„Was genau ist eigentlich ein Servomotor?“ Die Frage mag auf den ersten Blick banal wirken, kann aber selbst Experten in Verlegenheit bringen. Denn was genau ein Servomotor ist, wird tatsächlich unterschiedlich interpretiert.
Zunächst: Der Begriff „Servo“ stammt vom lateinischen „Servus“, also dem Sklaven ab. Der Begriff „Motor“ vom lateinischen „moto“, auf deutsch: „ich bewege“. So unschön die Herkunft des Begriffs „Servo“ ist, so passend ist doch die Bezeichnung „Servomotor“ für einen fleißigen Diener, der etwas bedingungslos bewegt.
Gäbe es keine weiteren Einschränkungen, wäre damit auch ein ungeregelter Bandantrieb oder ein einfacher Lüftermotor eingeschlossen. Dies ist aber im allgemeinen Verständnis nicht so. Generell wird ein Servomotor in gängigen Definitionen als ein Motor verstanden, der zumindest über eine Regelung verfügt beziehungsweise eine Rückmeldung über seine dreh- oder lineare Position liefern kann.
So schreibt beispielsweise Wolfgang Gerke in seinem Buch „Elektrische Maschinen und Aktoren: Eine anwendungsorientierte Einführung": „Ein Servormotor ist ein elektrischer Motor, der strom-, drehzahl- und/oder positionsgeregelt ist. Er ermöglicht die Einstellung vorgegebener Ströme, Drehzahlen und/oder Drehwinkel." Der nur als „Servo“ bezeichnete Modellbau-Servo, der auch eine vorgegebene Drehposition einstellt, wird meist vom Begriff des Servomotors ausgeschlossen.
„Servomotor“ beschreibt damit also nicht eine bestimmte Motor-Bauart, vielmehr können Servomotoren unterschiedlicher Bauart sein. Auch elektrohydraulische oder elektropneumatische Motoren werden teilweise als Servomotoren bezeichnet – im Gegensatz zu Definitionen, die im Internet zu finden sind. Im Folgenden werden nur noch Elektromotoren als Servomotoren behandelt.
AC- und DC-Servomotoren
Als Servomotoren weit verbreitet sind permanenterregte Synchronmotoren, Asynchronmotoren und bürstenbehaftete Gleichstrommotoren. Aber auch bei diesen Motoren gibt es eine Vielzahl von Begriffen, die teilweise unterschiedlich verwendet werden.
So bezeichnet der Begriff AC-Servomotor in der Regel Motoren, die an Versorgungsspannungen betrieben werden, die direkt durch Gleichrichtung einer Wechselspannung (einphasig oder dreiphasig) erzeugt werden. Dies sind in der Regel Gleichspannungen ab etwa 230 VDC bis über 600 VDC. Im Gegensatz dazu werden Servomotoren, die direkt an einer Kleinspannung bis circa 48 VDC betrieben werden können, als DC-Servomotoren bezeichnet.
Eine Aussage über die Motor-Bauart lässt diese Einteilung aber nicht zu. Permanenterregte Synchronmotoren werden nach dieser Definition sowohl als AC- als auch als DC-Synchronmotoren verwendet. Asynchronmotoren und Reluktanzmotoren werden hauptsächlich als AC-Servomotoren eingesetzt, permanent- oder fremderregte bürstenbehaftete Gleichstrommotoren eher als DC-Servomotoren.
Auch wenn es auf den ersten Blick nicht sinnvoll erscheint, bietet der Markt auch Schrittmotoren, die mithilfe eines Encoders eine Positionsrückführung erhalten und somit als DC-Servomotoren angeboten werden.
BLDC- und EC-Servomotoren
BLDC-(Brushless-Direct-Current)- und EC-(Electrically-Commutated)-Servomotoren sind technisch gesehen permanenterregte Synchronmotoren. Oft werden diese Begriffe noch mit eher kleinen, blockkommutierten Motoren, die im Kleinspannungsbereich betrieben werden, verbunden.
Mittlerweile werden die als BLDC und EC bezeichneten Motoren häufig feldorientiert angesteuert, wodurch sie in Sachen Dynamik, Geräuschverhalten und Energieeffizienz den als „AC-Servo“ bezeichneten Motoren in nichts nachstehen.
Viele Motoren, die als Servomotoren angeboten werden, können selbst nicht drehen, da sie keine integrierten Servoverstärker haben. Lediglich Servomotoren mit integriertem Verstärker können ohne externe Komponenten, nach Anlegen einer Versorgungsspannung im Servobetrieb selbstständig, Drehmoment, Drehzahl und Position regeln. Dies geschieht nach Vorgaben über einen Busanschluss oder über digitale beziehungsweise analoge Eingänge.
Im Sprachgebrauch hat es sich trotzdem durchgesetzt, dass Motoren, die einen externen Servoverstärker benötigen als Servomotoren bezeichnet werden. Diese stellen sogar nach wie vor den größten Anteil der Servomotoren dar. Die Kombination aus Motor und Verstärker wird in der Regel als Servoantrieb bezeichnet.
Hochdynamische Motoren
Sind alle Servomotoren hochdynamisch? Viele Servomotor-Definitionen gehen auf die Dynamik nicht ein. Mechanische Zeitkonstanten, also die Dauer von Stillstand bis 63 Prozent der Maximaldrehzahl ohne Last, liegen bei hochdynamischen Servomotoren im Bereich ab circa einer bis zu wenigen Millisekunden.
Erreicht wird eine hohe Dynamik durch mehrere Faktoren. Neben einer hohen Flussdichte und einer niedrigen Läufer-Massenträgheit muss der Servoverstärker auf die Motorwicklung abgestimmt sein, damit der Motor auch dynamisch arbeiten kann.
Feedback passend zum Motor
Resolver waren lange Zeit das Maß der Dinge bei Feedbacksystemen von Servomotoren. Mit der Digitalisierung sind magnetische und optische Systeme, die digitale Ausgangssignale liefern, auf dem Vormarsch. Wichtig ist, dass das Feedbacksystem hinsichtlich Robustheit, Genauigkeit und Schnittstelle zum Servoverstärker passt. Motoren mit voll integriertem Feedbacksystem und Servoverstärker haben den Vorteil, dass das System gleich auf den Regler abgestimmt ist.
