Servosysteme spielen eine entscheidende Rolle in elektromechanischen Anlagen und bieten flexible, komfortable, präzise und schnelle Antriebsmöglichkeiten. Mit dem technologischen Fortschritt und der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Industrie geht der Trend bei Antriebssystemen dahin, traditionelle hydraulische, Gleichstrom-, Schrittmotor- und Wechselstrom-Frequenzumrichterantriebe durch Wechselstrom-Servoantriebe zu ersetzen. Ziel ist es, eine neue Leistungsstufe zu erreichen, die kürzere Zykluszeiten, höhere Produktivität, bessere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer umfasst. I. Der Entwicklungsprozess von Servosystemen Die Entwicklung von Servosystemen hat sich von hydraulischen zu elektrischen Systemen verlagert. Elektrische Servosysteme werden anhand des angetriebenen Motortyps in Gleichstrom- und Wechselstrom-Servosysteme unterteilt. In den 1950er Jahren wurden bürstenlose Motoren und Gleichstrommotoren kommerzialisiert und in Computerperipheriegeräten und mechanischen Anlagen weit verbreitet eingesetzt. In den 1970er Jahren erlebten Gleichstrom-Servomotoren einen breiten Einsatz. Gleichstrom-Servomotoren weisen jedoch Nachteile wie komplexe mechanische Strukturen, hohen Wartungsaufwand und Rotorüberhitzung im Betrieb auf, was die Genauigkeit der angeschlossenen mechanischen Anlagen beeinträchtigt. Dies macht sie für Anwendungen mit hohen Drehzahlen und hohen Kapazitäten ungeeignet. Der mechanische Kommutator erwies sich als Engpass in der Entwicklung der DC-Servoantriebstechnik. Von Ende der 1970er bis Anfang der 1980er Jahre, mit der Entwicklung der Mikroprozessortechnologie, der Hochleistungs-Halbleitertechnologie und der Fertigungsprozesse für Permanentmagnetmaterialien für Motoren sowie deren zunehmend besserem Preis-Leistungs-Verhältnis, etablierte sich die AC-Servotechnik – bestehend aus AC-Servomotoren und AC-Servosteuerungssystemen – allmählich als dominierende Produkte. AC-Servomotoren überwinden die verschiedenen Nachteile von DC-Servomotoren, die durch mechanische Komponenten wie Bürsten und Kommutatoren verursacht werden. Insbesondere die Überlastfähigkeit und die geringe Trägheit von AC-Servomotoren belegen die Überlegenheit von AC-Servosystemen. AC-Servosysteme werden hauptsächlich nach dem verwendeten Antriebsmotortyp in zwei Kategorien unterteilt: AC-Servosysteme mit Permanentmagnet-Synchronmotoren (SM-Typ) und AC-Servosysteme mit Induktions-Asynchronmotoren (IM-Typ). Unter ihnen haben Permanentmagnet-Synchronmotor-Wechselstrom-Servosysteme einen hohen technologischen Reifegrad erreicht. Sie zeichnen sich durch exzellentes Verhalten bei niedrigen Drehzahlen aus und ermöglichen die Hochgeschwindigkeitsregelung durch Feldschwächung. 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 sind mittlerweile zum Standard bei Wechselstrom-Servosystemen geworden. Induktions-Asynchronmotor-Wechselstrom-Servosysteme bieten vielversprechende Perspektiven und stellen aufgrund der robusten Bauweise, der einfachen Fertigung und der geringen Kosten von Induktions-Asynchronmotoren die Zukunft der Servotechnologie dar. Da dieses System jedoch eine Vektortransformationssteuerung verwendet, ist die Steuerung im Vergleich zu Permanentmagnet-Synchronmotor-Servosystemen komplexer. Darüber hinaus leidet es unter geringem Wirkungsgrad und starker Wärmeentwicklung bei niedrigen Motordrehzahlen – technische Probleme, die es zu lösen gilt – und seine Anwendung ist noch nicht weit verbreitet. Der Aktor des Systems ist typischerweise ein gängiger dreiphasiger Kurzschlussläufer-Asynchronmotor, und die Leistungsumwandlung erfolgt üblicherweise über ein intelligentes Leistungsmodul (IPM). Zur weiteren Verbesserung der dynamischen und statischen Systemleistung kann eine Regelung von Position und Drehzahl im geschlossenen Regelkreis eingesetzt werden. Die dreiphasige Wechselstromnachführung optimiert effektiv die Stromansprechgeschwindigkeit des Wechselrichters und begrenzt transiente Ströme, wodurch der sichere Betrieb des IPM gewährleistet wird. Die Drehzahl- und Positionsregelkreise lassen sich mittels eines Mikrocontrollers steuern, um eine höhere Regelgenauigkeit zu erzielen. Bei einem Proportionalregler werden alle drei Wechselstromregelkreise durch ausreichend große Proportionalregler geregelt. Der Proportionalkoeffizient sollte so groß wie möglich gewählt werden, ohne dass das System oszilliert. Dadurch folgen Amplitude, Phase und Frequenz des dreiphasigen Wechselstroms des geregelten Asynchronmotors präzise dem vorgegebenen Wert, was eine schnelle Stromregelung des Spannungsumrichters ermöglicht. Die Proportionalstromregelung bietet zahlreiche Vorteile, darunter ein einfacher Aufbau, ein gutes Stromfolgeverhalten sowie eine schnelle und zuverlässige Begrenzung des Anlauf- und Bremsstroms des Motors. Derzeit ist der Anteil von DC-Servoprodukten rückläufig, während der Anteil von AC-Servoprodukten stetig wächst. In der Praxis haben sich AC-Servomotoren aufgrund ihrer höheren Präzision, Geschwindigkeit und einfacheren Bedienung in verschiedenen Bereichen wie der Fabrikautomation als Standardprodukte etabliert. II. Überblick über Servoantriebe Da Servoantriebe in der industriellen Fertigung weit verbreitet sind, gibt es eine Vielzahl verwandter Produkte auf dem Markt. Diese reichen von Standardmotoren, Frequenzumrichtern, Servomotoren, Frequenzumrichtern und Servoreglern bis hin zu Bewegungssteuerungen, Einachs- und Mehrachssteuerungen, speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), übergeordneten Steuereinheiten und sogar Überwachungsarbeitsplätzen für Werkstätten und Fabriken. (I) Servomotoren Dank der kontinuierlichen Verbesserung der Herstellungsverfahren für Permanentmagnetmaterialien verwenden die meisten Servomotoren der neuen Generation das neueste Material Nd₂Fe₁₄B₁ (Rubidium-Eisen-Bor). Dieses Material zeichnet sich im Vergleich zu anderen Permanentmagnetmaterialien durch eine überlegene Remanenzmagnetflussdichte, Koerzitivfeldstärke und ein höheres maximales Energieprodukt aus. In Kombination mit einer optimierten Konstruktion von Magnetpolen, Magnetkreisen und Motorstruktur verbessert dies die Motorleistung deutlich und reduziert gleichzeitig die Baugröße. Die meisten Servomotoren der neuen Generation verwenden einen neuartigen Positionsgeber. Dieser Encoder reduziert die Anzahl der Signalleitungen von 9 auf 5 und unterstützt sowohl inkrementelle als auch absolute Messungen. Er erreicht eine Kommunikationsrate von 4 M/s, einen Kommunikationszyklus von 62,5 µs, eine Datenlänge von 12 Bit und eine Encoderauflösung von 20 Bit/Umdrehung (entspricht 1 Million Impulsen pro Umdrehung). Die maximale Drehzahl beträgt 6000 U/min, und der Stromverbrauch des Encoders liegt bei nur 16 µA. Servomotoren lassen sich nach ihrer Leistung in ultrakleine (MINI), kleine, mittlere und große Servomotoren einteilen. Der Leistungsbereich ultrakleiner Servomotoren liegt zwischen 10 W und 20 W, kleiner Servomotoren zwischen 30 W und 750 W, mittlerer Servomotoren zwischen 300 W und 15 kW und großer Servomotoren zwischen 22 kW und 55 kW. Der Versorgungsspannungsbereich von Servomotoren liegt zwischen 100 V und 400 V (ein- und dreiphasig). (II) Servo-Steuereinheit: Obwohl die traditionelle analoge Steuerung Vorteile wie gute Kontinuität, schnelle Reaktionszeit und geringe Kosten bietet, weist sie auch gravierende Nachteile auf. Dazu gehören Schwierigkeiten bei der Systeminbetriebnahme, Anfälligkeit für Drift durch Umgebungstemperaturänderungen, Schwierigkeiten bei der flexiblen Gestaltung, fehlende Fähigkeit zur Durchführung komplexer Berechnungen und die Unfähigkeit, auf der modernen Regelungstechnik basierende Regelalgorithmen zu implementieren. Daher verwendet die moderne Servosteuerung eine vollständig digitale Struktur. Die grundlegende Theorie des Servoregelungssystems basiert auf dem modernen Vektorregelungskonzept, das die Amplituden- und Phasenregelung des Stromvektors realisiert. Zur Verbesserung der Produktleistung nutzt die neue Generation von Servoreglern verschiedene neue Technologien und Prozesse, die sich insbesondere in folgenden Aspekten zeigen: 1. Im Stromregelkreis wird eine dq-Achsen-Stromumwandlungseinheit verwendet. Das neue Regelungsverfahren reduziert die Rechenlast der Haupt-CPU. Die Stromregelung erfolgt hardwareseitig, d. h. der Regelalgorithmus ist in die dedizierte LSI-Hardwareschleife integriert. Durch den Einsatz einer Hochgeschwindigkeits-Stromumwandlungseinheit für die dq-Achse wird die Drehmomentgenauigkeit der Stromregelung weiter verbessert, wodurch sowohl im stationären als auch im transienten Betrieb eine gute Performance erzielt wird. 2. Eine Impulsgeber-Multiplikationsfunktion reduziert die Einschwingzeit der Positionsregelung auf ein Drittel des ursprünglichen Wertes. 3. Die Drehzahlregelung nutzt einen Echtzeit-Drehzahlerkennungsalgorithmus, der das Verhalten des Motors bei niedrigen Drehzahlen weiter verbessert und Drehzahl- und Drehmomentschwankungen minimiert. Die automatische Online-Verriegelungsfunktion verkürzt die Debugging-Zeit des Servosystems und vereinfacht die Bedienung. 4. Eine elektrische Trennung zwischen Haupt- und Regelschleife vereinfacht und erhöht die Sicherheit und den Bedienkomfort sowie die Fehlererkennung. Die Versorgungsspannung wurde von 100 V auf 400 V (einphasig/dreiphasig) erweitert. 5. Die Servoregelung nutzt im Allgemeinen Positionssignale, die vom Positionsgeber am Motorwellenende erfasst werden, zur Rückkopplung, ohne dass Rückkopplungssignale in den geregelten mechanischen Teilen abgetastet werden. Dies entspricht einem halbgeschlossenen Regelkreis. Moderne Produkte verwenden hingegen einen vollständig geschlossenen Regelkreis, wodurch die Auswirkungen von Bearbeitungsfehlern, Zahnflankenspiel, struktureller Spannung und elastischer Verformung etc. durch Berechnungen im Servoregler korrigiert werden. 6. Durch den Einsatz der RICS-Technologie (Reduced Instruction Set Computer System) wurde die Datenverarbeitungskapazität der CPU von 8-Bit und 16-Bit auf 32-Bit erhöht und die Taktfrequenz des Mikroprozessors auf über 100 MHz gesteigert. (III) Steuerung höherer Ordnung: Angesichts der steigenden Anforderungen an industrielle Maschinen hinsichtlich hoher Geschwindigkeit, hoher Präzision, Miniaturisierung, Kleinserienfertigung mit vielfältigen Komponenten, hoher Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit finden Steuerungsgruppen höherer Ordnung breite Anwendung. Von der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) der oberen Ebene über die Bewegungssteuerung bis hin zur CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine lässt sich das System bis zur universellen Ein-/Ausgabe-Steuereinheit (E/A) der unteren Ebene und dem Bildverarbeitungssystem verbinden. Programmiersprachen wie Kontaktplan, NC-Sprache, SFC-Sprache und Bewegungssteuerungssprachen können flexibel an die Benutzeranforderungen angepasst werden. Das System kann bis zu 44 Achsen von einer einzigen Achse aus steuern. Die Steuerung ist mit verschiedenen Signalarten, von analogen bis hin zu Netzwerksignalen, kompatibel und findet breite Anwendung in Halbleiterfertigungsanlagen, Bearbeitungsmaschinen, Handhabungsmaschinen, Hebezeugen usw. und bietet ein hohes Preis-Leistungs-Verhältnis. III. Entwicklungstrends von Servosystemen Wie aus der vorangegangenen Diskussion hervorgeht, findet der Einsatz digitaler AC-Servosysteme immer größere Verbreitung, und die Anforderungen der Anwender an die Servoantriebstechnik steigen ebenfalls. Die Entwicklungstrends von Servosystemen lassen sich allgemein wie folgt zusammenfassen: (I) Die AC-Servotechnologie wird sich weiterhin rasant von DC-Servosystemen zu AC-Servosystemen entwickeln. Aktuell sind fast alle neuen Produkte auf dem internationalen Markt AC-Servosysteme. In den Industrieländern liegt der Marktanteil von Wechselstrom-Servomotoren bei über 80 %, und die Zahl der inländischen Hersteller von Wechselstrom-Servomotoren steigt stetig und übertrifft allmählich die der Hersteller von Gleichstrom-Servomotoren. Es ist absehbar, dass Wechselstrom-Servomotoren in naher Zukunft, abgesehen von einigen Mikromotoren-Anwendungen, Gleichstrom-Servomotoren vollständig ersetzen werden. (II) Vollständig digitale Servosteuergeräte mit neuen Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessoren und dedizierten digitalen Signalprozessoren (DSPs) werden die primär auf analogen elektronischen Bauteilen basierenden Servosteuergeräte vollständig ablösen und so volldigitale Servosysteme realisieren. Die vollständige Digitalisierung hat die ursprüngliche Hardware-Servosteuerung in eine Software-Servosteuerung umgewandelt und ermöglicht die Anwendung fortschrittlicher Methoden der modernen Regelungstechnik in Servosystemen. (III) Hohe Integration: Die neuen Servosysteme haben die bisherige Aufteilung in Drehzahl- und Positionsservoeinheit durch eine einzige, hochintegrierte und multifunktionale Steuereinheit ersetzt. Diese Steuereinheit kann ihre Leistung durch die Einstellung von Systemparametern per Software anpassen. Es kann ein halbgeschlossenes Regelsystem mithilfe der am Motor selbst konfigurierten Sensoren bilden oder über eine Schnittstelle mit externen Positions-, Drehzahl- oder Drehmomentsensoren ein hochpräzises, vollständig geschlossenes Regelsystem. (IV) Intelligenz: Intelligenz ist der aktuelle Trend in der gesamten industriellen Steuerungstechnik, und Servoantriebssysteme bilden als hochentwickelte industrielle Steuerungsgeräte keine Ausnahme. Die neuesten digitalen Servoregler sind in der Regel als intelligente Produkte konzipiert. Ihre intelligenten Funktionen zeigen sich in folgenden Aspekten: 1) Parameterspeicherfunktion: Alle Systemparameter können per Software über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle eingestellt und im Servoregler gespeichert werden. Über die Kommunikationsschnittstelle können diese Parameter sogar während des Betriebs vom Host-Computer geändert werden. 2) Selbstdiagnose- und Analysefunktion: Bei einer Systemstörung werden Art und mögliche Ursachen der Störung übersichtlich auf dem Bedienfeld angezeigt, was die Wartung und Fehlersuche vereinfacht. 3) Selbstoptimierung der Parameter. Wie allgemein bekannt, ist die Parametereinstellung des geschlossenen Regelkreises ein wichtiger Faktor für die Sicherstellung der Systemleistung. Die Servoeinheit mit Selbstoptimierungsfunktion kann die Systemparameter durch mehrere Testläufe automatisch anpassen und so die optimale Einstellung erreichen. (V) Modularisierung und Vernetzung: Im Ausland hat die auf industriellen lokalen Netzwerken basierende Technologie der Fabrikautomation (FA) in den letzten zehn Jahren große Fortschritte gemacht und einen positiven Entwicklungstrend gezeigt. Um diesem Trend gerecht zu werden, sind moderne Servosysteme mit standardmäßigen seriellen Kommunikationsschnittstellen (z. B. RS-232C) und dedizierten lokalen Netzwerkschnittstellen ausgestattet. Die Einrichtung dieser Schnittstellen verbessert die Vernetzungsmöglichkeiten zwischen der Servoeinheit und anderen Steuergeräten erheblich, und die Verbindung zwischen Servoeinheit und CNC-System wird deutlich vereinfacht. Für die Verbindung mehrerer oder sogar Dutzender Servoeinheiten mit dem Host-Computer zum gesamten CNC-System ist lediglich ein Kabel oder eine Glasfaser erforderlich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Servosysteme in zwei Richtungen entwickeln werden: Zum einen zur Erfüllung der Anforderungen allgemeiner Industrieanwendungen, bei denen die Leistungsanforderungen nicht sehr hoch sind und Antriebsprodukte mit Eigenschaften wie niedrige Kosten, geringer Wartungsaufwand und einfache Bedienung angestrebt werden, wie z. B. Frequenzumrichter und Motoren mit variabler Drehzahl; zum anderen zu den führenden Produkten, die den Entwicklungsstand von Servosystemen repräsentieren – Servomotoren und Servoregler –, die eine leistungsstarke, schnelle, digitale, intelligente und vernetzte Antriebssteuerung anstreben, um den höheren Anforderungen der Anwender gerecht zu werden.