Was ist ein Servomotor?

Gäbe es keine weiteren Einschränkungen, wäre damit auch ein ungeregelter Bandantrieb oder ein einfacher Lüftermotor eingeschlossen. Dies ist aber im allgemeinen Verständnis nicht so. Generell wird ein Servomotor als ein Motor verstanden, der zumindest über eine Regelung verfügt bzw. eine Rückmeldung über seine dreh- oder lineare Position liefern kann. Per Definition ist ein Servomotor ein elektrischer ­Motor, der strom-, drehzahl- und/oder positionsgeregelt ist. Er ermöglicht die Einstellung vorgegebener Ströme, Drehzahlen und/oder Drehwinkel.

Als Servomotoren werden spezielle Elektromotoren bezeichnet, die die Kontrolle der Winkelposition ihrer Motorwelle sowie der Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung erlauben. Sie bestehen aus einem Elektromotor, der zusätzlich mit einem Sensor zur Positionsbestimmung ausgestattet ist. Die vom Sensor ermittelte Drehposition der Motorwelle wird kontinuierlich an eine meist außerhalb des eigentlichen Motors angebrachte Regelelektronik übermittelt, den so genannten Servoregler, der die Bewegung des Motors entsprechend einem oder mehreren einstellbaren Sollwerten – wie etwa Soll-Winkelposition der Welle oder Solldrehzahl – in einem Regelkreis regelt. Der nur als »Servo« bezeichnete Modellbau-Servo, der ja auch eine vorgegebene Drehposition einstellt, wird in den meisten Fällen vom Begriff des Servomotors ausgeschlossen.

Der Servomotor ist demnach nicht eine bestimmte Motor-Bauart, vielmehr können Servomotoren unterschiedlichster Bauart sein. Auch elektrohydraulische oder elektro­pneumatische werden teilweise als Servomotoren bezeichnet. Im Folgenden werden nur noch Elektromotoren als Servomotoren behandelt. Als Servomotoren weit verbreitet sind permanenterregte ­Synchronmotoren, Asynchronmotoren und bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Aber auch bei diesen Motoren gibt es eine Vielzahl von Begriffen, die teilweise unterschiedlich verwendet werden. Hier eine Übersicht einiger häufig verwendeter Begriffe mit Erklärung.

AC- und DC-Servomotoren

Als AC-Servomotoren bezeichnet man in der Regel Motoren, die sich an Wechselspannung (z.B. U = 230 V) betreiben lassen, oder im DC-Fall, wo die Versorgungsspannung durch Gleichrichtung einer Wechselspannung (einphasig oder dreiphasig) erzeugt wird. Dies sind in der Regel Gleichspannungen ab ca. 230 V DC bis über 600 V DC. Auch die Servomotoren, die sich direkt an einer Kleinspannung bis ca. 48 V DC betreiben lassen, gehören zu dieser Kategorie.

Eine Aussage über die Motor-Bauart lässt diese Einteilung aber nicht zu. Permanent­erregte Synchronmotoren werden nach dieser Definition sowohl als AC- als auch als DC-Synchronmotoren verwendet. Asynchronmotoren und Reluktanzmotoren werden hauptsächlich als AC-Servomotoren eingesetzt, permanent- oder fremderregte bürstenbehaftete Gleichstrommotoren eher als DC-Servomotoren. Auch wenn es auf den ersten Blick nicht sinnvoll erscheint, bietet der Markt auch Schrittmotoren, die mithilfe eines Encoders eine Positionsrückführung erhalten und somit als DC-Servomotoren angeboten werden.

BLDC- und EC-Servomotoren

BLDC (Brushless Direct Current)- und EC (Electrically Commutated)-Servomotoren sind technisch gesehen permanenterregte Synchronmotoren. Oft verbindet man diese Begriffe noch mit eher kleinen, blockkommutierten Motoren, die im Kleinspannungsbereich betrieben werden. Mittlerweile lassen sich BLDC- und EC-Motoren häufig feldorientiert ansteuern, wodurch sie in Sachen Dynamik, Geräuschverhalten und Energieeffizienz den als »AC-Servo« bezeichneten Motoren in nichts nachstehen.

Servomotoren, -verstärker und -antriebe

Viele Motoren, die als Servomotoren angeboten werden, können selbst nicht drehen, da sie keine integrierten Servoverstärker haben. Lediglich Servomotoren mit integriertem Servo­verstärker können ohne externe Komponenten, nach Anlegen einer Versorgungsspannung im Servobetrieb selbständig Drehmoment, Drehzahl oder Position regeln. Dies geschieht nach Vorgaben über einen Busanschluss oder über digitale bzw. analoge Eingänge. Im Sprachgebrauch hat es sich trotzdem durchgesetzt, dass Motoren, die einen externen Servoverstärker benötigen als Servomotoren bezeichnet werden. Diese stellen sogar nach wie vor den größten Anteil der Servomotoren dar. Die Kombination aus Motor und Verstärker wird in der Regel als Servoantrieb bezeichnet.

Dynamik

Sind alle Servomotoren hochdynamisch? Viele Servomotor-Definitionen gehen auf die Dynamik nicht ein. Dennoch denkt man bei einem Servomotor an einen hochdynamischen Antrieb. Mechanische Zeitkonstanten, also die Dauer von Stillstand bis 63 % der Maximaldrehzahl ohne Last, liegen bei hochdynamischen Servomotoren im Bereich ab ca. 1 ms bis zu wenigen Millisekunden. Erreicht wird eine hohe Dynamik durch mehrere Faktoren. Neben einer hohen Flussdichte und einer niedrigen Läufer-Massenträgheit muss der Servoverstärker auf die Motorwicklung abgestimmt sein, damit der Motor dynamisch arbeiten kann.

Motorfeedback

Resolver waren lange Zeit das Maß der Dinge bei Motor-Feedback-Systemen von Servomotoren. Mit der Digitalisierung sind magnetische und optische Systeme, die voll ­digitale Ausgangssignale liefern, deutlich auf dem Vormarsch. Wichtig ist, dass das Feedbacksystem hinsichtlich Robustheit, Genauigkeit und Schnittstelle zum Servoverstärker passt. Motoren mit voll integriertem Feedbacksystem und Servoverstärker haben den Vorteil, dass das Feedbacksystem gleich auf den Regler abgestimmt ist.