Der Unterschied zwischen Servomotoren und Schrittmotoren

Servomotoren und Schrittmotoren sind beide gängige elektrische Antriebskomponenten, die zur präzisen Steuerung von Position, Drehzahl und Drehmoment verwendet werden. Sie weisen grundlegende Unterschiede in Aufbau, Wirkprinzip und Leistungsmerkmalen auf.
I. Wirkprinzip und Aufbau
Servomotor:
Aufbau: Er besteht aus dem Motor selbst (normalerweise ein Synchronmotor mit Permanentmagnet), einem hochpräzisen Positionssensor (wie beispielsweise einem Encoder) und einem Antriebsregler, wodurch ein geschlossener Regelkreis entsteht.
Funktionsweise: Der Treiber erhält die Impulssequenz und Drehrichtungssignal vom Controller und steuert den Motor zur Drehung an. Der Encoder am hinteren Ende der Motorwelle erfasst in Echtzeit die Position und Drehzahl des Rotors und leitet die Signale an den Treiber zurück. Der Treiber vergleicht das Rückmeldesignal mit dem Befehlssignal, berechnet den Fehler und passt die Ausgabe an, um diesen Fehler zu eliminieren.
Schrittmotor:
Aufbau: Besteht aus dem Motor selbst (mit mehrphasigen Wicklungen im Stator und einem Rotor mit Permanentmagnet oder reaktiver Kernwicklung) sowie einem offenen Regelkreis-Treiber.
Funktionsweise: Der Treiber empfängt Impulssignale und erregt nacheinander die Wicklungen jeder Phase des Motors, wodurch sich der Rotor schrittweise um einen festen Winkel (Schrittwinkel) dreht. Der Betrieb erfolgt ohne Positions-Rückmeldung und stellt eine Steuerung ohne Rückkopplung dar.
II. Steuerungsverfahren
Servomotor: Es wird eine geschlossene Regelung verwendet. Das System erhält kontinuierlich Rückmeldungen zur Echtzeit-Korrektur, wodurch sichergestellt wird, dass die Ausgabe der Vorgabe entspricht.
Schrittmotor: Er verwendet eine offene Regelung. Nachdem das System einen Befehl ausgegeben hat, geht es davon aus, dass der Motor diesen genau ausgeführt hat, ohne über einen Rückmelde-Verifizierungsmechanismus zu verfügen.
III. Vergleich der Leistungsmerkmale
Drehmomentkennlinien:
Servomotor: Er weist ein konstantes Drehmoment-Ausgangsverhalten auf und kann im Nenndrehzahlbereich das Nenndrehmoment abgeben. Zudem verfügt er über Überlastfähigkeit und kann typischerweise für einen kurzen Zeitraum 2- bis 3-mal das Nenndrehmoment bereitstellen.
Schrittmotor: Das abgegebene Drehmoment sinkt stark, wenn die Drehzahl steigt. Er besitzt keine Überlastfähigkeit. Sobald das Lastdrehmoment das maximale Haltemoment des Motors überschreitet, kommt es zu einem Verlust der Schrittsynchronisation (Ausrasten).
Drehzahlbereich und Stabilität:
Servomotor: Läuft bei niedrigen Drehzahlen gleichmäßig, weist hervorragende Leistung bei hohen Drehzahlen auf und bietet einen weiten Drehzahlstellbereich, bis zu über 1:5000.
Schrittmotor: Neigt bei niedrigen Drehzahlen zu Vibrationen. Bei hohen Drehzahlen fällt das Drehmoment schnell ab, und der effektive Betriebsdrehzahlbereich ist relativ eng.
Genauigkeit und Fehler:
Servomotor: Seine Genauigkeit hängt von der Auflösung des Encoders ab. Systemfehler (die Differenz zwischen Befehl und Rückmeldung) sind vorübergehend und werden in Echtzeit durch das geschlossene Regelkreissystem korrigiert. Es gibt keine kumulativen Fehler.
Schrittmotor: Die Genauigkeit hängt vom Schrittwinkelelement des Motors ab. Es treten kumulative Fehler auf, d. h., der Fehler eines einzelnen Schritts summiert sich allmählich. Bei Überlastung verliert der Motor die Synchronisation, was zu Positionsfehlern führt.
Reaktionsverhalten:
Servomotor: Schnelle Reaktion, hervorragende Beschleunigungsleistung, geeignet für Anwendungen mit schnellem Start/Stopp und dynamischen Laständerungen.
Schrittmotor: Langsame Reaktion, schlechte Hochgeschwindigkeits-Startfähigkeit und lange Beschleunigungszeit.
Vibration und Geräusche:
Servomotor: Läuft ruhig mit geringem Geräuschpegel, besonders bei niedrigen Drehzahlen.
Schrittmotor: Weist von Natur aus Vibrationen und Geräusche auf, die insbesondere nahe dem Resonanzpunkt deutlich werden.
IV. Anwendungsszenarien
Servomotor: Geeignet für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Präzision, Geschwindigkeit, dynamische Reaktion und Drehmomentüberlastung. Beispiele sind Industrieroboter, CNC-Maschinen, hochwertige Automatisierungstechnik und die Luft- und Raumfahrt.
Schrittmotor: Geeignet für kostensensitive Anwendungen mit mittlerer bis niedriger Drehzahl, konstanter Last und geringen Anforderungen an Laufruhe in offenen Regelkreisen. Beispiele sind 3D-Drucker, Desktop-CNC-Maschinen, Scanner und Bürotechnik.
V. Kosten und Komplexität
Servomotor: Das System ist komplex (bestehend aus Motor, hochauflösendem Encoder und fortgeschrittenem Treiber) und kostenintensiv.
Schrittmotor: Einfaches System, geringe Kosten, einfach zu installieren und einzurichten.
Die Wahl hängt von den gesamten Anforderungen der spezifischen Anwendung bezüglich Leistung, Genauigkeit, dynamischer Antwort und Kosten ab.