Funktionsweise von Servoantrieben: Prinzip und Komponenten von Servosystemen

Servo ist der fortschrittlichste und modernste Motortyp. Es ist für den Einsatz in Bewegungssteuerungsanwendungen vorgesehen, die eine hohe Positioniergenauigkeit erfordern. Die Kenntnis der Funktionsweise eines Servoantriebs ermöglicht es uns, seinen wachsenden Bedarf in der industriellen Prozessautomatisierung und Verbrauchertechnik zu verstehen.

Vordigitale Ära

Der Name Le-Servomoteur wurde erstmals 1868 von Joseph Farco verwendet, um im Schiffbau verwendete Hydraulik- und Dampfmaschinen zu beschreiben. Die eigentliche Bedeutung dieses Wortes ist im Laufe der Zeit verloren gegangen, es ist jedoch anzunehmen, dass es sich um ein Wortspiel aus dem französischen cerveau (Gehirn) und dem lateinischen servus (dienen) handelt. Im weitesten Sinne wurde dieser Begriff nicht eingeführt, um die Nützlichkeit oder Komplexität von Motoren hervorzuheben, sondern konzentrierte sich auf ihre Fähigkeit, den Befehlen des Antriebssteuerungskomplexes zu dienen. Das heißt, der Antrieb hat eine Rückkopplung mit dem Rest des Systems und reagiert auf seine Signale.

1898 experimentierte Tesla mit der drahtlosen Steuerung von Schiffsmodellen, die mit Schütz-Servomotoren ausgestattet waren, und bereits 1911 hatte Hobart den Begriff "Servomotor" in seinen Wortschatz aufgenommen. Bis 1915 war dieses Wort trotz seines französischen Ursprungs unter englischsprachigen Elektroingenieuren fest verankert.. Die Weiterentwicklung der Technik vor dem Zweiten Weltkrieg verlief mehr als rasant:

• 1916 - patentierter pneumatischer Torpedo, bei dem das Lenkrad einem Servomechanismus gehorchte;
• 1922 - General Electric beginnt mit der Arbeit an Servos zur Steuerung von Marinegeschützen;
• 1925 - schuf ein elektronisches Pistolenservo mit Proportionalsteuerung und positiver Rückkopplung;
• 1933 - Einführung des DC-Servo-Tonbandgeräts.
• 1935 - der erste Schrittmotor wurde als Fernrepeater der Position des Kompasses und des Visiers der Waffe getestet.

Die Evolution der Präzision

Schrittmotoren wurden während und nach dem Zweiten Weltkrieg in begrenzter Anzahl verwendet. In den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts erlebten sie mehrere Verbesserungen und waren über mehr als zwei Jahrzehnte als unersetzlich allgegenwärtig unbemannte Bedienelemente, Anzeigen für Sortierwagen und Wiegestationen, digitale Differenzhöhenmesser und Computer Peripherie.

Die ersten bürstenlosen Motoren wurden Mitte der 50er Jahre entwickelt. Durch den Wegfall mechanischer Bürsten konnten sie überraschend lange mit hoher Zuverlässigkeit arbeiten. Schrittmotoren haben einen starken Konkurrenten. Bürstenlose Motoren sind in der Weltraumforschung unverzichtbar, die ihre rasante Entwicklung bestimmten.

Das Aufkommen erschwinglicher Herstellungsmethoden für Seltenerd-Kobalt-Magnete in den 1960er Jahren wurde zur Hauptgrundlage für den technologischen Durchbruch von Gleichstrommotoren. Diese, ausgestattet mit geregelten Feedback-Antrieben, machen den Großteil der weltweit produzierten Servomotoren aus. In den frühen 1970er Jahren eroberten Mikroprozessoren den Automatisierungsmarkt und waren in der Lage, die Maschinenbewegung nahezu perfekt zu steuern.

Gerät und Typen

Ein Servoantrieb ist ein Gerät, das eine mechanische Aktion mit hoher Präzision unter ständiger Selbstkontrolle der Zielposition und der Bewegungsparameter ausführt. Das Vorhandensein eines Feedback-Systems mit einer empfindlichen Vorrichtung zur Korrektur von Abweichungen von den eingestellten Parametern unterscheidet ihn von anderen Antriebsarten. Im weiteren Sinne bezeichnet dieser Begriff moderne Elektromotoren, die mit Servoantrieben ausgestattet sind. Vereinfacht lässt sich das Servogerät als geschlossenes System aus vier Elementen beschreiben:

• Sensor;
• Motor;
• Regler;
• Rückmeldungssystem.

Das Funktionsprinzip des Servomotors sieht so aus: Es wird ein Befehl an den Eingang des Geräts gesendet, um einen neuen Zustand (Koordinaten, Geschwindigkeit usw.) ), ermittelt das Gerät den aktuellen Wert, vergleicht ihn mit dem empfangenen und führt eine Regelung am Motor durch, um die Differenz zu verringern.

Aufgrund ihrer Fähigkeit, die eingestellten Parameter beizubehalten und zu kontrollieren, gelten Servos als die fortschrittlichsten Aktuatoren. Moderne Geräte haben sich im Vergleich zu den ersten Generationen stark verändert. Jetzt sind dies intelligente Geräte, die mit den neuesten Fortschritten in der Herstellung von Magneten und Prozessortechnologie hergestellt wurden. Im 21. Jahrhundert ermöglichte es der Fortschritt, die Kosten einfacher Geräte um ein Vielfaches zu senken, ohne ihre Qualitäten zu verlieren und zu schaffen technisch ausgereifte drehzahlgeregelte und hochpräzise Antriebe für anspruchsvolle Branchen wie Werkzeugmaschinenbau.

In der modernen Industrie werden zwei Arten von Servomotoren verwendet: linear und rotatorisch. Mit Linear können Sie Folgendes erreichen:

• hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen;
• hohe Positioniergenauigkeit.

Sie haben unbestreitbare Vorteile, aber dennoch sind Rotationsservos beliebt. Dies liegt vor allem daran, dass Lineare zur Überhitzung neigen. Hitze verursacht eine ungewollte Ausdehnung und belastet Lager, Fett und Sensoren. Dies wirkt sich im Laufe der Zeit negativ auf die Lebensdauer der Komponenten aus.

Rotationsmotoren werden wiederum in Positions- und Endlosrotationsservos unterteilt. Positionsrotationsvorrichtungen sind die gebräuchlichste Art. Die Abtriebswelle arbeitet nur in einem Kreissektor, der durch physische Anschläge begrenzt wird, um eine Drehung außerhalb der konstruktionsspezifischen Grenzen zu verhindern.

Kontinuierliche Motoren sind Positionsmotoren sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass sie sich je nach Eingangssignal in jede Richtung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen können.

Die Vorteile von Rotationsservomotoren aus steuerungstechnischer Sicht sind wie folgt:

• Drehmoment ist proportional zum Strom;
• die Geschwindigkeit ist proportional zur angelegten Spannung.

Sowohl die erste als auch die zweite sind in Anwendungen gefragt, die von Kinderspielzeug bis hin zu Weltraumrobotik reichen.

Servos werden natürlich weiter verbessert. Sie sind durch den Trend zur Dezentralisierung automatisierter Systeme entstanden und weiterentwickelt worden. Die Reduzierung der Prozessorkosten beschleunigt diesen Prozess. Die Anzahl der Funktionen moderner Servos wächst und wird voraussichtlich weiter wachsen. Die neuesten Geräte sind bereits mit der Fähigkeit ausgestattet, Regelparameter selbst einzustellen und zu optimieren, und können mit Prozessreglern für entfernte Installationen hergestellt werden.

Gut möglich, dass Servoantriebe der Zukunft viele damit verbundene Aufgaben in Maschinen und Mechanismen lösen und den Einbau zusätzlicher Geräte vermeiden helfen.