Szervomotor működése — felépítés, enkóder, szabályozás, és miben más, mint a léptetőmotor?

A szervomotor (szervómotor, szervo motor) olyan villanymotor, amelynek helyzetét, fordulatszámát és nyomatékát egy szervóerősítő (servo drive) zárt szabályozókörben, folyamatos visszacsatolás alapján szabályozza. Az ipari szervomotor jellemzően állandómágneses szinkronmotor beépített enkóderrel vagy rezolverrel, sokszor tartófékkel. A motor, az erősítő és a visszacsatolás együtt alkotja a szervóhajtást: a gép vezérlője megmondja, hova és milyen gyorsan kell mozogni, a hajtás pedig gondoskodik róla, hogy a tengely pontosan oda érjen — terhelés alatt is.

Mi a szervomotor — és mi nem az?

Szervomotor ott kell, ahol nem elég, hogy a tengely forogjon: pontosan meghatározott helyre, meghatározott sebességgel és gyorsulással kell eljutnia, és ott meg is kell maradnia. Tipikus helyei: CNC-szerszámgépek előtolási tengelyei, ipari robotok csuklói, csomagoló-, nyomda- és címkézőgépek, adagolók, pozicionálók, szervoprések és tekercselők.

A keresőben gyakran keveredik két egészen más eszköz. A hobbi (RC) szervó — amelyet modellekben és oktatási készletekben használnak — egy kis egyenáramú motor áttétellel és potenciométerrel, amelynek szöghelyzetét impulzusszélesség-modulált (PWM) jel adja meg, jellemzően néhány tíz vagy száz fokos tartományban. Az ipari szervomotor (köznyelvben szervo motor vagy egyszerűen szervó) háromfázisú, folyamatosan forgó, nagy teljesítményű motor, külön szervóerősítővel. Ez a cikk az ipari szervókról szól.

Miből áll egy szervomotor?

• Állórész: háromfázisú tekercselés, amelyet a szervóerősítő táplál.
• Forgórész állandómágnesekkel: kis tehetetlenség és nagy nyomatéksűrűség — ezért tud a szervomotor nagyon gyorsan gyorsítani és lassítani. Az ilyen motor kefe nélküli (brushless); a régi kefés DC szervomotorok kifutottak.
• Visszacsatolás: a motor hátsó végén enkóder vagy rezolver méri a forgórész pontos helyzetét.
• Tartófék (opcionális): rugóerős fék, amely áramtalan állapotban megfogja a tengelyt — például hogy egy függőleges tengely ne essen le. Tartásra való, nem üzemi fékezésre.
• Csatlakozók: külön teljesítmény- és enkóderkábel, vagy az újabb, egykábeles technológiák (például HIPERFACE DSL, Siemens OCC, Beckhoff OCT), ahol a visszacsatolás a motorkábelben fut.
• Hűtés és védettség: jellemzően természetes hűtés, nagyobb motoroknál ventilátor vagy folyadékhűtés; a védettség gyakran IP65.

Főorsóhajtásoknál (például CNC-gépek orsójánál) gyakori a visszacsatolt aszinkron szervomotor is: nagy fordulatszámon jól bírja a terhelést, a pozicionálási feladatokra viszont az állandómágneses motor a jellemző.

Enkóder és rezolver — a szervomotor „szeme”

A szervóhajtás csak annyira pontos, amennyire a visszacsatolása. A leggyakoribb típusok:

Típus	Mit mér?	Bekapcsolás után	Tipikus alkalmazás
Inkrementális enkóder	Impulzusokat (A/B jel, Z nulljel)	Referenciafutás kell a pozíció megtalálásához	Egyszerűbb és régebbi hajtások
Abszolút single-turn	A helyzetet egy fordulaton belül	A fordulatok számát nem tudja	Kisebb lökethosszú mozgások
Abszolút multi-turn	A helyzetet és a fordulatok számát	Azonnal tudja a pozíciót; elemes vagy elem nélküli kivitel	CNC-tengelyek, robotok
Rezolver	Analóg jelet, forgó transzformátor elven	Egy fordulaton belüli helyzet	Zord környezet: hő, rezgés, szennyeződés

Az enkóder és az erősítő digitális protokollon beszél: elterjedt az EnDat (Heidenhain), a HIPERFACE és a HIPERFACE DSL (SICK), a BiSS, az SSI, a Siemens DRIVE-CLiQ, valamint a gyártóspecifikus soros protokollok (Fanuc, Mitsubishi, Yaskawa). Ezért nem köthető bármelyik motor bármelyik erősítőhöz.

Az enkóder-hibákról és az akkucseréről az enkóder-javítás, a robotok újrakalibrálásáról (mastering) a robotjavítás oldalon olvashat.

Hogyan szabályoz a szervóerősítő? A három szabályozókör

A szervóerősítő teljesítményoldala hasonlít a frekvenciaváltóéra: egyenirányító, DC-kör és IGBT-végfok, impulzusszélesség-modulációval. A különbség a szabályozásban van: három, egymásba ágyazott szabályozókör dolgozik.

1. Áramszabályozó kör (belső, leggyorsabb): a motoráramot — és ezzel a nyomatékot — szabályozza a végfok árammérése alapján.
2. Sebességszabályozó kör (középső): az enkóder jeléből számolt fordulatszámot hasonlítja az alapjelhez.
3. Pozíciószabályozó kör (külső): az enkóder pozícióját hasonlítja a vezérlőtől kapott célhoz, és ebből ad sebesség-alapjelet.

A szabályozókörök erősítését (gain) a mechanikához kell hangolni; a legtöbb mai erősítő ehhez automatikus hangolást is ad. Fontos a tehetetlenségi arány: ha a terhelés tehetetlensége a motorénak sokszorosa, a hajtás nehezen hangolható, rezeg vagy lassan áll be — a megengedhető arányt a gyártó adja meg, szükség esetén áttétellel javítható.

A gép vezérlője (PLC, mozgásvezérlő vagy CNC) régebben impulzus-irány jellel vagy ±10 V-os analóg alapjellel, ma jellemzően valós idejű terepi buszon adja a parancsot: EtherCAT, PROFINET IRT, SERCOS III, Mechatrolink, SSCNET. A legtöbb erősítő biztonsági nyomatékmentesítő (STO) bemenetet is kínál — ez nyomatékmentesít, de a hálózatról nem választ le.

Szervomotor, léptetőmotor vagy frekvenciaváltós motor?

Szempont	Szervomotor	Léptetőmotor	Aszinkronmotor + frekvenciaváltó
Szabályozás	Mindig zárt hurkú, visszacsatolással	Jellemzően nyílt hurkú — túlterhelésnél lépést veszíthet (van zárt hurkú változat is)	Jellemzően fordulatszám; pozícióhoz enkóder és vektorszabályozás kell
Dinamika	Nagyon nagy; rövid ideig a névleges nyomaték többszörösét adja	Kis fordulaton erős, nagy fordulaton gyorsan csökken a nyomaték	Mérsékelt
Pontosság	Az enkódertől függ, nagyon nagy	A lépésszögtől (például 1,8°) és a mikrolépéstől függ	Közepes
Ár és bonyolultság	Magasabb; hangolás kell	Alacsony, egyszerű	Közepes
Tipikus alkalmazás	CNC-tengely, robot, csomagológép, szervoprés	Kisebb pozicionálás, adagolók, 3D nyomtatók	Szivattyú, ventilátor, szalag, ahol a fordulat számít

Hogy egy adott gépre melyik hajtás kell, arról a hajtástechnika-oldalunkon írtunk; a frekvenciaváltóról a frekvenciaváltó működése cikkben olvashat. Nyomatékot, fordulatot és áttételt a motor- és hajtáskalkulátorral számolhat.

Gyártók és családok

A hazai gépparkban leggyakrabban előforduló szervórendszerek:

• Siemens — SIMOTICS S motorok (1FK7, 1FK2, 1FT7), SINAMICS S120, S210 és V90 erősítők (részletek).
• Yaskawa — Sigma-7 és Sigma-X (részletek).
• Mitsubishi Electric — MELSERVO-J4 és J5 (részletek).
• Kollmorgen — AKM motorok, AKD erősítők (részletek).
• Bosch Rexroth — MS2N és MSK motorok, IndraDrive és ctrlX DRIVE (részletek).
• SEW-EURODRIVE — CMP motorok, MOVIDRIVE és MOVI-C (részletek).
• Lenze — MCS motorok, i950 és 9400 (részletek).
• Beckhoff — AM8000 motorok, AX5000 és AX8000 erősítők; Allen-Bradley — Kinetix.
• Omron — 1S és G5 sorozat (részletek); Fanuc — αi és βi szervók a CNC-gépeken (részletek).

Sok gépen még kifutott generáció dolgozik — például Yaskawa Sigma-II / III, MELSERVO MR-J2S / J3, Kollmorgen SERVOSTAR, Kinetix 2000 / 6000, Rexroth ECODRIVE, Beckhoff AX2000. Generációváltásnál az erősítő és a motor jellemzően együtt cserélendő, mert az enkóder-interfész változik; a gyári utódokat a kifutott sorozatok táblázatában gyűjtöttük össze, a mérlegelésről a regenerálás vagy csere cikkben írtunk.

Tipikus hibák: motor, enkóder vagy erősítő?

Egy szervó-alarm mögött három helyen lehet a hiba: a motorban, a visszacsatolásban vagy az erősítőben. A tünet sokat elárul:

Tünet	Lehetséges ok	Merre tovább?
Enkóder- vagy feedback-alarm	Enkóderkábel (gyakran a vonszolóláncban törik), csatlakozó, enkóder-elektronika, lemerült elem	Enkóder-javítás
Túláram vagy zárlat alarm	Motorkábel- vagy tekercszárlat, IGBT-végfok	Szigetelésmérés az erősítőről lekötött motoron (szakember), az erősítő bevizsgálása
Zúg, rezeg, rángat	Hangolás, rezonancia, mechanika (tengelykapcsoló, holtjáték), zajos enkóderjel	Szervó motor zúg, rezeg
Bekapcsolás után elveszett a pozíció	Lemerült enkóder- vagy pufferelem	Elemcsere, referenciafutás vagy mastering
Túlterhelés, túlmelegedés	Mechanikai szorulás, nem oldó tartófék, alulméretezett hajtás	Mechanika, a fék tápja és vezérlése, méretezés
Nem old a tartófék	Féktekercs, fékvezérlő relé vagy a fék tápja (jellemzően 24 V DC)	A fék tápfeszültsége a motorcsatlakozón

Elsősorban a szervóerősítőt és az enkóder-elektronikát javítjuk komponens-szinten, márkafüggetlenül; szervomotor-hibánál bemérjük a motort és a visszacsatolást, és behatároljuk, melyik elem a hibás — részletek a szervó-javítás oldalon, a költségekről a szervó javítás ára cikkben.

Gyakori kérdések

Mi az a szervomotor?

Olyan villanymotor, amelynek helyzetét, fordulatszámát és nyomatékát egy szervóerősítő zárt szabályozókörben, enkóderes vagy rezolveres visszacsatolás alapján szabályozza. Az ipari szervomotor jellemzően állandómágneses szinkronmotor, gyakran tartófékkel.

Hogyan működik a szervomotor röviden?

A vezérlő megadja a célpozíciót és a sebességet. A szervóerősítő a motor enkóderének jele alapján folyamatosan összeveti a tényleges és a kívánt állapotot, és a motoráramot úgy szabályozza, hogy a tengely pontosan a célba érjen, terhelés alatt is.

AC vagy DC a szervomotor?

Az ipari szervomotorok ma szinte kivétel nélkül háromfázisú AC, kefe nélküli állandómágneses szinkronmotorok. A régi kefés DC szervomotorok kifutottak; a hobbi RC szervókban kis egyenáramú motor van.

Mi a különbség a szervomotor és a léptetőmotor között?

A szervomotor mindig visszacsatolással, zárt hurokban dolgozik, nagy dinamikával és pontossággal. A léptetőmotor jellemzően nyílt hurkú: a vezérlő lépésenként mozgatja, túlterhelésnél lépést veszíthet, és nagy fordulaton gyorsan csökken a nyomatéka. Cserébe olcsóbb és egyszerűbb.

Működhet a szervomotor szervóerősítő nélkül?

Nem. Az állandómágneses szervomotor nem köthető közvetlenül a hálózatra: csak a hozzá illő erősítővel üzemel, amely ismeri a motor adatait és az enkóder protokollját.

Kicserélhető a szervomotor más gyártó motorjára?

Csak akkor, ha az erősítő támogatja a motor enkóder-interfészét és paramétereit. A gyakorlatban generációváltáskor a motor és az erősítő jellemzően együtt cserélendő.

Mire való a szervomotor tartóféke?

Az álló tengely megtartására áramtalan állapotban, például hogy egy függőleges tengely ne essen le. Üzemi fékezésre nem való, a lassítást az erősítő végzi; vészhelyzeti fékezést csak korlátozott számban bír.

Javítják a szervomotort és a szervóerősítőt?

Elsősorban a szervóerősítőt és az enkóder-elektronikát javítjuk komponens-szinten, márkafüggetlenül. Szervomotor-hibánál bemérjük a motort és a visszacsatolást, behatároljuk a hibás elemet, és megmondjuk a gazdaságos utat — lásd: szervó-javítás.