Der Unterschied zwischen Schrittmotor und Servomotor einer CNC-Fräsmaschine

Der Antrieb von Graviermaschinen lässt sich in Schrittmotoren und Servomotoren unterteilen. Viele Anwender kennen den Unterschied zwischen Schrittmotoren und Servomotoren nicht und wissen daher nicht, wie sie den richtigen auswählen sollen. Im Folgenden erklärt MISSILECNCCCNC den Unterschied zwischen Schrittmotoren und Servomotoren für Graviermaschinen.

1. Unterschiedliche Regelgenauigkeit

Servomotoren sind Schrittmotoren überlegen, unterscheiden sich jedoch in ihrer Präzision. Der Schrittwinkel eines zweiphasigen Hybrid-Schrittmotors beträgt üblicherweise 3,6° oder 1,8°, der eines fünfphasigen Hybrid-Schrittmotors 0,72° oder 0,36°. Die Steuerungsgenauigkeit des Servomotors wird durch den Drehgeber am hinteren Ende der Motorwelle gewährleistet. Bei Motoren mit Standard-2500-Linien-Drehgebern wird in den meisten Ansteuerungen die Vier-Oktav-Technik verwendet, deren Impulsäquivalent 360°/10000 = 0,036° beträgt. Bei einem Motor mit einem 17-Bit-Drehgeber benötigt die Ansteuerung pro Empfänger 2¹⁷ = 131.072 Impulse, was einer Impulsdauer von 360°/131.072 = 9,89 Sekunden entspricht. Dies ist 1/655 der Impulsdauer eines Schrittmotors mit einem Schrittwinkel von 1,8°.

Vereinfacht gesagt, ist die minimale Regelgenauigkeit eines Servomotors 600-mal höher als die eines Schrittmotors. Bei niedrigen Drehzahlen (üblicherweise 600 U/min) ist die Präzision eines Schrittmotors vergleichbar mit der eines Servomotors. Bei hohen Drehzahlen (üblicherweise 1200 U/min) hingegen führt der charakteristische Drehmomentabfall bei Schrittmotoren zu Schrittverlusten, wodurch die Präzision geringer ausfällt. Schrittmotoren werden daher eher bei niedrigen, Servomotoren hingegen bei hohen Drehzahlen eingesetzt.

2. Die Niederfrequenzeigenschaften sind unterschiedlich.

Graviermaschinen mit Schrittmotoren neigen bei niedrigen Drehzahlen zu niederfrequenten Vibrationen. AC-Servomotoren hingegen laufen sehr ruhig und vibrationsfrei, selbst bei niedrigen Drehzahlen. Die Drehzahl von Schrittmotoren ist niedriger als die von Servomotoren und daher instabil (Schwankungen zwischen 300 und 600 U/min). Servomotoren liefern hingegen ein konstantes Drehmoment (2000 oder 3000 U/min). Das Drehmoment von Schrittmotoren nimmt mit steigender Drehzahl ab und sinkt bei höheren Drehzahlen stark ab. Daher liegt ihre maximale Betriebsdrehzahl üblicherweise zwischen 300 und 600 U/min. AC-Servomotoren liefern ein konstantes Drehmoment, d. h. sie geben innerhalb ihrer Nenndrehzahl (üblicherweise 2000 oder 3000 U/min) das Nenndrehmoment ab und oberhalb der Nenndrehzahl eine konstante Leistung.

3. Die Überlastfähigkeit ist nicht dieselbe.

Graviermaschinen mit Schrittmotoren verfügen im Allgemeinen nicht über eine Überlastfähigkeit. AC-Servomotoren hingegen sind hochgradig überlastfähig und können sowohl Drehzahl- als auch Drehmomentüberlastungen bewältigen. Das maximale Drehmoment beträgt das Dreifache des Nenndrehmoments und kann genutzt werden, um das Trägheitsmoment der Last beim Anlauf zu überwinden. Da Schrittmotoren keine solche Überlastfähigkeit aufweisen, muss bei der Auswahl oft ein Motor mit höherem Drehmoment gewählt werden. Im normalen Betrieb benötigt die Maschine jedoch kein so hohes Drehmoment, was zu kurzzeitiger Leistungsverschwendung führt.

4. Die Durchführung des Vorgangs ist nicht gleich.

Das Betriebsverhalten unterscheidet sich (Servomotoren weisen keine Verlust- oder Überschwingphänomene auf und zeichnen sich durch hohe Stabilität aus). Durch die interne Struktur des Positionierrings und des Drehzahlreglers treten im Allgemeinen keine Verlust- oder Überschwingphänomene wie bei Schrittmotoren auf, wodurch die Regelung zuverlässiger ist. Schrittmotoren mit offener Regelung neigen bei zu hoher Anlauffrequenz oder zu großer Last zu Spannungseinbrüchen oder Blockierungen, und zu hoher Stoppdrehzahl kann Überschwingen verursachen. Um die Regelgenauigkeit zu gewährleisten, müssen Anlauf- und Auslaufprobleme gut behandelt werden. AC-Servoantriebssysteme mit geschlossener Regelung können das Rückkopplungssignal des Motor-Encoders direkt abtasten. Durch die interne Struktur des Positionierrings und des Drehzahlreglers treten im Allgemeinen keine Verlust- oder Überschwingphänomene wie bei Schrittmotoren auf, wodurch die Regelung zuverlässiger ist.

5. Das Ansprechverhalten ist unterschiedlich.

Die Beschleunigung eines Schrittmotors einer Graviermaschine von der statischen Beschleunigung auf die Arbeitsdrehzahl (in der Regel mehrere hundert Umdrehungen pro Minute) dauert 200 bis 400 Millisekunden. Ein AC-Servosystem bietet eine deutlich bessere Beschleunigungsleistung. So benötigt beispielsweise der Panasonic MSMA 400W AC-Servomotor von der statischen Beschleunigung bis zu seiner Nenndrehzahl von 3000 U/min nur wenige Millisekunden und eignet sich daher ideal für Anwendungen, die ein schnelles Starten und Stoppen erfordern.

6. Steuermodus

Bei Graviermaschinen arbeitet der Schrittmotor mit offener Regelung, es gibt keine Rückkopplung, daher ist die Steuerung einfach; es muss lediglich ein Treiber zur Steuerung des Impulses verwendet werden; die Servomotorsteuerung ist vergleichsweise kompliziert.

7. Preis: Schrittmotor günstig, Servomotor teuer

Zusammenfassend

Das Servosystem der Graviermaschine ist dem Schrittmotor in vielerlei Hinsicht überlegen. In Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf wird jedoch häufig auch ein Schrittmotor eingesetzt. Daher müssen bei der Entwicklung des Steuerungssystems die Steuerungsanforderungen, die Kosten und viele weitere Faktoren berücksichtigt werden.

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