Der Unterschied zwischen Schrittmotor und Servomotor(2)

Im vorherigen Artikel haben wir über den Unterschied zwischen Schrittmotoren und Schrittmotoren im Motordesign und in der Positionierungsgenauigkeit gesprochen. In diesem Artikel werden wir weiterhin die Unterschiede zwischen Schrittmotoren und Servomotoren unter drei Aspekten untersuchen: Hochgeschwindigkeitsleistung, Feedback im geschlossenen Regelkreis und Effizienz.

Hochgeschwindigkeitsleistung

Servomotoren arbeiten mit höheren Geschwindigkeiten als Schrittmotoren. Dies bedeutet, dass der Servomotor bei einer bestimmten Geschwindigkeit ein größeres Drehmoment abgibt als der Schrittmotor. Leistungsunterschiede im Drehmoment ergeben sich aus Unterschieden in der Anzahl der Pole bei Servomotoren und Schrittmotoren sowie aus Unterschieden in der Wicklungsinduktivität (magnetischer Fluss) zwischen Servomotor- und Schrittmotorkonstruktionen.

Die Anzahl der Pole beeinflusst auch, wie oft die Motorwicklungen für eine Umdrehung weiterlaufen müssen. Für einen Servomotor sind 12 „Schritte“ erforderlich, um einen Vollkreis zu drehen; für einen 2-Phasen-Schrittmotor sind 200 „Schritte“ erforderlich. Beim Fahren mit niedrigen Geschwindigkeiten gibt es keinen signifikanten Unterschied, aber beim Fahren mit hohen Geschwindigkeiten kann der Fahrer die Wicklungen nicht ausreichend mit Strom versorgen und der Strom ist proportional zum Drehmoment, sodass das Drehmoment bei hohen Geschwindigkeiten abnimmt.

Die hohe Polzahl des Schrittmotors erzeugt ein hohes Drehmoment während des Anlaufs, sorgt für einen reibungslosen Betrieb bei niedrigen Drehzahlen, ermöglicht ein schnelles Ansprechverhalten, eine genaue Positionierung ohne die Notwendigkeit eines Encoders und erzeugt leicht Haltemoment. Aufgrund der hohen Induktivität, der hohen Anzahl von Polen und der hohen L/R-Konstante der Wicklung nimmt das Drehmoment jedoch während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs ab.

Die geringe Polanzahl und die geringe Wickelinduktivität des Servomotors können beim Starten kein hohes Drehmoment erzeugen, aber es kann das Drehmoment innerhalb des zulässigen Betriebsdrehzahlbereichs besser aufrechterhalten.

Feedback im geschlossenen Regelkreis

Servomotoren müssen im geschlossenen Regelkreis betrieben werden, während Schrittmotoren typischerweise im offenen Regelkreis betrieben werden.

Der Servomotor verwendet Feedback, um Position, Geschwindigkeit und Drehmoment des Motors zu steuern. Der Schrittmotor bewegt sich in die angegebene Position, indem er Anweisungen ohne Rückmeldung erhält, kann aber den "Schritt" durch Überlastung verlieren.

Durch das Hinzufügen von Rückmeldungen zur Aufrechterhaltung der Synchronisierung wird das Antriebsdesign komplexer und gleichzeitig die Anzahl der Komponenten erhöht. Ein typisches Schrittmotorsystem enthält einen Impulsgenerator, einen Phasensequenzer und einen FET; das Servomotorsystem enthält außerdem einen Rotorpositionszähler, einen F/V-Wandler, einen Stromverstärker, einen Geschwindigkeitsverstärker, einen Positionsverstärker und einen Abweichungszähler. Diese Komponenten werden im PID benötigt Schleife Während des Betriebs berechnet der Treiber in der PID-Schleife kontinuierlich den Fehler und passt die Proportional-/Integral-/Differentialverstärkung an, um eine Echtzeitkorrektur durchzuführen, weshalb Servomotoren teurer sind und mehr Verarbeitungszeit benötigen.

Durch die Erhöhung der Rückkopplung im geschlossenen Regelkreis erhöht sich auch das Last-Rotor-Trägheitsverhältnis des Motors. Ein Schrittmotor kann das Zehnfache seiner eigenen Rotorträgheit bewältigen; ein Servomotor kann das 100-fache seiner eigenen Rotorträgheit bewältigen; und ein Schrittmotor mit geschlossenem Regelkreis kann das 30-fache seiner eigenen Rotorträgheit bewältigen.

Schrittmotoren arbeiten ohne Rückmeldung, erfordern für den Betrieb weniger Komponenten und sind daher kostengünstiger. Servomotoren benötigen eine Rückmeldung, um in einer PID-Schleife zu arbeiten, was mehr Komponenten für den Betrieb erfordert und daher mehr kostet.

Effizienz

Der Schrittmotor nutzt die Strom-Chopper-Antriebstechnologie, die unabhängig von der Last einen konstanten Strom liefern kann. Der Strom ist proportional zur Temperatur, daher muss die Einschaltdauer des Schrittmotors auf etwa 50 % begrenzt werden. Ein Servomotor bietet eine effizientere Stromregelung, da er nur den erforderlichen Strom zieht. Schrittmotoren benötigen weniger Strom, um bei Drehzahl Null ein Haltedrehmoment zu erzeugen. Der Servomotor benötigt mehr Leistung, um bei Drehzahl Null ein Haltemoment zu erzeugen.

Die Stromregelungseffizienz der Rückkopplung mit geschlossenem Regelkreis kann verbessert werden, dies wirkt sich jedoch auf die Motortemperatur und die Lebensdauer aus. In der folgenden Abbildung tragen wir den Temperaturanstieg im Verhältnis zum Betriebszyklus des Motors [%] auf. Beachten Sie, wie die Temperatur mit der Betriebslast steigt. Aus diesem Grund müssen Schrittmotoren eine begrenzte Einschaltdauer haben. Die Lebensdauer eines Motors hängt von der Lebensdauer des Lagerfetts ab, die wiederum von der Temperatur abhängt.

Eine effiziente Stromsteuerung kann auch zu anderen Leistungsvorteilen führen, beispielsweise zu weniger Lärm und Vibrationen. Außerdem muss die Motorgröße richtig gewählt werden. Wenn ein Schrittmotor nicht richtig dimensioniert ist, neigt er dazu, mehr Vibrationen zu erzeugen; ist ein Servomotor nicht richtig dimensioniert oder eingestellt, neigt er dazu, mehr „Schwingungen“ zu erzeugen.

Zusammenfassung

Schrittmotoren kosten weniger und Servomotoren haben eine bessere Leistung. Bei der Produktauswahl geht es um ein ständiges Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung. Wenn Sie über das nötige Budget verfügen, kann ein Servomotorsystem eine Komplettlösung sein. Auch wenn es für manche Anwendungen zu viel ist, kann es mit einigen Anpassungen eine optimale Leistung bieten. Bei Punkt-zu-Punkt-Anwendungen können Schrittmotorsysteme das Design vereinfachen und sind eine wirksame Möglichkeit, Kosten zu senken.

Source:https://www.oyostepper.de/article-1122-Der-Unterschied-zwischen-Schrittmotor-und-Servomotor-2-.html