Servomotor – Aufbau und Funktion

Das Wort Servo kommt vom lateinischen servus – Diener. Das beschreibt die Aufgabe ziemlich genau: Ein Servomotor dient einem Sollwert, er folgt ihm. Sagt die Steuerung „fahre auf Position 137,5 mm und halte sie“, dann tut der Antrieb genau das – und korrigiert selbstständig, wenn eine äußere Last ihn wegdrücken will.

Wichtig ist gleich zu Beginn ein verbreitetes Missverständnis aus dem Weg zu räumen: Der Servomotor ist kein eigener Motortyp neben Asynchron- und Synchronmotor. Es ist ein normaler Elektromotor – heute fast immer ein Synchronmotor mit Permanentmagneten – der so gebaut und betrieben wird, dass er sich präzise regeln lässt. Das Besondere ist nicht das Eisen und Kupfer im Motor, sondern dass er in einem geschlossenen Regelkreis arbeitet.

Geschlossener Regelkreis heißt: Der Motor bekommt einen Sollwert, ein Messsystem erfasst den tatsächlichen Istwert, und der Regler vergleicht beide ständig. Bei Abweichung wird nachgeregelt. Ein gewöhnlicher Drehstrommotor am Netz kennt diesen Vergleich nicht – er dreht mit der Drehzahl, die ihm Frequenz und Last vorgeben, und niemand fragt nach, ob das auch stimmt. Der Servomotor dagegen weiß jederzeit, wo er steht, und tut etwas dagegen, wenn es nicht passt.

Wie dieser Regelkreis im Detail aufgebaut ist – mit Strom-, Drehzahl- und Lageregelkreis – ist ein Thema für sich. Hier reicht die Grundidee: Sollwert vorgeben, Istwert messen, Differenz ausregeln.

Damit ein Motor sich präzise und schnell regeln lässt, muss er andere Eigenschaften mitbringen als ein Antrieb, der einfach nur eine Pumpe oder einen Lüfter mit konstanter Drehzahl treibt. Vier Anforderungen stechen heraus.

Hohe Dynamik. Ein Servoantrieb muss in Millisekunden beschleunigen, abbremsen und die Drehrichtung wechseln können. Das geht nur mit einem kleinen Massenträgheitsmoment des Rotors – also einem Rotor, der selbst wenig „Schwung“ hat und sich darum leicht in seiner Bewegung ändern lässt. Deshalb ist der Rotor eines Servomotors typischerweise schlank und lang statt kurz und dick.

Hohe kurzzeitige Überlastbarkeit. Beim Beschleunigen einer Last braucht man kurzzeitig ein Vielfaches des Dauerdrehmoments. Ein Servomotor verträgt für kurze Zeit ein deutlich höheres Moment, als er dauerhaft liefern darf – oft das Drei- bis Vierfache.

Großer Drehzahlstellbereich und gleichmäßiges Moment. Der Antrieb soll von praktisch null bis zur Maximaldrehzahl ein sauberes, gleichmäßiges Drehmoment liefern – auch im Stillstand, wenn er eine Last gegen die Schwerkraft halten muss. Ungleichmäßigkeiten im Moment würden sich als Ruckeln in der Bewegung zeigen.

Positioniergenauigkeit. Am Ende soll die Achse genau dort stehen, wo sie stehen soll – und das wiederholbar. Das erfordert ein feines Rückführsystem, das die Rotorlage genau erfasst.

Ein Punkt, der eng mit der Dynamik zusammenhängt und in der Auslegung oft unterschätzt wird: das Massenträgheitsverhältnis zwischen Last und Motor. Wenn die angetriebene Last eine viel größere Trägheit hat als der Motor selbst, wird die Regelung „weich“ und neigt zum Schwingen – der Motor kann die schwere Last nicht mehr sauber und steif führen. Als grober Richtwert gilt, dass das Verhältnis von Last- zu Motorträgheit in einem überschaubaren Rahmen bleiben sollte, sonst leidet die Dynamik. Darum gehört zur Auslegung nicht nur „reicht das Drehmoment“, sondern auch „passen die Trägheiten zusammen“. Auf dieses Kriterium kommen wir in Kapitel 6 zurück.

Die folgende Gegenüberstellung fasst zusammen, worin sich ein Servomotor von einem Standard-Drehstrommotor unterscheidet:

Wer einen Servomotor aufschneidet, findet die gleichen Grundbausteine wie bei jedem Drehstrommotor – nur sorgfältiger auf Dynamik und Genauigkeit getrimmt, plus zusätzliche Komponenten, die der Standardmotor nicht hat.

Stator. Außen sitzt das Blechpaket mit der Drehstromwicklung. Werden die drei Stränge bestromt, entsteht ein Drehfeld – ein magnetisches Feld, das im Stator umläuft. Das ist genau dasselbe Prinzip wie beim Drehstrommotor.

Rotor. Im Inneren dreht sich der Rotor. Bei der heute häufigsten Bauform sitzen auf oder im Rotor Permanentmagnete. Der Rotor trägt sein Magnetfeld also dauerhaft mit sich und muss nicht erst über Strom magnetisiert werden. Die genaue Bauweise – ob die Magnete oberflächlich aufgeklebt oder im Blechpaket vergraben sind – unterscheidet die Motorvarianten und ist ein Thema für sich; hier genügt: Der Rotor ist permanent magnetisch und bewusst schlank gebaut.

Rückführsystem. Direkt am Wellenende sitzt ein Lagegeber – ein Encoder oder ein Resolver. Er meldet dem Regler ständig, in welcher Winkelposition der Rotor gerade steht. Ohne diese Information kann der Regler weder die Lage regeln noch den Strom lagerichtig einprägen. Wie diese Rückführung im Einzelnen funktioniert, ist ein eigenes, größeres Thema.

Haltebremse. Viele Servomotoren haben eine integrierte Bremse – und hier lauert ein Praxisfehler. Diese Bremse ist eine Haltebremse, keine Betriebsbremse. Sie arbeitet meist nach dem Ruhestromprinzip: Ohne Strom fällt sie ein (Federkraft), mit Strom wird sie gelüftet. Ihre Aufgabe ist, eine Achse im stromlosen Zustand zu halten – etwa eine senkrechte Achse, die sonst abstürzen würde, wenn der Antrieb abgeschaltet wird. Sie ist nicht dafür gebaut, eine bewegte Last dynamisch abzubremsen. Das aktive Abbremsen übernimmt der Motor selbst, elektrisch über den Regler.

Temperaturfühler. Im Stator sitzt ein Temperatursensor, der die Wicklung vor Überhitzung schützt. Gerade weil ein Servomotor kurzzeitig stark überlastet wird, ist die Temperaturüberwachung wichtig.

Anschlussseite. Auffällig sind die zwei getrennten Anschlüsse: eine Leistungsleitung für die Motorströme und eine Signalleitung für das Rückführsystem (und ggf. Bremse, Temperatur). Diese Trennung ist typisch für Servoantriebe.

Das Grundprinzip der Momenterzeugung ist dasselbe wie beim Synchronmotor: Die Statorwicklung erzeugt ein umlaufendes Drehfeld, und der permanentmagnetische Rotor folgt diesem Feld. Stator-Feld und Rotor laufen synchron – daher die Verwandtschaft zum Synchronmotor.

Theoretisch hängt die Drehzahl eines synchron laufenden Motors mit der Frequenz des Drehfelds zusammen:

Diese Beziehung erklärt, warum man von synchronem Lauf spricht: Die Rotordrehzahl ist fest an die Frequenz des Drehfelds gekoppelt. In der Servotechnik ist diese Formel aber nur Erklärung, kein Rechenwerkzeug. Denn der entscheidende Unterschied zum Netzmotor ist: Beim Servomotor gibt es keine feste Netzfrequenz.

Ein Servomotor hängt nie direkt an einem starren Netz. Er wird immer von einem Servoumrichter (Servoverstärker) gespeist. Dieser erzeugt die Frequenz und Lage des Drehfelds nicht nach einem festen Wert, sondern feldorientiert aus der gemessenen Rotorlage und der geforderten Solldrehzahl. Anders gesagt: Der Umrichter weiß über das Rückführsystem genau, wo der Rotor steht, und prägt den Strom immer so ein, dass das Statorfeld optimal zum Rotorfeld steht. Diese lagerichtige Stromeinprägung nennt man elektronische Kommutierung.

Warum der ganze Aufwand? Das Drehmoment eines solchen Motors ist dann am größten, wenn das Statorfeld im richtigen Winkel zum Rotorfeld steht. Stünde es ungünstig, ginge ein Teil des Stroms „verloren“, ohne Moment zu erzeugen. Indem der Umrichter den Strom anhand der bekannten Rotorlage exakt richtig einprägt, holt er aus jedem Ampere das maximale Moment heraus. Das ist der eigentliche Trick des Servoantriebs: Nicht eine Frequenz vorzugeben und zu hoffen, dass der Rotor mitkommt, sondern den Strom aktiv und lagerichtig zu führen.

Das bedeutet auch: Die Drehzahl wird nicht über eine eingestellte Frequenz „programmiert“, sondern ergibt sich daraus, dass der Regler dem Solldrehzahl-Vorgabewert folgt und den Strom entsprechend stellt. Die relevante Stellgröße in der Praxis ist nicht die Frequenz, sondern der Strom – und über ihn das Drehmoment. Genau diesen Zusammenhang sehen wir uns im nächsten Kapitel an.

In der Servotechnik ist das Drehmoment die zentrale Größe – und es hängt direkt am Strom. Über die Momentenkonstante (oft mit kT bezeichnet) lässt sich beides verbinden:

Die Momentenkonstante ist eine Kenngröße des jeweiligen Motors und steht im Datenblatt. Sie sagt aus, wie viel Drehmoment der Motor pro Ampere Strom erzeugt. Genau deshalb ist der Strom die praktische Stellgröße des Reglers: Will der Regler mehr Moment, prägt er mehr Strom ein.

Aus dem Drehmoment und der Drehzahl ergibt sich die mechanische Leistung an der Welle:

Die Winkelgeschwindigkeit hängt mit der Drehzahl zusammen über ω = 2 · π · n / 60, wenn n in 1/min angegeben ist. Setzt man das ein, lässt sich die Leistung direkt aus Drehmoment und Drehzahl berechnen.

Trägt man das Drehmoment über der Drehzahl auf, entsteht das typische Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld eines Servomotors. Es hat zwei wichtige Grenzlinien: die Dauergrenze, innerhalb derer der Motor beliebig lange betrieben werden darf, ohne zu überhitzen, und die Kurzzeitgrenze, die kurzzeitig deutlich höhere Momente erlaubt – etwa beim Beschleunigen. Genau diese Kurzzeit-Überlast macht die hohe Dynamik möglich: Für den kurzen Beschleunigungsmoment darf der Motor weit über sein Dauermoment hinaus belastet werden.

Servomotoren sitzen überall dort, wo etwas schnell, genau und wiederholbar bewegt werden muss. Typische Einsatzfelder sind die Vorschubachsen von CNC-Werkzeugmaschinen, Handhabungs- und Pick-and-Place-Systeme, Verpackungs- und Druckmaschinen sowie die Gelenke von Industrierobotern. Überall geht es um exakte Positionierung und schnelle, ruckfreie Bewegungsabläufe – genau das, wofür der Servoantrieb gebaut ist.

Der Motor ist dabei nie allein unterwegs. Sein Gegenstück ist der Servoverstärker (Antriebsregler), der die Leistung stellt, den Strom regelt und das Rückführsignal auswertet. Erst Motor und Verstärker zusammen ergeben den geregelten Antrieb. Wie der Regler intern arbeitet – mit Strom-, Drehzahl- und Lageregelkreis – ist ein eigenes, größeres Thema.

Bei der Auswahl eines Servoantriebs spielen vor allem drei Punkte zusammen:

• Das benötigte Drehmoment – sowohl das Dauermoment für den normalen Betrieb als auch das Spitzenmoment fürs Beschleunigen. Beides muss zur Aufgabe passen, sonst wird der Antrieb entweder überlastet oder unnötig groß.
• Die Drehzahl, die für die geforderte Bewegungsgeschwindigkeit nötig ist – sie muss innerhalb des Kennfelds des Motors liegen.
• Das schon in Kapitel 2 angesprochene Massenträgheitsverhältnis zwischen Last und Motor. Hier kommt das „Warum“ zum Tragen: Ist die Lastträgheit im Verhältnis zur Motorträgheit zu groß, kann der Regler die Last nicht mehr steif führen. Der Antrieb reagiert träge auf Sollwertänderungen und neigt zum Überschwingen oder Schwingen, weil die große externe Masse gegen die Regelung „arbeitet“. Darum reicht es nicht, nur das Drehmoment zu prüfen – auch die Trägheiten von Motor und Last müssen zueinander passen, oft über ein Zwischengetriebe, das die Lastträgheit aus Sicht des Motors verkleinert.

Eine häufige Frage in der Praxis ist die Abgrenzung zum Schrittmotor. Beide positionieren, aber der Schrittmotor arbeitet klassisch gesteuert ohne Rückführung und kann bei Überlast Schritte verlieren, während der Servoantrieb über seine Rückführung jederzeit weiß, wo er steht, und sein Moment dynamisch anpasst. Der Schrittmotor ist ein Thema für sich.