Servomotoren sind Mikromotoren, die als Aktuatoren in automatischen Steuerungen eingesetzt werden. Ihre Funktion besteht darin, elektrische Signale in Winkelverschiebung oder Winkelgeschwindigkeit der Welle umzuwandeln. Servomotoren, auch Exekutivmotoren genannt, werden als Aktuatoren in automatischen Steuerungssystemen eingesetzt. Sie wandeln das empfangene elektrische Signal in eine Winkelverschiebung oder Winkelgeschwindigkeit um, die auf der Motorwelle ausgegeben wird. Unter einem Servomotor versteht man einen Motor, der dem Steuersignal absolut gehorcht: Vor dem Senden des Steuersignals steht der Rotor still; sobald das Steuersignal gesendet wird, dreht sich der Rotor sofort; sobald das Steuersignal verschwindet, kann der Rotor sofort anhalten.

Klassifizierung des Servomotors

Servomotoren werden in zwei Kategorien unterteilt: AC-Servo und DC-Servo. Der Grundaufbau eines AC-Servomotors ähnelt dem eines AC-Induktionsmotors (Asynchronmotor). Am Stator befinden sich zwei Feldwicklungen Wf und eine Steuerwicklung WcoWf mit einer Phasenverschiebung von 90° elektrisch. Bei Anschluss an eine konstante Wechselspannung wird die an Wc angelegte Wechselspannung bzw. Phasenänderung zur Steuerung des Motorbetriebs genutzt. AC-Servomotoren zeichnen sich durch stabilen Betrieb, gute Steuerbarkeit, schnelles Ansprechverhalten, hohe Empfindlichkeit und strenge Nichtlinearitätsindizes der mechanischen Eigenschaften und Einstelleigenschaften aus (Anforderungen von weniger als 10 % bis 15 % bzw. weniger als 15 % bis 25 %).

Vor- und Nachteile von DC-Servomotoren

Vorteile: Die Drehzahlregelung ist sehr genau, die Drehmoment- und Drehzahlcharakteristik ist sehr hart, das Steuerungsprinzip ist einfach, benutzerfreundlich und günstig; Nachteile: Bürstenkommutierung, Drehzahlbegrenzung, zusätzlicher Widerstand und Verschleißpartikel (nicht geeignet für staubfreie und explosive Umgebungen).

Der Grundaufbau eines Gleichstrom-Servomotors ähnelt dem eines herkömmlichen Gleichstrommotors. Die Motordrehzahl ist n = E/K1j = (Ua – IaRa)/K1j, wobei E die gegenelektromotorische Kraft des Ankers, K eine Konstante, j der magnetische Fluss pro Pol, Ua und Ia die Ankerspannung und der Ankerstrom sowie Ra der Ankerwiderstand sind. Die Drehzahl des Gleichstrom-Servomotors kann durch Änderung von Ua oder φ gesteuert werden. Im Allgemeinen wird jedoch die Ankerspannungsregelung verwendet. Bei einem Gleichstrom-Servomotor mit Permanentmagneten wird die Feldwicklung durch einen Permanentmagneten ersetzt, und der magnetische Fluss φ ist konstant. Der Gleichstrom-Servomotor verfügt über gute lineare Regelungseigenschaften und ein schnelles Ansprechverhalten.

Vor- und Nachteile von AC-Servomotoren

Vorteile: Die Drehzahlregelungseigenschaften sind gut, im gesamten Drehzahlbereich ist eine gleichmäßige Regelung möglich, nahezu keine Schwingungen, ein hoher Wirkungsgrad von über 90 %, geringe Wärmeentwicklung, Hochgeschwindigkeitsregelung, hochpräzise Positionsregelung (abhängig von der Genauigkeit des Encoders), Nennbetrieb. Im Bereich kann ein konstantes Drehmoment, geringe Trägheit, geringe Geräuschentwicklung, kein Bürstenverschleiß und Wartungsfreiheit erreicht werden (geeignet für staubfreie und explosive Umgebungen); Nachteile: Die Steuerung ist komplizierter, die Treiberparameter müssen vor Ort angepasst werden, um die PID-Parameter zu bestimmen, und es sind mehr Anschlüsse erforderlich.

Gleichstrom-Servomotoren werden in Bürstenmotoren und bürstenlose Motoren unterteilt. Bürstenmotoren sind kostengünstig, einfach aufgebaut, haben ein großes Anlaufdrehmoment, einen großen Drehzahlbereich und sind leicht zu steuern. Sie sind wartungspflichtig, aber leicht zu warten (Kohlebürsten wechseln), erzeugen elektromagnetische Störungen, stellen Anforderungen an die Einsatzumgebung und werden im Allgemeinen bei kostensensiblen allgemeinen industriellen und zivilen Anlässen eingesetzt.

Der bürstenlose Motor ist klein, leicht, hat eine hohe Leistung, reagiert schnell, hat eine hohe Geschwindigkeit, eine geringe Trägheit, ein stabiles Drehmoment und eine gleichmäßige Drehung, eine komplexe Steuerung, intelligente, flexible elektronische Kommutierung, kann mit Rechteckwelle oder Sinuswelle kommutieren, der Motor ist wartungsfrei, hocheffizient und energiesparend, die elektromagnetische Strahlung ist gering, der Temperaturanstieg ist gering und die Lebensdauer ist lang, sodass er für verschiedene Umgebungen geeignet ist.

AC-Servomotoren sind sogenannte bürstenlose Motoren. Man unterscheidet Synchron- und Asynchronmotoren. Derzeit werden in der Bewegungssteuerung in der Regel Synchronmotoren eingesetzt, da sie einen großen Leistungsbereich, eine hohe Leistung, ein hohes Trägheitsmoment, eine niedrige Maximaldrehzahl und eine niedrige Drehzahl aufweisen. Mit zunehmender Leistung nimmt die Drehzahl gleichmäßig ab und eignet sich daher für den langsamen und stabilen Betrieb.

Der Rotor im Servomotor ist ein Permanentmagnet. Der Treiber steuert U/V/W-Dreiphasenstrom, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Der Rotor dreht sich unter der Einwirkung dieses Magnetfelds. Gleichzeitig überträgt der eingebaute Encoder des Motors das Rückmeldesignal an den Treiber. Abschließend wird der Rückmeldewert mit dem Sollwert verglichen, um den Rotordrehwinkel anzupassen. Die Genauigkeit des Servomotors wird durch die Genauigkeit des Encoders (Anzahl der Striche) bestimmt.

Q: Was ist der Leistungsunterschied zwischen AC-Servomotoren und bürstenlosen DC-Servomotoren?

A: Die Leistung von AC-Servomotoren ist besser, da AC-Servomotoren über Sinuswellen gesteuert werden und die Drehmomentwelligkeit gering ist. Bürstenlose DC-Servomotoren hingegen werden über Trapezwellen gesteuert. Die Steuerung bürstenloser DC-Servomotoren ist jedoch relativ einfach und kostengünstig.

Die rasante Entwicklung der Permanentmagnet-AC-Servoantriebstechnologie stellt DC-Servosysteme vor die Krise des Aussterbens. Seit den 1980er Jahren hat sich die Permanentmagnet-AC-Servoantriebstechnologie mit integrierten Schaltkreisen, Leistungselektronik und AC sowie der Entwicklung der Drehzahlregelungstechnologie hervorragend weiterentwickelt. Namhafte Elektrohersteller in verschiedenen Ländern haben sukzessive neue AC-Servomotoren und Servoantriebsserien auf den Markt gebracht. AC-Servosysteme haben sich zur wichtigsten Entwicklungsrichtung moderner Hochleistungs-Servosysteme entwickelt, wodurch DC-Servosysteme vor der Krise des Aussterbens stehen.

Im Vergleich zu DC-Servomotoren haben Permanentmagnet-AC-Servomotoren hauptsächlich die folgenden fünf Vorteile:

• Keine Bürsten und Kommutatoren, zuverlässigerer Betrieb und wartungsfrei.
• Die Erwärmung der Statorwicklung wird stark reduziert.
• Die Trägheit ist gering und das System reagiert schnell und gut.
• Guter Betriebszustand bei hoher Drehzahl und hohem Drehmoment.
• Kleine Größe und geringes Gewicht bei gleicher Leistung.

Prinzip des Servomotors

Der Aufbau des Stators eines AC-Servomotors ähnelt grundsätzlich dem eines Kondensator-Spaltphasen-Einphasen-Asynchronmotors. Der Stator ist mit zwei Wicklungen mit einem Positionsunterschied von 90° ausgestattet. Eine davon ist die Erregerwicklung Rf, die stets mit der Wechselspannung Uf verbunden ist; die andere ist die Steuerwicklung L, die mit der Steuersignalspannung Uc verbunden ist. Daher werden AC-Servomotoren auch als Zwei-Servomotoren bezeichnet.

Der Rotor eines AC-Servomotors besteht üblicherweise aus einem Käfigläufer. Um jedoch einen größeren Drehzahlbereich und lineare mechanische Eigenschaften des Servomotors zu gewährleisten, tritt kein Rotationsphänomen auf und das Ansprechverhalten ist kurz. Im Vergleich zu herkömmlichen Motoren sollte der Rotor einen hohen Rotorwiderstand und ein geringes Trägheitsmoment aufweisen. Derzeit sind zwei Rotortypen weit verbreitet: Ein Käfigläufer aus hochohmigem leitfähigem Material. Um das Trägheitsmoment des Rotors zu reduzieren, wird der Rotor schlank gebaut. Ein weiterer Rotor ist ein hohler, becherförmiger Rotor aus einer Aluminiumlegierung. Die Becherwandstärke beträgt nur 0,2–0,3 mm. Der hohle, becherförmige Rotor hat ein geringes Trägheitsmoment, ein schnelles Ansprechverhalten und einen stabilen Betrieb und wird daher häufig verwendet.

Ohne Steuerspannung erzeugt die Erregerwicklung im Stator des AC-Servomotors lediglich ein pulsierendes Magnetfeld, während der Rotor stillsteht. Bei anliegender Steuerspannung entsteht im Stator ein rotierendes Magnetfeld, und der Rotor dreht sich in Richtung des rotierenden Magnetfelds. Bei konstanter Last ändert sich die Motordrehzahl mit der Steuerspannung. Bei umgekehrter Phase der Steuerspannung wird die Drehrichtung des Servomotors umgekehrt.

Obwohl das Funktionsprinzip eines AC-Servomotors dem eines kondensatorbetriebenen Einphasen-Asynchronmotors ähnelt, ist der Rotorwiderstand des ersteren deutlich größer als der des letzteren. Daher weist der Servomotor im Vergleich zu einem kondensatorbetriebenen Asynchronmotor drei bemerkenswerte Merkmale auf:

• Hohes Anlaufdrehmoment: Aufgrund des hohen Rotorwiderstands sind die Drehmomenteigenschaften (mechanischen Eigenschaften) nahezu linear und weisen ein höheres Anlaufdrehmoment auf. Daher dreht sich der Rotor sofort, wenn der Stator eine Steuerspannung erhält, was zu einem schnellen Anlauf und einer hohen Empfindlichkeit führt.
• Großer Betriebsbereich: stabiler Betrieb und geringe Geräuschentwicklung. [/p][p=30, 2, left]
• Kein Selbstrotationsphänomen: Sobald der Servomotor die Steuerspannung verliert, stoppt der Motor sofort.

Mikromotor mit Präzisionsgetriebe

„Mikromotor mit Präzisionsgetriebe“ kann Anweisungen, die sich im System häufig ändern, schnell und korrekt ausführen, den Servomechanismus antreiben, um die durch die Anweisungen geforderte Arbeit abzuschließen, und die meisten von ihnen können die folgenden Anforderungen erfüllen:

• Es kann häufig starten, stoppen, bremsen, rückwärts fahren und mit niedriger Geschwindigkeit laufen und verfügt über eine hohe mechanische Festigkeit, hohe Hitzebeständigkeit und hohe Isolierung.
• Gutes schnelles Reaktionsvermögen, großes Drehmoment, kleines Trägheitsmoment und kleine Zeitkonstante.
• Mit Treiber und Controller (z. B. Servomotor, Schrittmotor), gute Regelleistung.
• Hohe Zuverlässigkeit und hohe Präzision.

Die Typen und Strukturen von Mikromotoren mit Präzisionsgetriebe sowie der Leistungsvergleich sind wie folgt:

AC-Servomotor

(1) Zweiphasen-Wechselstrom-Servomotor mit Käfig (schlanker Käfigrotor, annähernd lineare mechanische Eigenschaften, geringes Volumen und Erregerstrom, Servo mit geringer Leistung, Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit ist nicht gleichmäßig genug).

(2) Nicht magnetischer Zweiphasen-Wechselstrom-Servomotor mit becherförmigem Rotor (Hohlbecherrotor, mechanische Eigenschaften sind annähernd linear, großes Volumen und großer Erregerstrom, Servo mit geringer Leistung, gleichmäßiger Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit).

(3) Zweiphasen-Wechselstrom-Servomotor mit ferromagnetischem Schalenrotor (Schalenrotor aus ferromagnetischem Material, annähernd lineare mechanische Eigenschaften, große Rotorträgheit, geringer Rasteffekt, stabiler Betrieb).

(4) Synchroner Permanentmagnet-Wechselstrom-Servomotor (bestehend aus einer koaxial integrierten Einheit aus Permanentmagnet-Synchronmotor, Drehzahlmesser und Positionserfassungselement, der Stator ist dreiphasig oder zweiphasig, der Rotor aus magnetischem Material muss mit einem Treiber ausgestattet sein; weiter Drehzahlbereich, die mechanischen Eigenschaften bestehen aus einer Zone mit konstantem Drehmoment und einer Zone mit konstanter Leistung, die kontinuierlich gesperrt werden können, eine gute schnelle Reaktionsleistung, eine große Ausgangsleistung und geringe Drehmomentschwankungen; es gibt zwei Methoden: Rechteckwellenantrieb und Sinuswellenantrieb mit guter Regelleistung, es handelt sich um ein elektromechanisch integriertes chemisches Produkt).

(5) Asynchroner Drehstrom-Servomotor (der Rotor ähnelt dem Käfigläufer-Asynchronmotor, er muss mit einem Treiber ausgestattet sein, der eine Vektorregelung verwendet, die den Bereich der Drehzahlregelung mit konstanter Leistung erweitert und hauptsächlich in Spindeldrehzahlregelungssystemen für Werkzeugmaschinen verwendet wird).

AC-Servomotor

(1) Zweiphasen-Wechselstrom-Servomotor mit Käfig (schlanker Käfigrotor, annähernd lineare mechanische Eigenschaften, geringes Volumen und Erregerstrom, Servo mit geringer Leistung, Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit ist nicht gleichmäßig genug).

(2) Nicht magnetischer Zweiphasen-Wechselstrom-Servomotor mit becherförmigem Rotor (Hohlbecherrotor, mechanische Eigenschaften sind annähernd linear, großes Volumen und großer Erregerstrom, Servo mit geringer Leistung, gleichmäßiger Betrieb bei niedriger Geschwindigkeit).

(3) Zweiphasen-Wechselstrom-Servomotor mit ferromagnetischem Schalenrotor (Schalenrotor aus ferromagnetischem Material, annähernd lineare mechanische Eigenschaften, große Rotorträgheit, geringer Rasteffekt, stabiler Betrieb).

(4) Synchroner Permanentmagnet-Wechselstrom-Servomotor (bestehend aus einer koaxial integrierten Einheit aus Permanentmagnet-Synchronmotor, Drehzahlmesser und Positionserfassungselement, der Stator ist dreiphasig oder zweiphasig, der Rotor aus magnetischem Material muss mit einem Treiber ausgestattet sein; weiter Drehzahlbereich, die mechanischen Eigenschaften bestehen aus einer Zone mit konstantem Drehmoment und einer Zone mit konstanter Leistung, die kontinuierlich gesperrt werden können, eine gute schnelle Reaktionsleistung, eine große Ausgangsleistung und geringe Drehmomentschwankungen; es gibt zwei Methoden: Rechteckwellenantrieb und Sinuswellenantrieb mit guter Regelleistung, es handelt sich um ein elektromechanisch integriertes chemisches Produkt).

(6) Asynchroner Drehstrom-Servomotor (der Rotor ähnelt dem Käfigläufer-Asynchronmotor, er muss mit einem Treiber ausgestattet sein, der eine Vektorregelung verwendet, die den Bereich der Drehzahlregelung mit konstanter Leistung erweitert und hauptsächlich in Spindeldrehzahlregelungssystemen für Werkzeugmaschinen verwendet wird).

Drehmomentmotor

(1) Gleichstrom-Drehmomentmotor (flache Struktur, große Anzahl von Polen, Schlitzen, Kommutierungsstücken und Reihenleitern; großes Ausgangsdrehmoment, kontinuierlicher Betrieb bei niedriger Drehzahl oder blockiertem Rotor, gute mechanische Eigenschaften und gute Einstelleigenschaften, kleine elektromechanische Zeitkonstante).

(2) Bürstenloser Gleichstrom-Drehmomentmotor (ähnlich im Aufbau dem bürstenlosen Gleichstrom-Servomotor, aber flach, mit einer großen Anzahl von Polen, Schlitzen und Reihenleitern; großes Ausgangsdrehmoment, gute mechanische und Einstelleigenschaften, lange Lebensdauer, keine Funken und geringe Geräuschentwicklung).

(3) Käfigläufer-Wechselstrom-Drehmomentmotor (Käfigläufer, flache Bauweise, große Pol- und Nutenzahl, großes Anlaufdrehmoment, kleine elektromechanische Zeitkonstante, langfristiger Betrieb mit blockiertem Läufer, weiche mechanische Eigenschaften).

(4) AC-Torquemotor mit massivem Rotor (massiver Rotor aus ferromagnetischem Material, flache Bauweise, große Pol- und Nutenzahl, langfristig blockierter Rotor, ruhiger Betrieb, weiche mechanische Eigenschaften).

Schrittmotor

(1) Reaktiver Schrittmotor (Stator und Rotor sind alle aus Siliziumstahlblechen laminiert, auf dem Rotorkern befindet sich keine Wicklung und auf dem Stator befindet sich eine Steuerwicklung; der Schrittwinkel ist klein, die Start- und Betriebsfrequenz ist höher und die Schrittwinkelgenauigkeit ist gering. Selbsthemmendes Drehmoment).

(2) Permanentmagnet-Schrittmotor (Permanentmagnetrotor, radiale Magnetisierungspolarität; großer Schrittwinkel, niedrige Start- und Betriebsfrequenz, Haltedrehmoment, geringerer Stromverbrauch als beim reaktiven Typ, aber es sind positive und negative Impulse erforderlich).

(3) Hybrid-Schrittmotor (Permanentmagnetrotor, axiale Magnetisierungspolarität; hohe Schrittwinkelgenauigkeit, Haltedrehmoment, kleiner Eingangsstrom und sowohl Blind- als auch Permanentmagnet).

Darüber hinaus gibt es geschaltete Reluktanzmotoren und Linearmotoren. Geschalteter Reluktanzmotor: Stator und Rotor sind alle aus Siliziumstahlblechen laminiert, die alle ausgeprägte Pole haben, ähnlich in der Struktur einem reaktiven Schrittmotor mit großer Schrittweite und ähnlicher Polzahl, mit einem Rotorpositionssensor, und die Drehmomentrichtung hat nichts mit der Stromrichtung zu tun, der Drehzahlbereich ist klein, das Geräusch ist groß und die mechanischen Eigenschaften bestehen aus drei Teilen: konstantem Drehmomentbereich, konstantem Leistungsbereich und Reihenerregungscharakteristikbereich.

Linearmotor: einfacher Aufbau, Führungsschienen können als Sekundärleiter verwendet werden, geeignet für lineare Hin- und Herbewegungen; gute Servoleistung bei hoher Geschwindigkeit, hoher Leistungsfaktor und Wirkungsgrad, hervorragende Leistung bei konstanter Geschwindigkeit.

Der Anwendungsfall von Servomotor

Als Unterstützungsausrüstung für die Installation und Befestigung von Kameras gibt es zwei Typen von Schwenk-/Neigegeräten: festes Schwenken/Neigen und elektrisches Schwenken/Neigen. Das Steuerungsprinzip des elektrischen Schwenkens/Neigens basiert auf dem Funktionsprinzip eines Servomotors.

Beispielsweise der Motor an der dreiachsige Motor-Schwenk-/Neigekopf ist einer der Servomotoren. Die drei Servomotoren steuern die Winkel der drei Achsen der Kamera. Der Gimbal-Master kann die Gimbal-Haltung über den Gyroskopsensor erfassen und den Servomotor präzise steuern, um einen Anti-Verwacklungseffekt zu erzielen.

Universeller, drehbarer dreiachsiger Bluetooth-Hand-Gimbal-Stabilisator

An das einachsige Gimbal, Da die Servomotoren für Nick- und Schwenkachse entfallen (die beiden Achsen lassen sich leichter manuell steuern), gibt es nur einen Servomotor zur Steuerung des Wackelns der Rollachse, wodurch der Rumpf verkleinert wird. Gewicht und Volumen erhöhen den Komfort und die Benutzerfreundlichkeit. Dies ist auch eine beliebte Lösung bei der jüngsten Entwicklung elektrischer Schwenk-Neige-Systeme.

3-In-1 Professioneller Gimbal-Stabilisator Selfie-Stick-Stativ für Telefon