Servomotor und Schrittmotor sind zwei Lösungen, die bei Anwendungen mit Positionsregelung als Alternativen zueinander erscheinen. Der Unterschied zwischen ihnen ist nicht nur der Preis; ihre Regelungsphilosophien, ihr Momentverhalten und ihre Reaktion im Fehlerfall unterscheiden sich grundlegend. Die richtige Wahl erfolgt nach dem Bedarf der Anwendung an Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit.
Grundlegender Funktionsunterschied: offener und geschlossener Regelkreis
Der Schrittmotor ist in seiner klassischen Verwendung ein offener Regelkreis. Der Antrieb sendet eine bestimmte Anzahl von Impulsen (Pulse), der Motor dreht sich bei jedem Impuls um einen festen Winkel. Das System überprüft nicht, ob sich der Motor tatsächlich gedreht hat — es gibt keine Rückführung. Ist die Last zu schwer oder die Beschleunigung zu hart, verliert der Motor Schritte und die Position verschiebt sich dauerhaft. Der Controller kann dies nicht bemerken.
Der Servomotor ist immer ein geschlossener Regelkreis. Der Encoder am Motor meldet die tatsächliche Position ständig an den Antrieb. Der Antrieb misst die Differenz (den Fehler) zwischen Soll- und Istposition und passt den Strom entsprechend an. Steigt die Last, reagiert das System, indem es mehr Strom zieht; es kommt zu keinem Positionsverlust. Gerät der Motor in einen Zustand, in dem er das Ziel nicht halten kann, erzeugt der Antrieb einen Schleppfehleralarm (following error) — der Fehler häuft sich also nicht stillschweigend an, sondern wird gemeldet.
Dieser eine Unterschied bestimmt weitgehend die Einsatzbereiche der beiden Technologien.
Moment-Drehzahl-Verhalten
Das Moment des Schrittmotors ist bei niedrigen Drehzahlen am höchsten und fällt mit steigender Drehzahl rasch ab. Bei hoher Drehzahl nimmt das nutzbare Moment stark ab; daher werden Schrittmotoren typischerweise im niedrigen und mittleren Drehzahlbereich betrieben.
Beim Servomotor bleibt das Moment bis zur Nenndrehzahl annähernd konstant. Oberhalb der Nenndrehzahl wird in den Bereich konstanter Leistung übergegangen und das Moment nimmt ab. Zudem kann der Servomotor kurzzeitig ein Mehrfaches seines Nennmoments liefern; diese „Spitzenmoment“-Kapazität ist bei Zyklen entscheidend, die eine schnelle Beschleunigung erfordern.
Beim Schrittmotor gibt es keine solche Spitzenmomentreserve — der Motor kann nicht über die Kurve in seinem Katalog hinausgehen.
Erwärmung und Energie
Der Schrittmotor zieht auch im Stillstand den vollen Strom; er erwärmt sich, selbst wenn er sich nicht bewegt. Dies bedeutet bei Achsen, die ständig unter Strom stehen, eine thermische Last.
Beim Servomotor ist der gezogene Strom proportional zum benötigten Moment. Im lastfreien Stillstand ist der Strom gering. Bei langen Zyklen und in Umgebungen mit hoher Betriebstemperatur ist dieser Unterschied wichtig.
Genauigkeit und Auflösung
Der grundlegende Schrittwinkel des Schrittmotors ergibt sich aus seinem mechanischen Aufbau; mit Mikroschritt (micro stepping) wird dieser Winkel elektrisch unterteilt. Der Mikroschritt erhöht die Auflösung, steigert aber die Genauigkeit nicht im gleichen Maße: An den Mikroschrittpositionen sinkt das Haltemoment und die Position kann durch die Einwirkung der mechanischen Last abweichen.
Beim Servo wird die Auflösung durch den Encoder bestimmt und die tatsächliche Position wird dank des geschlossenen Regelkreises ständig korrigiert. Mit hochauflösenden Encodern ist eine sehr feine Positionierung möglich.
Vibration und Resonanz
Da sich der Schrittmotor schrittweise bewegt, erzeugt er von Natur aus Vibration. In bestimmten Drehzahlbereichen kann er in Resonanz geraten und Momentverlust erleiden; Mikroschritt und mechanische Dämpfung verringern diesen Effekt, beseitigen ihn aber nicht vollständig.
Da sich der Servomotor mit kontinuierlicher Stromregelung dreht, ist seine Bewegung sanfter. Bei Anwendungen mit feiner Oberflächenbearbeitung oder Vibrationsempfindlichkeit kann dies entscheidend sein.
Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis
Als Zwischenlösung gibt es auch mit Encoder ausgestattete Schrittmotoren. Der Encoder erkennt Schrittverluste und der Antrieb gleicht den Verlust aus. Diese Struktur verringert das Risiko von Schrittverlust und verbessert die Erwärmung, indem der Strom lastabhängig gesenkt wird. Die Moment-Drehzahl-Kurve ist jedoch weiterhin die eines Schrittmotors; das Momentproblem bei hoher Drehzahl und das Fehlen einer Spitzenmomentreserve bleiben bestehen.
Kosten und Systemkomplexität
Ein Schrittmotorsystem ist in der Regel kostengünstiger: Motor, Antrieb und Verkabelung sind einfacher, Encoder und zugehörige Kabel entfallen, bei der Inbetriebnahme ist keine Einstellung (Tuning) erforderlich.
Beim Servosystem erhöhen Motor, Antrieb, Encoderkabel und der Einstellprozess die Kosten. Dafür ist es möglich, mit einem kleineren Motor dieselbe Arbeit zu verrichten, die Zykluszeit zu verkürzen und die Positionszuverlässigkeit zu garantieren.
Welcher für welche Anwendung
Ein Schrittmotor kann geeignet sein:
- Last und Reibung sind bekannt, nicht veränderlich
- Es wird im niedrigen und mittleren Drehzahlbereich gearbeitet
- Kein Zeitdruck bei der Zykluszeit
- Die Folge eines Positionsverlusts ist tolerierbar oder eine Referenzierung ist häufig möglich
- Kosten haben Priorität, hohe Achsenzahl
Ein Servomotor ist erforderlich:
- Last ist veränderlich oder stoßartig
- Hohe Drehzahl und schnelle Beschleunigung sind gewünscht
- Die Zykluszeit ist kritisch
- Ein Positionsverlust verursacht Produktionsfehler oder Geräteschäden
- Eine Synchronisation zwischen Achsen (elektronisches Getriebe, Kurvenscheibe) ist erforderlich
- Moment- oder Kraftregelung ist gewünscht
Vergleichstabelle
| Merkmal | Schrittmotor | Servomotor | |—|—|—| | Steuerung | Offener Regelkreis (geschlossener Regelkreis optional) | Geschlossener Regelkreis | | Rückführung | Keine / optional | Encoder serienmäßig | | Schrittverlust | Möglich, wird nicht erkannt | Keiner; Abweichung wird per Alarm gemeldet | | Moment bei hoher Drehzahl | Fällt deutlich ab | Bis zur Nenndrehzahl konstant | | Spitzenmomentreserve | Keine | Vorhanden | | Strom im Stillstand | Voller Strom, erwärmt sich | Lastabhängig gering | | Vibration | Höher | Geringer | | Inbetriebnahme | Erfordert keine Einstellung | Regelkreis-Einstellung erforderlich | | Kosten | Geringer | Höher |
Fazit
Der Entscheidungspunkt ist oft folgende Frage: Was passiert, wenn ein Positionsverlust auftritt? Ist die Folge tolerierbar und besteht kein Geschwindigkeitsdruck, ist der Schrittmotor eine vernünftige Lösung. Muss die Position garantiert sein, ist die Last veränderlich oder wird die Zykluszeit ausgereizt, wird ein Servosystem gewählt.
Verwandte Produktfamilien: Servomotor, Servoantrieb, Schrittmotor, Encoder, Servo-Set
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