Grundlagen: Servoantrieb – Aufbau, Funktionsweise und Auslegung

Der Servomotor wandelt elektrische in mechanische Leistung. In der Servo-Antriebstechnik ist er meist ein permanenterregter Synchronmotor mit schlanker Bauform und hoher Überlastbarkeit, teilweise auch ein Linear- oder Torquemotor. Baumüller bietet seine Servomotoren in vier Baureihen an, von den dynamischen DSD2 über die kompakten DSC bis zu den besonders rastmomentarmen DSH1 für höchste Präzision.

Der Servoregler versorgt den Motor mit Strom und schließt die Regelkreise. Je nach Hersteller heißt dasselbe Gerät auch Servoumrichter oder Servoverstärker; bei Baumüller trägt diese Geräteklasse den Namen b maXX.

Ein Servoantrieb besteht aus fünf Baugruppen, die als funktionale Einheit zusammenwirken:

Der Servomotor erzeugt Drehmoment und Bewegung; Synchron-, Linear- oder Torquemotor. In der Industrie durchweg als AC-Servoantrieb ausgeführt, DC-Varianten mit Bürsten laufen nur noch in Bestandsanlagen.

Der Servoregler richtet die Energie für den Motor um, schließt Strom-, Drehzahl- und Lageregelkreis und bringt Sicherheits­funktionen von STO (Safe Torque Off) über SS1 bis zur sicheren Position mit, übertragbar über FSoE (FailSafe over EtherCAT).

Das Gebersystem meldet Lage und Geschwindigkeit zurück; bei Baumüller beispielsweise als Resolver oder digitaler Encoder mit EnDat 2.2, Hiperface DSL, SSI und viele weitere.

Mechanik: Getriebe, Spindel, Zahnstange, Kette, Riemen oder Kupplung; überträgt die Bewegung auf die Last

Die übergeordnete Steuerung gibt Bewegungsprofil und Ablauf vor, meist eine SPS oder Motion-Control-Steuerung.

Baumüller baut seine Servomotoren in sieben Baugrößen von 28 bis 132, mit Nenndrehmomenten von 0,6 bis 715 Nm und wahlweise ungekühlt, luft- oder flüssigkeitsgekühlt (Wasser oder Öl). So lässt sich der Motor über Baugröße, Wicklung und Kühlung genau auf die Achse zuschneiden.

Die Mechanik gehört ausdrücklich dazu, auch wenn sie leicht übersehen wird. Ein Getriebe passt Drehzahl und Drehmoment an die Last an und reduziert deren Trägheit quadratisch mit der Übersetzung, bringt aber Spiel und Elastizität in die Achse. Beides begrenzt die erreichbare Positioniergenauigkeit unabhängig davon, wie gut Motor und Regler sind. Servogetriebe sind deshalb spielarm ausgeführt und höher belastbar als Standardgetriebe. Bei Linearachsen fällt dieser Umweg weg: Ein Linearmotor bewegt den Schlitten direkt, ohne Spindel und ohne Getriebespiel, allerdings zu höheren Kosten.

Der Ablauf beginnt links. Die Steuerung gibt einen Lagesollwert vor. An der Summationsstelle wird davon der Istwert des Gebers abgezogen; übrig bleibt die Regelabweichung. Der Lageregler macht daraus einen Drehzahlsollwert, der Drehzahlregler daraus einen Stromsollwert, der Stromregler steuert schließlich das Leistungsteil an, das den Servomotor mit Strom und Spannung versorgt. Der Geber führt Lage und Drehzahl zurück, und der Kreis schließt sich. Ein wechselndes Lastmoment wirkt dabei als Störgröße auf den Motor; der geschlossene Regelkreis gleicht sie laufend aus.

Warum diese Staffelung? Weil jeder innere Regelkreis mindestens so schnell arbeiten muss wie der ihn umgebende, sonst schwingt die Achse. Die innere Stromregelung ist deshalb die schnellste Schleife: Der b maXX 3300 von Baumüller rechnet sie in 62,5 µs, Drehzahl- und Lageregelung laufen mit jeweils 125 µs.

Was der Regler dabei tatsächlich vor sich hat, also Motor, Getriebe, Last und deren Reibung, heißt in der Regelungstechnik Regelstrecke. Bei der Inbetriebnahme stimmt Baumüller Regler und Strecke mit dem Tool ProDrive und der Funktion Smart Tuning automatisch aufeinander ab, statt jeden Parameter von Hand zu suchen.

Ein wichtiger Kennwert ist die Überlastbarkeit. Ein Servoantrieb gibt kurzzeitig ein Vielfaches des Moments ab, das er dauerhaft aufbringt, und beim Beschleunigen braucht er genau das. Wie hoch dieses Vielfache ausfällt, hängt von der Baugröße ab: Kleine Achsen erreichen das Dreifache ihres Stillstandsdrehmoments (M0) und mehr, große Antriebe liegen niedriger, weil die Leistungselektronik dort näher an ihrer Dauergrenze ausgelegt ist. Begrenzend wirkt jeweils das schwächere Glied aus Motor und Umrichter. Wie sich Drehmoment und Drehzahl über den gesamten Betriebsbereich zueinander verhalten, zeigt die Synchronmotor-Kennlinie.

Bei der Auslegung zählt nicht der Spitzenwert, sondern das über den Maschinenzyklus gemittelte Drehmoment, sonst wird der Antrieb überdimensioniert. Ebenso wichtig ist das Verhältnis von Last- zu Motorträgheit. Bis etwa 5:1 gilt es als unkritisch; mit steifer Mechanik und sauber abgestimmtem Regler sind auch 10:1 beherrschbar. Wird es deutlich größer, bewegt im Zweifel die Last den Motor und nicht umgekehrt, und die Achse neigt zum Schwingen. Wo die Last zu schwer wird, hilft ein Getriebe, das ihr Massenträgheitsmoment auf die Motorseite herunterrechnet.

Diese Rechnung muss niemand von Hand aufstellen. Mit dem Auslegungstool sizemaXX dimensioniert Baumüller die Achse Schritt für Schritt, vermeidet Überdimensionierung und zeigt Einsparpotenziale im Antrieb auf. Das spart nicht nur Zeit, sondern hält auch den Energieverbrauch im späteren Betrieb niedrig.

Ein Servoantrieb ist die geregelte Achse als Ganzes: Servomotor, Servoregler, Geber und Mechanik. Seine Leistungsfähigkeit entsteht aus der Kaskade von Strom-, Drehzahl- und Lageregelkreis, und sie lässt sich über Überlastbarkeit und Zykluszeiten nachprüfen statt nur behaupten. Bei der Auslegung entscheiden das gemittelte Drehmoment und das Trägheitsverhältnis, nicht der Katalogspitzenwert.

Wirtschaftlich zahlt sich die Servotechnik dort aus, wo Taktzeit und Präzision den Ausschlag geben. Ihre Vorteile reichen dabei über die reine Positionierung hinaus. Baumüller-Servomotoren erreichen Wirkungsgrade von über 90 Prozent, in der Spitze bis 96 Prozent, und im Mehrachssystem lässt sich Bremsenergie über einen gemeinsamen Zwischenkreis weiterverwenden, statt sie zu verheizen. Für die Energieeffizienz einer Anlage ist das oft der größere Hebel als der Motor selbst.