Ratgeber
Wissenswertes zu Servomotoren
Servomotoren sind integraler Bestandteil der Antriebstechnik und wirken in vielen industriellen Anlagen und Maschinen. Aber auch im Modellbau finden die Motoren Verwendung, beispielsweise in RC-Autos. Erfahren Sie in unserem Ratgeber alles Wissenswerte über Aufbau und Funktionsweise der sogenannten Servos beziehungsweise Servomotoren.
Servomotoren sind sowohl im industriellen als auch in vielen anderen Bereichen unverzichtbar. Sie werden bei Werkzeug- und Verpackungsmaschinen ebenso genutzt wie bei hochmodernen Industrierobotern. Komplexe Produktionsketten wären ohne die leistungsstarken Servoantriebe praktisch undenkbar. Immer dann, wenn es auf Bewegungen ankommt, die eine hohe Dynamik sowie ein hohes Mass an Präzision erfordern, schlägt die Stunde der Servomotoren. Es gibt sie als Rotativ- und Linearmotoren, die entsprechend entweder eine Drehbewegung oder einen linearen Bewegungsablauf erlauben. Ein Servo kann in dem Bruchteil einer Sekunde auf seine Nenndrehzahl beschleunigen oder auch abbremsen. Wenn man von einem Servomotor spricht, ist gewöhnlich ein Elektromotor gemeint, der strom-, drehzahl- oder positionsgeregelt ist. Somit ermöglicht ein Servomotor die Einstellung von vorgegebenen Strömen, Drehzahlen oder Drehwinkeln. Mit einem solchen Motor kann also die exakte Position der Motorwelle wie auch Drehzahl und Beschleunigung kontrolliert werden.
Unterschieden wird zwischen Asynchronmotoren und Synchronmotoren, die wiederum als AC-Servomotoren oder DC-Servomotoren verfügbar sind. Ein AC-Servomotor arbeitet mit einer ein- oder dreiphasigen gleichgerichteten Wechselspannung. Die so erzeugte Spannung kann zwischen 230 Volt und deutlich über 600 Volt liegen. Dagegen können Gleichstrommotoren direkt an die Versorgungsspannung angeschlossen werden. Die Spannung beträgt in der Regel bis zu 48 Volt.
Ein Servomotor besteht aus einer Motor- oder Hohlwelle, die auch als Rotor bezeichnet wird. Die weiteren Bestandteile sind Rotorlagegeber, die Wicklung sowie die Haltebremse (Motorbremse). Die einzelnen Bauteile werden vom Motorengehäuse umgeben, an dem sich auch die nötigen Anschlüsse befinden. Damit ein Servo funktioniert, wird gewöhnlich ein Sensor (Encoder) benötigt, der fortlaufend die Stellung des Rotors und/oder die Geschwindigkeit überwacht. Es folgt die Übermittlung der erhaltenen Informationen an die außerhalb des Motors liegende Regelelektronik. Durch den sogenannten Servoregler wird in einem Regelkreis die Bewegung des Motors anhand verschiedener Sollwerte gesteuert. Die elektronische Regelung gleicht dabei das Signal des Drehgebers, entweder Absolut- oder Inkrementalgeber, mit dem vordefinierten Sollwert der Position ab. Falls eine Abweichung zum Sollwert vorliegt, wird der Motor in die Richtung gedreht, die den geringeren Verfahrweg zum Sollwert aufweist, um der aufgetretenen Divergenz entgegenzuwirken.
Damit bei asynchronen oder synchronen Servomotoren, nachdem eine Versorgungsspannung angelegt wurde, die selbstständige Steuerung von Position, Drehzahl oder Position erfolgen kann, ist ein Servoverstärker nötig. Die Kombination aus Servomotor und Servoverstärker wird daher auch Servoantrieb genannt. Dennoch sind viele Motoren erhältlich, die zwar als Servomotor angeboten werden, jedoch keinen Servoverstärker enthalten. Um die volle Funktionsfähigkeit zu gewährleisten, muss in einem solchen Fall ein externer Verstärker beschafft werden. Fehlt ein solcher Verstärker, kann der Motor sich unter Umständen nicht selbstständig drehen.
1. Eingangssignal (digital)
2. Ist-Wert
3. Drehpotentiometer
4. Antriebswelle
5. Getriebezahnräder
6. Elektromotor
7. Leistungsverstärker
8. Differenzverstärker
9. Soll-Wert
10. Digital-/Analog-Wandler
Servos bringen dynamische Bewegungen in den Modellbau. Egal, ob sie bei der Modellbahn einen Ladekran schwenken, bei einem ferngesteuerten Auto die Lenkung übernehmen oder bei RC-Flugzeugen das Leitwerk steuern. Gerade im Modellbau sind Servos in kompakten Baugrössen sehr gefragt.
Genutzt werden sowohl analoge als auch digitale Varianten. Servos im Modellbau werden über Pulsweitenmodulation angesprochen, während der elektrische Anschluss über die drei Leitungen Plus, Minus und Impuls (Sollwert) realisiert wird.
Zu beachten sind neben Nennleistung und Nennstrom auch die Nenndrehzahl sowie die Nennspannung. Achten Sie beim Kauf ebenfalls darauf, dass das Nenndrehmoment für die angedachte Aufgabe ausreichend dimensioniert ist.
Je nach Umgebung ist zudem die Schutzart des Servomotors von Bedeutung: Wählen Sie ein Modell, das nach IP54 oder IP65 zertifiziert ist, wenn mit einer hohen Staubbelastung und/oder Spritzwasser zu rechnen ist.
Unser Praxistipp: Stepper-Motor oder Servomotor?
Bei Anwendungen, die eine Drehzahl von über 800 U/min benötigen oder hohe Anforderungen an die Dynamik stellen, sollten Sie zu einem Servomotor greifen. Bei Anwendungen, die mit geringeren Drehzahlen auskommen und nur geringe oder mittlere Beschleunigungen umsetzen müssen, kann ein Schrittmotor eine Alternative darstellen.
Was ist ein Servogetriebe?
Ein Servogetriebe stellt das Kernelement eines Servomotors dar. Es verringert die Drehzahl des Motors und dient als Wandler von Drehzahl und Drehmoment. Ein Servogetriebe verkraftet höhere Querkräfte als ein konventionelles Getriebe und kann auch bei hohen Drehzahlen grosse Beschleunigungsmomente übertragen. Es gibt verschiedene Typen von Servogetrieben; verbreitet sind Kegelrad- und Planetengetriebe.
Wie funktioniert eine Servolenkung?
Eine Servolenkung gehört mittlerweile in jedem Auto zum Standard. War es früher noch die hydraulische Servolenkung, findet man in moderneren Fahrzeugen überwiegend die elektrische Servolenkung vor. Das zugrunde liegende Prinzip ist in beiden Fällen das gleiche: Die vom Fahrer aufgewendete Lenkkraft wird entweder durch eine Hydraulikpumpe oder aber durch einen Elektromotor verstärkt. Damit wird beispielsweise die beim Rangieren benötigte Kraft auf ein Minimum reduziert. Der Elektromotor hat gegenüber der hydraulischen Servolenkung einige gravierende Vorteile: Die elektronische Servolenkung ist komplett wartungsfrei. Da es nur einen Elektromotor gibt, entfällt der Wechsel von Hydrauliköl, eine anfällige Pumpe ist ebenfalls nicht mehr vorhanden. Fast noch wichtiger ist der Aspekt Sicherheit: Ein Fahrzeug mit elektronischer Servolenkung bleibt auch nach dem Ausfall der Bordspannung lenkbar, da es eine direkte mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Rädern gibt.