Welches Modell ist das richtige für Ihre Anwendung? Lassen Sie uns die wichtigsten 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 er 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 aktiviert jeden Pol nacheinander, sodass sich der Rotor in einer Reihe von Schritten dreht. Aufgrund der sehr hohen Polzahl erscheint die Bewegung kontinuierlich.

Theoretisch ließe sich das Drehmoment durch ein Getriebe erhöhen, doch hier erweist sich die geringe Drehzahl von Schrittmotoren als Problem. Der Einbau eines 10:1-Untersetzungsgetriebes in einen 1200-U/min-Schrittmotor könnte das Drehmoment zwar um eine Größenordnung steigern, die Drehzahl würde aber gleichzeitig auf 120 U/min sinken. Soll der Motor einen Kugelgewindetrieb oder ein ähnliches Bauteil antreiben, liefert er wahrscheinlich nicht die erforderliche Drehzahl für die Anwendung.

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

Auch Schrittmotoren haben Leistungsgrenzen. Man kann sich einen Schrittmotor als Feder-Masse-System vorstellen. Der Motor muss die Reibung überwinden, um sich zu drehen und die Last zu bewegen. In diesem Moment ist der Rotor noch nicht vollständig gesteuert. Daher kann es vorkommen, dass ein Befehl zum Vorwärtsfahren um fünf Schritte nur dazu führt, dass der Motor vier oder sechs Schritte ausführt.

Wenn der Antrieb einen Motor anweist, 200 Schritte vorzufahren, erfolgt dies auf wenige Schritte genau, was einem Fehler von wenigen Prozent entspricht. Obwohl wir Schrittmotoren typischerweise mit einer Auflösung von 25.000 bis 50.000 Schritten pro Umdrehung ansteuern, liegt unsere übliche Auflösung aufgrund des unter Last wirkenden Feder-Masse-Systems bei 2.000 bis 6.000 Schritten pro Umdrehung. Selbst bei diesen Auflösungen entspricht eine Bewegung von 200 Schritten nur einem Bruchteil eines Grades.

Durch den Einsatz eines Encoders kann das System Bewegungen präzise erfassen, jedoch nicht die physikalischen Gesetze des Motors außer Kraft setzen. Für Anwendungen, die eine höhere Positioniergenauigkeit und -auflösung erfordern, sind Servomotoren die bessere Lösung.

Servomotoren

Servomotoren lassen sich, ähnlich wie Schrittmotoren, in vielen Ausführungen realisieren. Betrachten wir die gängigste Bauform: Sie besteht aus einem Rotor mit Permanentmagneten und einem feststehenden Stator mit den Wicklungen. Auch hier erzeugt der Strom ein Magnetfeld, das auf den Rotor wirkt und so ein Drehmoment induziert. Servomotoren weisen jedoch eine deutlich geringere Polzahl als Schrittmotoren auf. Daher müssen sie im geschlossenen Regelkreis betrieben werden.

Der Betrieb im geschlossenen Regelkreis ermöglicht es der Steuerung/dem Antrieb, die Last in einer bestimmten Position zu halten, und der Motor führt kontinuierliche Anpassungen durch, um sie dort zu fixieren. Servomotoren können somit ein effektives Haltemoment erzeugen. Zu beachten ist jedoch, dass das Drehmoment bei Stillstand nur dann gegeben ist, wenn der Motor ausreichend dimensioniert ist, um die Last zu steuern und Schwingungen um die vorgegebene Position zu verhindern.

Servomotoren verwenden typischerweise Seltenerdmagnete, während Schrittmotoren häufiger kostengünstigere konventionelle Magnete einsetzen. Seltenerdmagnete ermöglichen höhere Drehmomente bei kompakterer Bauweise. Servomotoren erzielen zudem einen Drehmomentvorteil aufgrund ihrer geringeren Größe. Ihre Durchmesser reichen typischerweise von NEMA 17 bis zu 220 mm. Durch diese Faktoren erreichen Servomotoren Drehmomente von bis zu 339 Nm (250 Fuß-Pfund).

Die Kombination aus Drehzahl und Drehmoment ermöglicht es Servomotoren, eine bessere Beschleunigung als Schrittmotoren zu erzielen. Dank des geschlossenen Regelkreises bieten sie zudem eine höhere Positioniergenauigkeit.

Schlussbetrachtung

Servomotoren bieten einen unbestreitbaren Leistungsvorteil. In puncto Wiederholgenauigkeit können Schrittmotoren jedoch durchaus konkurrenzfähig sein. Dies führt zu einem weit verbreiteten Irrglauben über Schrittmotoren: dem Mythos der Schrittverluste. Wie bereits erwähnt, kann das Masse-Feder-Prinzip eines Schrittmotors zwar zu einigen Schrittverlusten führen. Da der Antrieb den Schrittmotor jedoch zu einer bestimmten Winkelposition bewegt, werden diese Schrittverluste nicht von Umdrehung zu Umdrehung übertragen. Schrittmotoren arbeiten daher von Umdrehung zu Umdrehung äußerst wiederholgenau. Eine detailliertere Erläuterung dieses Themas folgt in einem zukünftigen Blogbeitrag.

Die obige Diskussion führt uns zu einem letzten wichtigen Unterschied zwischen Schritt- und Servoachsen: den Kosten. Schrittmotoren benötigen in der Regel keine Rückmeldung, verwenden kostengünstigere Magnete und benötigen selten Getriebe. Aufgrund ihrer hohen Polzahl und ihres Haltemoments verbrauchen sie im Stillstand weniger Energie. Daher kann ein Schrittmotor um eine Größenordnung günstiger sein als ein vergleichbarer Servomotor.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Schrittmotoren eine gute Lösung für Anwendungen mit geringen Anforderungen an Geschwindigkeit, Beschleunigung und Genauigkeit darstellen. Sie sind zudem in der Regel kompakt und kostengünstig. Dadurch eignen sie sich gut für Anwendungen in der Medizintechnik, Biotechnologie, Sicherheitstechnik, Verteidigung und Halbleiterfertigung. Servomotoren sind die bessere Wahl für Systeme, die hohe Geschwindigkeit, Beschleunigung und Genauigkeit erfordern. Der Nachteil liegt in den höheren Kosten und der größeren Komplexität. Servomotoren werden typischerweise in der Verpackungsindustrie, der Weiterverarbeitung, der Bahnverarbeitung und ähnlichen Anwendungen eingesetzt.

Wenn Ihre Anwendung keine großen Anforderungen stellt, Ihr Budget aber begrenzt ist, sollten Sie einen Schrittmotor in Betracht ziehen. Steht die Leistung im Vordergrund, ist ein Servomotor die richtige Wahl, allerdings müssen Sie mit höheren Kosten rechnen.