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Analoge Schaltungstechnik

Servos

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Als Servos werden Antriebe bezeichnet, die in einen oder mehreren Regelkreise eingebunden sind. Zumeist sind es Elektromotoren, die mit einer konstanten Geschwindigkeit laufen sollen, in einem Verbund mit anderen Motoren phasen-/ winkelsynchronisiert werden müssen oder Maschinenteile kontrolliert bewegen sollen. Kennzeichnend ist, dass über Sensoren oder Schalter der Zustand überwacht wird und bei einer Abweichung vom Sollwert über eine Steuerelektronik nachgeführt wird.

Ein Servoantrieb besteht aus einem Servomotor und einem Servoregler
Abb. 1.01: Ein Servoantrieb besteht aus einem Servomotor und einem Servoregler

In Abbildung 1.01 ist das Funktionsprinzip eines Servos dargestellt. Ein Servoantrieb besteht aus einem Servomotor und dem Servoregler.

Servomotor

Ein Servomotor besteht aus dem Motor selber und einem Sensor, der die Drehgeschwindigkeit, Phasenlage oder Position erfassen kann. Der Motortyp (Gleichstrom-, Synchron-, ...) kann variieren und hängt von der Verwendung ab. Oftmals ist dem Motor ein Untersetzungsgetriebe (Wandlung der Drehzahl oder des Drehmoments) oder ein Koppelgetriebe, das die Drehbewegung des Rotors in eine geradlinige oder Schwingbewegung umwandelt, nachgeschaltet.
Als Sensoren für die Positions- bzw. Winkelerfassung werden zumeist Hall-Sensoren, Spulen, Drehencoder oder sogar Potentiometer verwendet. Zur Geschwindigkeitsregelung kommen vom Rotor des Motors gespeiste oder mit ihm gekoppelte Frequenzgeneratoren zum Einsatz.

Servoregler

Die Aufgabe des Servoreglers ist die von den Sensoren im Servomotor kommenden Ist-Informationen (Rückführung) mittels eines Komparators mit einer Referenz zu vergleichen oder mit z.B. einer Sample & Hold-Schaltung zu einem bestimmten Zeitpunkt zu messen. Eine Auswerteschaltung ermittelt die Abweichung und erzeugt eine Fehlerinformation aus der die Stellgröße zur Korrektur des Fehlers bestimmt wird. Die Stellgröße geht als Steuersignal in einen Motortreiber oder Umformer, der den Motor ansteuert.

2. Anwendungen

Servoantriebe werden in automatisierten Produktionsstätten (z.B. Industrieroboter, Positionierantriebe), in Kraftfahrzeugen (z.B. automatische Sitzverstellung) aber auch in der Unterhaltungselektronik (z.B. Geschwindigkeitsregelung des Spindelmotors in DVD-Playern) und im Freizeitbereich (Modellbau) eingesetzt. Servoantriebe finden immer dann Verwendung, wenn hohe Drehmomente und schnelle, präzise Bewegungen gefordert werden.

Ein von einem Arduino (auf separatem Breadboard) gesteuerter Quadropod ("Vierfüßler"). Zwei RC-Servos pro Bein simulieren Hüft- und Kniegelenk.
Abb. 2.01: Ein von einem Arduino (auf separatem Breadboard) gesteuerter Quadropod ("Vierfüßler"). Zwei RC-Servos pro Bein simulieren Hüft- und Kniegelenk.

2.1 Drehzahlregelung von Gleichstrommotoren

Der einfachste Typ von Servoantrieb ist ein in der Geschwindigkeit geregelter Gleichstrommotor, wie er z.B. in einem DVD-Laufwerk als Spindelmotor oder in einem Tonbandgerät als Capstanmotor Verwendung findet. Abbildung 2.03 zeigt den Capstanservo eines semiprofessionellen Tonbandgerätes. Diese Schaltung beruht auf dem Prinzip eines Frequenz-Spannungs-Wandlers.

Funktionsweise
Frequenzgenerator an einem Motor
Abb. 2.02: Frequenzgenerator an einem Motor

Ein Ring aus Permanentmagneten am Rotor des Motors induziert in einer Spule eine Wechselspannung deren Frequenz der Drehgeschwindigkeit proportional ist. Diese gelangt auf ein aktives Tiefpassfilter, das aus einem AC-gekoppelten nichtinvertierenden Verstärker U1-1 (Verstärkungsfaktor = 1) besteht. Da nur eine Betriebsspannung für den Operationsverstärker U1 zur Verfügung steht, wird der nichtinvertierende Eingang über R1/R2 auf die halbe Betriebsspannung bezogen. Die RC-Kombination R4/C4 legt die obere Grenzfrequenz auf ca. 7,2 KHz fest.
Um eine Gleichspannungsverstärkung zu vermeiden wird der invertierende Eingang mit C3 von Masse (GND) entkoppelt. C3 bildet zusammen mit R3 ein Hochpassfilter mit einer unteren Grenzfrequenz von ca. 720 Hz.
Transistor Q1 verstärkt das Signal. Am Kollektor wird eine Gleichspannung addiert, die die Grundgeschwindigkeit darstellt. Das Gesamtsignal bildet den Ist-Wert der Regelung.

Drehzahlregelung mit Frequenzgenerator und Tiefpassfiltern
Abb. 2.03: Drehzahlregelung mit Frequenzgenerator und Tiefpassfiltern [1]

Die zweite Hälfte von U1 ist ein Komparator. Am invertierenden Eingang liegt eine Gleichspannung zur manuellen Feinabstimmung der Bandgeschwindigkeit an. Sie stellt den Sollwert der Geschwindigkeit dar und ist die Schaltschwelle für den Komparator. Abhängig von der Höhe des Ist-Wertes pendelt das Ausgangssignal des Komparators zwischen der Betriebsspannung und Masse. Es ist eine Pulsweitenmodulation, die im RC-Glied R13/C8 integriert wird. Über Transistor Q2 gelangt das integrierte Geschwindigkeitssignal auf die Darlington-Schaltung des Motortreibers Q3/Q4. Die Gegenkopplung C9/R17 bringt eine verzögernde Regelzeitkonstante in den Kreis. Sie soll ein "Jagen" des Motors aufgrund einer zu hohen Regelgeschwindigkeit verhindern.

2.2 Drehzahl- und Phasenregelung

In Bandaufzeichungsgeräten (z.B. Video- oder Datenrecorder) und in vielen Produktionsanlagen (z.B. Mehrfarbdruckmaschinen) reicht nicht nur eine Geschwindigkeitsregelung der Elektromotoren, sondern es muss auch die Phasenlage, d.h. die Position des Motors zu einem bestimmten Zeitpunkt, berücksichtigt werden. Beim Videorecorder sorgt die Phasenregelung des Kopftrommelmotors dafür, dass die Videoköpfe die Spur auf dem Videoband treffen und bei der Druckmaschine dass die Druckwalzen so synchron laufen, dass die verschiedenen Druckfarben deckungsgleich aufgetragen werden.

Prinzip eines Servos mit Geschwindigkeits- und Phasenregelung
Abb. 2.04: Prinzip eines Servos mit Geschwindigkeits- und Phasenregelung

Abbildung 2.04 zeigt das Prinzipbild eines Servoantriebs der sowohl eine Geschwindigkeits- als auch eine Phasenregelung umfasst. Die Geschwindigkeitsregelung arbeitet exakt wie sie im vorangegangenen Kapitel beschrieben wurde.

Für eine Phasenregelung wird ein Signal benötigt, das die momentane Position bzw. Winkel liefert. Im einfachsten Fall kann dies ein Permanentmagnet auf dem Rotor des Motors erzeugen, wenn er sich an einer Spule oder einem Magnetsensor (Hall-Generator oder Reedrelais) vorbeibewegt. In industriellen Anlagen generieren Resolver und Absolutwertgeber entsprechende hochpräzise Signale, die den Ist-Zustand widerspiegeln.

Das zweite Signal, das benötigt wird, ist die Phasenreferenz, die den Soll-Zustand darstellt. Die Quelle für die Referenz kann z.B. eine exakte Zeitbasis sein.

Soll- und Ist-Signal werden miteinander verglichen. Ein Komparator oder eine Sample & Hold-Schaltung ermittelt den Phasenfehler und erzeugt ein Fehlersignal. In unserem Prinzipbild ist es eine Pulsbreitenmodulation (PWM), die in einem Tiefpassfilter zu einer Fehlerspannung integriert wird. Die Fehlerspannung wird dann im Motortreiber zur Geschwindigkeitsfehlerspannung hinzuaddiert.

2.3 Positions- und Winkelsteuerung mit RC-Servos

RC-Servos werden hauptsächlich im Modellbau eingesetzt. Ihre Aufgabe ist es das Steuersignal des Joysticks einer Funkfernsteuerung (= Radio Control = RC) oder aus einem Mikrokontroller in eine proportionale Bewegung, z. B. eines Ruderhorns oder eines Leitwerks umzusetzen. Das Ansteuersignal von RC-Servos, eine Pulsweitenmodulation, ist weitgehend international standardisiert. Der Winkel, den das Servohorn einnehmen soll, ist in der Pulsbreite des Ansteuersignals kodiert. Die Mittelstellung, also 0°, des Servos ist auf 1,5 ms Pulsbreite bei einer Periodendauer von 20 ms definiert. Längere Impulse bewirken, dass sich das Servohorn gegen den Uhrzeigersinn dreht bis bei einer Pulsbreite von ca. 2 ms der Maximalwinkel von ca. + 45° erreicht wird. Kürzere Impulse als 1,5 ms veranlassen eine Rotation im Uhrzeigersinn. Bei ca. 0,7 ms ist der Maximalwinkel von - 45° erreicht.
Diese Werte sind keineswegs in Stein gemeißelt. Abhängig vom Hersteller und Servotyp können durchaus auch andere Winkel bei anderem Timing verwendet werden.

Prinzip der PWM-Steuerung
Abb. 2.05: Prinzip der PWM-Steuerung

Aufbau

Ein RC-Servo besteht, neben dem Gehäuse, aus drei Komponenten:

  • dem Motor, der das Servohorn über ein Untersetzungsgetriebe verstellt
  • ein mit dem Getriebe mechanisch gekoppelten Potentiometer, das als Winkelgeber dient
  • der Motorsteuerung
Aufbau eines RC-Servos
Abb. 2.06: Aufbau eines RC-Servos

Funktionsweise eines analogen RC-Servos

Die hier beschriebene Schaltung beruht auf dem (mittlerweile nicht mehr produzierten) analogen Servobaustein NE 544 von Signetics. Die Servoschaltung besteht lediglich aus dem NE 544, einem externen Brückenverstärker und einigen Dämpfungs- und Timinggliedern.
Das positive Eingangssignal (ca. 5 Vss) wird über C4 kapazitiv auf das Eingangs-Flipflop gekoppelt. Es setzt das Flipflop und startet das Monoflop. Die Richtungslogik vergleicht die Pulsbreite des Eingangssignals mit der des Monoflops. Die Differenz (= Fehlerzeit) davon geht auf den Pulsstrecker, dessen Verstärkung (über R1/C7) den Bezug zwischen dem Differenzsignal und dem Ausgangssignal herstellt. Mit den weiteren Komponenten an den Pins 6, 7 und 8 werden weiterhin die minimale Ausgangspulsbreite und die Latenzzeit zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal festgelegt.
Der Schmitt-Trigger aktiviert das Gate exakt für die Fehlerzeit.
Um den möglichen Ausgangsstrom (bis zu 750 mA) zu erhöhen sind den internen Ausgangstransistoren die externen PNP-Transistoren T1 und T2 parallel geschaltet. Die farbigen Pfeile markieren den richtungsabhängigen Strom durch die Transistoren und den Motor.

Schaltbild eines RC-Servos
Abb. 2.07: Schaltbild eines analogen RC-Servos [2]

Funktionsweise eines Digital-RC-Servos

Der prinzipielle Aufbau von digitalen RC-Servo ist ähnlich dem der analogen RC-Servos. Der wesentliche Unterschied liegt in der digitalen Auswertung des Winkelgebersignals.
Herzstück des hier beschriebenen Digital-RC-Servos ist der ATmega8 Microcontroller von Atmel. Dieser ist mit 4 MHz getaktet und verfügt u.a. über 1 Kilobyte an RAM, 8 Kilobyte FlashRAM und 512 Bytes EEPROM. Des Weiteren verfügt der Prozessor über acht 10-Bit AD-Wandler (in der TQFP- oder QFN/M-Bauform) und über mehrere serielle Schnittstellen.

Abhängig von der Programmierung kann dieses Servo nicht nur mit der konventionellen Pulsbreitenmodulation angesteuert werden, sondern auch über einen bidirektionalen seriellen UART-Bus. Bei der Standard-PWM-Ansteuerung gelangt die PWM vom Anschlussstecker über Transistor T8 auf den Port PB0. Hier wird die Pulsbreite mit Hilfe von Zählern gemessen und mit der Ist- Information vom Winkelgeber in eine Steuerinformation für den Motortreiber gewandelt.
Als Ist-Information über die aktuelle Servoposition dient eine analoge Spannung von einem Potentiometer (P1), das wie beim analogen Servo, mit dem Getriebe mechanisch gekoppelt ist. Diese winkelabhängige Spannung geht auf einen 10-Bit AD-Wandler am Port PC0. Die digitale Ausgangsinformation des ADCs wird mit der Soll-Information der PWM verglichen.

Prinzip eines Digital-RC-Servos
Abb. 2.08: Prinzip eines Digital-RC-Servos

Der Motortreiber besteht aus einer Brückenschaltung aus NMOS- und PMOS-Transistorpaaren (T2, T3 / T4, T5), die vom Microcontroller über die Ports PD7 und PD6 im Gegentakt angesteuert werden. Die Transistoren T1 und T6 bilden die jeweiligen Brückentreiber.

Über den Spannungsteiler R21 / R20 wird mittels eines weiteren ADCs die Eingangs- und Motorspannung +V überwacht.

Serielle bidirektionale Kommunikation

Die serielle Kommunikation erlaubt ein Hintereinanderschalten (daisy chaining) von mehreren Servos. Die Übertragung der Signale erfolgt über die Leitung des Eingangssignals. Einkommende Datenpakete gelangen über T8 an Port PD0 (RxD). Gesendet werden Datenpakete vom Port PD1 (TxD) über Transistor T7. Die Ausgangsschnittstelle ist Open-Collector und erfordert im Empfänger einen Pull-up-Widerstand.

 

 

REFERENZEN

[1] Quelle: Schaltbild Teac A3440

[2] Quelle: Datenblatt Signetics NE554

 

 

Letzte Änderung am 4. Oktober 2017

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