Servoantrieb

Servoantriebe oder Servoachsen dienen dazu, einer vorgegebenen Sollbewegung zu folgen. Dies sind in der Regel Positionssollwerte in Form von Sollwegen $s_{soll} (t)$ oder Sollwinkeln $φ_{soll} (t)$ . 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 Momenten regelung (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	$c = \frac{M_{max}}{M_{0}}$	$c \geq 3$
Zykluszeit Sollwerte und Lageregelung		$T_{C set φ} \leq 1 ms$
Bandbreite geschlossener Stromregelkreis	$f_{-3 dB I} \approx \frac{1}{2,5 \cdot T_{RI}} ... \frac{1}{2 \cdot T_{RI}}$	$T_{RI} \leq 1 ms$ , $f_{-3 dB I} \geq 400 Hz$
Bandbreite geschlossener Geschwindigkeitsregelkreis	$f_{-3 dB n} \approx \frac{1}{2,5 \cdot T_{Rn}} ... \frac{1}{2 \cdot T_{Rn}}$	$T_{Rn} \leq 3 ms$ , $f_{-3 dB n} \geq 150 Hz$
Bandbreite geschlossener Lageregelkreis	$f_{-3 dB φ} \approx \frac{1}{2,5 \cdot T_{R φ}} ... \frac{1}{2 \cdot T_{R φ}}$	$T_{R φ} \leq 10 ms$ , $f_{-3 dB φ} \geq 50 Hz$
Leistungsvermögen Geschwindigkeitsregelkreis	$T_{min} = \frac{2 π \cdot n_{N} \cdot J_{m}}{M_{max}}$ , $f_{P n} = \frac{1}{2 π \cdot T_{min}}$	$T_{min} \leq 15 ms$ , $f_{P n} \geq 10 Hz$

Anmerkungen: $M_{max}$ : Maximaldrehmoment, $M_{0}$ : Haltedrehmoment, $J_{m}$ : Motor-Massenträgheitsmoment, $n_{N}$ : 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:

T_{C set φ} \leq 1 ms

erforderlich.

Der Lageregelkreis muss mit der gleichen Zeit:

T_{C φ} \leq 1 ms

arbeiten.

Für die maximale Zykluszeit des Geschwindigkeitsreglers gilt:

T_{C n} \leq 0,25 ms

.

Entsprechend IEC 61800-4 wird das dynamische Verhalten durch die Kennwerte

Antwortzeit (response time), Anstiegszeit (rise time) und Einschwingzeit (settling time) beschrieben.

Die Antwortzeit

T_{R}

ist eine besonders gut zu verwendende Größe.

Für konkrete Antriebe liegt die Zeit für den Stromregelkreis unter 0,7 ms.

Die Mindestanforderung ist:

T_{RI} \leq 1 ms

.

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:

T_{R}

nach der Gleichung

f_{-3 dB} \approx \frac{1}{2,5 \cdot T_{R}} ... \frac{1}{2 \cdot T_{R}}

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:

J_{g}

sowie die Proportionalverstärkung

K_{Pn}

notwendig.

Wenn der Integralanteil des Reglers vernachlässigt wird, beschreiben die folgenden Gleichungen grob die Zusammenhänge im Regelkreis:

Drehmoment: $M_{m} = K_{Pn} \cdot (n_{set} - n_{i})$

Mechanik: $2 π \cdot n_{m} = \frac{1}{s} \frac{M_{m}}{J_{g}}$

Geschlossener Regelkreis: $G = \frac{n_{i}}{n_{set}} = \frac{1}{1 + \frac{J_{g}}{K_{Pn}} s}$

Bandbreite für den geschlossenen Regelkreis: $f_{-3dB} = \frac{1}{2 π} \frac{K_{Pn}}{J_{g}}$ ; $ω_{-3dB} = \frac{K_{Pn}}{J_{g}}$

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:

M_{max}

,

die Maximaldrehzahl:

n_{max}

und die Maximalspannung, die auf die maximale Drehmomentsteilheit:

w = max (\dot{M}) = max (\frac{d M}{d t}) = (\frac{M_{max}}{T_{max}})

mit der Anstiegszeit: $T_{max}$

für den Drehmomentanstieg von 0 auf Maximaldrehmoment: $M_{max}$ führt.

Die Maximalleistung, die zwischen Motor und Maschine ausgetauscht werden kann, errechnet sich zu ${\hat{S}}_{W} = {\hat{ω}}_{W} \cdot {\hat{M}}_{W} = 2 π \cdot {\hat{n}}_{W} \cdot {\hat{M}}_{W}$ .

Das Drehmoment muss sinusförmig sein und ist durch das Maximaldrehmoment und die maximale Drehmomentsteilheit begrenzt:

$M_{m} = {\hat{M}}_{m} \cdot \sin (ω \cdot t)$

mit:

${\hat{M}}_{m} = min (\frac{w}{ω}; M_{max}) = min (\frac{M_{max}}{ω \cdot T_{max}}; M_{max})$

Zusammen mit der Massenträgheit der Maschine und des Motors sind die maximale Beschleunigung und die Maximaldrehzahl definiert. Zwischen Maschine und Motor kann die größte Leistung ausgetauscht werden, wenn die Massenträgheit der Maschine gleich der Massenträgheit des Motors ist.

Daraus ergibt sich die Maximalbeschleunigung zu:

$\hat{α} = \frac{{\hat{M}}_{m}}{2 \cdot J}$ und die Maximaldrehzahl zu ${\hat{ω}}_{W} = min (ω_{max}; \frac{\hat{α}}{ω})$ .

Aus der so berechneten Geschwindigkeit ${\hat{ω}}_{W}$ und dem Drehmoment ${\hat{M}}_{m}$ ergibt sich das Drehmoment für die Maschine zu ${\hat{M}}_{w} = {\hat{M}}_{m} - {\hat{α}}_{w} \cdot J_{m} = {\hat{M}}_{m} - ω \cdot {\hat{ω}}_{w} \cdot J_{m}$ .

Die Maximalleistung für kleine Frequenzen $ω \approx 0$ ist $S_{w max} = {\hat{ω}}_{w} \cdot M_{max} = 2 π \cdot n_{max} \cdot M_{max}$ .

Mit zunehmender Frequenz reduziert sich die Leistung ${\hat{S}}_{W} = {\hat{ω}}_{W} \cdot {\hat{M}}_{W}$ . Die Leistungsbandbreite ist durch die Frequenz $ω_{Pn} = 2 π \cdot f_{Pn}$ gegeben, bei der die Leistung ${\hat{S}}_{W}$ halb so groß wie die Maximalleistung $S_{w max}$ ist (−3 dB).

Die Leistungsbandbreite errechnet sich aus den oben genannten Ausdrücken für ${\hat{ω}}_{W}$ und ${\hat{M}}_{W}$ zu

$ω_{Pn} = 2 π \cdot f_{Pn} = \frac{1}{T_{min}}$ , $f_{Pn} = \frac{1}{2 π \cdot T_{min}}$ mit $T_{min} = \frac{2 π \cdot n_{max} \cdot J}{M_{max}}$ .

Für Servoantriebe gilt $T_{min} \leq 15 ms$ beziehungsweise $f_{Pn} \geq 10 Hz$ .

Leistungsauslegung

Servoantriebe müssen in vielen Anwendungen dynamische Bewegungen mit periodischen Drehzahl- und Drehmomentänderungen ausführen. Die Auslegung erfolgt daher mit dem Effektivdrehmoment und der mittleren Drehzahl in der Betriebsart S8.

Bei hochdynamischen Anwendungen muss der Servoantrieb auch das Drehmoment für die eigene Beschleunigung/Verzögerung aufbringen. Wenn dieser Drehmomentanteil einen nennenswerten Anteil erreicht, erfolgt die Auslegung mit dem dynamischen Kennwert:

C_{dyn} = \frac{M_{N}^{2}}{J}

mit

dem Bemessungsdrehmoment $M_{N}$
dem Massenträgheitsmoment $J$ .

Für Servoantriebe werden daher folgende Größen zur Leistungsauslegung verwendet:

Bemessungsleistung $P_{N}$
Bemessungsdrehzahl $n_{N}$
Haltedrehmoment $M_{0}$ im Stillstand
Maximaldrehmoment $M_{max}$
Maximaldrehzahl $n_{max}$ .

Siehe auch

Literatur

1 2 3 4 5 6 7 Carsten Fräger, Wolfgang Amrhein (Hrsg.): Handbuch Elektrische Kleinantriebe. 5. Auflage. Band 2. De Gruyter, 2021, ISBN 978-3-11-044147-5 (Funktion, Aufbau und Betriebsverhalten von Elektroantrieben: Elektromagnete, Linear- und Mehrkoordinatenantriebe, Piezoelektrische Antriebe, Servoantriebe, Sensoren für elektrische Antriebe, Magnetlagertechnik, mechanische Übertragungselemente, Auslegung und Projektierung von Antriebssystemen).
1 2 Manfred Schulze: Elektrische Servoantriebe. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München 2008, ISBN 978-3-446-41459-4.
1 2 3 4 5 Carsten Fräger, Wolfgang Amrhein (Hrsg.): Handbuch Elektrische Kleinantriebe. 5. Auflage. Band 1. De Gruyter, 2020, ISBN 978-3-11-056247-7 (Funktion, Aufbau und Betriebsverhalten von Elektroantrieben: Magnetkreis, Kraft- und Drehmomenterzeugung, Kommutatormotoren, Gleichstrommotoren, Wechselstromreihenschlussmotoren, Universalmotoren, Induktionsmaschinen, Asynchronmotoren, Synchronmotoren, bürstenlose Permanentmagnetmotoren BLDC, BLAC, Reluktanzmotoren, Schrittantriebe, Leistungselektronik, Schwingungen, Geräusche, Elektromagnetische Verträglichkeit, EMV).
↑ IEC 61800-4 chapter 7.2 dynamic performance
↑ IEC 60034-1, DIN-EN 60034-1 Drehende Elektrische Maschinen – Teil 1: Bemessung und Betriebsverhalten (02.2011)

[Handbuch_2-1] 1 2 3 4 5 6 7 Carsten Fräger, Wolfgang Amrhein (Hrsg.): Handbuch Elektrische Kleinantriebe. 5. Auflage. Band 2. De Gruyter, 2021, ISBN 978-3-11-044147-5 (Funktion, Aufbau und Betriebsverhalten von Elektroantrieben: Elektromagnete, Linear- und Mehrkoordinatenantriebe, Piezoelektrische Antriebe, Servoantriebe, Sensoren für elektrische Antriebe, Magnetlagertechnik, mechanische Übertragungselemente, Auslegung und Projektierung von Antriebssystemen).

[Schulze-2] 1 2 Manfred Schulze: Elektrische Servoantriebe. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München 2008, ISBN 978-3-446-41459-4.

[Handbuch_1-3] 1 2 3 4 5 Carsten Fräger, Wolfgang Amrhein (Hrsg.): Handbuch Elektrische Kleinantriebe. 5. Auflage. Band 1. De Gruyter, 2020, ISBN 978-3-11-056247-7 (Funktion, Aufbau und Betriebsverhalten von Elektroantrieben: Magnetkreis, Kraft- und Drehmomenterzeugung, Kommutatormotoren, Gleichstrommotoren, Wechselstromreihenschlussmotoren, Universalmotoren, Induktionsmaschinen, Asynchronmotoren, Synchronmotoren, bürstenlose Permanentmagnetmotoren BLDC, BLAC, Reluktanzmotoren, Schrittantriebe, Leistungselektronik, Schwingungen, Geräusche, Elektromagnetische Verträglichkeit, EMV).

[4] IEC 61800-4 chapter 7.2 dynamic performance

[IEC_1-5] IEC 60034-1, DIN-EN 60034-1 Drehende Elektrische Maschinen – Teil 1: Bemessung und Betriebsverhalten (02.2011)