स्टेप मोटर सिस्टम गति नियंत्रण उद्योग का आधार हैं। हम ओपन-लूप सिस्टम और क्लोज्ड-लूप सिस्टम के बीच के अंतरों पर गौर करेंगे और स्टेप मोटर सिस्टम को पहले से कहीं ज़्यादा तेज़, शांत और ऊर्जा कुशल बनाने वाले नवीनतम विकासों की भी व्याख्या करेंगे।

वोल्टेज ड्राइव और फुल स्टेपिंग के शुरुआती दौर से स्टेप मोटर सिस्टम काफी आगे बढ़ चुके हैं। पहले PWM ड्राइव और माइक्रोस्टेपिंग आए और फिर डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर (DSP) और एंटी-रेजोनेंस एल्गोरिदम। अब, नई क्लोज्ड-लूप स्टेपर तकनीक यह सुनिश्चित कर रही है कि स्टेप मोटर आने वाले वर्षों में भी गति नियंत्रण उद्योग की आधारशिला बनी रहें।

गति चाहे रैखिक हो या घूर्णी, दो मुख्य बातें जो तय करती हैं कि कौन सी मोटर और ड्राइव सिस्टम सबसे उपयुक्त हैं, वे हैं टॉर्क और दक्षता। यह बात तब भी लागू होती है जब अंतिम अनुप्रयोग एक स्वचालित असेंबली सिस्टम, मटेरियल हैंडलिंग मशीन, 3D प्रिंटर, कार्टेशियन पोजिशनर, पेरिस्टाल्टिक पंप, या अनगिनत अन्य अनुप्रयोगों में से एक हो, जिनमें स्टेप मोटर एक पसंदीदा तकनीक है।

स्टेपर प्रणालियों में नवीनतम विकास, स्टेपर गति पर लूप को बंद करने के लिए कम लागत वाले, उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले फीडबैक उपकरणों और उन्नत डीएसपी का अनुप्रयोग है। ऐसे नियंत्रण, बंद-लूप स्टेपर के प्रदर्शन को बढ़ाकर, खुले-लूप प्रणालियों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं। जैसा कि हम देखेंगे, ऐसा ही एक बंद-लूप सिस्टम एक एकीकृत मोटर डिज़ाइन पर कार्यान्वित होता है जिसमें एक फीडबैक उपकरण, ड्राइवर और नियंत्रक बोर्ड, पावर, संचार और I/O इलेक्ट्रॉनिक्स, और मोटर के किनारे और पीछे सिस्टम कनेक्टर शामिल होते हैं।

ओपन-लूप बनाम क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम
सबसे पहले आइए देखें कि टॉर्क और दक्षता के संदर्भ में उच्च प्रदर्शन वाले क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम की तुलना पारंपरिक ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम से कैसे की जाती है।

ओपन-लूप सेटअप की तुलना में क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम का प्रदर्शन बेहतर होता है, जैसा कि दोनों प्रणालियों के त्वरण (टॉर्क), दक्षता (ऊर्जा खपत), स्थिति त्रुटि (सटीकता), ऊष्मा उत्पादन और शोर स्तरों की तुलना करने वाले प्रयोगशाला परीक्षणों के परिणामों से स्पष्ट होता है। टॉर्क और त्वरण के बीच के संबंध पर विचार करें। टॉर्क-स्पीड वक्र एक क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम की अधिकतम और निरंतर टॉर्क रेंज के साथ-साथ एक ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम की उपयोगी टॉर्क रेंज को दर्शाते हैं। अक्सर, वास्तविक दुनिया में टॉर्क त्वरण में बदल जाता है - इसलिए अधिक टॉर्क वाली मोटरें किसी दिए गए भार को तेज़ी से त्वरित कर सकती हैं।

प्रयोगशाला में टॉर्क प्रदर्शन में इस अंतर का परीक्षण करने के लिए, समान आकार के ओपन-लूप और क्लोज्ड-लूप स्टेप मोटर सिस्टम को समान जड़त्वीय भार दिया जाता है। प्रोग्रामिंग दोनों सिस्टम को समान मूव प्रोफाइल निष्पादित करने का आदेश देती है, सिवाय इसके कि प्रत्येक सिस्टम में त्वरण दर और अधिकतम गति धीरे-धीरे तब तक बढ़ाई जाती है जब तक कि वे पोजिशनिंग त्रुटियाँ न कर दें।

मान लीजिए कि ओपन-लूप प्रणाली को अधिकतम त्वरण दर 1,000 रेव/सेकंड प्राप्त होती है²और अधिकतम गति 10 रेव/सेकंड (600 आरपीएम) है। 10 रेव/सेकंड की यह अधिकतम गति टॉर्क-स्पीड वक्र के समतल भाग के अंत से संबंधित है। बंद-लूप प्रणाली (इसकी उच्च टॉर्क उत्पादन क्षमता के कारण) 2,000 रेव/सेकंड की अधिकतम त्वरण दर प्राप्त करती है।²और इसकी अधिकतम गति 20 रेव/सेकंड (1,200 आरपीएम) है। यह ओपन-लूप सिस्टम के प्रदर्शन से दोगुना है और चलने का समय लगभग आधा कर देता है—110 एमएस से घटकर 60 एमएस हो जाता है।

उच्च थ्रूपुट की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों (जैसे इंडेक्सिंग, एज गाइड पोजिशनिंग और पिक-एंड-प्लेस सिस्टम) के लिए क्लोज्ड-लूप सिस्टम स्पष्ट प्रदर्शन लाभ प्रदान करता है।

ओपन-लूप बनाम क्लोज्ड-लूप दक्षता

एक खुले-लूप बनाम बंद-लूप प्रणाली की सापेक्ष दक्षता मापने के लिए, मान लें कि हम समान आकार की दो समान मोटरों के साथ यही परीक्षण दोहराते हैं। इस बार हम बंद-लूप और खुले-लूप मोटरों को समान जड़त्वीय भार के साथ-साथ चलाते हैं, लेकिन ऐसी प्रोग्रामिंग चलाते हैं जो गति प्रोफ़ाइल को स्थिर और समान रखती है, ताकि दोनों प्रणालियाँ समान मात्रा में कार्य करें।

जब दोनों मोटरें एक ही गति प्रोफ़ाइल को बार-बार दर्शाती हैं, तो दोनों प्रणालियों को आपूर्ति करने वाली डीसी विद्युत आपूर्ति से प्राप्त धारा को मापा जाता है और विद्युत खपत की गणना की जाती है। जैसा कि मान आरेखों में देखा जा सकता है, ओपन-लूप स्टेपर प्रणाली की औसत विद्युत खपत 43.8 वाट है, जबकि क्लोज्ड-लूप प्रणाली की केवल एक तिहाई - औसतन 14.2 वाट - है। विद्युत खपत में यह नाटकीय अंतर क्लोज्ड-लूप प्रणाली के उच्च दक्षता संचालन को स्पष्ट रूप से दर्शाता है। कोई भी उपयोगकर्ता जो अपने ओपन-लूप स्टेपर प्रणाली की दक्षता बढ़ाना चाहता है, अब क्लोज्ड-लूप प्रणाली में एक साधारण अपग्रेड पर विचार कर सकता है और काफी कम खपत की उम्मीद कर सकता है।

मोटर हीटिंग का समाधान कैसे करें

बिजली खपत परीक्षणों का एक स्वाभाविक विस्तार मोटर के गर्म होने की जाँच है। ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम बेहद सरल होते हैं। बस ड्राइव को मोटर की रेटेड धारा के अनुसार सेट कर दिया जाता है और ड्राइव हर समय मोटर को वह धारा प्रदान करने की पूरी कोशिश करेगी, चाहे परिणामी टॉर्क की ज़रूरत हो या न हो। इससे अक्सर अनुप्रयोग कार्य के लिए ऊर्जा के बजाय ऊष्मा उत्पन्न होती है - और यही कारण है कि ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम आमतौर पर क्लोज्ड-लूप समकक्षों की तुलना में ज़्यादा गर्म होते हैं। इसका मतलब यह भी है कि मशीन डिज़ाइनरों को इस गर्मी से निपटने के लिए अतिरिक्त कदम उठाने होंगे, अक्सर स्टेप मोटर्स के चारों ओर विशेष सुरक्षा व्यवस्था शामिल करके, जो मानव ऑपरेटरों के आस-पास चलेंगे, या पंखे जैसे अतिरिक्त शीतलन प्रणालियाँ लगाकर।

ऊपर बताए गए समान ओपन-लूप और क्लोज्ड-लूप प्रणालियों का उपयोग करके प्रयोगशाला में किए गए मोटर तापन परीक्षण के परिणामों पर विचार करें। इस परीक्षण में, दोनों प्रणालियाँ समान जड़त्वीय भारों को चलाकर पुनः समान मात्रा में कार्य उत्पन्न करती हैं, और उन्हें तब तक चलने दिया जाता है जब तक वे तापीय संतुलन तक नहीं पहुँच जातीं। ओपन-लूप प्रणाली 76.0° सेल्सियस के केस तापमान तक पहुँचती है, जबकि क्लोज्ड-लूप प्रणाली केवल 36.9° सेल्सियस के केस तापमान पर तापीय संतुलन तक पहुँचती है - जो ओपन-लूप प्रणाली के आधे से भी कम है। मोटर तापन में यह उल्लेखनीय कमी मशीन निर्माताओं के लिए घटकों की कम लागत का कारण बन सकती है, क्योंकि वे अतिरिक्त सुरक्षा और शीतलन उप-प्रणालियों को छोड़ सकते हैं।

अब शोर करने वाली मोटरें नहीं

ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम के बारे में एक और आम शिकायत यह है कि ये काफ़ी ज़्यादा शोर पैदा करते हैं। प्रयोगशालाओं, अस्पतालों और दफ़्तरों जैसे कुछ खास माहौल में, यह शोर मशीन डिज़ाइनरों के लिए एक बड़ी समस्या बन सकता है।

स्टेप मोटरों द्वारा उत्सर्जित शोर उच्च विद्युत आवृत्ति और स्टेटर के दांतों में तीव्र फ्लक्स परिवर्तनों के कारण उत्पन्न होता है, और क्योंकि ओपन-लूप सिस्टम लोड की परवाह किए बिना पूर्ण रेटेड धारा पर संचालित होते हैं। दूसरी ओर, क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम मोटर को लोड को नियंत्रित करने के लिए पर्याप्त धारा प्रदान करते हैं और इसके परिणामस्वरूप बहुत कम श्रव्य शोर उत्पन्न होता है।

इस लेख के साथ दिए गए ध्वनिक शोर के आरेख में दिखाए गए परीक्षण परिणामों को प्राप्त करने के लिए, प्रत्येक प्रणाली के ध्वनिक शोर को एक ध्वनिरोधी कक्ष में मापा जाता है। 0 से 20 रेव/सेकंड की गति पर, बंद-लूप प्रणाली, खुले-लूप विकल्प की तुलना में नाटकीय रूप से शांत होती है। यह गति सीमा उन अनुप्रयोगों की वास्तविक गति सीमा के साथ मेल खाती है जहाँ स्टेप मोटर प्रणालियों का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है, जिसका अर्थ है कि बंद-लूप प्रणालियों पर स्विच करने पर अधिकांश स्टेप मोटर अनुप्रयोगों को कम मोटर शोर का लाभ मिल सकता है।

स्थिति संबंधी त्रुटियों को दूर करने के लिए बेहतर मोटर सटीकता

ओपन-लूप स्टेप मोटर प्रणालियाँ बिना किसी फीडबैक तंत्र या क्लोज्ड-लूप नियंत्रण प्रणाली के भार को सटीक रूप से स्थिति में लाने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती हैं, लेकिन केवल तभी जब ओपन-लूप प्रणाली में पर्याप्त टॉर्क मार्जिन हो जिससे सामान्य संचालन के दौरान स्थिति त्रुटियाँ न हों। बेहतर सटीकता और अधिक मज़बूत सिस्टम डिज़ाइन के लिए, उच्च रिज़ॉल्यूशन एनकोडर से मिलने वाले फीडबैक के आसपास सर्वो पोज़िशन लूप को बंद करने से क्लोज्ड-लूप प्रणालियाँ टॉर्क की माँग में वृद्धि की स्वचालित रूप से भरपाई कर पाती हैं, जो अन्यथा ओपन-लूप प्रणालियों में स्थिति त्रुटियों का कारण बनती है। इससे समग्र सिस्टम सटीकता में काफ़ी सुधार होता है, विशेष रूप से अत्यधिक गतिशील अनुप्रयोगों जैसे पिक-एंड-प्लेस सिस्टम और 3D प्रिंटर के लिए, जहाँ छोटी, तेज़ चाल और दिशा में बार-बार बदलाव की आवश्यकता होती है।

मौजूदा स्टेपर प्रणालियों का उन्नयन

एक एकीकृत स्टेप मोटर प्रणाली के घटकों में से, मोटर, पावर एम्पलीफायर और संचार लागत आम तौर पर ओपन-लूप से क्लोज्ड लूप में जाने पर नहीं बढ़ेगी। नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स को मोटर को सर्वो नियंत्रित करने के लिए थोड़ी अधिक केंद्रीय प्रसंस्करण शक्ति या मेमोरी की आवश्यकता हो सकती है, लेकिन इनका आमतौर पर सूची कीमतों पर प्रभाव नहीं पड़ता है। ओपन-लूप और क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम के बीच लागत का अधिकांश अंतर एक उच्च रिज़ॉल्यूशन फीडबैक डिवाइस को जोड़ने में निहित है, लेकिन विनिर्माण में परिशोधन ने इन उपकरणों को तेजी से सस्ती बना दिया है। तो अब, क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम अन्य प्रकार के पोजिशनिंग सिस्टम - जैसे कि एक पारंपरिक सर्वो - की तुलना में ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम के लागत लाभ को बनाए रखते हैं, लेकिन लगभग हर तरह से बहुत अधिक प्रदर्शन के साथ।

न्यूनतम लागत वृद्धि के अलावा, NEMA फ्रेम साइज़ विकल्पों के साथ ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम से क्लोज्ड-लूप सिस्टम में अपग्रेड करना आसान हो जाता है। एक क्लोज्ड-लूप NEMA 23 स्टेप मोटर का फ्रेम साइज़, पायलट व्यास, बोल्ट होल सर्कल और बोल्ट होल व्यास एक ओपन-लूप NEMA 23 स्टेप मोटर के समान ही होता है, इसलिए माउंटिंग ब्रैकेट समान रहते हैं। क्लोज्ड-लूप सिस्टम से मिलने वाले अधिक टॉर्क का मतलब है कि क्लोज्ड-लूप स्टेप मोटर का शाफ्ट व्यास बड़ा हो सकता है, लेकिन आमतौर पर शाफ्ट कपलिंग में एक साधारण बदलाव से इसे आसानी से हल किया जा सकता है।