Welches ist das Richtige für Ihre Anwendung? Lassen Sie uns wichtige Entscheidungskriterien untersuchen, darunter Geschwindigkeit, Beschleunigung und Preisziele.

Schrittmotoren

Schrittmotoren bestehen aus einem Rotor mit Permanentmagneten und einem feststehenden Stator, der die Wicklungen trägt. Wenn Strom durch die Statorwicklungen fließt, erzeugt er eine Magnetflussverteilung, die mit der Magnetfeldverteilung des Rotors interagiert, um eine Drehkraft auszuüben. Schrittmotoren verfügen über eine sehr hohe Polzahl, typischerweise 50 oder mehr. Der Schrittmotortreiber versorgt jeden Pol nacheinander mit Strom, sodass sich der Rotor in einer Reihe von Inkrementen oder Schritten dreht. Aufgrund der sehr hohen Polzahl scheint die Bewegung kontinuierlich zu sein.

Theoretisch könnte ein Getriebe zur Erhöhung des Drehmoments eingesetzt werden, doch hier wird die niedrige Drehzahl von Schrittmotoren zum Problem. Das Hinzufügen eines 10:1-Untersetzungsgetriebes zu einem Schrittmotor mit 1.200 U/min erhöht möglicherweise das Drehmoment um eine Größenordnung, senkt jedoch auch die Drehzahl auf 120 U/min. Wenn der Motor zum Antrieb eines Kugelumlaufspindelantriebs oder Ähnlichem verwendet wird, liefert er wahrscheinlich nicht genügend Geschwindigkeit, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen.

Schrittmotoren sind im Allgemeinen nicht in Baugrößen größer als NEMA 34 erhältlich, wobei die meisten Anwendungen in die Motorgrößen NEMA 17 oder NEMA 23 fallen. Daher ist es ungewöhnlich, Schrittmotoren zu finden, die ein Drehmoment von mehr als 1.000 bis 2.000 Unzen Zoll erzeugen können.

Auch Schrittmotoren unterliegen Leistungseinschränkungen. Einen Schrittmotor kann man sich als Feder-Masse-System vorstellen. Der Motor muss die Reibung aufheben, um sich zu drehen und die Last zu bewegen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Rotor nicht vollständig gesteuert. Daher führt ein Befehl zum Vorrücken um fünf Schritte möglicherweise nur dazu, dass sich der Motor um vier oder sechs Schritte dreht.

Wenn der Antrieb einem Motor jedoch befiehlt, 200 Schritte vorwärts zu gehen, geschieht dies auf wenige Schritte genau, was zu diesem Zeitpunkt einem Fehler von einigen Prozent entspricht. Wir verfügen zwar über Schrittmotoren mit einer Auflösung von typischerweise 25.000 bis 50.000 Counts pro Umdrehung, da es sich bei dem Motor unter Last um ein Feder-Masse-System handelt, liegt unsere typische Auflösung bei 2.000 bis 6.000 Counts pro Umdrehung. Dennoch entspricht bei diesen Auflösungen selbst eine 200-Schritte-Bewegung einem Bruchteil eines Grades.

Das Hinzufügen eines Encoders ermöglicht es dem System, Bewegungen genau zu verfolgen, kann jedoch die grundlegende Physik des Motors nicht überwinden. Für Anwendungen, die eine verbesserte Positionierungsgenauigkeit und Auflösung erfordern, bieten Servomotoren eine bessere Lösung.

Servomotoren

Wie Schrittmotoren gibt es auch für Servomotoren viele Implementierungen. Betrachten wir das gängigste Design, das einen Rotor mit Permanentmagneten und einen stationären Stator mit den Wicklungen umfasst. Auch hier erzeugt der Strom eine Magnetfeldverteilung, die auf den Rotor einwirkt und ein Drehmoment erzeugt. Allerdings haben Servomotoren deutlich geringere Polzahlen als Schrittmotoren. Daher müssen sie im geschlossenen Regelkreis betrieben werden.

Der Betrieb mit geschlossenem Regelkreis ermöglicht es der Steuerung/dem Antrieb jedoch, den Befehl zu erteilen, dass die Last an einer bestimmten Position bleibt, und der Motor nimmt kontinuierliche Anpassungen vor, um sie dort zu halten. Somit können Servomotoren faktisch ein Haltemoment liefern. Beachten Sie jedoch, dass das Szenario mit Drehmoment bei Nulldrehzahl davon abhängt, dass der Motor richtig dimensioniert ist, um die Last zu kontrollieren und Schwingungen um die Sollposition zu verhindern.

Servomotoren verwenden typischerweise Seltenerdmagnete, während Schrittmotoren häufiger kostengünstigere konventionelle Magnete verwenden. Seltenerdmagnete ermöglichen die Entwicklung eines höheren Drehmoments in einem kleineren Gehäuse. Servomotoren erzielen aufgrund ihrer Gesamtgröße auch einen Drehmomentvorteil. Die Durchmesser von Servomotoren reichen typischerweise von NEMA 17 bis hin zu 220 mm. Durch die Kombination dieser Faktoren können Servomotoren Drehmomente von bis zu 250 Fuß-Pfund liefern.

Durch die Kombination aus Geschwindigkeit und Drehmoment können Servomotoren eine bessere Beschleunigung liefern als Schrittmotoren. Darüber hinaus bieten sie durch den Closed-Loop-Betrieb eine verbesserte Positionierungsgenauigkeit.

Letzte Gedanken

Servomotoren bieten einen unbestreitbaren Leistungsvorteil. Im Hinblick auf die Wiederholgenauigkeit können Schrittmotoren jedoch durchaus konkurrenzfähig sein. Dieser Punkt wirft ein weit verbreitetes Missverständnis über Schrittmotoren auf, nämlich den Mythos vom verlorenen Gang. Wie bereits erwähnt, kann die Masse-Feder-Natur eines Schrittmotors dazu führen, dass einige Schritte verloren gehen. Da der Antrieb dem Schrittmotor den Befehl gibt, sich an eine Winkelposition zu bewegen, werden verlorene Schritte jedoch nicht von Drehung zu Drehung übertragen. Schrittmotoren sind von Rotation zu Rotation sehr wiederholgenau. Suchen Sie nach einer ausführlicheren Diskussion dieses Themas in einem zukünftigen Blogbeitrag.

Die obige Diskussion bringt uns zu einem letzten wichtigen Unterschied zwischen Schrittachsen und Servoachsen, nämlich den Kosten. Schrittmotoren benötigen in der Regel keine Rückmeldung, verwenden kostengünstigere Magnete und verfügen selten über Getriebe. Aufgrund der hohen Polzahl und ihrer Fähigkeit, ein Haltedrehmoment zu erzeugen, verbrauchen sie bei Nulldrehzahl weniger Strom. Dadurch kann ein Schrittmotor bis zu einer Größenordnung günstiger sein als ein vergleichbarer Servomotor.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Schrittmotoren gute Lösungen für Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit, geringer Beschleunigung und geringen Genauigkeitsanforderungen sind. Schrittmotoren sind zudem tendenziell kompakt und kostengünstig. Dadurch eignen sich diese Motoren gut für Anwendungen in den Bereichen Medizin, Biotechnologie, Sicherheit und Verteidigung sowie Halbleiterfertigung. Servomotoren sind die bessere Wahl für Systeme, die hohe Geschwindigkeit, hohe Beschleunigung und hohe Genauigkeit erfordern. Der Nachteil sind höhere Kosten und höhere Komplexität. Servomotoren werden typischerweise in Verpackungs-, Verarbeitungs-, Bahnverarbeitungs- und ähnlichen Anwendungen eingesetzt.

Wenn Ihre Anwendung zufriedenstellend ist, Ihr Budget jedoch nicht, denken Sie über einen Schrittmotor nach. Wenn die Leistung der wichtigste Aspekt ist, reicht ein Servomotor aus, aber Sie müssen bereit sein, mehr zu zahlen.