Was ist ein Servoantrieb und wie funktioniert er?

Zweck und Gerät

Der Servoantrieb hat breite Anwendung in der Robotik, im Maschinenbau, in der Automobilindustrie und in der Automatisierung von Prozessen in der Produktion gefunden. Mit seiner Hilfe werden Manipulatoren betätigt, das Öffnen (voll oder unvollständig) oder Schließen (Abdecken) der Rollläden im Werkzeugmaschinenbau zum Zuführen des Schneidwerkzeugs und anderer Aktuatoren ausgeführt.

Es ist ein Gerät, das aus einem Elektromotor, einem Getriebe, einem Positionssensor (Encoder) oder einem Widerstand und einer Steuerung (Steuergerät) besteht.

Mit einfachen Worten, es ist ein elektromechanischer Antrieb, der durch interne Rückmeldung die genaue Position der Mechanismuswelle in Abhängigkeit von externen Steuersignalen festlegt.

Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt des Geräts:

Servoantriebe sind in verschiedenen Kapazitäten und Zwecken erhältlich: geringe Leistung ab 0,05 kW, verwendet in der Automobil- und Robotik, z. B. sg90, und erhebliche Leistung von 15 kW. Letztere sind in Industriemanipulatoren, CNC-Maschinen, zur Steuerung von Ventilen in der Öl- und Gasindustrie usw. montiert.

Ein Elektromotor ist nicht immer als Motor an einem Servoantrieb montiert. Als Antrieb kann ein Zylinder mit einer Stange verwendet werden, die mit Druckluft oder Flüssigkeit angetrieben wird.

Arten von Servo

Servoantriebe sind in elektromechanische unterteilt. In ihnen besteht der Mechanismus aus einem Elektromotor und einem Getriebe. Sie unterscheiden sich in relativ geringer Geschwindigkeit.

Unterscheidet sich durch den verwendeten Motortyp:

• synchron, haben eine hohe Drehgenauigkeit der Abtriebswelle und gewinnen schnell an Schwung;
• asynchron, gekennzeichnet durch stabile Drehung der Welle;
• mit einem Kollektormotor mit Gleich- oder Wechselstrom (Universal).

Servoantriebe, bei denen der Antriebsmechanismus ein Kolben mit einem Zylinder ist, haben eine hohe Geschwindigkeit. Es wird im Auto verwendet, um im Automatikgetriebe zu schalten. Montiert in Robotern, die Lasten von mehr als einhundert Kilogramm bewegen. In Industrieanlagen zum Schalten von Rollläden in Verpackungsmaschinen, in denen Druckluft als Energieträger verwendet wird.

Hauptmerkmale des Servoantriebs:

• Der Hauptparameter ist das Drehmoment oder die Kraft auf die Welle. In den Passdaten sind zwei Größen relativ zu unterschiedlichen Versorgungsspannungen angegeben.
• Geschwindigkeit, zeigt an, wie lange sich die Abtriebswelle um 60 dreht⁰. Werte für unterschiedliche Spannungen sind angegeben.
• Welches Steuersignal wird verwendet, analog oder digital?
• Versorgungsspannung. Die meisten kleinen Laufwerke werden mit 4,8 bis 7,2 Volt betrieben. Es wird beispielsweise in funkgesteuerten Modellen verwendet. Es wird mit drei Drähten abgeschlossen und hat eine Standard-Pinbelegung. Ein Steuersignal wird an Weiß, Braun oder Gelb gesendet, eine rote Spannung wird geliefert und Schwarz ist ein gemeinsamer Draht.
• Arbeitsdrehwinkel, normalerweise 180⁰ oder 360⁰. Verbesserte Antriebe mit konstanter Rotation der Welle sind verfügbar;
• Material zur Herstellung von Zahnrädern. Sie bestehen aus Messing, Kohlefaser, Kunststoff oder können kombiniert werden.

In einem elektromechanischen Servoantrieb werden Elektromotoren mit einem Kern verwendet, während deren Betrieb Vibrationen auftreten, wenn sich das Pendel dreht. Dies verringert die Drehgenauigkeit der Abtriebswelle. Motoren mit minimaler kinetischer Energie des Rotors sind von diesem Nachteil ausgeschlossen. Solche Antriebe sind erforderlich, damit die CNC-Maschine den Aktuator genau einstellt. Sie sind jedoch teurer als Kernmotoren.

Das gebräuchlichste Getriebe ist ein Getriebe, das die Drehzahl senken und das Drehmoment auf der Abtriebswelle erhöhen soll. Weniger häufig wird ein Antrieb mit einem Schneckengetriebe verwendet, das ein großes Übersetzungsverhältnis aufweist, jedoch teurer und schwieriger herzustellen ist.

Anwendungsgebiet

Der Servoantrieb ist in der Robotik und in Manipulatoren weit verbreitet. Bei der Erstellung kleiner Mechanismen werden der mg995-Servoantrieb und dergleichen verwendet.

Zur Steuerung moderner Antriebe in Amateurprodukten werden häufig Vertreter der Arduino-Familie eingesetzt. Es handelt sich um eine Reihe elektronischer Geräte zur Steuerung von Robotern und Automatisierungsgeräten, bei denen ein Servoantrieb verwendet wird. Das Steuersignal kann analog oder digital sein.

Das Anschlussschema des Antriebs zum Steuergerät ist in der Abbildung dargestellt. Das Gerät kann mehrere Laufwerke steuern.

Verwenden Sie für Fußbodenheizungen eine Automatisierung, die eine bestimmte Temperatur beibehält. Der Kühlmittelfluss, bei dem es sich um heißes Wasser aus dem Kessel handelt, wird von einem Servoantrieb gesteuert.

Es ist an ein Steuergerät angeschlossen, das die Temperatur mithilfe eines Temperatursensors überwacht und einen Befehl an den elektrothermischen 24-V-Servoantrieb RBM ausgibt. Ein AC230V-Servoantrieb mit Regler kann ebenfalls verwendet werden.

Die Temperaturregelung beim Heizen erfolgt automatisch, wobei ein Servoantrieb vom Typ ICMA NC230V oder NC24V verwendet wird. Geräte sind für verschiedene Versorgungsspannungen erhältlich.

Das im Auto verwendete einheitliche Servo hat kleine Abmessungen. Entwickelt für die Betriebsspannung von 12 Volt. Es ist in ein Zentralschloss integriert und an allen Fahrzeugtüren angebracht, einschließlich der fünften Tür (Kofferraumtür).

Der Mechanismus steuert auch den Fluss heißer Flüssigkeit zum Ofen. Es arbeitet in Verbindung mit einem thermoelektrischen Sensor, dessen Signal dem Steuergerät zugeführt wird. Nach der Analyse sendet der Sensor einen Befehl an den Servoantrieb, der den Flüssigkeitsfluss erhöht oder verringert.

Beispielsweise wird für VAZ-Fahrzeuge ein elektrischer Antrieb mit einem SL-5-Getriebe verwendet.

Dies ist keine vollständige Liste der Verwendung solcher Geräte.

Vor- und Nachteile

Der Servoantrieb hat Vorteile gegenüber ähnlichen Geräten wie Schrittmotoren. Aufgrund der Rückmeldung kann der Mechanismus die Position der Welle unabhängig von der Belastung der Achse korrigieren, wodurch Sie den Arbeitsmechanismus mit hoher Genauigkeit einstellen können.

Die Hauptvorteile sind:

• hohe Positioniergenauigkeit;
• Mit Hilfe eines Getriebes wird die Geschwindigkeit verringert und das Moment erhöht;
• Die Positionierung des Arbeitskörpers kann leicht geändert werden, indem das Steuerprogramm geändert wird.
• die Fähigkeit, während des Betriebs eine größere Beschleunigung zu erreichen, wodurch das Servo im Vergleich zu Schrittmotoren besser für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsgeräten geeignet ist;
• gleichmäßiges Moment in fast dem gesamten Geschwindigkeitsbereich;
• Überlastung gut vertragen.

Die Nachteile umfassen:

• das Vorhandensein eines Getriebes (besonders kritisch, wenn es Kunststoffzahnräder oder weiche Metalle aufweist);
• Verschleiß von Widerstandsspuren (wenn ein Potentiometer zur Rückmeldung während der Positionierung verwendet wird);
• Aufbau eines komplexen Steuerprogramms zur Erzielung hochgenauer Ergebnisse;
• hohe Ausrüstungskosten (zum Beispiel im Vergleich zu Schrittmotoren);
• Die Genauigkeit ist oft geringer als bei Schrittmotoren.

Beachten Sie jedoch, dass alle Vor- und Nachteile gemittelt werden. Sie können wie Schrittmotoren sein, die sich in einer bestimmten Anwendung besser als ein Servoantrieb zeigen und umgekehrt.

Fazit

Die automatische Steuerung von Haushalts- und Industriesystemen ist fest in unserem Leben verankert. In letzter Zeit ist ein Antrieb unter der Steuerung von programmierbaren Blöcken für verschiedene Zwecke wie Arduino weit verbreitet geworden.

Dies ermöglichte es, grundlegend neue Funkgeräte, Roboter und Kinderspielzeug für Amateure zu entwickeln. In der Industrie wird der Servoantrieb in Werkzeugmaschinen, an einem Bagger, an einem ATV usw. verwendet. Heute ist es unmöglich, sich unser Leben ohne Servos vorzustellen.

Das Video zeigt den Betrieb der analogen Servos sg90 in einem Spinnenrobotermodell:

Jetzt wissen Sie, was ein Servo ist, wie es konstruiert ist und wofür es ist. Wir hoffen, dass die bereitgestellten Informationen Ihnen geholfen haben, dieses Thema zu meistern und die wichtigsten Punkte zu verstehen. Wenn Sie Fragen haben, stellen Sie diese in den Kommentaren unter dem Artikel!

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