Servomotor oder Schrittmotor: Welcher Antrieb für Elektrozylinder?

Bei der Auswahl eines Elektrozylinders wird der Antriebsmotor oft stärker übersehen als Gehäuse oder Steigung. Servo- und Schrittmotoren können denselben Kugelgewindetrieb antreiben, unterscheiden sich jedoch grundlegend in Arbeitsweise und geeigneten Anwendungen. Eine falsche Auswahl führt entweder zu unnötigen Kosten oder zu Schrittverlusten und Positionsfehlern im Betrieb.

Der grundlegende Unterschied: geschlossener und offener Regelkreis

Ein Schrittmotor arbeitet im offenen Regelkreis. Der Antrieb gibt eine bestimmte Schrittzahl vor und geht ohne Rückmeldung davon aus, dass der Motor entsprechend gedreht hat. Übersteigt die Last das verfügbare Drehmoment, verliert der Motor Schritte und die Positionsinformation wird unzuverlässig. Der Fehler bleibt bis zur nächsten Referenzfahrt unbemerkt.

Ein Servomotor arbeitet im geschlossenen Regelkreis. Der Encoder an der Welle meldet fortlaufend die tatsächliche Position und Drehzahl an den Antrieb. Dieser vergleicht Soll- und Istwert und korrigiert Abweichungen unmittelbar. Auch bei Laständerungen oder vorübergehenden Hindernissen kennt das System die Position und gleicht Abweichungen aus.

Aus diesem Unterschied ergeben sich die folgenden Auswahlkriterien.

Vergleich

Positionszuverlässigkeit — Ein Schrittmotor arbeitet präzise, solange sein Drehmoment nicht überschritten wird. Bei Überschreitung können sich unbemerkt Fehler ansammeln. Ein Servomotor regelt die Position auch bei schwankender Last. Bei unvorhersehbaren Lasten oder nicht tolerierbaren Fehlern, etwa in Montage- und Messstationen, wird ein Servo bevorzugt.

Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie — Schrittmotoren liefern bei niedriger Drehzahl ein hohes Drehmoment, das mit steigender Drehzahl jedoch stark abnimmt. Servomotoren liefern bis zur Nenndrehzahl ein vergleichsweise konstantes Drehmoment und erlauben kurzzeitige Überlasten als Spitzendrehmoment. Wenn hohe Drehzahl und hohes Drehmoment gleichzeitig erforderlich sind, stößt der Schrittmotor an Grenzen.

Dynamisches Verhalten — Servomotoren reagieren beim Beschleunigen und Bremsen deutlich dynamischer. Der geschlossene Regelkreis sorgt auch bei anspruchsvollen Beschleunigungsprofilen für Stabilität. Schrittmotoren neigen bei schneller Beschleunigung eher zu Resonanzen und Schrittverlusten.

Kosten — Schrittmotor und Antrieb sind deutlich günstiger als Servomotor und Servoantrieb. Encoder, Regelungslogik und zusätzliche Verkabelung erhöhen die Kosten auf der Servoseite.

Systemkomplexität — Schrittantriebe lassen sich einfach mit Puls-/Richtungssignalen einer SPS betreiben. Servosysteme erfordern häufig Feldbuskommunikation wie EtherCAT oder CANopen, Parameterabstimmung und mehr Inbetriebnahmezeit.

Stillstand und Energieverbrauch — Beide verbrauchen während Haltezeiten wenig bis nahezu keine Energie. Schrittmotoren können jedoch Dauerstrom für das Haltemoment benötigen. Bei Servosystemen kann eine Bremse oder Verriegelung diesen Bedarf vermeiden.

Wann eignet sich welcher Motor?

Geeignete Anwendungen für Schrittmotoren:

• Die Last ist vorhersehbar und liegt deutlich unter dem Motordrehmoment
• Niedrige bis mittlere Drehzahl; hohe Drehzahl und hohes Drehmoment sind nicht gleichzeitig erforderlich
• Begrenztes Budget und gewünschte einfache SPS-Integration
• Positionsabweichungen sind teilweise tolerierbar oder regelmäßige Referenzfahrten reichen aus
• Beispiele: leichte Pick-and-Place-Automatisierung und langsame Vorschubachsen

Geeignete Anwendungen für Servomotoren:

• Veränderliche oder unvorhersehbare Lasten, etwa äußere Kräfte oder wechselnde Reibung
• Hohe Drehzahl und hohes Drehmoment gleichzeitig erforderlich
• Positions- oder Kraftpräzision ist entscheidend, etwa beim Montieren, Prüfen und Messen
• Synchronisierte Mehrachsbewegung oder komplexe Bewegungsprofile
• Beispiele: Servopressen, synchronisierte Mehrachssysteme und Automatisierung kontinuierlicher Produktionslinien

Eine praktische Faustregel

Wenn das im Motorberechnungswerkzeug ermittelte Drehmoment keine Sicherheitsreserve zum verfügbaren Drehmoment des gewählten Schrittmotors lässt, ist dies ein klarer Hinweis auf den Einsatz eines Servomotors. Dabei ist besonders die mit steigender Drehzahl abfallende Drehmomentkennlinie des Schrittmotors zu berücksichtigen. In Grenzfällen bewertet unser Entwicklungsteam die Anwendung gemeinsam mit Ihnen.

Dieser Artikel beschreibt eine allgemeine Vergleichsmethode. Die Motorauswahl muss anhand der tatsächlichen Last-, Drehzahl- und Positionsgenauigkeitsanforderungen Ihrer Anwendung überprüft werden.