Ein Servomotor ist ein Motor mit geschlossenem Regelkreis, der seine Drehzahl und Position selbst misst und korrigiert. Der Encoder am Wellenende erfasst kontinuierlich, in welchem Winkel und mit welcher Drehzahl sich die Welle gerade dreht; der Servoregler vergleicht diese Information mit dem Sollwert und passt den Strom bei einer Abweichung sofort an. Dank dieser Rückführung kann der Motor die gewünschte Position auch bei wechselnder Last mit einer Genauigkeit im Bereich von etwa einem Tausendstel Grad halten. Deshalb werden Servomotoren in CNC-Maschinen, Roboterarmen, Verpackungsmaschinen und allen Automatisierungslinien eingesetzt, die eine präzise Positionierung erfordern.
Was ist ein Servomotor?
Ein Servomotor ist kein einzelnes Bauteil, sondern ein zusammenwirkendes System. Das System besteht aus drei Hauptkomponenten:
- Motorgehäuse: Eine Rotorbauweise, meist mit Permanentmagneten, die auf geringe Trägheit und schnelle Reaktion ausgelegt ist.
- Encoder (Rückführeinheit): Ein Sensor, der die Winkelposition und Drehzahl der Welle misst und pro Umdrehung Tausende Impulse erzeugen kann.
- Servoregler: Die Steuereinheit, die den Sollwert empfängt, ihn mit den Encoderdaten vergleicht und den zum Motor fließenden Strom innerhalb von Millisekunden korrigiert.
Wird ein herkömmlicher Asynchronmotor eingeschaltet, dreht er sich lediglich; er weiß weder, wie weit er sich gedreht hat, noch ob er an der richtigen Stelle angehalten hat. Das Besondere am Servomotor ist, dass er seine eigene Bewegung messen und korrigieren kann. Deshalb wird ein Servomotor weniger als „Motor zur Leistungserzeugung“ und vielmehr als „System zur Bewegungsregelung“ verstanden.
Wie funktioniert ein Servomotor?
Das Funktionsprinzip basiert auf geschlossener Regelung . Bei offenen Systemen wird ein Befehl ausgegeben und davon ausgegangen, dass das Ergebnis korrekt ist; bei einem geschlossenen Regelkreis wird das Ergebnis gemessen und ein Fehler sofort korrigiert.
Der Regelkreis läuft in folgenden Schritten ab:
- Sollwert. Die SPS oder Steuereinheit übermittelt dem Regler die Zielposition, Drehzahl oder das Drehmoment.
- Bewegung. Der Regler versorgt den Motor mit Strom und setzt die Welle in Drehung.
- Messung. Der Encoder meldet die tatsächliche Wellenposition kontinuierlich an den Regler zurück.
- Vergleich. Der Regler berechnet die Differenz zwischen Soll- und Istwert. Diese Differenz wird Fehlersignal genannt.
- Korrektur. Der Strom wird erhöht oder verringert, bis der Fehler null ist. Dieser Zyklus wiederholt sich Tausende Male pro Sekunde.
In der Praxis bedeutet das: Steigt die Maschinenlast, zum Beispiel wenn ein Transportwagen ein schweres Teil aufnimmt, beginnt der Motor langsamer zu werden. Der Encoder erkennt diese Verlangsamung innerhalb von Millisekunden, der Regler erhöht den Strom und die Drehzahl bleibt konstant. Dasselbe gilt beim Anhalten: Der Motor stoppt im vorgegebenen Winkel und erzeugt weiterhin Drehmoment, um diese Position zu halten, wenn eine äußere Kraft versucht, die Welle zu bewegen. Dieses Drehmoment wird Haltemoment genannt.
Servosysteme können diesen Regelkreis in drei verschiedenen Betriebsarten ausführen: Positionsregelung (einen bestimmten Punkt anfahren), Drehzahlregelung (mit einer bestimmten Drehzahl drehen) und Drehmomentregelung (eine bestimmte Kraft ausüben). Je nach Anwendung wird eine Betriebsart gewählt oder mehrere werden nacheinander eingesetzt.
Arten von Servomotoren
Servomotoren werden nach der Art ihrer Versorgung in zwei Hauptgruppen eingeteilt. Beide arbeiten nach demselben Rückführungsprinzip; der Unterschied liegt im elektrischen Aufbau des Motors.
| Vergleich | AC-Servomotor | DC-Servomotor |
|---|---|---|
| Aufbau | Bürstenlos; die Kommutierung erfolgt elektronisch | Meist mit Bürsten; mechanische Kommutierung |
| Wartungsbedarf | Gering; keine verschleißenden Bürsten | Bürsten und Kollektor werden regelmäßig ersetzt |
| Leistungsbereich | Von einigen hundert Watt bis zu mehreren zehn Kilowatt | In der Regel niedrige und mittlere Leistungen |
| Regelungsaufwand | Erfordert einen leistungsfähigen Servoregler | Einfacherer Regleraufbau |
| Typische Anwendung | Industrieautomation, CNC, Robotik | Batteriebetriebene und mobile Systeme, Laboraufbauten |
In Industriemaschinen werden heute überwiegend bürstenlose AC-Servomotoren eingesetzt; ihr geringer Wartungsbedarf bei dauerhaft laufenden Anlagen ist ein entscheidender Vorteil. DC-Servomotoren werden dagegen bei mobilen Niederspannungsgeräten bevorzugt; hierzu kann unser Artikel über die Eigenschaften von 24-V-DC-Motoren für einen Vergleich hilfreich sein. Bei netzbetriebenen Anwendungen mit konstanter Drehzahl bieten statt eines Servos AC-Getriebemotoren eine wirtschaftlichere Alternative.
Einsatzbereiche von Servomotoren
Ein Servomotor wird überall dort eingesetzt, wo nicht nur die Bewegung an sich wichtig ist, sondern auch exakt wo und wie schnell sie stattfindet.
CNC-Maschinen. Bei der spanenden Bearbeitung wird die Bahn des Schneidwerkzeugs im Mikrometerbereich festgelegt. In Achsantrieben hält der Servomotor die vorgegebene Koordinate auch bei veränderlicher Schnittkraft. Für lineare Achsbewegungen wird er häufig zusammen mit einem Zahnstangenmechanismus eingesetzt.
Robotik und Manipulatoren. Jedes Gelenk eines Roboterarms bildet eine eigene Servoachse. Damit die Werkzeugspitze des Arms an der richtigen Position bleibt, müssen alle Gelenke synchron arbeiten.
Verpackungs- und Abfüllmaschinen. Folienvorschub, Schneidmesser und Fülleinheit müssen synchron zusammenarbeiten. Bei Linien mit Hunderten Verpackungen pro Minute führen Abweichungen im Millisekundenbereich zu Ausschuss. Papier und Verpackung gehören zu den Bereichen, in denen Servoantriebe besonders intensiv eingesetzt werden.
Textilmaschinen. Konstante Fadenspannung, Mustersteuerung und Vorschubsynchronisierung werden über Servoachsen realisiert. Textil ist ein Anwendungsbereich, in dem die Drehmomentregelung besonders wichtig ist.
Allgemeine Automatisierungslinien. Etikettier-, Stapel-, Schneid-, Positionier- und Transferstationen arbeiten mit Servoantrieben. Informationen zu Systemarchitektur und Kommunikation finden Sie auf unserer Seite Automatisierung .
Zusammenspiel von Servomotor und Getriebe
Servomotoren arbeiten mit hoher Drehzahl und vergleichsweise niedrigem Drehmoment. Die meisten Maschinen in der Praxis benötigen jedoch das Gegenteil: niedrige Drehzahl und hohes Drehmoment. Diese Lücke schließt das Getriebe; in Servoanwendungen ist es kein Zubehör, sondern Bestandteil des Systems.
Ein Getriebe bringt dem Servosystem vier wesentliche Vorteile:
| Vorteil | Auswirkung im System |
|---|---|
| Drehmomenterhöhung | Das Drehmoment wird entsprechend der Übersetzung erhöht, sodass ein kleinerer Motor mit geringerer Stromaufnahme gewählt werden kann |
| Drehzahlreduzierung | Die hohe, effiziente Motordrehzahl wird auf die von der Maschine benötigte Arbeitsdrehzahl reduziert |
| Trägheitsanpassung | Die Lastträgheit wird um das Quadrat der Übersetzung reduziert auf den Motor zurückgespiegelt; das System arbeitet stabiler und vibrationsärmer |
| Auflösungsgewinn | Jedes Grad an der Motorwelle entspricht an der Abtriebswelle einem kleineren Winkel, geteilt durch die Übersetzung |
Die Trägheitsanpassung ist eines der am häufigsten übersehenen Themen bei Servoanwendungen. Ist die Lastträgheit deutlich größer als die Motorträgheit, beginnt das System zu schwingen, die Einschwingzeit verlängert sich und die Maschine vibriert, während die Encoder-Rückführung ständig versucht nachzuregeln. Mit der richtigen Übersetzung wird dieses Problem an der Ursache gelöst.
Für Servoantriebe wird bevorzugt ein Planetengetriebeeingesetzt. Der Grund liegt im Aufbau: Die Last wird auf mehrere Planetenräder verteilt, statt nur über ein einzelnes Zahnradpaar übertragen zu werden. Dadurch sind in einem kompakten Gehäuse hohe Drehmomentkapazität, geringes Spiel (Backlash) und hohe Torsionssteifigkeit möglich. Da die Positioniergenauigkeit direkt vom Spiel abhängt, werden in Servoanwendungen Planetengetriebe mit geringem Winkelspiel verwendet. Einzelheiten zum Funktionsprinzip finden Sie in unserem Beitrag über die Funktionsweise von Planetengetrieben .
Bei der Auswahl sind zwei Berechnungen entscheidend: das erforderliche Abtriebsdrehmoment der Anwendung und die notwendige Übersetzung. Für diese Berechnungen können die Formeln aus unseren Beiträgen zur Drehmomentberechnung und Getriebedrehzahlberechnung direkt verwendet werden.
Gemeinsam das richtige Getriebe für Ihre Servoanwendung auswählen
Bei einer servogetriebenen Maschine wird die Leistung nicht allein von der Motorleistung bestimmt, sondern davon, wie gut Motor, Getriebe und Last aufeinander abgestimmt sind. Eine falsch gewählte Übersetzung oder ein Getriebe mit zu großem Spiel führt selbst beim besten Servomotor zu Positionierfehlern und Vibrationen.
Seit 1987 fertigt Remak Redüktör Reduzier- und Getriebeeinheiten. Anhand der Drehmoment-, Drehzahl- und Trägheitswerte Ihrer Anwendung können wir gemeinsam die passende Planetengetriebeserie bestimmen. Unsere Produktfamilie finden Sie auf der Seite Planetengetriebe ; über unsere Kontaktseite können Sie uns die technischen Details Ihres Projekts mitteilen.
Häufig gestellte Fragen zu Servomotoren
Was ist der Unterschied zwischen einem Servomotor und einem Schrittmotor?
Der wesentliche Unterschied liegt in der Rückführung. Ein Schrittmotor arbeitet im offenen Regelkreis; er dreht sich um die vorgegebene Anzahl von Schritten, kann aber nicht überprüfen, ob die Bewegung tatsächlich stattgefunden hat. Ist die Last höher als erwartet, kann er Schritte verlieren, ohne dies zu erkennen. Ein Servomotor kennt dagegen über den Encoder jederzeit seine Position und korrigiert Abweichungen sofort. Schrittmotoren sind bei niedrigen Drehzahlen und konstanten Lasten wirtschaftlich; Servomotoren werden eingesetzt, wenn hohe Drehzahl, wechselnde Last und präzises Anhalten erforderlich sind.
Warum wird einem Servomotor ein Getriebe hinzugefügt?
Aus vier Gründen: um das Motordrehmoment entsprechend der Übersetzung zu erhöhen, die hohe Motordrehzahl auf die Arbeitsdrehzahl der Maschine zu reduzieren, die Lastträgheit auf ein vom Motor beherrschbares Niveau zu bringen und dadurch Vibrationen zu vermeiden sowie die Positionierauflösung zu erhöhen. Ohne Getriebe wäre für dasselbe Drehmoment ein deutlich größerer und teurerer Motor erforderlich; außerdem kann eine hohe Lastträgheit das System instabil machen.
Wie genau kann ein Servomotor positionieren?
Die Genauigkeit wird von drei Faktoren bestimmt: der Encoder-Auflösung, dem Winkelspiel des Getriebes und der Steifigkeit der mechanischen Übertragungselemente. Industrielle Encoder können Hunderttausende Impulse pro Umdrehung erzeugen, sodass die theoretische Auflösung etwa ein Tausendstel Grad erreichen kann. In der Praxis begrenzt jedoch meist nicht der Motor, sondern die mechanische Verbindung die Genauigkeit. Bei einem Getriebe mit großem Spiel entsteht an der Abtriebswelle unabhängig von der Encoder-Genauigkeit eine Abweichung.
Wann sollte statt eines Servomotors ein normaler Asynchronmotor eingesetzt werden?
Wenn es nicht darauf ankommt, an welcher Stelle die Bewegung exakt stoppt, und die Drehzahl konstant bleiben kann, genügt ein Asynchronmotor. Bei Lüftern, Pumpen, Mischern, kontinuierlich laufenden Förderanlagen und ähnlichen Anwendungen wird die Positionierfunktion eines Servosystems nicht genutzt, sodass die Mehrkosten keinen Nutzen bringen. Reicht eine variable Drehzahl aus, ist ein über einen Frequenzumrichter betriebener Asynchronmotor deutlich wirtschaftlicher. Ein Servoantrieb ist wirtschaftlich nur sinnvoll, wenn tatsächlich eine hohe Positionier- oder Synchronisationsgenauigkeit erforderlich ist.
Kann ein Servomotor ohne Servoregler betrieben werden?
Nein. Der Regler versorgt die Wicklungen des Servomotors in der richtigen Reihenfolge und mit dem richtigen Strom und liest sowie verarbeitet gleichzeitig das Encodersignal. Wird direkt Spannung an den Motor gelegt, entsteht keine kontrollierte Bewegung. Motor und Regler müssen außerdem zueinander passen; stimmen Stromkapazität des Reglers, Encodertyp und Kommunikationsprotokoll nicht mit dem Motor überein, funktioniert das System nicht.
Hält ein Servomotor seine Position bei einem Stromausfall?
Wird die Energieversorgung unterbrochen, kann der Motor kein Haltemoment mehr erzeugen; bei vertikalen Achsen kann die Last daher durch ihr Eigengewicht absinken. In Anwendungen mit diesem Risiko wird eine elektromagnetische Bremse eingesetzt, die im stromlosen Zustand aktiviert wird. Zum Erhalt der Positionsinformation wird ein Absolutwertgeber bevorzugt; mit einer Backup-Batterie speichert dieser Encodertyp die Position auch nach einem Stromausfall und macht eine erneute Referenzfahrt der Maschine überflüssig.
