorlagesensor bezeichnet werden. Ob (bürstenloser) Gleichstrommotor, Synchronmotor oder robuster Asynchronmotor, sogar ein Schrittmotor wird mit Hilfe eines Drehwinkelsensors zum so genannten „Servomotor“.
Servomotoren werden überall dort benötigt, wo es auf genaue Positionierung oder die Einregelung eines bestimmten Zustandes (Geschwindigkeit, Position…) ankommt.

Im Bild rechts siehst du die Einzelteile eines einfachen Modellbauservos, dieser unterscheidet sich natürlich in Qualität und Preis deutlich von professionellen Industrie-Servomotoren.

Begrifflichkeiten

servomotor

Industrie – Servomotor

Seinen Namen verdankt der Servomotor früheren Einsatzwecken als Hilfsantrieb (dienender Antrieb). Ein Begriff, der streng genommen kein physikalisches Wirkprinzip berschreibt – wie etwa beim Induktionsmotor.

Wird vom Servoantrieb gesprochen, dann wird meistens die Kombination aus Servomotor und Servoregler gemeint, manchmal ist hier auch noch ein Getriebe im Kraftfluss. In Modellbaukreisen hat sich auch die Abkürzung Servo (Mehrzahl Servos) etabliert.

Merke: Servomotor + Servoregler = Servoantrieb 🙂

Beim Servoregler meint man die Steuerelektronik oder auch die Software die den Motor kontrolliert.

Servoantrieb: Die Funktionsweise

Je nach Anwendung werden die Motoren im Betrieb entweder momenten-, geschwindigkeits- oder auch positionsgeregelt betrieben.

Die Positionsmessung

Im Regelfall handelt es sich bei der Messeinrichtung von Servomotoren um Drehgeber (Resolver, Inkrementalgeber oder Absolutwertgeber), welche die derzeitige Rotorposition direkt oder indirekt erfassen.

Beim Inkrementalgeber wird die Position indirekt, ausgehend von einer bestimmten Anfangsposition gezählt. Der Absolutwertgeber erkennt direkt „automatisch“ den aktuellen Drehwinkel. Berührungslose Hall Sensoren haben sich hier im speziellen bewährt.

Der Regelkreis

Regelkreis Lageregler

Regelkreis – läuft in der Elektronik ab

Bei einem Servoantrieb wird die Drehposition der Motorwelle über einen Drehwinkelsensor ermittelt. Diese aktuelle Position der Welle (bzw. des Rotors) wird fortlaufend an den Servoregler übertragen. In der Servoelektronik wird dann die aktuelle Rotorposition mit der Sollposition verglichen.

Aus der Abweichung zwischen Soll und Ist-Wert wird im Anschluss ein Bewegungssignal (Stromsteuersignal) für den Servomotor berechnet. Dieser Ablauf des Soll-Istwert Abgleiches wiederholt sich dauerhaft und es wird so lange ein neues Steuersignal generiert bis der aktuelle Wert im Toleranzrahmen des Sollwertes rangiert.

Ziel dieser Lageregelung ist die Minimierung der Differenz zwischen Soll und Ist-Wert.

Durch Schachtelung (sog. Kaskadierung) von Regelkreisen sind auch Kombinationen möglich. Vorteil: So passt sich ein Servomotor den unterschiedlichen Anforderungen an. Nicht nur die Position, auch Drehmoment und Geschwindigkeit werden dann nach demselben Prinzip geregelt. Dadurch erreichst du – auch bei sich verändernden Lasten – gleichmäßige Fahrprofile.

Der Reglerentwurf ist aber tatsächlich eine Wissenschaft für sich und soll hier nicht näher thematisiert werden.

Einsatzbereiche: Von Industrie bis Hobby

Servomotoren haben sich in der Industrie im Maschinenbau aber auch im Hobbybereich bewährt.

Man integriert sie in Plotter, nutzt sie im Verpackungsbereich oder bei Industrierobotern. Im Modellbau sitzen sie in ferngesteuerten Modellen wie Fahrzeugen, Booten oder Flugzeugen. Daneben werden Servomotoren im Flugbereich und beim Militär als Anzeigeinstrumente eingesetzt, weil sie in puncto Zuverlässigkeit Drehpulsinstrumenten weit überlegen sind.

Außerdem gibt es Servomotoren mit Feldbusschnittstellen auch als Kompaktantriebe in der Automatisierungstechnik.

Und natürlich werden Synchron-Servomotoren in allen neuen teuren CNC Fräsmaschinen als Vorschubantriebe verwendet!

Anschluss und Inbetriebnahme

Ein Servomotor wird natürlich nicht direkt am Netz betrieben. Für den Betrieb des Servomotors brauchst du zusätzlich eine geeignete Steuerung. Üblicherweise wird der Servomotor über ein PWM-Signal gesteuert (PWN=PulsWeitenModulation).

PWM Signal

Pulsweitenmodulation

 

Einfache Servomotoren im Modellbaubereich besitzen deshalb 3 Anschlussadern (V+, GND und Signal).

1. Standard Steller-Servomotoren
Steller Servos haben eine Begrenzung des Drehwinkels, sie drehen z.B. nur von 0° bis 270°, dann gibt es einen mechanischen Anschlag.

2. Continous Rotation Servos
Diese Servos können durchgehend rotieren, also mehr als eine Umdrehung durchführen.

Servomotoren sind sehr dynamisch und können hohe Drehmomente in die angekuppelte Mechanik einprägen, die deshalb auf Drehmomentstöße und dynamische Bewegungsänderungen eingerichtet sein sollte. Vor allem Getriebe unterliegen hoher Beanspruchung: Schwingungsfähige Mechanik? Spiel im Getriebe? Das sind No-Gos die du bei der Verwendung von Servoantrieben wenn möglich besser vermeidest.

Was unterscheidet den Servomotor vom Schrittmotor?

Bild eines Schrittmotors

Schrittmotor

Vorteil von Schrittmotoren

Für elektrische Schrittmotoren spricht Einiges: Sie sind kostengünstig und lassen sich ebenfalls gezielt steuern. Durch einen Stromimpuls bewegt sich ein Schrittmotor nur einen festgelegten Winkelschritt weiter, während sich normale Gleichstrommotoren durch kontinuierliche Rotation auszeichnen. Ein Schrittmotor kann also bereits ohne Sensor definierte Positionen anfahren.

Nachteil der Schrittmotoren

Schrittmotoren verzichten (eben ohne seperate Nachrüstung) auf Sensorik und Regelkreis. Gesteuert betrieben, existiert bei einem Schrittmotor weder ein geschlossener Stromregelkreis noch ein geschlossener Drehzahlregelkreis.

Da beim Abschalten der Steuerung die Information der aktuellen Position verloren geht muss bei Schrittmotoren nach dem Wiederanschalten eine Referenzfahrt durchgeführt werden.

Durch Störungen in den Signalleitungen oder in der Mechanik kann es leichter zu Schrittverlust und ungenauen Positionsanfahrten kommen.

Fazit

Für hochgenaue oder auch sicherheitskritische und hochdynamische Anwendungen werden Servomotoren bevorzugt. Diese sind jedoch auch höher im Anschaffungspreis. Wenn dich die Nachteile eines normalen Schrittmotors nicht stören kannst du dich hier über die Auslegung und die Auswahl von Schrittmotoren informieren.

Hersteller und Händler

Zum Abschluss noch ein paar bekannte Hersteller und Händler von Servomotoren:

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