Wie man einen Servomotor steuert und welche Komponenten Sie benötigen

Wir sprechen hier nicht immer viel über Elektromechanik, aber das Ansteuern und Kontrollieren von kleinen Motoren sind wichtige Themen. Eine Art von Motor, die in vielen Verbraucher- und Industrieprodukten zu finden ist, ist ein Servomotor. Obwohl dieser Motortyp eine geschlossene Rückkopplungsschleife, integrierten Encoder und Steuerungsalgorithmus benötigt, macht die Position- und Geschwindigkeitskontrolle, die sie bieten, sie in einer Reihe von Anwendungen hochgradig anpassbar.

Die Frage, wie man einen Servomotor antreibt, erfordert einen Blick darauf, wie die Sensorik implementiert ist und welche Art von Motor angetrieben wird. Wenn Sie nicht mit einem Hochleistungsservo arbeiten, müssen Sie keine diskreten Halbleiter verwenden, um Ihren Treiberschaltkreis zu bauen. Stattdessen können Sie auf dem Markt Servo-Controller mit der richtigen Elektronik-Suchmaschine finden. Lassen Sie uns die Komponenten betrachten, die Sie benötigen, um einen Servomotor zu steuern und anzutreiben, sowie einige marktübliche Komponentenoptionen für Ihr nächstes elektromechanisches System.

Wie man einen Servomotor antreibt

Bevor wir darauf eingehen, wie die Servomotor Steuerung funktioniert, sollten diejenigen, die neu in der Arbeit mit Servomotoren sind, wissen, dass ein Servomotor kein spezifischer Motortyp ist. Vielmehr bezieht sich der Begriff „Servo“ auf die Art und Weise, wie ein Motor angetrieben wird und wie seine Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung kontrolliert werden. Bei einem Servomotor wird die Steuerung durch eine Rückkopplungsschleife zwischen dem Motor und dem Controller angewendet, und die Position/Geschwindigkeit des Motors wird mit integrierten Encodern im Motor erfasst. Einige Sensoren, die diese Funktion bieten, sind integrierte Potentiometer, Hall-Effekt-Sensoren oder LED mit einem Photogate und Photodiode.

Um einen Servomotor zu steuern, sind zwei kritischen Elemente notwendig: Antriebs- und Steuerschaltung:

• Verstellbares Antriebssignal. Ein PWM-Signal wird bei der Servomotoren Ansteuerung verwendet, um den Rotor zu zwingen, sich auf eine spezifische Position zu drehen. Durch Anpassen des Tastverhältnisses kann die Drehgeschwindigkeit eingestellt werden.

• Sensorik und Steuerschaltung. Die Steuer- und Sensorschaltung bestimmt den Standort und die Geschwindigkeit des Rotors, während der Motor arbeitet. Eine hochgenaue Geschwindigkeit kann durch Rückkopplungssteuerung aufrechterhalten werden.

• Rückkopplungsschleife und Antriebsanpassung. Dies kann mit einem speziellen Antriebscontroller oder einem MCU erfolgen. Beachten Sie, dass nicht alle Servomotoren einen Encoder haben.

• Bremsen. Wir sprechen immer gerne über das Antreiben von Motoren, aber selten hört man jemanden über das Bremsen von Motoren sprechen. Servos benötigen Bremsenschaltkreise und Logik, um den Rotor zu verlangsamen und seine Position nach dem Bremsen zu halten.

Servomotoren werden angetrieben, indem ein PWM-Signal durch das Steuerkabel gesendet wird, während dem Motor Strom zugeführt wird. Abhängig von der Pulsbreite kann der Rotor im Servomotor einen bestimmten Winkel drehen, d.h., das Tastverhältnis bestimmt die Endposition der Welle. Servomotoren können mit Gleich- oder Wechselspannung betrieben werden, und das Encodersignal (falls vorhanden) schließt die Rückkopplungsschleife mit dem Prozessor oder Treiber. Die grundlegende Architektur eines Servomotors mit Steuerung und seines Controllers/Treibers wird unten gezeigt.

Blockdiagramm, das zeigt, wie man einen Servomotor mit einem Motorsteuerungs-IC antreibt.

Positionen halten mit einem Servo

Das Tolle an einem Servo ist, dass er so konfiguriert werden kann, dass er seine Position zwischen den Aktivierungsschritten hält. Das Haltemoment, das ein Servomotor bietet, ist vergleichbar mit dem eines Schrittmotors. Wenn eine externe Kraft den Rotor von seiner stationären Position wegdrückt, kann der Encoder diese Abweichung erfassen und den Controller veranlassen, gegen die externe Kraft anzutreiben, um die Rotorposition zu halten. Ein Servo hält jeder Kraft stand, die innerhalb seines spezifizierten Drehmoments liegt.

Anatomie eines Servotreiber

Es gibt mehrere Optionen für Servotreiber-Controller, oder man kann einen geeigneten Treiber und Steuerkreis aus gängigen Komponenten aufbauen. Einige einfache Methoden, um einen Servomotor zu steuern, umfassen:

• Dual-MOSFET-Treiber. Diese Methode eignet sich am besten für Niederspannungsservos und MOSFETs, die auf Logikpegeln geschaltet werden können.

• DAC-Ansteuerung. Die Ansteuerungswelle kann direkt erzeugt werden, anstatt auf einen PWM-Treiber angewiesen zu sein.

• PWM-gesteuerte H-Brücke. Diese Methode kann hohen, synchronen Strom für einen Servomotor bereitstellen.

Bei den ersten beiden Optionen können die Regelungsschleife, das Antreiben und das Erfassen alle auf einem MCU implementiert werden. In diesem Fall verwenden Sie MOSFETs, die auf Logikpegeln eingeschaltet werden können und die eine höhere Spannungsbewertung als die des Servomotors haben, um sicherzustellen, dass der MOSFET eventuelle Transienten aushalten kann. Die letzte Option hängt von der Menge des Stroms ab, der benötigt wird, um den Servo anzutreiben. Glücklicherweise gibt es Controller-ICs, die mit einem Standard-Motortreiberkreis verwendet werden können, um eine einzelne Treiber-/Controller-Lösung bereitzustellen.

Ein Beispiel für einen kostengünstigen Servomotor mit Steuerung ist der SMD (24-Pin SOIC) Präzisionsmotorcontroller ist der LM628/LM629 von Texas Instruments. Diese Komponente integriert eine digitale PID-Regelungsschleife mit DAC-basierter Ansteuerung oder 8-Bit-PWM-Ausgang für das Antreiben einer externen H-Brücke. In der LM268-Version wird ein externer 8-Bit- bis 12-Bit-DAC für die Erzeugung des Treibersignals empfohlen. Der LM629-basierte Controller bietet einen 8-Bit-PWM-Ausgang für das direkte Antreiben einer externen H-Brücke. Beide sind in 28-Pin-DIP-Gehäusen für den Einsatz in raueren Umgebungen verfügbar.

Blockdiagramm für den LM628 Servomotorsteuerungs-IC von Texas Instruments. Aus dem LM628 Datenblatt.

Weitere Komponenten für elektromechanische Systeme

Unabhängig von der Größe oder Komplexität Ihres Motorantriebs- und Steuerkreises werden viele Komponenten benötigt, um den von Ihnen in Ihrem System verwendeten Antriebscontroller zu unterstützen. Diese Komponenten müssen alles von der Stromversorgung bis zum Empfang von Befehlen vom Benutzer leisten. Hier sind einige andere Komponenten, die Sie für die Servomotor Steuerung benötigen könnten:

• MCU oder anderer Controller

• Displaymodule für HMI

• DC-DC-Wandler zur Spannungsregulierung

Sobald Sie wissen, wie man einen Servomotor steuern kann, können Sie alle benötigten Komponenten mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen auf Octopart finden. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart nutzen, haben Sie Zugriff auf einen kompletten Satz von Distributorendaten und Teilespezifikationen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Motoren- und Antriebsseite, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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