Servoantrieb

Ein Servoantrieb ist ein Antrieb mit elektronischer Lage-, Geschwindigkeits- oder Momentenregelung (oder eine Kombination derselben) mit hohen bis sehr hohen Anforderungen an die Dynamik, die Stellbereiche und/oder die Genauigkeit der Bewegung. Servoantriebe werden häufig in Produktionsmaschinen (Werkzeugmaschinen) und Automatisierungslösungen (Verpackungsmaschinen, Industrieroboter) eingesetzt.

Einsatz

Ihr Einsatz 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

Servo-Achsen bestehen generell aus den Hauptkomponenten

• Servo-Umrichter mit
  • Leistungselektronik
  • Steuerelektronik: Regelung, Sollwertgenerierung, Überwachung
• Servomotor mit
  • Aktivteil mit Wicklung, Eisen und Magneten zur Drehmomenterzeugung
  • Sensor/ Messeinrichtungen zur Winkel- und Drehzahlrückführung
  • Bremse zum Halten der Position im Stillstand
• Getriebe zur Drehzahl- und Drehmomentwandlung

Die Komponenten bilden ein abgestimmtes mechatronisches System, das als funktionale Einheit zusammenwirkt.

Aufbau

Servoantriebe bestehen aus einem Servomotor, dem Servoumrichter mit Leistungselektronik und Regelung sowie ggf. Getriebe zur Drehzahlanpassung oder zur Umsetzung der Drehbewegung in eine Linearbewegung. 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.

Grundsätzlich gehören Überwachungseinrichtungen gegen Kurzschluss, Überlast oder Übertemperatur zur Ausstattung eines Servoumrichters. Häufig bietet der Servoumrichter auch einen gewissen Umfang an Steuerungsfunktionen zur Bewegungsführung und zur Steuerung eines Teils der Maschine. Die mechanischen Komponenten Getriebe zur Drehzahlanpassung oder zur Umsetzung in die Linearbewegung sind gegenüber Standardlösungen in der Regel mit geringerem Spiel und höherer Belastbarkeit zur Übertragung der starken Drehmomentänderungen ausgelegt.

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.

Die Steuerelektronik des Servogeräts ermittelt aus den Signalen des Winkelgebers den Drehwinkel und die Geschwindigkeit des Motors. 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 kommen auch Linearmotoren zum Einsatz. Für Servoanwendungen handelt es sich in der Regel um permanentmagneterregte Kurzstatormotoren.^[1]

Anwendungen

Servoantriebe werden für hochdynamische und präzise Bewegungen in modernen Produktionsmaschinen eingesetzt. Sie kommen heute in vielfältigen Anwendungen der Handhabungs- und Automatisierungstechnik zum Einsatz. Sie treiben Roboter in der Automobilindustrie an, positionieren Portale bei der Möbelherstellung, wickeln Drähte oder zerschneiden und portionieren Fischfilets. Die Servoantriebe sorgen für hohe Produktionsgeschwindigkeit durch schnelle und exakte Bewegungen entsprechend den Steuerungsvorgaben.

Typische Einsatzgebiete sind Positionierantriebe, koordinierte Antriebe, Gleichlaufantriebe, Querschneider, Fliegende Sägen und elektronische Kurvenscheiben.

Zusammenfassung der Kennwerte für das dynamische Verhalten von Servoantrieben

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 für Linearbewegungen übertragen werden.

Kenngröße	Ausdruck	Anforderung für Servoantriebe
Überlastbarkeit	$c = \frac{M_\text{max}}{M_\text{0}}$	$c \geq 3$
Zykluszeit Sollwerte und Lageregelung		$T_{\text{C set} \varphi} \leq 1 \text{ms}$
Bandbreite geschlossener Stromregelkreis	$f_\text{-3 dB I} \approx \frac{1}{2{,}5 \cdot T_\text{RI}} ... \frac{1}{2 \cdot T_\text{RI}}$	$T_\text{RI} \leq 1 \text{ms}$ , $f_\text{-3 dB I} \geq 400 \text{Hz}$
Bandbreite geschlossener Geschwindigkeitsregelkreis	$f_\text{-3 dB n} \approx \frac{1}{2{,}5 \cdot T_\text{Rn}} ... \frac{1}{2 \cdot T_\text{Rn}}$	$T_\text{Rn} \leq 3 \text{ms}$ , $f_\text{-3 dB n} \geq 150 \text{Hz}$
Bandbreite geschlossener Lageregelkreis	$f_{\text{-3 dB} \varphi} \approx \frac{1}{2{,}5 \cdot T_{\text{R} \varphi}} ... \frac{1}{2 \cdot T_{\text{R} \varphi}}$	$T_{\text{R} \varphi} \leq 10 \text{ms}$ , $f_{\text{-3 dB} \varphi} \geq 50 \text{Hz}$
Leistungsvermögen Geschwindigkeitsregelkreis	$T_\text{min} = \frac{2 \pi \cdot n_\text{N} \cdot J_\text{m}}{M_\text{max}}$ , $f_\text{P n} = \frac{1}{2 \pi \cdot T_\text{min}}$	$T_\text{min} \leq 15 \text{ms}$ , $f_\text{P n} \geq 10 \text{Hz}$

Anmerkungen: M_max : Maximaldrehmoment, M₀ : Haltedrehmoment, J_m : Motor-Massenträgheitsmoment, n_N : Bemessungsdrehzahl

Erläuterung der Kennwerte für das dynamische Verhalten von Servoantrieben

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:

$T_{\text{C set} \varphi} \leq 1 \text{ms}$ erforderlich.

Der Lageregelkreis muss mit der gleichen Zeit:

$T_{\text{C} \varphi} \leq 1 \text{ms}$ arbeiten.

Für die maximale Zykluszeit des Geschwindigkeitsreglers gilt:

$T_\text{C n} \leq 0{,}25 \text{ms}$ .

Entsprechend IEC 61800-4^[2] 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:

$T_\text{RI} \leq 1 \text{ms}$ .

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

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

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

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

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

• Bandbreite für den geschlossenen Regelkreis: $f_\text{-3dB} = \frac{1}{2 \pi} \frac{K_\text{Pn}}{J_\text{g}}$ ; $\omega_\text{-3dB} = \frac{K_\text{Pn}}{J_\text{g}}$

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:

$w = \max (\dot M) = \max \left( \frac{\mathrm dM}{\mathrm dt} \right) = \left( \frac{M_\text{max}}{T_\text{max}} \right)$

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 $\hat S_\text{W} = \hat \omega_\text{W} \cdot \hat M_\text{W} = 2\pi \cdot \hat n_\text{W} \cdot \hat M_\text{W}$ .

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

$M_\text{m} = \hat M_\text{m} \cdot \sin ( \omega \cdot t )$

mit:

$\hat M_\text{m} = \min \left( \frac{w}{\omega} ; M_\text{max} \right) = \min \left( \frac{M_\text{max}}{\omega \cdot T_\text{max}} ; M_\text{max} \right)$

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:

$\hat \alpha = \frac{\hat M_\text{m}}{2 \cdot J}$ und die Maximaldrehzahl zu $\hat \omega_\text{W} = \min \left( \omega_\text{max} ; \frac{\hat \alpha}{\omega} \right)$.

Aus der so berechneten Geschwindigkeit $\hat \omega_\text{W}$ und dem Drehmoment $\hat M_\text{m}$ ergibt sich das Drehmoment für die Maschine zu $\hat M_\text{w} = \hat M_\text{m} - \hat \alpha_\text{w} \cdot J_\text{m} = \hat M_\text{m} - \omega \cdot \hat \omega_\text{w} \cdot J_\text{m}$ .

Die Maximalleistung für kleine Frequenzen $\omega \approx 0$ ist $S_\text{w max} = \hat \omega_\text{w} \cdot M_\text{max} = 2 \pi \cdot n_\text{max} \cdot M_\text{max}$ .

Mit zunehmender Frequenz reduziert sich die Leistung $\hat S_\text{W} = \hat \omega_\text{W} \cdot \hat M_\text{W}$ . Die Leistungsbandbreite ist durch die Frequenz $\omega_\text{Pn} = 2 \pi \cdot f_\text{Pn}$ gegeben, bei der die Leistung $\hat S_\text{W}$ halb so groß wie die Maximalleistung S_{w max} ist (-3dB).

Die Leistungsbandbreite errechnet sich aus den oben genannten Ausdrücken für $\hat \omega_\text{W}$ und $\hat M_\text{W}$ zu

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

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

Siehe auch

• Servo
• Servomotor
• Positionsregelung

Literatur

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

Einzelnachweise

1. ↑ Servoantriebe
2. ↑ IEC 61800-4 chapter 7.2 dynamic performance