Servos im Detail: Definition, Typen und Funktionsweise

Einführung

Servomechanismen oder Servos Beziehen Sie sich auf verschiedene Maschinentypen, mit denen Sie möglicherweise bereits gearbeitet haben. Solche Maschinen finden Sie in der Robotik, in Fahrzeugen, in der Elektronik und in industriellen Anwendungen.

Servos sind grundsätzlich motorbetriebene Systeme mit integriertem Rückkopplungsmechanismus. Dieser ermöglicht eine präzise Steuerung der Maschine, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen.

Servos unterscheiden sich je nach Größe, Typ, Design und weiteren Merkmalen erheblich. Dieser Leitfaden erläutert Servos genauer und hilft Ihnen, sie besser zu verstehen. Neben der Definition gehen wir auch auf die Typen, Komponenten, Funktionsweise und vieles mehr ein.

Kernkomponenten von Servos

Servomotorkomponenten und Mikroservomotor

Servos können je nach Verwendungszweck zusätzliche Teile haben, die Kernkomponenten sind jedoch dieselben. Hier ist ein kurzer Überblick über die Kernkomponenten von Servos.

Motor – Dies ist die primäre Quelle mechanischer Energie für den ServoSeine Aufgabe besteht darin, die von der Stromquelle gelieferte elektrische Energie in mechanische Bewegung umzuwandeln, um den Servo anzutreiben und eine bestimmte Aufgabe auszuführen.

Steuerschaltung – Diese wird oft als das Gehirn des Servos bezeichnet. Ihre Aufgabe ist es, die Signale vom Eingang zu verarbeiten und die Motorposition anzupassen. Jede Änderung des Codes für die Servoreaktion wird von der Steuerschaltung umgesetzt.

Rückkopplungsmechanismus – Der Rückkopplungsmechanismus überwacht die Drehzahl und Position des Motors und leitet die Informationen zur präzisen Steuerung an den Steuerkreis weiter. Beispiele für Rückkopplungsmechanismen sind Potentiometer und Encoder.

Potentiometer bieten einen variablen Widerstand, der sich entsprechend anpassen lässt. Sie stellen eine einfache Rückkopplungsmethode dar. Ein Encoder hingegen ist komplexer. Er wird häufig verwendet, um die Position und Geschwindigkeit des Motors anzupassen.

Getriebe – Seine Aufgabe ist es, das Drehmoment des Servomotors zu verstärken. Es ermöglicht außerdem präzise Bewegungen.

Ausgangswelle – Dies ist eine rotierende Komponente, die die mechanische Leistung vom Servomotor auf die Anwendung überträgt.

Gehäuse – Dies ist das Gehäuse, das alle Servokomponenten schützt und integriert. Einige Komponenten können empfindlich sein, daher ist ein Gehäuse für zusätzlichen Halt und Schutz erforderlich.

Kühlsystem – Je nach Servotyp und Anwendung sind Servos mit Kühlsystem erhältlich. Ein Kühlsystem ist unerlässlich, um eine Überhitzung des Motors und anderer Komponenten zu verhindern, die sich negativ auf die Gesamtleistung und Lebensdauer auswirkt.

Stromversorgung: Der Servomotor benötigt eine zuverlässige Stromversorgung, um den für seinen Betrieb benötigten Strom bereitzustellen. Je nach Servomotortyp kann die Stromversorgung Wechsel- oder Gleichstrom sein.

Arten von Servos

Es gibt derzeit verschiedene Servotypen auf dem Markt. Sie unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise und Stromversorgung. Schauen wir uns die Servos unten an, um herauszufinden, welcher Servo für Ihr Projekt am besten geeignet ist.

DC-Servomotoren

Dies ist der am weitesten verbreitete Servotyp auf dem Markt. Er wird mit Gleichstrom betrieben und ist für seine Geschwindigkeit, Genauigkeit und Reaktionsfähigkeit bekannt. Aufgrund dieser Eigenschaften sind diese Motoren in Robotern und CNC-Maschinen weit verbreitet.

Erwarten Sie, auf bürstenbehaftete und bürstenlose Gleichstrom-Servomotoren zu stoßen.

Die bürstenbehafteten DC-Servomotoren verfügen über Bürsten und Kommutatoren, die für die mechanische Kommutierung sorgen. Sie eignen sich für Low-Cost-Anwendungen.

Die bürstenlosen DC-Servomotoren nutzen elektronische Kommunikation. Daher bieten sie eine bessere Effizienz, einen ruhigeren Betrieb und einen geringeren Wartungsaufwand.

AC-Servomotoren

Dies ist eine Alternative zu den DC-Servomotoren. Der Unterschied besteht darin, dass sie mit Wechselstrom betrieben werden. Dadurch bieten sie hohe Leistung, geringen Wartungsbedarf und höhere Genauigkeit.

Die AC-Servomotoren werden bevorzugt für Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf Präzision und Variabilität ankommt.

Rotierende Servomotoren

Diese Servos sind für die Erzeugung einer Drehbewegung ausgelegt. Sie werden weiter in Positionsrotationsservos und kontinuierliche Rotationsservos unterteilt.

Die Positionsrotationsservos rotieren innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs. Dieser beträgt typischerweise 180 Grad. Sie verfügen über Anschläge, um eine Überrotation zu verhindern. Dies ist für Anwendungen geeignet, die eine bestimmte Winkelrotation erfordern.

Die Servomotoren mit kontinuierlicher Rotation lassen sich problemlos in jede Richtung drehen. Für Projekte, bei denen kontinuierliche Bewegung erforderlich ist, ist dies ideal. Sie können beispielsweise zum Antrieb von Roboterrädern oder Förderbändern eingesetzt werden.

Lineare Servomotoren

Wie der Name schon sagt, bewegen sich diese Servos geradlinig. Sie eignen sich für Anwendungen, die eine lineare Bewegung erfordern. Sie finden sie beispielsweise in Aktuatoren für industrielle Anwendungen.

Analoge Servos

Servos lassen sich auch nach ihrer Steuerungsart kategorisieren. Analoge Servos verwenden analoge Signale, beispielsweise Spannung, zur Positionssteuerung. Diese Signale können weniger präzise und reaktionsschnell sein als die von digitalen Servos.

Digitale Servos

Digitale Servos wurden entwickelt, um die Nachteile analoger Servos zu beheben. Daher nutzen sie digitale Signale zur Positionssteuerung. Sie sollen höhere Präzision, Reaktionsfähigkeit und Geschwindigkeit bieten. Dank der digitalen Signalsteuerung bieten digitale Servos vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

Wie Servos funktionieren

Damit das Servo funktioniert, müssen mehrere Komponenten zusammenwirken. Dazu gehören das Steuersignal, der Motor- und Getriebemechanismus, das Rückkopplungssystem und die Fehlerkorrektur.

Der Controller sendet ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM) an den Motor des Servos, das dem Motor mitteilt, sich in eine gewünschte Richtung oder Position zu bewegen.

Sobald der Motor das Signal empfängt, reagiert er entsprechend. Der Motor ist auf den Getriebemechanismus angewiesen, um die Ausgangsgeschwindigkeit und die Bewegung in die gewünschte Position zu steuern.

Das Rückkopplungssystem ist entscheidend für die Genauigkeit des Servos, da es kontinuierlich die Motorbewegung überwacht, die das erwartete Ergebnis der Steuerung darstellt. Das Rückkopplungssystem verwendet Encoder oder Potentiometer.

Die Steuerschaltung vergleicht das Rückmeldesignal mit der Sollposition, die sie an den Motor gesendet hat. Liegt ein Fehler vor, passt die Steuerung die Motorleistung an, um dessen Position zu korrigieren, bis das Rückmeldesignal dem gewünschten Sollwert entspricht.

Anwendungen von Servos

Servos sind vielseitig einsetzbar. Sie werden in vielen Bereichen eingesetzt. Im Folgenden erfahren Sie, wo Sie Servos finden.

– Industrielle Automatisierung

Die Roboterindustrie ist weithin für den Einsatz von Servomotoren bekannt. Servomotoren ermöglichen präzise Bewegungen. Roboter nutzen Servomotoren für Anwendungen wie Schweißen, Materialhandhabung, Montage und Lackieren.

Dennoch können Servos in CNC-Maschinen im Rahmen der industriellen Automatisierung eingesetzt werden. Diese Maschinen erfordern eine präzise Steuerung für die Holzbearbeitung, Metallbearbeitung und viele andere Fertigungsprozesse.

Auch Werkzeugmaschinen wie Drehmaschinen, Schleifmaschinen und Fräsmaschinen könnten Servomotoren nutzen. Dies würde Präzision gewährleisten, da die meisten mit solchen Werkzeugmaschinen hergestellten Produkte enge Toleranzen aufweisen.

– Luft- und Raumfahrt

Servos sind auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet. Sie können zur Flugzeugsteuerung eingesetzt werden. Dies geschieht durch die Bewegung von Steuerflächen wie Höhenrudern, Seitenrudern und Querrudern. Dadurch wird eine präzise Steuerung während des Fluges ermöglicht.

Die Servos eignen sich auch gut zur Antennen- und Teleskoppositionierung. Dadurch erreichen Sie eine hohe Genauigkeit.

– Unterhaltungselektronik

Dies sind wahrscheinlich die häufigsten Arten, wie Sie unbewusst mit Servos interagieren. Beispielsweise verfügt ein ferngesteuertes Spielzeug über Servos zur Steuerung seiner Bewegung und Richtungsänderung.

Auch der Autofokus von Kameras nutzt Servos, um das Objektiv zu fokussieren und gleichzeitig die Genauigkeit schnell zu erhalten. Servos finden sich auch in automatischen Türöffnern. Beispielsweise in Krankenhäusern oder Supermärkten, wo sich Türen automatisch öffnen, wenn man sich nähert.

Vor- und Nachteile von Servos

Vorteile

• Beim Einsatz von Servomotoren erwarten Sie hohe Genauigkeit und Präzision. Das Rückkopplungssignal gewährleistet eine präzise Steuerung von Geschwindigkeit, Position und Beschleunigung.
• Je nach Einheit sind Modelle mit hohem Drehmoment erhältlich. Da sich die Leistung zusätzlich verändern lässt, können die Servos auch in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen schwere Lasten mit variabler Geschwindigkeit bewegt werden müssen.
• Dank des Verstärkers verfügen Servos über eine sanfte Drehmomentregelung. Das Drehmoment lässt sich nun je nach Anwendung einfach anpassen.
• Die Servos bieten zudem eine hohe Zuverlässigkeit. Sie müssen sich im Laufe der Jahre zwar oft bewegen, aber das Beste daran ist: Wenn Sie ein hochwertiges Servo kaufen, müssen Sie sich keine Sorgen um einen Ausfall machen.
• Servos sind im Allgemeinen leise, selbst bei hohen Geschwindigkeiten. Daher eignen sie sich für Anwendungen, bei denen die Geräuschentwicklung auf ein Minimum reduziert werden sollte.
• Kleine Servos für allgemeine Anwendungen sind erschwinglich und leicht erhältlich. Sie sind in den meisten Elektronikgeschäften für Ihre einfachen Projekte erhältlich.

Nachteile

• Servomotoren sind tendenziell teurer, insbesondere wenn sie für komplexe Anwendungen wie Robotik, Schweißen und Lackieren verwendet werden.
• Eine Überlastung des Servomotors kann zu Schäden führen. Der Austausch eines Motors kann teuer werden, wenn es sich um einen Spezialmotor für industrielle Anwendungen handelt.

Auswahl des richtigen Servos für ein Projekt

Nehmen Sie sich unbedingt Zeit, um das passende Servo für Ihr Projekt zu finden. Wir geben Ihnen einige Tipps zur Auswahl.

Drehmomentbedarf

Betrachten Sie das Projekt, das Sie bearbeiten möchten, und vergleichen Sie es mit dem gewünschten Drehmoment eines Servos. Das Drehmoment macht das Servo leistungsstark genug für die Arbeit an einem Projekt. Wenn Sie beispielsweise schwere Lasten bewegen müssen, ist ein ausreichendes Drehmoment erforderlich, um das Förderband in Gang zu setzen.

Geschwindigkeitsanforderungen

Genau wie das Drehmoment ist auch die Drehzahl wichtig. Sie wird in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen. Sie gibt an, wie schnell der Servo arbeitet und dabei das richtige Drehmoment für die jeweilige Aufgabe beibehält.

Betrachtet man beispielsweise eine Verpackungsmaschine, so benötigt man Servos mit hohen Geschwindigkeiten ohne Drehmomentabfall, um mit den Produktionsanforderungen Schritt zu halten.

Die Leistungsdichte

Ein Servo mit hoher Leistungsdichte ist unerlässlich. Dies ist die Leistung, die das Servo im Verhältnis zu seiner Größe liefern kann. In der Luft- und Raumfahrtindustrie ist der Platz meist begrenzt; deshalb benötigt man ein Servo mit hoher Leistungsdichte, das gleichzeitig wenig Platz beansprucht.

Servomotoren, die in tragbaren Geräten verwendet werden, benötigen außerdem eine höhere Leistungsdichte, um ihre Funktionalität aufrechtzuerhalten und klein genug für den Transport zu bleiben.

Zuverlässigkeit

Zuverlässige Servos sind für Ihre Anwendung unerlässlich. Das Letzte, was Sie brauchen, sind Servos, die ständig ausfallen. Achten Sie auf den Ruf des Herstellers, um zu sehen, ob er für die Lieferung leistungsstarker Servos bekannt ist.

Achten Sie neben dem Ruf der Marke auch auf das Preis-Leistungs-Verhältnis. Dies hilft Ihnen bei der Auswahl des zuverlässigsten Servos, selbst wenn Sie manchmal günstige Geräte kaufen.

Wartungsbedarf

Wie oft muss das Servo gewartet werden? Wenn ja, was muss geändert werden?

Dies sind einige der Fragen, die Sie sich vor dem Kauf der Servomotoren zur Wartung stellen sollten. Sie sollten einen Motor mit einem realistischen Wartungsplan wählen, der das Projekt nicht unbedingt beeinträchtigt.

Fehlerbehebung und Wartung von Servos

Bei der Verwendung von Servos können Probleme auftreten. Mit ein paar Tipps zur Fehlerbehebung und Wartung von Servos können Sie viel Zeit sparen. Hier erfahren Sie, was Sie tun können.

Überhitzung des Servomotors

Dies ist möglich, wenn das Servo über längere Zeit läuft und überlastet wird. Auch eine sehr hohe Versorgungsspannung, die über dem angegebenen Maximalwert liegt, kann dazu führen.

Um dieses Problem zu beheben, reduzieren Sie die Versorgungsspannung auf den empfohlenen Bereich. Überprüfen Sie außerdem, ob die Servolast im Nennbereich liegt.

Blasen Sie alle verstopften Lüftungsschlitze frei. Der Servo benötigt die Lüftungsschlitze zum Abkühlen, während er an einem Projekt arbeitet.

Servomotor läuft nicht

Möglicherweise stellen Sie fest, dass sich das Servo nicht wie vorgesehen dreht oder sich gar nicht erst einschaltet, obwohl Sie die Stromversorgung überprüft haben.

Überprüfen Sie zunächst, ob die Sicherung defekt ist. Manchmal passiert das, und der Motor lässt sich nicht einschalten.

Eine schlechte Verbindung kann auch dazu führen, dass der Servomotor nicht mit Strom versorgt wird. Überprüfen Sie alle Anschlüsse auf einwandfreien Zustand.

Die Beschleunigung des Servomotors ist niedrig

Die Hauptursache hierfür ist eine zu niedrige Versorgungsspannung. Möglicherweise verwenden Sie auch falsche Servoreglereinstellungen.

Sie sollten die Versorgungsspannung messen und gegebenenfalls verbessern, um sicherzustellen, dass sie dem erforderlichen Bereich entspricht. Überprüfen Sie außerdem die Einstellungen des Controllers, um sicherzustellen, dass er mit der gewünschten Geschwindigkeit läuft.

Durch die Feinabstimmung des Servoreglers kann die Beschleunigung auf dem gewünschten Niveau gehalten werden.

Abschluss

Servos sind nach wie vor in vielen Anwendungen wichtig. Sei es ein einfaches ferngesteuertes Spielzeugauto oder ein komplexes Teil einer Drehbank oder CNC-Maschine. All dies sind wichtige Anwendungen, in denen das Funktionsprinzip von Servos zum Tragen kommt. Wählen Sie immer das richtige Servo basierend auf Ihren Projektanforderungen. Recherche ist hilfreich, um zu entscheiden, welches Servo für Sie am besten geeignet ist. Beachten Sie außerdem die empfohlenen Wartungspläne des Herstellers, um die Servos in einwandfreiem Zustand zu halten.