Servosysteme spielen eine wichtige Rolle in elektromechanischen Geräten. Nachfolgend ein kurzer Überblick über ihre Entwicklungsgeschichte: (1) Gleichstrom-Servosysteme: Die Entwicklung von Servosystemen verlief von hydraulischen zu elektrischen Systemen. Elektrische Servosysteme werden anhand des angetriebenen Motortyps in Gleichstrom- und Wechselstrom-Servosysteme unterteilt. In den 1950er-Jahren wurden bürstenlose Motoren und Gleichstrommotoren kommerzialisiert und fanden breite Anwendung in Computerperipheriegeräten und mechanischen Anlagen. In den 1970er-Jahren erlebten Gleichstrom-Servomotoren ihren größten Einsatz. (2) Wechselstrom-Servosysteme: Von Ende der 1970er- bis Anfang der 1980er-Jahre, mit der Entwicklung der Mikroprozessortechnologie, der Hochleistungs-Halbleitertechnologie und der Herstellungsverfahren für Permanentmagnetmaterialien für Motoren sowie dem verbesserten Preis-Leistungs-Verhältnis, etablierte sich die Wechselstrom-Servotechnologie – bestehend aus Wechselstrom-Servomotoren und Wechselstrom-Servosteuerungssystemen – zunehmend als dominierende Produkte. Die Wechselstrom-Servoantriebstechnik hat sich zu einer der Basistechnologien für die Automatisierung im industriellen Bereich entwickelt und wird Gleichstrom-Servosysteme nach und nach ablösen. AC-Servosysteme werden hauptsächlich anhand des verwendeten Antriebsmotortyps in zwei Kategorien unterteilt: AC-Servosysteme mit Permanentmagnet-Synchronmotoren (SM-Typ) und AC-Servosysteme mit Induktions-Asynchronmotoren (IM-Typ). Permanentmagnet-Synchronmotoren gelten als technisch ausgereift und zeichnen sich durch exzellentes Verhalten bei niedrigen Drehzahlen sowie die Möglichkeit der Feldschwächung bei hohen Drehzahlen aus. Dadurch wird der Drehzahlbereich des Systems erweitert und die Anforderungen an Hochleistungs-Servoantriebe erfüllt. Dank der signifikanten Leistungssteigerung und der gesunkenen Kosten von Permanentmagnetmaterialien wird ihre Anwendung in der industriellen Automatisierung immer weiter verbreitet sein, und sie hat sich mittlerweile zum Standard bei AC-Servosystemen entwickelt. Induktions-Asynchronmotoren hingegen haben aufgrund der robusten Bauweise, der einfachen Fertigung und der geringen Kosten von Induktions-Asynchronmotoren eine vielversprechende Zukunft und repräsentieren die zukünftige Richtung der Servotechnologie. Da dieses System jedoch eine Vektortransformationssteuerung nutzt, ist seine Regelung komplexer als die eines Permanentmagnet-Synchronmotor-Servosystems. Zudem bestehen weiterhin technische Herausforderungen, wie beispielsweise ein geringer Wirkungsgrad und eine hohe Wärmeentwicklung bei niedrigen Motordrehzahlen. Daher ist es noch nicht weit verbreitet. Als Aktor dient üblicherweise ein gängiger dreiphasiger Kurzschlussläufer-Asynchronmotor, und als Leistungswandler wird in der Regel ein intelligentes Leistungsmodul (IPM) verwendet. Zur weiteren Verbesserung der dynamischen und statischen Eigenschaften des Systems kann eine Regelung von Position und Drehzahl im geschlossenen Regelkreis eingesetzt werden. Die dreiphasige Wechselstromnachführung verbessert effektiv die Ansprechgeschwindigkeit des Wechselrichters und begrenzt transiente Ströme, was den sicheren Betrieb des IPM begünstigt. Drehzahl- und Positionsregelung können durch einen Mikrocontroller gesteuert werden, um eine höhere Regelgenauigkeit zu erzielen. Bei Verwendung eines Proportionalreglers werden alle drei Wechselstromregelkreise durch einen ausreichend dimensionierten Proportionalregler geregelt. Der Proportionalkoeffizient sollte so groß wie möglich gewählt werden, wobei gleichzeitig sichergestellt werden muss, dass das System nicht oszilliert. Dadurch ändern sich Amplitude, Phase und Frequenz des dreiphasigen Wechselstroms des geregelten Asynchronmotors schnell entsprechend dem vorgegebenen Wert, wodurch eine schnelle Stromregelung des Spannungsumrichters realisiert wird. Die proportionale Stromregelung bietet zahlreiche Vorteile wie einen einfachen Aufbau, ein gutes Stromfolgeverhalten und eine schnelle und zuverlässige Begrenzung des Anlauf- und Bremsstroms des Motors. (3) Vergleich von AC- und DC-Servosystemen: Die DC-Servoantriebstechnik ist durch die Eigenschaften des Motors selbst eingeschränkt. DC-Servomotoren weisen Nachteile wie einen komplexen mechanischen Aufbau und einen hohen Wartungsaufwand auf. Der Rotor neigt im Betrieb zur Wärmeentwicklung, was die Genauigkeit angeschlossener mechanischer Komponenten beeinträchtigt. Der Einsatz in Anwendungen mit hohen Drehzahlen und großen Kapazitäten ist schwierig. Der mechanische Kommutator stellt einen Engpass in der Entwicklung der DC-Servoantriebstechnik dar. AC-Servomotoren überwinden die verschiedenen Nachteile von Bürsten, Kommutatoren und anderen mechanischen Komponenten in DC-Servomotoren. Insbesondere die Überlastfestigkeit und die geringe Trägheit von AC-Servomotoren belegen die Überlegenheit von AC-Servosystemen. Daher finden AC-Servosysteme breite Anwendung in verschiedenen Bereichen wie der Fabrikautomation. Betrachtet man die aktuellen Anwendungen von Servoantrieben, so nimmt der Anteil von DC-Servomotoren stetig ab, während der von AC-Servomotoren zunimmt und sich ihr Marktanteil kontinuierlich ausdehnt. In der Praxis haben sich AC-Servomotoren mit höherer Präzision, schnellerer Drehzahl und einfacherer Bedienung als Standardprodukte etabliert. (4) Entwicklungstrend von Servosystemen Wie bereits erwähnt, findet der Einsatz digitaler AC-Servosysteme immer größere Verbreitung, und die Anforderungen der Anwender an die Servoantriebstechnologie steigen stetig. Der Entwicklungstrend von Servosystemen lässt sich allgemein wie folgt zusammenfassen: 1. Die AC-Servotechnologie wird sich weiterhin rasant von DC- zu AC-Servosystemen verlagern. Betrachtet man die aktuelle internationale Marktsituation, so handelt es sich bei fast allen neuen Produkten um AC-Servosysteme. In den Industrieländern liegt der Marktanteil von AC-Servomotoren bei über 80 %. Auch in China gibt es immer mehr Hersteller von AC-Servomotoren, die die Hersteller von DC-Servomotoren allmählich überholen. Es ist absehbar, dass Wechselstrom-Servomotoren in naher Zukunft, außer in einigen Bereichen der Mikromotorik, Gleichstrom-Servomotoren vollständig ersetzen werden. 2. Vollständige Digitalisierung: Servosteuergeräte mit neuen Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessoren und dedizierten digitalen Signalprozessoren (DSPs) werden die bisher auf analogen elektronischen Bauelementen basierenden Systeme vollständig ablösen und so ein volldigitales Servosystem ermöglichen. Diese vollständige Digitalisierung transformiert die Hardware-Servosteuerung in eine Software-Servosteuerung und ermöglicht die Anwendung fortschrittlicher Algorithmen der modernen Regelungstechnik (wie optimale Regelung, künstliche Intelligenz, Fuzzy-Regelung und neuronale Netze) innerhalb des Servosystems. 3. Einsatz neuer Leistungshalbleiterbauelemente: Servosteuerungssysteme nutzen zunehmend neue Leistungshalbleiterbauelemente mit hohen Schaltfrequenzen, vor allem Hochleistungstransistoren (GTRs), Leistungs-MOSFETs und IGBTs. Der Einsatz dieser fortschrittlichen Bauelemente reduziert den Stromverbrauch im Ausgangskreis des Servosteuergeräts deutlich, verbessert die Systemreaktionsgeschwindigkeit und verringert das Betriebsgeräusch. Besonders hervorzuheben ist die Entwicklung eines neuen Modultyps, der Steuerschaltungsfunktionen mit leistungsstarken elektronischen Schaltelementen integriert: die sogenannten Intelligenten Leistungsmodule (IPMs). Diese Module vereinen Eingangsisolation, energiesparendes Bremsen, Übertemperatur-, Überspannungs- und Überstromschutz sowie Fehlerdiagnose in einem einzigen, kompakten Modul. Ihr Eingangslogikpegel ist vollständig TTL-kompatibel und ermöglicht die direkte Anbindung an den Ausgang eines Mikroprozessors. Ihre Anwendung vereinfacht die Entwicklung von Servoeinheiten erheblich und ermöglicht die Miniaturisierung und Mikrominiaturisierung von Servosystemen. 4. Hohe Integration: Die neuen Servosystemprodukte haben die bisherige Praxis der Aufteilung von Servosystemen in Drehzahl- und Positionsservoeinheiten verändert. Stattdessen verwenden sie eine einzige, hochintegrierte und multifunktionale Steuereinheit. Die Leistung dieser Steuereinheit lässt sich einfach durch die Einstellung von Systemparametern per Software anpassen. Sie kann die am Motor selbst installierten Sensoren für ein halbgeschlossenes Regelsystem nutzen oder über eine Schnittstelle mit externen Positions-, Drehzahl- oder Drehmomentsensoren ein hochpräzises, vollständig geschlossenes Regelsystem realisieren. Dieser hohe Integrationsgrad reduziert die Größe des gesamten Steuerungssystems erheblich und vereinfacht so die Installation und Inbetriebnahme des Servosystems. 5. Intelligenz: Intelligenz ist der aktuelle Trend in der gesamten industriellen Steuerungstechnik, und Servoantriebssysteme bilden als fortschrittliche industrielle Steuergeräte keine Ausnahme. Die neuesten digitalen Servoregler sind typischerweise als intelligente Produkte konzipiert, deren Intelligenz sich in folgenden Aspekten manifestiert: Erstens verfügen sie alle über Parameterspeicherfunktionen. Alle Systembetriebsparameter können per Software über eine Mensch-Maschine-Interaktion eingestellt und intern im Servoregler gespeichert werden. Diese Parameter können sogar während des Betriebs über eine Kommunikationsschnittstelle von einem Host-Computer geändert werden, was die Bedienung äußerst komfortabel macht. Zweitens verfügen sie alle über Funktionen zur Selbstdiagnose und Fehleranalyse. Tritt ein Systemfehler auf, werden Fehlertyp und mögliche Ursachen übersichtlich über die Benutzeroberfläche angezeigt, was Wartung und Fehlersuche vereinfacht. Zusätzlich zu diesen Funktionen bieten einige Servosysteme auch Funktionen zur Parameter-Selbstoptimierung. Bekanntermaßen ist die Parameteroptimierung eines geschlossenen Regelkreises ein entscheidender Schritt zur Sicherstellung der Systemleistung und erfordert einen erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand. Servoeinheiten mit Selbstoptimierungsfunktion können die Systemparameter automatisch anpassen und durch mehrere Testläufe eine optimale Leistung erzielen. Für Anwender von Servoeinheiten ist dies eines der attraktivsten Merkmale neuer Servosysteme. 6. Modularisierung und Vernetzung: Im Ausland hat die auf industriellen lokalen Netzwerken (LAN) basierende Technologie der Fabrikautomation (FA) in den letzten zehn Jahren eine signifikante Entwicklung erfahren und ein starkes Wachstum gezeigt. Um diesem Trend gerecht zu werden, sind die neuesten Servosysteme mit standardmäßigen seriellen Kommunikationsschnittstellen (wie RS-232C oder RS-422) und dedizierten LAN-Schnittstellen ausgestattet. Diese Schnittstellen verbessern die Vernetzung zwischen Servoeinheiten und anderen Steuergeräten erheblich und vereinfachen die Anbindung an CNC-Systeme erheblich. Für die Verbindung mehrerer oder sogar Dutzender Servoeinheiten mit einem Host-Computer zu einem kompletten CNC-System ist nur ein einziges Kabel oder Glasfaserkabel erforderlich. Sie können auch über serielle Schnittstellen mit den CNC-Modulen von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) verbunden werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Servosysteme in zwei Richtungen entwickeln werden. Eine Anwendungsmöglichkeit besteht darin, die Anforderungen allgemeiner Industrieanwendungen zu erfüllen, bei denen die Leistungsanforderungen nicht hoch sind und niedrige Kosten, minimaler Wartungsaufwand und einfache Bedienung im Vordergrund stehen, wie beispielsweise bei Frequenzumrichtern und -motoren. Ein weiteres Schlüsselprodukt, das den Entwicklungsstand von Servosystemen repräsentiert, ist der Servomotor mit zugehöriger Steuerung. Diese zeichnet sich durch hohe Leistung, hohe Geschwindigkeit, digitale, intelligente und vernetzte Antriebssteuerung aus, um den hohen Anwendungsanforderungen der Anwender gerecht zu werden.