Serwonapęd to połączenie silnika (DC lub AC), sterownika oraz enkodera jako elementu sprzężenia zwrotnego. Wszystkie elementy są ważne, ale najbardziej znaczący postęp technologiczny obserwujemy w silnikach. W serwomotorach stosuje się różne typy silników. Obecnie w małych silnikach serwo wykorzystuje się najczęściej bezszczotkowe silniki z magnesami trwałymi prądu stałego – BLDC lub, by uzyskać najwyższe wydajności silniki prądu przemiennego (synchroniczne) BLSM. Enkodery to urządzenia, które zamieniają ruch obrotowy na sygnały elektryczne, co umożliwia określenie dokładnej pozycji kątowej, przesunięcia oraz liczby obrotów. Podstawowy parametr enkodera to liczba impulsów na obrót (zazwyczaj od kilkudziesięciu do kilkuset impulsów). Ze względu na rodzaj pomiaru enkodery dzielimy na inkrementalne, czyli przyrostowe (przetworniki obrotowo-impulsowe) i absolutne (przetworniki obrotowo-kodowe). Enkodery absolutne mogą określać swoją pozycję przy włączaniu, ale są bardziej skomplikowane i droższe. Natomiast enkodery inkrementalne są prostsze, tańsze i pracują z większymi prędkościami. Czasem zamiast serwonapędów wykorzystuje się silnik z oddzielnym, zewnętrznym enkoderem liniowym, co pozwala ograniczyć niedokładności, na przykład w układzie przeniesienia napędu pomiędzy silnikiem a wózkiem liniowym, ale ich konstrukcja jest bardziej skomplikowana.

Warto przypomnieć, że szybki rozwój serwonapędów to okres II wojny światowej i ich zastosowanie w artylerii przeciwlotniczej, sterowanej przez wskazania radaru. Firma analityczna Markets and Markets w opracowaniu dotyczącym światowego rynku serwonapędów i silników przewiduje, że osiągnie on w 2022 roku wartość 15,92 mld dolarów (w 2016 roku miał on wartość 10,26 mld dolarów). Średni roczny wzrost branży w latach 2017 – 2022 oceniono na 6,25%. Analitycy firmy, prognozują szybki postęp w rozwoju i wykorzystaniu serwosilników prądu przemiennego, które staną się głównym napędem w rozwiązaniach stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym i w opakowaniowym. Przemysł opakowaniowy wykorzystuje obecnie serwonapędy w szerokiej gamie operacji na przykład we wtryskarkach tworzyw sztucznych. Rosnące zapotrzebowanie na nowe rozwiązania wynika z potrzeby dalszej automatyzacji produkcji oraz zwiększenia szybkości i dokładności pracy maszyn. Obecnie, według autorów raportu, główni światowi gracze na rynku serwonapędów to firmy: Yaskawa Electric, Mitsubishi Electric, Siemens, Schneider Electric, Rockwell Automation, ABB, KINCO Automation, Delta Electronics, Emerson Electric, FANUC, Kollmorgen Corporation, Bosch Rexroth i Adtech(SHENZHEN) Technology.

Przykłady rozwiązań

Na rynku jest dziś dostępna szeroka gama produktów i rozwiązań do zastosowań związanych z wykorzystaniem serwonapędów. Pod koniec 2016 roku firma Omron wprowadziła na rynek nową grupę serwosystemów 1S dostępnych w wersjach o mocy od 100 W do 3 kW. Wszystkie modele standardowo wyposażono w 23-bitowy enkoder z krótkim czasem cyklu sieciowego wynoszącym 125µs. Pozwala to osiągnąć wyższe prędkości napędu maszyn bez pogorszenia dokładności czy powtarzalności. Serwosystemy z grupy 1S są także standardowo wyposażone w funkcje bezpieczeństwa, które umożliwiają bezpieczne sterowanie przez sieć EtherCAT. Brak akumulatorów to w efekcie brak konserwacji okresowych. Grupa jest częścią platformy automatyki Sysmac i można je konfigurować w oprogramowaniu Sysmac Studio. Na rynku dostępne są też rozwiązania modułowe silników, na przykład firmy SEW Eurodrive, które można wykorzystać na potrzeby dynamicznych i precyzyjnych aplikacji wymagających serwonapędów. Między innymi są to synchroniczne silniki serwo CMP (High Dynamic), CM (High Inertia), CMDV (napęd kompaktowy), czy też asynchroniczne silniki serwo DRL. Ostatnie z wymienionych (DRL) łączą w sobie cechy typowego silnika asynchronicznego trójfazowego – zasilanego z sieci lub przez falownik z synchronicznym silnikiem serwo z magnesami trwałymi. Jak podaje firma, szczególnie nadają się one do aplikacji, w których napędzane są elementy o bardzo dużych masowych momentach bezwładności. Możliwe jest ich krótkotrwałe przeciążenie sięgające nawet 350%.

Firma Siemens oferuje między innymi prosty w obsłudze system napędowy składający się z przekształtników SINAMICS V90 i silników SIMOTICS S-1FL6. Realizuje on funkcję pozycjonowania, regulacji prędkości oraz momentu obrotowego. Podstawowy system serwo występuje w wariantach, trójfazowym 400 V z silnikami synchronicznymi serwo SIMOTICS S-1FL6 o wysokim momencie bezwładności (High Inertia/HI) oraz jednofazowym 230 V z silnikami o niskim momencie bezwładności (Low Inertia/LI). Silniki dostępne są w siedmiu wielkościach mechanicznych przy zakresie mocy 0,05–7 kW (0,16–33,4 Nm). Szybkie uruchomienie napędu w aplikacji wspiera program narzędziowy SINAMICS V-Assistant. Silniki SIMOTICS S-1FL6 mogą być wyposażone w 13-bitowe inkrementalne układy pomiarowe lub absolutne 20-bitowe enkodery (20 bitów na obrót i 12 bitów na zliczanie obrotów).

Firma Bosch Rexroth to serwonapedy z serii IndraDrive w tym zdecentralizowane IndraDrive Mi – serwosilniki synchroniczne z nabudowanym sterownikiem i zasilaczem ze zwrotem energii do sieci. W ich przypadku nie potrzeba instalować szafy sterowniczej. Dostępne są otwarte standardy komunikacji oraz możliwość programowania w różnych językach wysokiego poziomu, co ułatwia wykorzystanie ich przy automatyzacji procesów.

Szeroką gamę silników serwo, synchronicznych i asynchronicznych oferuje też firma Lenze w tym synchroniczne MCS zapewniające wysoką moc na małej powierzchni. Jest to silnik serwo synchroniczny do dokładnie regulowanych ruchów z zakresem momentu obrotowego: 0,5 do 190 Nm (0,25 do 15,8 kW) przeznaczony zwłaszcza do aplikacji wymagających wysokiej dynamiki i precyzji przy niewielkich rozmiarach.

Na naszym rynku działa też wielu wyspecjalizowanych dystrybutorów oferujących napędy serwo AC i DC znanych światowych marek. Przykładem toruńska firma Apator Control, w której ofercie są między innymi serwonapędy: AC ASDA A2 – zaawansowany firmy Delta Electronics (0,2-7,5 kW), AC ASDA B2 – ekonomiczne ogólnego Zastosowania (0,1-3 kW), AC ASDA B – uniwersalny Posi Speed Torque (0,1-2 kW), AC Digitax ST – oś indekser dynamika (1,7-8 A/ x 300%), DC Maestro – prędkość moment (3-25 A), DC CD180 Axor – czterokwadrantowy (8-50 A) i Unidrive M700 - (0,37 kW - 1,2 MW). To tylko ograniczona sygnalizacja dostępnych na rynku produktów.

Trendy i przyszłość

Jak podaje firma analityczna Technavio trzy trendy, które w najbliższych latach będą napędzały globalny rynek serwonapędów to: zwiększona adaptacja technologii związanych z internetem rzeczy (IoT) w silnikach i napędach; rosnące zapotrzebowanie na regulowane inteligentne szybkie napędy oraz na zminiaturyzowane i niestandardowe silniki do automatyki przemysłowej. Inteligentne serwonapędy coraz częściej będą wykonywać różne zadania bez udziału człowieka. Na razie są one droższe niż zwykłe serwonapędy. Dla urządzeń zminiaturyzowanych jest już dziś szeroki zakres zastosowań na przykład w robotyce i automatyce przemysłowej, ale też w branży medycznej. Poszukuje się małych silników o wysokim momencie obrotowym. Na naszym rynku użytkownicy też zaczynają odchodzić od silników krokowych ze sterowaniem do serwonapędów, które zapewniają lepszą dynamikę i dokładność pozycjonowania. Liczy się też efektywność energetyczna.