Der Rotor im Servomotor ist ein Permanentmagnet. Der vom Antrieb gesteuerte U/V/W-Dreiphasenstrom erzeugt ein elektromagnetisches Feld, unter dessen Einfluss sich der Rotor dreht. Der mitgelieferte Encoder gibt Signale an den Antrieb zurück, der den Rotordrehwinkel entsprechend dem Rückkopplungswert im Vergleich zum Sollwert anpasst. Die Genauigkeit des Servomotors wird durch die Genauigkeit des Encoders (Anzahl der Striche) bestimmt.
Was ist ein Servomotor? Welche Typen gibt es? Welche Leistungsmerkmale bietet er?
A: Servomotoren, auch Stellmotoren genannt, dienen als Stellglied in automatischen Steuerungssystemen, um das empfangene elektrische Signal in eine Winkelverschiebung oder Winkelgeschwindigkeit an der Motorwelle umzuwandeln. Man unterscheidet zwischen Gleichstrom- und Wechselstrom-Servomotoren. Ihr Hauptmerkmal ist, dass bei Nullspannung keine Eigenrotation auftritt und die Drehzahl mit zunehmendem Drehmoment gleichmäßig abnimmt.
Worin besteht der Funktionsunterschied zwischen einem AC-Servomotor und einem bürstenlosen DC-Servomotor?
A: AC-Servomotoren sind besser, da sie über eine sinusförmige Kugelumlaufspindel mit geringer Drehmomentschwankung verfügen. DC-Servomotoren hingegen haben eine trapezförmige Welle. DC-Servomotoren sind jedoch einfacher und günstiger. Permanentmagnet-AC-Servomotoren: Seit den 1980er Jahren hat sich die Technologie der Permanentmagnet-AC-Servoantriebe mit der Entwicklung von integrierten Schaltkreisen, Leistungselektronik und AC-Drehzahlreglern stark weiterentwickelt. Namhafte Elektrohersteller in verschiedenen Ländern haben eigene AC-Servomotoren und Servoantriebe auf den Markt gebracht und entwickeln diese kontinuierlich weiter. AC-Servosysteme haben sich zur wichtigsten Entwicklungsrichtung moderner Hochleistungs-Servosysteme entwickelt, sodass die ursprünglichen DC-Servomotoren kurz vor der Ablösung stehen. In den 1990er Jahren wurden AC-Servosysteme weltweit kommerzialisiert, die eine volldigitale Steuerung des Sinusmotor-Servoantriebs nutzen. Die Entwicklung von AC-Servoantrieben im Getriebebereich verändert sich ständig.
Die Hauptvorteile eines Permanentmagnet-AC-Servomotors gegenüber einem Gleichstrom-Servomotor sind: (1) Der Motor benötigt weder Bürsten noch Kommutator und arbeitet daher zuverlässig und wartungsarm. (2) Die Wärmeableitung der Statorwicklung ist einfacher. (3) Die geringe Trägheit ermöglicht eine einfache Verbesserung der Schnelligkeit der Balgkupplung. (4) Die Motorleistung ist für hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente geeignet. (5) Bei gleicher Leistung geringeres Volumen und Gewicht.
Servo- und Schrittmotor
Servomotoren basieren hauptsächlich auf Impulsen zur Positionierung. Im Prinzip lässt sich das so verstehen: Der Servomotor empfängt einen Impuls und dreht sich entsprechend dem Winkel um einen Impuls, um eine Verschiebung zu erzielen. Da der Servomotor selbst Impulse aussendet, sendet er für jeden Drehwinkel eine entsprechende Anzahl von Impulsen aus. Dadurch bildet der Servomotor, der Impulse empfängt, ein Echo oder einen geschlossenen Regelkreis. Das System erkennt so, wie viele Impulse gleichzeitig an den Servomotor gesendet und wie viele Impulse empfangen wurden. Dadurch kann die Drehung des Motors hochpräzise gesteuert und eine präzise Positionierung von bis zu 0,001 mm erreicht werden.
Schrittmotoren sind diskrete Bewegungselemente, die eine wesentliche Verbindung zur modernen digitalen Steuerungstechnik aufweisen. In modernen digitalen Steuerungssystemen sind Schrittmotoren weit verbreitet. Mit dem Aufkommen volldigitaler AC-Servosysteme finden auch AC-Servomotoren zunehmend Eingang in digitale Steuerungssysteme. Um dem Trend zur digitalen Steuerung gerecht zu werden, verwenden die meisten Motion-Control-Systeme Schrittmotoren oder volldigitale AC-Servomotoren als Antriebsmotoren. Obwohl sich beide in der Steuerungsart (Impulsfolge und Richtungssignal) und der flexiblen Kopplung ähneln, gibt es erhebliche Unterschiede in Leistung und Anwendungsgebieten. Ein Vergleich der beiden Leistungsklassen.
Zunächst einmal die unterschiedliche Regelgenauigkeit.
Zweiphasige Hybrid-Schrittmotoren haben in der Regel einen Schrittwinkel von 3,6° bzw. 1,8°, fünfphasige Hybrid-Schrittmotoren hingegen von 0,72° bzw. 0,36°. Es gibt auch einige Hochleistungs-Schrittmotoren mit noch kleineren Schrittwinkeln. Beispielsweise beträgt der Schrittwinkel eines Schrittmotors für langsam laufende Werkzeugmaschinen von SCT 0,09°. Das deutsche Unternehmen BERGER LAHR (BERGER LAHR) hat einen dreiphasigen Hybrid-Schrittmotor entwickelt, dessen Schrittwinkel auf 1,8°, 0,9°, 0,72°, 0,36°, 0,18°, 0,09°, 0,072° und 0,036° eingestellt werden kann und mit dem Schrittwinkel von zwei- und fünfphasigen Hybrid-Schrittmotoren kompatibel ist.
Die Regelgenauigkeit des AC-Servomotors wird durch den Drehgeber an der Rückseite der Motorwelle gewährleistet. Bei einem volldigitalen AC-Servomotor von Panasonic beträgt beispielsweise das Impulsäquivalent 360°/10000 = 0,036° für einen Motor mit einem Standard-2500-Zeilen-Encoder aufgrund der im Antrieb verwendeten Vierfachfrequenztechnologie. Bei einem Motor mit 17-Bit-Encoder erhält der Antrieb pro Motorumdrehung 217=131072 Impulse, d.h. sein Impulsäquivalent beträgt 360°/131072=9,89 Sekunden. Der Schrittwinkel von 1,8° des Schrittmotors beträgt 1/655 Impulsäquivalent.
Zweitens sind die Niederfrequenzeigenschaften unterschiedlich.
Schrittmotoren neigen bei niedrigen Drehzahlen zu niederfrequenten Schwingungen. Abhängig von der Schwingfrequenz, den Lastbedingungen und der Antriebsleistung wird allgemein angenommen, dass die Schwingfrequenz die Hälfte der Leerlauffrequenz des Motors beträgt. Dieses durch das Funktionsprinzip des Schrittmotors bedingte niederfrequente Schwingungsphänomen beeinträchtigt den normalen Betrieb der Maschine erheblich. Bei niedrigen Drehzahlen von Schrittmotoren sollten grundsätzlich Dämpfungsmaßnahmen eingesetzt werden, um niederfrequente Schwingungen zu vermeiden, z. B. durch den Einbau von Dämpfern am Motor oder eine Unterteilungstechnologie am Antrieb. Abhängig von der Schwingfrequenz, den Lastbedingungen und der Antriebsleistung wird allgemein angenommen, dass die Schwingfrequenz die Hälfte der Leerlauffrequenz des Motors beträgt. Dieses durch das Funktionsprinzip des Schrittmotors bedingte niederfrequente Schwingungsphänomen beeinträchtigt den normalen Betrieb der Maschine erheblich. Bei niedrigen Drehzahlen von Schrittmotoren sollte grundsätzlich eine Dämpfungstechnik eingesetzt werden, um niederfrequente Vibrationen zu kompensieren, z. B. durch den Einbau von Dämpfern am Motor oder eine Unterteilungstechnik am Antrieb.
AC-Servomotoren arbeiten mit einer sehr sanften Membrankupplung, sodass selbst bei niedrigen Drehzahlen keine Vibrationen auftreten. Das AC-Servosystem verfügt über eine Resonanzunterdrückungsfunktion, die die mangelnde mechanische Steifigkeit kompensieren kann. Die interne Frequenzauflösungsfunktion (FFT) erkennt den Resonanzpunkt der Maschine und erleichtert die Systemanpassung.
Drittens unterscheiden sich die Moment-Frequenz-Kennlinien.
Das Ausgangsdrehmoment eines Schrittmotors nimmt mit zunehmender Drehzahl ab und fällt bei höheren Drehzahlen stark ab. Die maximale Betriebsdrehzahl liegt daher in der Regel bei 300–600 U/min. AC-Servomotoren haben ein konstantes Drehmoment, d. h. innerhalb ihrer Nenndrehzahl (in der Regel 2000–3000 U/min) können sie das Nenndrehmoment abgeben, oberhalb der Nenndrehzahl ist die Leistung konstant.
Viertens: Die Überlastfähigkeit ist unterschiedlich.
Schrittmotoren sind in der Regel nicht überlastfähig. AC-Servomotoren hingegen sind stark überlastfähig. Ein AC-Servosystem von Panasonic beispielsweise verfügt über Drehzahl- und Drehmomentüberlastfähigkeit. Sein maximales Drehmoment beträgt das Dreifache des Nenndrehmoments und kann so das Trägheitsmoment der Trägheitslast beim Anlauf überwinden. Da Schrittmotoren keine solche Überlastfähigkeit aufweisen, muss zur Überwindung dieses Trägheitsmoments oft ein Motor mit höherem Drehmoment gewählt werden. Da die Maschine im Normalbetrieb kein so hohes Drehmoment benötigt, kommt es zu Drehmomentverlusten.
Fünftens: Die Betriebsleistung ist unterschiedlich.
Schrittmotorsteuerungen mit offenem Regelkreis: Eine zu hohe Startfrequenz oder eine zu große Last führen zu Schrittverlusten oder Blockierungen. Eine zu hohe Stoppgeschwindigkeit führt zu Überschwingern. Um die Regelgenauigkeit zu gewährleisten, muss daher das Problem des Drehzahlanstiegs und -abfalls berücksichtigt werden. Bei AC-Servoantriebssystemen für geschlossene Regelkreise kann der Treiber das Rückmeldesignal des Motorgebers sowie den internen Positions- und Drehzahlregelkreis direkt abfragen. Dadurch treten im Schrittmotor in der Regel keine Schrittverluste oder Überschwinger auf, und die Regelungsleistung ist zuverlässiger.
Sechs, das Drehzahlverhalten ist unterschiedlich:
Schrittmotoren benötigen 200 bis 400 Millisekunden, um vom Stillstand auf die Betriebsdrehzahl (in der Regel einige hundert Umdrehungen pro Minute) zu beschleunigen. AC-Servosysteme bieten eine bessere Beschleunigungsleistung. Ein Panasonic MSMA 400W AC-Servomotor beispielsweise beschleunigt vom Stillstand auf die Nenndrehzahl von 3000 U/min in nur wenigen Millisekunden und eignet sich für die Steuerung schneller Start-Stopp-Situationen.
Zusammenfassend sind AC-Servosysteme Schrittmotoren in vielen Leistungsaspekten überlegen. Schrittmotoren werden jedoch häufig als Stellmotoren in weniger anspruchsvollen Situationen eingesetzt. Daher müssen bei der Entwicklung des Steuerungssystems die Steuerungsanforderungen, die Kosten und weitere Faktoren berücksichtigt werden, um den geeigneten Steuermotor auszuwählen.
