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

Schrittmotoren

Schrittmotoren bestehen aus einem Rotor mit Permanentmagneten und einem stationären Stator, der die Wicklungen trägt. Fließt Strom durch die Statorwicklungen, erzeugt dieser eine magnetische Flussverteilung, die mit der Magnetfeldverteilung des Rotors interagiert und so eine Drehkraft erzeugt. Schrittmotoren zeichnen sich durch eine sehr hohe Polzahl aus, typischerweise 50 oder mehr. Der Schrittmotortreiber bestromt jeden Pol nacheinander, sodass sich der Rotor schrittweise dreht. Aufgrund der hohen Polzahl wirkt die Bewegung kontinuierlich.

Theoretisch ließe sich das Drehmoment mit einem Getriebe erhöhen, doch hier wird die niedrige Drehzahl von Schrittmotoren zum Problem. Ein 10:1-Untersetzungsgetriebe an einem 1.200-U/min-Schrittmotor könnte das Drehmoment zwar um ein Vielfaches steigern, senkt aber gleichzeitig die Drehzahl auf 120 U/min. Wird der Motor zum Antrieb eines Kugelumlaufspindelantriebs oder Ähnlichem verwendet, reicht die Drehzahl wahrscheinlich nicht für die Anforderungen der Anwendung aus.

Schrittmotoren sind im Allgemeinen nicht in Baugrößen größer als NEMA 34 erhältlich. Die meisten Anwendungen fallen in die Motorgrößen NEMA 17 oder NEMA 23. Daher sind Schrittmotoren mit einem Drehmoment von mehr als 1.000 bis 2.000 Unzen-Zoll selten.

Schrittmotoren haben auch Leistungseinschränkungen. Man kann sich einen Schrittmotor wie ein Feder-Masse-System vorstellen. Der Motor muss die Reibung überwinden, um sich zu drehen und die Last zu bewegen. Dabei ist der Rotor nicht vollständig gesteuert. Daher kann ein Befehl zum Vorrücken um fünf Schritte nur dazu führen, dass sich der Motor vier oder sechs Schritte dreht.

Wenn der Antrieb einen Motor jedoch 200 Schritte vorwärts steuert, erfolgt dies auf wenige Schritte genau, was einen Fehler von wenigen Prozent darstellt. Obwohl wir Schrittmotoren typischerweise mit einer Auflösung zwischen 25.000 und 50.000 Impulsen pro Umdrehung steuern, liegt unsere typische Auflösung, da der Motor ein Feder-Masse-System unter Last ist, bei 2.000 bis 6.000 Impulsen pro Umdrehung. Dennoch entspricht selbst eine Bewegung von 200 Schritten bei diesen Auflösungen nur einem Bruchteil eines Grades.

Durch das Hinzufügen eines Encoders kann das System Bewegungen präzise verfolgen, die physikalischen Grundvoraussetzungen des Motors werden jedoch nicht erfüllt. Für Anwendungen, die eine höhere Positioniergenauigkeit und Auflösung erfordern, bieten Servomotoren die bessere Lösung.

Servomotoren

Wie Schrittmotoren gibt es auch Servomotoren in vielen Ausführungen. Betrachten wir die gängigste Bauform, die einen Rotor mit Permanentmagneten und einen stationären Stator mit den Wicklungen umfasst. Auch hier erzeugt der Strom eine magnetische Feldverteilung, die auf den Rotor einwirkt und Drehmoment erzeugt. Servomotoren haben jedoch deutlich weniger Pole als Schrittmotoren. Daher müssen sie im geschlossenen Regelkreis betrieben werden.

Im geschlossenen Regelkreis kann die Steuerung/der Antrieb die Last an einer bestimmten Position halten, während der Motor kontinuierlich Anpassungen vornimmt, um sie dort zu halten. Servomotoren können somit ein Haltemoment liefern. Beachten Sie jedoch, dass das Stillstandsdrehmoment von der richtigen Motordimensionierung abhängt, um die Last zu steuern und Schwingungen um die Sollposition zu verhindern.

Servomotoren verwenden typischerweise Seltenerdmagnete, während Schrittmotoren häufiger kostengünstigere konventionelle Magnete verwenden. Seltenerdmagnete ermöglichen ein höheres Drehmoment bei kleinerem Bauraum. Servomotoren profitieren zudem von ihrer geringen Baugröße hinsichtlich des Drehmoments. Die Durchmesser von Servomotoren reichen typischerweise von NEMA 17 bis zu 220 mm. Dank dieser kombinierten Faktoren können Servomotoren Drehmomente von bis zu 250 Fuß-Pfund liefern.

Durch die Kombination von Drehzahl und Drehmoment ermöglichen Servomotoren eine bessere Beschleunigung als Schrittmotoren. Dank des geschlossenen Regelkreises bieten sie zudem eine verbesserte Positioniergenauigkeit.

Abschließende Gedanken

Servomotoren bieten einen unbestreitbaren Leistungsvorteil. In puncto Wiederholgenauigkeit können Schrittmotoren jedoch durchaus konkurrenzfähig sein. Dieser Punkt führt zu einem weit verbreiteten Missverständnis über Schrittmotoren: dem Mythos des Totgangs. Wie bereits erwähnt, kann die Masse-Feder-Beschaffenheit eines Schrittmotors zu einigen verlorenen Schritten führen. Da der Antrieb den Schrittmotor anweist, sich in eine bestimmte Winkelposition zu bewegen, werden verlorene Schritte jedoch nicht von einer Drehung zur nächsten übertragen. Schrittmotoren weisen von Drehung zu Drehung eine hohe Wiederholgenauigkeit auf. Eine ausführlichere Diskussion dieses Themas finden Sie in einem zukünftigen Blogbeitrag.

Die obige Diskussion führt uns zu einem letzten wichtigen Unterschied zwischen Schrittmotoren und Servoachsen: den Kosten. Schrittmotoren benötigen in der Regel keine Rückkopplung, verwenden kostengünstigere Magnete und verfügen selten über Getriebe. Aufgrund der hohen Polzahl und ihrer Fähigkeit, ein Haltemoment zu erzeugen, verbrauchen sie im Stillstand weniger Strom. Daher kann ein Schrittmotor um bis zu eine Größenordnung günstiger sein als ein vergleichbarer Servomotor.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Schrittmotoren eine gute Lösung für Anwendungen mit niedrigen Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Genauigkeitsanforderungen sind. Schrittmotoren sind zudem in der Regel kompakt und kostengünstig. Daher eignen sie sich gut für Anwendungen in den Bereichen Medizin, Biotechnologie, Sicherheit und Verteidigung sowie Halbleiterfertigung. Servomotoren sind die bessere Wahl für Systeme, die hohe Geschwindigkeit, Beschleunigung und Genauigkeit erfordern. Der Nachteil sind höhere Kosten und eine höhere Komplexität. Servomotoren werden typischerweise in der Verpackung, Verarbeitung, Bahnverarbeitung und ähnlichen Anwendungen eingesetzt.

Wenn Ihre Anwendung zwar anspruchslos ist, Ihr Budget jedoch nicht, sollten Sie einen Schrittmotor in Betracht ziehen. Wenn Leistung der wichtigste Aspekt ist, ist ein Servomotor die richtige Wahl, allerdings müssen Sie mit höheren Kosten rechnen.