स्टेप मोटर सिस्टम मोशन कंट्रोल उद्योग की आधारशिला हैं। हम ओपन-लूप सिस्टम और क्लोज्ड-लूप सिस्टम के बीच अंतर देखेंगे और साथ ही उन नवीनतम विकासों के बारे में भी बताएंगे जिनसे स्टेप मोटर सिस्टम पहले से कहीं अधिक तेज, शांत और ऊर्जा कुशल बन गए हैं।

स्टेप मोटर सिस्टम ने शुरुआती दौर के वोल्टेज ड्राइव और फुल स्टेपिंग से लेकर अब तक एक लंबा सफर तय किया है। पहले पीडब्ल्यूएम ड्राइव और माइक्रोस्टेपिंग आए, फिर डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर (डीएसपी) और एंटी-रेजोनेंस एल्गोरिदम आए। अब, नई क्लोज्ड-लूप स्टेपर तकनीक यह सुनिश्चित कर रही है कि आने वाले वर्षों में भी स्टेप मोटर्स मोशन कंट्रोल उद्योग का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बनी रहेंगी।

चाहे गति रेखीय हो या घूर्णी, सबसे उपयुक्त मोटर और ड्राइव सिस्टम चुनने में दो प्रमुख कारक टॉर्क और दक्षता हैं। यह बात स्वचालित असेंबली सिस्टम, मटेरियल हैंडलिंग मशीन, 3D प्रिंटर, कार्टेशियन पोजिशनर, पेरिस्टाल्टिक पंप या ऐसे अनगिनत अन्य अनुप्रयोगों पर लागू होती है जिनमें स्टेप मोटर्स पसंदीदा तकनीक हैं।

स्टेपर सिस्टम में नवीनतम विकास कम लागत, उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले फीडबैक उपकरणों और उन्नत डीएसपी (डिस्पोज़िंग डायरेक्टिव) का उपयोग करके स्टेपर गति को नियंत्रित करना है। इस प्रकार के नियंत्रण क्लोज्ड-लूप स्टेपर के प्रदर्शन को बढ़ाते हैं, जिससे यह ओपन-लूप सिस्टम से बेहतर प्रदर्शन करता है। जैसा कि हम देखेंगे, ऐसा ही एक क्लोज्ड-लूप सिस्टम एक एकीकृत मोटर डिज़ाइन पर आधारित है जिसमें फीडबैक उपकरण, ड्राइवर और कंट्रोलर बोर्ड, पावर, संचार और आई/ओ इलेक्ट्रॉनिक्स, और मोटर के किनारे और पीछे सिस्टम कनेक्टर शामिल हैं।

ओपन-लूप बनाम क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम
सबसे पहले, आइए यह देखें कि टॉर्क और दक्षता के संदर्भ में उच्च प्रदर्शन वाले क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम पारंपरिक ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम से किस प्रकार भिन्न होते हैं।

प्रयोगशाला परीक्षणों के परिणामों से पता चलता है कि क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम ओपन-लूप सेटअप की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करते हैं। इन परीक्षणों में दोनों सिस्टमों के त्वरण (टॉर्क), दक्षता (ऊर्जा खपत), स्थिति त्रुटि (सटीकता), ऊष्मा उत्पादन और शोर स्तरों की तुलना की गई है। टॉर्क और त्वरण के बीच संबंध पर विचार करें। टॉर्क-स्पीड वक्र क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम की अधिकतम और निरंतर टॉर्क सीमा के साथ-साथ ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम की उपयोगी टॉर्क सीमा को दर्शाते हैं। अक्सर, वास्तविक दुनिया में टॉर्क त्वरण में परिवर्तित हो जाता है - इसलिए अधिक टॉर्क वाले मोटर किसी दिए गए भार को अधिक तेज़ी से गति प्रदान कर सकते 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 के माध्यम से दोनों सिस्टम को समान गति करने के लिए निर्देशित किया जाता है, सिवाय इसके कि त्वरण दर और अधिकतम गति को प्रत्येक सिस्टम में धीरे-धीरे तब तक बढ़ाया जाता है जब तक कि उनमें स्थिति निर्धारण त्रुटि न हो जाए।

मान लीजिए कि ओपन-लूप सिस्टम को अधिकतम 1,000 चक्कर/सेकंड की त्वरण दर प्राप्त होती है।²और अधिकतम गति 10 रेव/सेकंड (600 आरपीएम) है। यह अधिकतम गति 10 रेव/सेकंड टॉर्क-स्पीड वक्र के सपाट भाग के अंत बिंदु से मेल खाती है। क्लोज्ड-लूप सिस्टम (अपनी उच्च टॉर्क उत्पादन क्षमता के कारण) 2,000 रेव/सेकंड की अधिकतम त्वरण दर प्राप्त करता है।²और इसकी अधिकतम गति 20 रेव/सेकंड (1,200 आरपीएम) है। यह ओपन-लूप सिस्टम के प्रदर्शन से दोगुना है और चलने के समय को लगभग आधा कर देता है - 110 मिलीसेकंड से घटकर 60 मिलीसेकंड हो जाता है।

उच्च थ्रूपुट की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों (जैसे कि 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

ओपन-लूप और क्लोज्ड-लूप सिस्टम की सापेक्ष दक्षता मापने के लिए, मान लीजिए कि हम समान आकार के दो मोटरों के साथ वही परीक्षण दोहराते हैं। इस बार हम क्लोज्ड-लूप और ओपन-लूप मोटरों को समान जड़त्वीय भार के साथ अगल-बगल चलाते हैं, लेकिन प्रोग्रामिंग इस प्रकार करते हैं कि गति प्रोफाइल स्थिर और समान रहे, ताकि दोनों सिस्टम समान मात्रा में कार्य करें।

जब दोनों मोटरें एक ही गति प्रोफ़ाइल को बार-बार दोहराती हैं, तो दोनों प्रणालियों को चलाने वाली डीसी विद्युत आपूर्ति से निकलने वाली धारा को मापा जाता है और बिजली की खपत की गणना की जाती है। मान आरेखों में देखा जा सकता है कि ओपन-लूप स्टेपर प्रणाली की औसत बिजली खपत 43.8 वाट है, जबकि क्लोज्ड-लूप प्रणाली की औसत बिजली खपत इसकी एक तिहाई यानी 14.2 वाट है। बिजली की खपत में यह बड़ा अंतर स्पष्ट रूप से क्लोज्ड-लूप प्रणाली की उच्च दक्षता को दर्शाता है। कोई भी उपयोगकर्ता जो अपनी ओपन-लूप स्टेपर प्रणाली की दक्षता बढ़ाना चाहता है, वह अब क्लोज्ड-लूप प्रणाली में अपग्रेड करने पर विचार कर सकता है और काफी कम बिजली खपत की उम्मीद कर सकता है।

मोटर के गर्म होने की समस्या का समाधान कैसे करें

बिजली खपत परीक्षणों का एक स्वाभाविक विस्तार मोटर के तापन की जांच करना है। ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम सरल होते हैं। ड्राइव को मोटर की रेटेड धारा के अनुसार सेट किया जाता है और ड्राइव हर समय मोटर को वह धारा प्रदान करने का भरसक प्रयास करता है, चाहे परिणामी टॉर्क की आवश्यकता हो या न हो। इससे अक्सर ऊर्जा के बजाय ऊष्मा उत्पन्न होती है, जो अनुप्रयोग कार्य के लिए उपयोगी नहीं होती - और यही कारण है कि ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम आमतौर पर क्लोज्ड-लूप सिस्टम की तुलना में अधिक गर्म होते हैं। इसका अर्थ यह भी है कि मशीन डिजाइनरों को इस ऊष्मा से निपटने के लिए अतिरिक्त उपाय करने पड़ते हैं, अक्सर मानव ऑपरेटरों के आसपास चलने वाली स्टेप मोटरों के चारों ओर विशेष सुरक्षा प्रदान करके, या पंखे जैसे अतिरिक्त शीतलन तंत्र स्थापित करके।

ऊपर बताए गए ओपन-लूप और क्लोज्ड-लूप सिस्टम का उपयोग करके प्रयोगशाला में किए गए मोटर हीटिंग परीक्षण के परिणामों पर विचार करें। इस परीक्षण में, दोनों सिस्टम समान मात्रा में कार्य उत्पन्न करते हैं और समान जड़त्वीय भार को संचालित करते हैं, और उन्हें ऊष्मीय संतुलन तक पहुंचने तक संचालित होने दिया जाता है। ओपन-लूप सिस्टम का केस तापमान 76.0°C तक पहुंच जाता है, जबकि क्लोज्ड-लूप सिस्टम केवल 36.9°C के केस तापमान पर ऊष्मीय संतुलन प्राप्त कर लेता है - जो ओपन-लूप सिस्टम के तापमान के आधे से भी कम है। मोटर हीटिंग में यह महत्वपूर्ण कमी मशीन निर्माताओं के लिए कंपोनेंट लागत को कम कर सकती है, क्योंकि वे अतिरिक्त सुरक्षा और शीतलन उप-प्रणालियों को हटा सकते हैं।

अब शोर मचाने वाली मोटरों की समस्या नहीं।

ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम के बारे में एक और आम शिकायत यह है कि वे काफी शोर करते हैं। प्रयोगशालाओं, अस्पतालों और कार्यालयों जैसे कुछ वातावरणों में, यह शोर मशीन डिजाइनरों के लिए एक गंभीर समस्या बन सकता है।

स्टेप मोटर्स द्वारा उत्सर्जित शोर स्टेटर के दांतों में उच्च विद्युत आवृत्ति और तीव्र प्रवाह परिवर्तन के कारण होता है, और इसलिए भी क्योंकि ओपन-लूप सिस्टम लोड की परवाह किए बिना पूर्ण रेटेड करंट पर संचालित होते हैं। दूसरी ओर, क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम मोटर को लोड को नियंत्रित करने के लिए पर्याप्त करंट ही प्रदान करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बहुत कम श्रव्य शोर होता है।

इस लेख के साथ दिए गए ध्वनिक शोर के ग्राफ में दर्शाए गए परीक्षण परिणामों को प्राप्त करने के लिए, प्रत्येक सिस्टम के ध्वनिक शोर को ध्वनिरोधक कक्ष में मापा गया है। 0 से 20 रेव/सेकंड की गति पर क्लोज्ड-लूप सिस्टम ओपन-लूप सिस्टम की तुलना में काफी शांत है। यह गति सीमा उन अनुप्रयोगों की वास्तविक गति सीमा से मेल खाती है जहां स्टेप मोटर सिस्टम का सबसे अधिक उपयोग होता है, जिसका अर्थ है कि यदि स्टेप मोटर सिस्टम को क्लोज्ड-लूप सिस्टम में बदल दिया जाए तो अधिकांश अनुप्रयोगों को मोटर शोर में कमी से लाभ हो सकता है।

बेहतर मोटर सटीकता से स्थिति संबंधी त्रुटियों को दूर किया जा सकता है।

ओपन-लूप स्टेप मोटर सिस्टम अपनी सटीक स्थिति निर्धारित करने की क्षमता के लिए जाने जाते हैं, चाहे इसके लिए फीडबैक तंत्र या क्लोज्ड-लूप नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता न हो। हालांकि, यह क्षमता तभी उपलब्ध है जब ओपन-लूप सिस्टम में पर्याप्त टॉर्क मार्जिन हो ताकि सामान्य संचालन के दौरान स्थिति संबंधी त्रुटियां न हों। बेहतर सटीकता और अधिक मजबूत सिस्टम डिज़ाइन के लिए, उच्च-रिज़ॉल्यूशन एनकोडर से प्राप्त फीडबैक के आधार पर सर्वो स्थिति लूप को बंद करने से क्लोज्ड-लूप सिस्टम टॉर्क की मांग में होने वाली वृद्धि की भरपाई स्वचालित रूप से कर लेते हैं, जिससे ओपन-लूप सिस्टम में स्थिति संबंधी त्रुटियां हो सकती हैं। इससे सिस्टम की समग्र सटीकता में काफी सुधार होता है, विशेष रूप से पिक-एंड-प्लेस सिस्टम और 3D प्रिंटर जैसे अत्यधिक गतिशील अनुप्रयोगों में, जहां छोटे, तेज़ मूवमेंट और दिशा में बार-बार बदलाव की आवश्यकता होती है।

मौजूदा स्टेपर सिस्टम को अपग्रेड करना

एक एकीकृत स्टेप मोटर सिस्टम के घटकों में से, मोटर, पावर एम्पलीफायर और संचार की लागत आमतौर पर ओपन-लूप से क्लोज्ड-लूप में जाने पर नहीं बढ़ती है। मोटर को सर्वो नियंत्रित करने के लिए कंट्रोल इलेक्ट्रॉनिक्स को थोड़ी अधिक सेंट्रल प्रोसेसिंग पावर या मेमोरी की आवश्यकता हो सकती है, लेकिन आमतौर पर इनका सूची मूल्य पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता है। ओपन-लूप और क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम के बीच लागत का अधिकांश अंतर उच्च-रिज़ॉल्यूशन फीडबैक डिवाइस के जुड़ने के कारण होता है, लेकिन विनिर्माण में सुधार के कारण ये डिवाइस अब पहले से कहीं अधिक किफायती हो गए हैं। इसलिए अब, क्लोज्ड-लूप स्टेपर सिस्टम अन्य प्रकार के पोजिशनिंग सिस्टम - जैसे कि एक पारंपरिक सर्वो - की तुलना में ओपन-लूप स्टेपर सिस्टम के लागत लाभों को बनाए रखते हैं, लेकिन लगभग हर तरह से प्रदर्शन में काफी वृद्धि के साथ। आमतौर पर, क्लोज्ड-लूप सिस्टम की ऊर्जा बचत और बढ़ी हुई थ्रूपुट फीडबैक डिवाइस की लागत में मामूली वृद्धि की भरपाई जल्दी कर देती है।

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