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Basiswissen

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Wie funktioniert … 
ein integrierter Servomotor?

Text: Jan Tausend, JVL
Ein integrierter Servomotor ist ein AC-Servomotor mit Verstärker und Ansteuereinheit in einem Gerät. Als modulare Lösung mit niedrigem Anschaffungspreis wurde er beliebt. Wie er aufgebaut ist, erfahren Sie hier.

Die Einbindung der Elektronik in einen Motor wurde bis zur Markteinführung des ersten integrierten Servomotors vor etwa 10 Jahren lediglich mit Invertern praktiziert, aber nicht mit Motoren, die Servoperformance bieten konnten. Für diese Kompaktservos wurden der Motor, die Hallsensoren, der Encoder, die Endstufe und der Controller neu entwickelt, um zum Beispiel Erschütterungen stand zu halten und unnötige Temperaturentwicklung zu vermeiden.

Angetrieben wird ein solches Gerät von einem bürstenlosen Servomotor, dessen Rotor aus Hochleistungsmagneten besteht. Am hinteren Ende des Motors befindet sich der Hallgeber, der während des Anlaufs Auskunft über die Lage der Rotormagneten gibt. Mit den Signalen der Hallsensoren wird die richtige Kommutierung des Motors gewährleistet, indem die Spannung an den drei Motorphasen so eingestellt wird, dass die magnetische Ausrichtung für ein maximales Drehmoment bei minimalem Strom angepasst ist. Nach dem Motoranlauf ist ausschließlich der hinter dem Hallgeber platzierte Encoder für die Rückmeldung von Position und Geschwindigkeit zuständig und der Motorbetrieb erfolgt 100 Prozent digital.

Das Gehirn

Der Steuerschaltkreis, der das Drehmoment, die Geschwindigkeit sowie die Position regelt, besteht aus digitalem Regler und Treiberstufe. Die Rechenzentrale ist ein Hochleistungsmikroprozessor. Der Prozessor empfängt seine Vorgaben über ein eingebautes Erweiterungsmodul und führt entsprechend die digitale Strom-, Geschwindigkeits- und Positionierregelung durch. Die Signale des optischen oder auch mechanischen Encoders werden zum Ermitteln der Geschwindigkeit und der Position verarbeitet. Der integrierte Servomotor ist mit unterschiedlichen Betriebsmodi ausgestattet, um mit der Basiskonfiguration möglichst viele Applikationen abdecken zu können. Die Betriebsart wird über eine Parametrier-Software ausgewählt, die eine Geschwindigkeits- oder Drehmomentregelung oder die Positionierung über ±10 VDC ebenso beinhaltet, wie die Ansteuerung über Puls-/Richtungssignal. Letzteres bietet die einfache Möglichkeit, eine bisherige Schrittmotoren-Applikation auf Servo-Performance aufzurüsten. Die Nullstellung des Antriebes kann applikationsgerecht ausgewählt werden, entweder durch Referenzpunktschalter, einen mechanischen Anschlag im Drehmomentverfahren oder das Setzen des Nullpunkts per Software. Bei einem Servomotor mit mechanischem Absolutwert-Encoder ist das nur einmal erforderlich.

Die Vorteile

Die Vorzüge einer Applikationslösung mit kompakten Servomotoren sind unter anderem eine dezentralisierte Systemintelligenz und, dass Leitungen zwischen Motor und Verstärker nicht mehr nötig sind. Dadurch wird die Installation vereinfacht, Platz im Schaltschrank gespart, Fehler bei der Verdrahtung vermieden und EMV-Probleme vermindert. Außerdem machen es Erweiterungsmodule möglich, dass sich die Antriebe besser an Bedürfnisse von Applikationen anpassen können. Neben Modulen mit nanoPLC sind die herkömmlichen Feldbusse Profibus, CANopen, DeviceNet und Modbus, aber auch Wireless-Netzwerke wie Bluetooth, Zigbee und WLAN erhältlich. Auch Industrial Ethernet Module wie Ethercat, Profinet, Powerlink, Ethernet/IP, Modbus TCP und Sercos III werden angeboten.

Integrierte Servotechnik, wie sie beispielsweise von JVL angeboten wird, erfreut sich weltweit immer größerer Beliebtheit und veranlasst viele Konstrukteure zum Umdenken. Die Systeme sind heute in unterschiedlichsten Bauformen, Abmessungen und Leistungsstärken verfügbar, um allen Anforderungen gerecht zu werden.

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