Grundlagen: Servoregler – intelligente Mittler in automatisierten Servosystemen

Drei Begriffe meinen dasselbe Gerät, nur mit unterschiedlicher Betonung:

• Servoverstärker rückt das Verstärken der Signale in den Vordergrund. Der Begriff stammt aus einer Zeit, in der das Bauteil tatsächlich vor allem verstärkt hat.
• Servoumrichter betont das Umrichten der elektrischen Energie für den Motor.
• Servoregler ist die treffendste Bezeichnung, weil moderne Geräte regeln und nicht nur verstärken oder umrichten. Genau diese Funktionsvielfalt bildet die b maXX-Servoregler-Familie von Baumüller ab.

In der Praxis tauchen alle drei Schreibweisen auf, je nach Hersteller und Tradition. Wer nach einem Servoverstärker sucht, meint in aller Regel denselben Antriebsregler.

Ein Servoregler ist aber kein Frequenzumrichter. Diese Verwechslung passiert häufig, der Unterschied ist trotzdem entscheidend. Ein Frequenzumrichter steuert klassische Asynchronmotoren über die Frequenz und eignet sich für gleichmäßige Drehbewegungen wie bei Pumpen oder Lüftern. Ein Servoregler dagegen arbeitet mit Geberrückführung im geschlossenen Regelkreis und beherrscht die Lageregelung: Er fährt definierte Positionen hochdynamisch an und hält das volle Drehmoment auch im Stillstand. Der Frequenzumrichter regelt also primär die Drehzahl, der Servoregler zusätzlich Position und Moment, und das mit deutlich höherer Präzision und Dynamik.

Die eigentliche Stärke eines modernen Servoreglers liegt in der Bewegungssteuerung, international Motion Control genannt. Der Regler setzt die Vorgaben der übergeordneten SPS nicht nur um, er berechnet Bewegungsprofile selbst und koordiniert sie.

Dahinter stehen mehrere ineinandergreifende Regelkreise: Der Stromregler stellt das Drehmoment, der Drehzahlregler die Geschwindigkeit, der Lageregler die Position. Diese kaskadierte Lageregelung sorgt dafür, dass eine Achse einen Zielpunkt nicht nur erreicht, sondern auf dem Weg dorthin exakt der gewünschten Bahn folgt. Für Funktionen wie elektronische Kurvenscheiben oder den Gleichlauf mehrerer Achsen ist genau das die Voraussetzung.

Die Aufgabenteilung ist klar: Die SPS gibt Ziel und übergeordneten Ablauf vor, der Servoregler übernimmt die schnelle, präzise Bewegung im Mikrosekunden-Takt. Weil viele Motion-Control-Funktionen heute direkt im Regler liegen, wird die zentrale Steuerung entlastet und das gesamte Antriebssystem reagiert dynamischer.

Ein Servoregler ist nur so gut wie seine Einbindung in die Anlage. Moderne Geräte kommunizieren über industrielle Feldbusse in Echtzeit mit der Steuerung und den übrigen Komponenten. Die zugehörigen Antriebsprofile sind unter anderem in der Normenreihe IEC 61800-7 beschrieben.

In neuen Maschinen haben Echtzeit-Ethernet-Systeme die klassischen Feldbusse weitgehend abgelöst:

• EtherCAT – der verbreitete Echtzeit-Ethernet-Bus für hochdynamische Mehrachssysteme, mit sehr kurzen Zykluszeiten.
• PROFINET, EtherNet/IP und POWERLINK – je nach Steuerungswelt etablierte Echtzeit-Standards.
• CANopen und PROFIBUS – klassische Feldbusse, die vor allem in Bestandsanlagen noch verbreitet sind.

Die b maXX-Servoregler von Baumüller decken die gängigen Bussysteme ab, darunter EtherCAT, PROFINET IRT, EtherNet/IP, POWERLINK, VARAN und Modbus TCP. Sicherheitsfunktionen lassen sich über FSoE (FailSafe over EtherCAT) direkt über den Bus ansteuern.

Dazu kommen die Geberschnittstellen, über die der Regler die Rückmeldung vom Motor erhält. Bei Baumüller stehen neben dem klassischen Resolver digitale Geberprotokolle wie EnDat 2.2, Hiperface DSL und BISS zur Verfügung; mit Hiperface DSL läuft die Rückmeldung sogar über die Einkabellösung gemeinsam mit der Motorleitung. Über zusätzliche digitale und analoge Ein- und Ausgänge bindet der Servoregler außerdem Sensoren, Endschalter oder Bremsen direkt ein.

Damit fügt sich ein b maXX-Servoregler in nahezu jede Automatisierungsumgebung ein, unabhängig vom Hersteller der übergeordneten Steuerung.

Dabei treibt ein und derselbe Regler je nach Aufgabe unterschiedliche Motortypen an: rotatorische Synchron-Servomotoren ebenso wie Linearmotoren für direkte lineare Bewegungen oder Torquemotoren für hohe Drehmomente bei niedriger Drehzahl. Diese Bandbreite macht den Servoregler zur flexiblen Lösung für sehr verschiedene Maschinenkonzepte.

Ähnliches gilt in der Metallbearbeitung: Bohrungen, Biegungen, verschiedene Oberflächenbehandlungen und das Schneiden mit Plasma- oder Lasertechnik verlangen ein ebenso hohes Maß an Präzision und dynamischen Regelungsmöglichkeiten, die digital parametriert und automatisiert umsetzbar sind.

Anreihbarkeit

Mit anreihbaren Servoreglern von Baumüller lassen sich mehrere Servomotoren unkompliziert anreihen, die dann auch asynchron arbeiten können. So entstehen sehr individuelle Systeme. Spätere Anpassungen sowie die Integration in bestehende Konzepte gelingen damit besonders flexibel. Diese Flexibilität zahlt sich gerade im Mehrachssystem aus.

Präzision

Über den Servoregler sind Drehzahlen und Drehmoment präzise bestimmbar. Dadurch lassen sich vordefinierte Ziele genau ansteuern und halten. Eine Steigerung oder Senkung der Drehzahl justiert der Regler außerdem in Sekundenbruchteilen auf die Zielmarke.

Sicherheit

Der Servoregler kann Elektromotoren von einer zentralen Stelle aus abschalten, was ein Plus an Sicherheit bringt. Im Gegensatz zur individuellen Abschaltung einzelner Motoren lässt sich im Notfall direkt simultan stoppen. Moderne Geräte bringen Sicherheits­funktionen direkt mit, etwa STO (Safe Torque Off) nach IEC 61800-5-2, sodass sich der Antrieb sicher abschalten lässt, ohne ihn komplett vom Netz zu trennen. Höhere Funktionen wie SS1 lassen sich über FSoE (FailSafe over EtherCAT) ansteuern. Diese Möglichkeiten bieten beispielsweise die Baumüller-Servoregler der b maXX-5000- und b maXX-6000-Familie.

Effizienz und Kosteneinsparung

Hohe Leistung bei geringen Energiekosten: Die Effizienz moderner Servoregler senkt die Betriebskosten spürbar, während der Initialaufwand niedrig bleibt. Baumüller bietet mit dem Drive Connect System eine Möglichkeit, die Servoantriebe besonders wirtschaftlich zu installieren und in Betrieb zu nehmen. Der Wartungsaufwand ist gering, die Lebensdauer hoch. Wo Mehrachssysteme im Verbund arbeiten, lässt sich über Rückspeisung zusätzlich Bremsenergie ins Netz zurückführen und die Gesamteffizienz weiter steigern.

Intelligenz im Regler

Funktionen, die früher in einer zentralen Steuerung saßen, laufen heute im Antrieb selbst. Das bedeutet zum einen Konnektivität über Bussysteme und zum anderen Automatisierung. Über den Servoregler lassen sich im Antriebssystem Daten generieren und verarbeiten, die sich dann nutzen lassen, um etwa den Prozess zu optimieren.

Servoregler decken einen breiten Leistungsbereich ab, vom kompakten Gerät für kleine Achsen bis zum Hochleistungsregler für große Hauptantriebe. Welche Baureihe passt, hängt von Strom, Leistung und Bauform der Anwendung ab.

Baumüller bündelt seine AC-Servoregler in der b maXX-Familie, die zusammen einen Leistungsbereich bis 400 kW abdeckt und damit skalierbare Lösungen für unterschiedliche Leistungsklassen bietet. Die kompakte Baureihe b maXX 3300 bedient kleine Achsen bis rund 5 kW. Anreihbare Einzel- und Doppelachsmodule wie b maXX 5300 und das neue b maXX 6300 decken den mittleren Bereich bis etwa 97 kW Motorleistung ab, während Monogeräte wie b maXX 5500 (bis 315 kW) oder b maXX 6500 (bis 400 kW) die großen Hauptantriebe übernehmen. Doppelachsmodule sparen Bauraum im Schaltschrank, weil sich zwei Achsen ein Gerät teilen.

Bei der Auswahl lohnt es sich, neben dem reinen Leistungsbereich auch die benötigten Schnittstellen, die Geberauswertung und mögliche Sicherheitsfunktionen mitzudenken. Einen Überblick über die passenden Antriebe gibt die Produktwelt der b maXX-Servoantriebe.

Der Servoregler bietet als Mittler zwischen Steuerung und Motor eine flexible und dynamische Möglichkeit der Einstellung. Einsatzgebiete sind nahezu alle produzierenden Branchen, in denen besonders hohe mechanische Präzision und Flexibilität gefragt sind. Änderungen am Gesamtsystem und Anpassungen an Sicherheitsanforderungen lassen sich auch im Nachhinein unkompliziert umsetzen, ohne das bestehende Set-up zu ändern.

Ob als Servoregler, Servoverstärker oder Servoumrichter bezeichnet, bleibt die Aufgabe gleich. Die b maXX-Servoregler von Baumüller decken sie vom kompakten Einzelantrieb bis zum vernetzten Mehrachssystem ab.