Ein Servo ist ein Gerät, das eine Position auf ein Ziel bringt. Auf einem Umlauf seines Regelkreises macht der Regler aus dem Ziel einen Sollwert, ein Kasten, der Leistung in Strom umsetzt, dreht den Motor, die Welle bewegt sich, und der Wert eines Sensors, der Drehung oder Position misst, kommt zum Regler zurück. Dieser Sensor heißt Encoder. Und doch fällt der Umlauf selbst mit abgeglichenen Uhren nie auf einen einzigen Augenblick zusammen.
Die Verzögerung sammelt sich in der Rechenzeit, im Schalten der Leistung, im mechanischen Nachgeben und im Zeitpunkt des Ablesens. Es gibt keine Schaltung, die alles auf denselben Augenblick zwingt; stattdessen wird das Fehlende vor dem nächsten Ablesen im Voraus addiert, und so bleibt der Schleppfehler innerhalb der Spezifikation. Was proportional, integral und differenzial bedeuten, übernimmt der Artikel zur PID-Regelung, das Lesen der Spuren A und B der Artikel über Encoder. Hier geht es nur um die Verzögerung im Umlauf und darum, wo sie kompensiert wird.
Kernpunkte dieses Artikels
| Abschnitt | Was er erklärt |
|---|---|
| Die vier Aufgaben des Servo-Regelkreises | Sollwert berechnen, in Leistung umsetzen, Bewegung und Encoder-Rückführung |
| Der Versatz zwischen Sollwert und Encoder-Rückführung | Abtastzeitpunkt, der eine Rechenzyklus, PWM, Quantisierung und der Messort. Der Engpass ist meist die Maschine |
| Vorsteuerung und Kompensation der Verzögerung | Den Stromregelkreis zuerst und schnell schließen, das Fehlende dem Sollwert im Voraus hinzufügen. Auch Schwingungen fester Frequenz werden unterdrückt |
| Messung im halbgeschlossenen und vollgeschlossenen Regelkreis | Nur die Motorwelle messen, oder den Kreis über einen Maßstab an der Last schließen |
Die vier Aufgaben des Servo-Regelkreises
Der volle Umlauf vom Regler bis zur Encoder-Rückführung heißt Servo-Regelkreis. Dieser Abschnitt teilt ihn in vier Aufgaben auf.
Die erste: den Sollwert berechnen. Der Regler bestimmt den nächsten Sollwert aus der Differenz zwischen Ziel und zurückgekommenem Wert. Werte in festem Abstand zu nehmen heißt Abtastung, ein Durchgang davon ist ein Abtastzyklus. Der in diesem Zyklus gelesene Wert schafft es jedoch meist nur in den Sollwert des nächsten Zyklus. Diese Verzögerung — die Zeit, die die Rechnung selbst braucht — heißt Ein-Zyklus-Verzögerung.
Die zweite: den Sollwert in Leistung umsetzen. Als Spannungszahl kann der Sollwert den Motor nicht drehen. Gleichstrom in feine Ein-Aus-Pulse zu zerhacken, um eine mittlere Spannung zu bilden, ist die Aufgabe namens PWM, und die Lücke, die verhindert, dass oberer und unterer Schalter je gleichzeitig leiten, heißt Totzeit. Auch hier liegt eine Verzögerung zwischen dem Ausgeben des Sollwerts und dem tatsächlichen Fließen des Stroms. Wie ein Motor angehalten wird, und die Rückspeisung, sind eine andere Geschichte als die Umlaufverzögerung; sie stehen in Anhalten eines DC-Motors.
Die dritte: sich bewegen. Strom wird Drehmoment, Welle und Last bewegen sich. Aber Spindeln und Kupplungen geben nach wie Federn, sodass die Position der Motorwelle und die Position des Tisches nicht dieselbe Zahl im selben Augenblick sind.
Die vierte: die Position zurückgeben. Der Encoder ist das, was die Position von Welle oder Tisch in Pulse oder Zahlen verwandelt und an den Regler zurückschickt. Die Stufen dieser Zahlen heißen Quantisierung. Bei serieller Rückgabe kommt außerdem die Zeit auf der Leitung hinzu. Gray-Code und das Lesen der Spuren A und B gehören zum Encoder-Artikel; hier zählt nur, wann der zurückgegebene Wert eintrifft.
| Aufgabe | Wer sie erledigt | Was in diesem Zyklus passiert |
|---|---|---|
| Sollwert berechnen | Regler | Der jetzt gelesene Wert geht in den nächsten Sollwert |
| In Leistung umsetzen | Verstärker | Der Strom fließt nach PWM und Totzeit |
| Bewegen | Motor und Last | Die Last hängt um das Nachgeben der Mechanik hinterher |
| Position zurückgeben | Encoder | Nach Quantisierung und Übertragung wird er im nächsten Zyklus gelesen |
Die Abbildung unten zeigt diese vier Aufgaben als einen Umlauf. In der Abbildung hat der Sollwert den Verstärker verlassen und ist auf dem Weg zum Motor, während die Encoder-Rückführung auf der Seite liegt, die erst im nächsten Zyklus ankommt.
Die kurzen Beschriftungen unter jeder Stufe der Abbildung sind die Verzögerungen, die sich dort sammeln: am Regler das Verpassen des laufenden Zyklus, am Verstärker PWM und Totzeit, an der Last die Feder der Spindel, am Encoder Quantisierung und Leitungszeit. Es geht dabei aber nicht um Uhren, die auseinanderlaufen.
Entscheiden Sie nicht allein anhand der Stromregler-Periode im Datenblatt, dass die Position mitkommt. Die Stromarbeit ist früh fertig, im Verstärker; der Abtastzeitpunkt der Position bleibt außerhalb davon.
Der Versatz zwischen Sollwert und Encoder-Rückführung
Legen wir die Verzögerungen aus der Umlauf-Abbildung danach aus, wo sie sich sammeln. Dass sie nie ganz zusammenfallen, ist kein Defekt: Solange der Kreis auf diskreten Abtastwerten läuft, kann der Wert dieses Augenblicks nur den nächsten Sollwert speisen.
| Faktor | Wo er sich sammelt | Typische Größe im Betrieb |
|---|---|---|
| Diskrete Abtastung | Regler | Immer vorhanden, verschwindet nie |
| Ein-Zyklus-Rechenverzögerung | Regler | Die Positionsperiode ist länger als die Stromperiode |
| PWM und Totzeit | Verstärker | Meist klein |
| Quantisierung und Übertragung | Encoder | Höhere Auflösung beseitigt den Zeitpunkt nicht |
| Nachgeben und Messort | Maschine | In der Präzision oft der Engpass |
| 1 | In den meisten Betrieben ist der Engpass die Maschine und der Messort. Der Encoder an der Motorwelle und die Position des Tisches sind nicht dasselbe. Deshalb bleiben die Feder von Spindel und Kupplung, das Umkehrspiel und das Nachgeben des Tisches größer als der elektrische Umlauf. Stellen an Auflösung beseitigen keine Feder, die nicht gemessen wird. |
|---|---|
| 2 | Die Ein-Zyklus-Rechenverzögerung lässt sich nicht beseitigen, nur verstecken. Die in diesem Zyklus gelesene Position kann nur den nächsten Sollwert speisen. Auch mit schnellerem Stromregelkreis bleibt die Positionsverzögerung, wenn die Position langsam gelesen wird. Die Kreise sind allerdings verschachtelt — kaputt ist da nichts. |
| 3 | PWM, Totzeit, Quantisierung und serielle Übertragung gibt es, sie sind aber meist klein. Hier zählen die Katalogzahlen von Verstärker und Encoder. Dennoch sind sie seltener als die Maschinenseite der Hauptgrund für eine verfehlte Präzisions-Positionierspezifikation. |
Der Stromkreis schließt zuerst, die Geschwindigkeit schließt außerhalb davon, die Position noch weiter außen. Das ist eine Verschachtelung, in der schnelle Kreise die langsamen von innen stützen. Dass die Perioden verschieden sind, ist also keine Verwechslung, sondern Rollenteilung.
Anzunehmen, mit höherer Encoder-Auflösung fielen Sollwert und Rückführung auf denselben Augenblick zusammen. Die Quantisierungsstufen werden tatsächlich feiner. Aber der Abtastzeitpunkt und die ungemessene Feder bleiben. Schauen Sie also vor zusätzlichen Stellen darauf, wo Sie messen.
Vorsteuerung und Kompensation der Verzögerung
Was die Verzögerung kompensiert, ist keine Schaltung, die alles auf einen Augenblick ausrichtet. Es ist ein Mechanismus, der das Fehlende für den nächsten Zyklus im Voraus addiert und den Schleppfehler so innerhalb der Spezifikation auffängt.
Zuerst wird der Stromregelkreis schnell gemacht und zuerst geschlossen. Der Positionsregelkreis gibt seine Sollwerte außerhalb davon in längeren Abständen aus. Weil die Stromarbeit schon erledigt ist, ist der Verstärker beim Eintreffen des Positionssollwerts nahezu bereit, Drehmoment zu liefern. Eine schnellere Stromperiode lässt die Position trotzdem nicht vollständig aufholen. Es geht nicht ums Aufholen — es geht darum, das Innere zuerst fertig zu haben.
Als Nächstes wird das Fehlende dem Sollwert im Voraus hinzugefügt, aus Zielgeschwindigkeit und Zielbeschleunigung. Statt auf den Fehler der Rückführung zu warten, addiert die Seite, die schon weiß, wie weit es als Nächstes geht. Das heißt Vorsteuerung. Sie ersetzt nicht das Schließen des Fehlers durch den proportionalen, integralen und differenzialen Anteil; sie füllt die bekannte Verzögerung, bevor diese Arbeit beginnt. Was P, I und D bedeuten und warum eine bleibende Regelabweichung übrig bleibt, steht im Artikel zur PID-Regelung.
Schwingt die Maschine mit einer festen Frequenz, wird ein Filter eingefügt, das genau diese Frequenz unterdrückt. Das heißt Notch. Es beseitigt die Umlaufverzögerung nicht; seine Aufgabe ist, dass die Resonanz den Sollwert nicht aufschaukelt.
| Kompensation | Was sie tut | Was bleibt |
|---|---|---|
| Strom zuerst schließen | Legt den schnellen Kreis nach innen | Der Abtastzeitpunkt der Position |
| Vorsteuerung | Addiert den nächsten Schritt dem Sollwert im Voraus | Die ungemessene Feder |
| Notch | Unterdrückt Schwingungen fester Frequenz | Die Abtastung selbst |
Der Uhrenabgleich, damit mehrere Achsen Sollwerte mit demselben Zeitstempel übernehmen, beseitigt keine Umlaufverzögerung. Das ist Zeithaltung auf dem Bus, und die verteilten Uhren des industriellen Ethernet erledigen sie. Die Stufe, auf der der Sollwert den Antrieb erreicht, steht im EtherCAT-Abschnitt des Artikels Industrielle Kommunikation. Das Thema dieses Artikels ist ein Umlauf auf einer einzelnen Achse.
Stärkere Vorsteuerung füllt keine Feder an einem Ort, den Sie nicht messen. Solange nur die Rückführung der Motorwelle beobachtet wird, geht das Nacheilen der Tischseite in den Sollwert ein, als gäbe es das nicht. Den Messort zu wechseln, ist Thema des nächsten Abschnitts.
Messung im halbgeschlossenen und vollgeschlossenen Regelkreis
Beim Präzisions-Positionieren ist der wichtigste Kniff nicht eine weitere Stelle Verstärkung, sondern die Frage, wo gemessen und der Kreis geschlossen wird.
Misst man nur die Motorwelle, bleibt die Feder der Spindel im Fehler. Die Last eilt dem Sollwert dann nach — und trotzdem hält der Regler die Motorwelle für am Ziel. Diese Messweise heißt halbgeschlossener Regelkreis. Setzt man stattdessen einen Maßstab an die Tischseite und schließt den Kreis über die Lastposition, hat man einen vollgeschlossenen Regelkreis. Beim selben Sollwert ändert sich, wie die Lastposition nacheilt.
In der Abbildung unten liest die linke Seite nur die Motorwelle, die rechte einen Maßstab an der Tischseite. Die Spindelfeder ist in beiden da. Der Unterschied ist, woher die Rückführung kommt.
Links in der Abbildung kommt die Rückführung aus dem Motor, während der Tisch dem Sollwert nacheilt und ungemessen bleibt. Rechts kommt die Rückführung vom Maßstab an der Tischseite. Die Spindelfeder bleibt, aber der Kreis schließt über die Lastposition. Es gibt auch Ausführungen, die Motorwellen-Geschwindigkeit und Lastposition gemeinsam schließen, als Doppelkreis. Vor den Namen schauen Sie aber darauf, ob die Rückführung vom Motor oder von der Last kommt.
Es gibt eine Technik, die die beiden Sinusspuren fein unterteilt, um Auflösung zu gewinnen: die Interpolation. Die Quantisierungsstufen werden dadurch feiner. Aber der Abtastzeitpunkt bleibt; Interpolation ist also eine Sache der Stellen — kein Ersatz für den Messort.
Maßstäbe und Spindeln wachsen beide mit der Temperatur. Wärme ist jedoch ein anderer Fehler als die Umlaufverzögerung, deshalb bleibt es hier bei diesem einen Satz. Der Kern der Kompensation bleibt, wo er war: am richtigen Ort messen und das Fehlende im Voraus addieren.
Anzunehmen, man könne vom Moment des Umstiegs auf vollgeschlossen die Verstärkungen weiter anheben wie im halbgeschlossenen Betrieb. Wer an der Lastseite schließt, holt die Spindelfeder in den Kreis, und das ändert, wie Stabilität erreicht wird. Wenn Sie den Messort wechseln, prüfen Sie also auch, wie die inneren Strom- und Geschwindigkeitskreise geschlossen sind.
Zusammenfassung
Ein Servo-Umlauf ist Sollwertberechnung, Leistungsumsetzung, Bewegung und Encoder-Rückführung — und er fällt nie auf einen einzigen Augenblick zusammen. Die Verzögerung sammelt sich im Abtastzeitpunkt, im Rechenzyklus, in PWM, Quantisierung und im mechanischen Nachgeben, und in den meisten Betrieben ist der Engpass die Maschine und der Messort. Kompensiert wird nicht durch perfekte Synchronisation, sondern indem der Strom zuerst geschlossen, das Fehlende im Voraus addiert und der Kreis an der Lastseite geschlossen wird. Das Ziel ist, den Schleppfehler innerhalb der Spezifikation aufzufangen.
Die Spuren A und B und der Gray-Code gehen im Artikel über Encoder weiter, proportional, integral und differenzial in der PID-Regelung. Auch die Gelenkservos eines Roboters laufen diesen Umlauf.
Häufige Fragen
Q1. Holt die Position vollständig auf, wenn die Stromperiode schneller wird?
A. Nein. Mit schnellerer Stromschließperiode kommt das Drehmoment früher. Aber der Abtastzeitpunkt, mit dem die Position gelesen wird, bleibt. Das Innere wird zuerst fertig gemacht; der Zyklus des Positionskreises wird nicht beseitigt.
Q2. Beseitigt höhere Encoder-Auflösung die Verzögerung?
A. Nein. Die Quantisierungsstufen werden tatsächlich feiner. Aber der Abtastzeitpunkt und die ungemessene Feder bleiben. Prüfen Sie vor zusätzlichen Stellen, ob die Rückführung von der Motorwelle oder von der Last kommt.
Q3. Was unterscheidet halbgeschlossen und vollgeschlossen?
A. Der Messort. Halbgeschlossen schließt den Kreis allein mit dem Encoder der Motorwelle, die Spindelfeder bleibt also im Fehler. Vollgeschlossen schließt über die Lastposition, etwa einen Maßstab an der Tischseite. Die Feder bleibt, aber der Kreis schließt dort, wo die Arbeit getan wird.
Q4. Ist die Vorsteuerung ein Ersatz für PID?
A. Nein. Die Vorsteuerung addiert den nächsten Schritt dem Sollwert im Voraus, während proportional, integral und differenzial weiterhin den Fehler schließen. Und Addieren im Voraus füllt keine Feder an einem Ort, der nicht gemessen wird.
Q5. Laufen Robotergelenke denselben Umlauf?
A. Ja. Auch ein Gelenkservo ist Sollwert, Leistung, Bewegung und Encoder-Rückführung. Es geht hier nicht um eine Zellen-SPS, die die Bahn in jedem Zyklus vorgibt; Umlaufverzögerung und Messort sind bei Arm und Tisch dieselben.
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