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Was ist ein Servomechanismus?

2020-11-25

Was ist ein Servomechanismus? Das ist nichts anderes als ein handelsüblicher DC-Motor mit eingebauten Servotreibern und Getriebe. Das grundlegende Funktionsprinzip basiert auf einem Rückkopplungssystem, wo der Eingangssignal als Angabe über die Lage, Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Verschiebung eingeführt wird. Die Daten werden durch die Ansteuerungseinheit und den Verstärker in die Antriebseinheit transformiert – den Servomotor oder den elektrischen Motor.

Aus diesem Beitrag erfahren Sie:

Die Servomechanismen finden in nahezu allen Zweigen der Leicht- und Schwerindustrie, in der Elektronik und Elektrik, im Modellbau und überall dort Anwendung, wo es erforderlich ist, präzise Interpolationsbewegungen nach der vorgegebenen Trajektorie zwischen dem Anfangs- und dem Endpunkt einzusetzen.

Was ist ein Servomechanismus?

Die Servomechanismen, umgangssprachlich auch Servos genannt, bilden das grundlegende Kontrollelement in den automatischen Kontrollsystemen. Das sind elektronische Elemente, die zur Änderung von Steuersignalen in eine entsprechende Bewegung von Antriebseinheiten und Empfängern dienen. Es kann sich dabei um verschiedene Klappen, Bremsen, Hebezeuge und sonstige Komponente der hydraulischen und pneumatischen Systeme in den Maschinen, Geräten oder in den Industrieanlagen handeln.

Der Aufbau eines Servomechanismus hängt von seiner Spezifizierung, Parameter und Bestimmung ab, im Allgemeinen lassen sich jedoch folgende Bestandteile unterscheiden:

  • DC-Motor,
  • Potentiometer,
  • Getriebe,
  • elektronisches Kontrollsystem zur Einstellung der Motorwelle,
  • Gehäuse.

DFROBOT SER0001

Das Element, welches die Einstellung der Motorwelle bezeichnet, ist der eingebaute Drehpotentiometer. Ein Bespiel hierfür ist der Servomechanismus DFROBOT SER0001.

Wie funktioniert ein Servomechanismus?

Kleine, analoge Servomechanismen sind mit einem 50 Hz Generator ausgestattet, was eine Signalabtastung alle 20 ms erzwingt. Normalerweise wird die neutrale Wellenlage mit einem Impuls von 1,5 ms Breite festgelegt und die Wellendrehung in eine jegliche Richtung wird durch den Unterschied zwischen dem abgetasteten Signal und der neutralen Lage erzwingt – normalerweise oszilliert die Impulsbreite zwischen 1-2 ms.

Wie funktioniert ein digitaler Servomechanismus? Neuere, digitale Servomechanismen sichern höhere Abtastfrequenzen, was zu einer präziseren Einstellung der Welle im Bereich geringer Neigungen beiträgt und die Wellenbewegungen beschleunigt. Von Bedeutung ist auch die Tatsache, dass digitale Servomechanismen sogar dreimal so hohe Haltekraft im Vergleich mit den analogen Servomechanismen bieten. Ein Beispiel für einen digitalen Servomechanismus ist das Modell POWER HD MINI DIGITAL SERVO HD-1810MG.

Erwähnenswert ist auch die Art des Algorithmus, der im Servomechanismus eingebaut wurde. Derzeit werden die PID und PIV Algorithmen immer noch am häufigsten eingesetzt. Für die meisten Anwendungen reichen die PID Algorithmen aus – insbesondere, wenn keine hohe Leistung des Servomechanismus erwartet wird. Die PIV Regulatoren eignen sich bei komplexeren und anspruchsvolleren Anwendungen, die auf einer komplexen Antriebsbewegung basieren.

POLOLU-1047

POWER HD MINI DIGITAL SERVO HD-1810MG POLOLU

Über welche Parameter verfügt ein Servomechanismus?

Zu den wichtigsten Parametern der Servomechanismen gehören:

  • Drehmoment und Drehgeschwindigkeit,
  • Betriebszeit bei Überbelastung,
  • Verhältnis zwischen dem Drehmoment und der Trägheit,
  • Auflösung,
  • Frequenzantwort,
  • Abmessungen,
  • Schnittstellen,
  • Netzlösungen.

Genau diese Parameter sind dafür zuständig, wie ein Servomechanismus funktioniert.

 

Drehmoment und Drehgeschwindigkeit

Das ist einer der wichtigsten Parameter von Servomechanismen. Zum Beispiel das Modell SER0039 DFROBOT sichert das maximale Drehmoment von 1,8 kg/cm und eine Geschwindigkeit von 0,11 s/60°.

Normalerweise wird das Drehmoment für den Dauerbetrieb und für periodische Belastung getrennt angegeben. Das Drehmoment für den Dauerbetrieb ist mit dem Wert identisch, der durch den Motor ununterbrochen und ohne das Risiko einer Überhitzung, Überbelastung und Beschädigung generiert wird. Das Drehmoment für den periodischen Betrieb ist der Höchstwert des Moments, den ein Servomechanismus innerhalb einer kurzen Zeit generieren kann, und betrifft normalerweise den Brems- bzw. den Beschleunigungszeitraum des Mechanismus oder dessen Reaktion auf eine vorübergehende Störung.

Bei der Auswahl des Servomechanismus ist der RMS-Wert (quadratisches Mittel) des Drehmoments zu beachten – dieser Wert muss den Parametern des Dauerbetriebs eines Motors entsprechen. Der maximale Betriebszyklus eines Servomechanismus muss wiederum an dessen Abführungsmöglichkeiten von Hitze aus dem System angepasst werden.

Nicht zu vergessen ist auch die Drehgeschwindigkeit, welche die maximale und durchschnittliche Anzahl von Drehungen der Welle des Servomechanismus in einer Zeiteinheit bestimmt. Sowohl das Drehmoment, als auch die Drehgeschwindigkeit sind die Leistungskomponenten des Kontrollelements.

Trägheitsverhältnis

Ein weiterer wichtiger Parameter des Betriebs von Servomechanismen ist das Verhältnis zwischen der Trägheit des Rotors und der Trägheit der Belastung. Der Servomechanismus ist ein Gerät, dessen Funktion auf der Rückkopplungsschleife basiert und der Kontrollalgorithmus regelt die Stärke des durch den Motor aufgenommenen Stroms. Die Stromstärke wird durch den Algorithmus aufgrund der Wechselbeziehung zwischen den Unterschieden des gemessenen Wertes und des Sollwertes für die aktuelle Lage der Welle und des Drehmoments und der Drehgeschwindigkeit. Das Trägheitsverhältnis des Motors und der Belastung hat einen entscheidenden Einfluss auf die präzise Geschwindigkeitssteuerung – ist es zu hoch, dann gerät der Motor in Oszillationen, was bedeutet, dass er nicht ordnungsgemäß gesteuert wird. Oszillationen in Form von Schwingungen und Vibrationen können die Mechanismen und Konstruktionselemente des Gerätes beschädigen.

Je kleiner das Trägheitsverhältnis, desto geringer das Oszillationsrisiko und desto höher die Steuerungspräzision des Servomechanismus. Auf dieses Verhältnis wirkt sich auch die Auswahl einer geeigneten Antriebsübertragung aus, wodurch ein entsprechend niedriges Trägheitsverhältnis des Rotors und der Belastung gewährleistet werden kann.

Auflösung

Die Auflösung des Encoders, der ein Bestandteil der Rückkopplungsschleife des Servomechanismus ist, ist für die präzise Steuerung der Welle zuständig. Handelsübliche Encoder sichern eine Auflösung von 20 Bit oder mehr. Je höher die Auflösung des Encoders, der ein Bestandteil der Rückkopplungsschleife des Servomechanismus ist, desto schneller kann ein Servomechanismus die Bewegung entdecken und eine Korrektur vornehmen, was zu einer präziseren Steuerung der Wellenlage beiträgt.

Frequenzband und Frequenzantwort

Ein weiterer Parameter, der die Funktion des Servomechanismus bestimmt, ist die Frequenzantwort d.h. Fähigkeit des Systems, die Signalkorrekturen zu überwachen und sich daran anzupassen. Das Frequenzband des Servomechanismus ist ein sinusförmiges Signal in der Steuerschleife – je höher, desto größer die Steuerungspräzision und desto höher die Anpassungsgeschwindigkeit an die Änderungen des Eingangssignals. Derzeit bedienen moderne Servomechanismen die Frequenzbänder von über 1 kHz.

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