बंद-लूप स्टेपर मोटर, सर्वो द्वारा आमतौर पर किए जाने वाले कार्यों के लिए सर्वोत्तम विकल्प हो सकते हैं, क्योंकि पारंपरिक स्टेपर मोटर उन्हें संभाल नहीं सकते।

किसी भी प्रकार की गति नियंत्रण प्रक्रिया को डिज़ाइन करते समय इंजीनियर जो सबसे महत्वपूर्ण निर्णय ले सकते हैं, उनमें से एक है मोटर का चयन। प्रकार और आकार, दोनों की दृष्टि से सही मोटर का चयन, अंतिम मशीन की संचालन क्षमता के लिए अत्यंत आवश्यक है। इसके अलावा, यह सुनिश्चित करना हमेशा एक प्राथमिक चिंता का विषय होता है कि मोटर बजट से बाहर न जाए।

निर्णय लेते समय सबसे पहले पूछे जाने वाले प्रश्नों में से एक यह है: किस प्रकार की मोटर सबसे अच्छी होगी? क्या इस कार्य के लिए उच्च-प्रदर्शन वाली सर्वो मोटर की आवश्यकता है? क्या कम लागत वाला स्टेपर बेहतर होगा? या फिर कोई तीसरा, मध्यम-स्तरीय विकल्प भी हो सकता है जिस पर विचार किया जा सके?

जवाब विशिष्ट अनुप्रयोग की ज़रूरतों से शुरू होते हैं। किसी भी अनुप्रयोग के लिए आदर्श मोटर का प्रकार निर्धारित करने से पहले कई कारकों पर विचार करना होता है।

आवश्यकताएं

मोटर को प्रति मिनट कितने चक्कर लगाने होंगे? कितना टॉर्क चाहिए? अधिकतम गति कितनी होनी चाहिए?

इन महत्वपूर्ण प्रश्नों का समाधान केवल एक निश्चित अश्वशक्ति वाली मोटर चुनकर नहीं किया जा सकता।

किसी मोटर का पावर आउटपुट टॉर्क और गति का संयोजन होता है, जिसकी गणना गति, टॉर्क और एक स्थिरांक के गुणन द्वारा की जा सकती है।

हालाँकि, इस गणना की प्रकृति के कारण, टॉर्क और गति के कई अलग-अलग संयोजन होते हैं जो एक विशिष्ट शक्ति उत्पादन प्रदान करते हैं। इस प्रकार, समान शक्ति रेटिंग वाली विभिन्न मोटरें, उनके द्वारा प्रदान की जाने वाली गति और टॉर्क के संयोजन के कारण, अलग-अलग तरीके से काम कर सकती हैं।

इंजीनियरों को यह जानना ज़रूरी है कि किसी ख़ास आकार के भार को कितनी तेज़ी से चलाना है, तभी वे आत्मविश्वास से सबसे अच्छी मोटर चुन पाएँगे। किया जा रहा काम मोटर के टॉर्क/स्पीड कर्व के अंतर्गत भी आना चाहिए। यह कर्व दर्शाता है कि संचालन के दौरान मोटर का टॉर्क कैसे बदलता है। "सबसे ख़राब स्थिति" की धारणाओं (दूसरे शब्दों में, काम के लिए ज़रूरी टॉर्क और गति की अधिकतम/न्यूनतम मात्रा का निर्धारण) का इस्तेमाल करके, इंजीनियर आश्वस्त हो सकते हैं कि चुनी गई मोटर में पर्याप्त टॉर्क/स्पीड कर्व है।

भार का जड़त्व एक और कारक है जिस पर मोटर चुनने की निर्णय प्रक्रिया में उतरने से पहले विचार किया जाना चाहिए। जड़त्व अनुपात की गणना अवश्य की जानी चाहिए, जो भार के जड़त्व और मोटर के जड़त्व के बीच तुलना है। एक सामान्य नियम यह है कि यदि भार का जड़त्व रोटर के जड़त्व से 10 गुना अधिक है, तो मोटर को ट्यून करना अधिक कठिन हो सकता है और प्रदर्शन प्रभावित हो सकता है। लेकिन यह नियम न केवल तकनीक से तकनीक, बल्कि आपूर्तिकर्ता से आपूर्तिकर्ता और यहाँ तक कि उत्पाद से उत्पाद तक भी भिन्न होता है। किसी अनुप्रयोग की महत्ता भी इस निर्णय को प्रभावित करेगी। कुछ उत्पाद 30-से-1 अनुपात तक संभाल सकते हैं, जबकि प्रत्यक्ष ड्राइव 200-से-1 तक चलते हैं। बहुत से लोग 10-से-1 अनुपात से अधिक मोटर का आकार पसंद नहीं करते।

अंत में, क्या ऐसी कोई भौतिक सीमाएँ हैं जो एक विशिष्ट मोटर को दूसरे से अलग करती हैं? मोटरें विभिन्न आकार और प्रकार की होती हैं। कुछ मामलों में, मोटरें बड़ी और भारी होती हैं, और कुछ ऐसे कार्य होते हैं जिनमें एक विशिष्ट आकार की मोटर नहीं समा सकती। सर्वोत्तम प्रकार की मोटर पर कोई भी सूचित निर्णय लेने से पहले, इन भौतिक विशिष्टताओं को पहचानना और समझना आवश्यक है।

एक बार जब इंजीनियर इन सभी सवालों—गति, टॉर्क, हॉर्सपावर, लोड जड़त्व और भौतिक सीमाओं—का जवाब दे देते हैं, तो वे सबसे कुशल आकार की मोटर पर निर्णय ले सकते हैं। हालाँकि, निर्णय लेने की प्रक्रिया यहीं समाप्त नहीं होती। इंजीनियरों को यह भी पता लगाना होता है कि किस प्रकार की मोटर उस अनुप्रयोग के लिए सबसे उपयुक्त है। वर्षों से, अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए प्रकार का चुनाव दो विकल्पों में से एक तक सीमित रहा है: एक सर्वो मोटर या एक ओपन-लूप स्टेपर मोटर।

सर्वो और स्टेपर्स

सर्वो और ओपन-लूप स्टेपर मोटरों के संचालन सिद्धांत समान हैं। हालाँकि, दोनों के बीच कुछ प्रमुख अंतर हैं जिन्हें इंजीनियरों को यह तय करने से पहले समझना चाहिए कि किसी दिए गए अनुप्रयोग के लिए कौन सी मोटर आदर्श है।

पारंपरिक सर्वो प्रणालियों में, एक नियंत्रक मोटर के ड्राइव को पल्स और दिशा के माध्यम से या स्थिति, गति या टॉर्क से संबंधित एक एनालॉग कमांड के माध्यम से आदेश भेजता है। कुछ नियंत्रण बस-आधारित विधि का उपयोग कर सकते हैं, जो नवीनतम नियंत्रणों में आमतौर पर एक ईथरनेट-आधारित संचार विधि होती है। फिर ड्राइव मोटर के प्रत्येक फेज में उपयुक्त धारा भेजती है। मोटर फीडबैक मोटर के ड्राइव और, यदि आवश्यक हो, तो नियंत्रक को वापस भेजता है। ड्राइव मोटर को ठीक से कम्यूटेट करने और मोटर शाफ्ट की गतिशील स्थिति के बारे में सही जानकारी भेजने के लिए इस जानकारी पर निर्भर करता है। इसलिए, सर्वो मोटरों को क्लोज्ड-लूप मोटर माना जाता है और इनमें अंतर्निहित एनकोडर होते हैं, और स्थिति संबंधी डेटा अक्सर नियंत्रक को भेजा जाता है। यह फीडबैक नियंत्रक को मोटर पर अधिक नियंत्रण प्रदान करता है। यदि कोई चीज़ अपेक्षित तरीके से नहीं चल रही है, तो नियंत्रक अलग-अलग स्तरों पर संचालन में समायोजन कर सकता है। इस प्रकार की महत्वपूर्ण जानकारी एक ऐसा लाभ है जो ओपन-लूप स्टेपर मोटर प्रदान नहीं कर सकते।

स्टेपर मोटरें भी मोटर के चालक को भेजी गई कमांड पर काम करती हैं जो तय की गई दूरी और वेग को निर्धारित करती हैं। आमतौर पर, यह सिग्नल एक स्टेप-एंड-डायरेक्शन कमांड होता है। हालाँकि, ओपन-लूप स्टेपर ऑपरेटर्स को फीडबैक नहीं दे सकते, इसलिए उनके कंट्रोलर किसी स्थिति का सही आकलन नहीं कर पाते और मोटर के संचालन को बेहतर बनाने के लिए समायोजन नहीं कर पाते।

उदाहरण के लिए, यदि किसी मोटर का टॉर्क भार को संभालने के लिए पर्याप्त नहीं है, तो मोटर रुक सकती है या कुछ चरणों को छोड़ सकती है। ऐसा होने पर, लक्ष्य स्थिति प्राप्त नहीं होगी। स्टेपर मोटर की ओपन-लूप विशेषताओं को ध्यान में रखते हुए, यह गलत स्थिति नियंत्रक तक पर्याप्त रूप से नहीं पहुँच पाएगी ताकि वह समायोजन कर सके।

सर्वो मोटर के दक्षता और प्रदर्शन के मामले में स्पष्ट लाभ प्रतीत होते हैं, तो फिर कोई स्टेपर मोटर क्यों चुनेगा? इसके दो कारण हैं। सबसे आम कारण है कीमत; किसी भी डिज़ाइन संबंधी निर्णय लेने में परिचालन बजट एक महत्वपूर्ण कारक होता है। जैसे-जैसे बजट कम होता जाता है, अनावश्यक लागतों को कम करने के लिए निर्णय लेने पड़ते हैं। यह न केवल मोटर की लागत को दर्शाता है, बल्कि सर्वो की तुलना में स्टेपर मोटरों का नियमित और आपातकालीन रखरखाव भी कम खर्चीला होता है। इसलिए, यदि सर्वो मोटर के लाभ उसकी लागत को उचित नहीं ठहराते हैं, तो एक मानक स्टेपर मोटर पर्याप्त हो सकती है।

विशुद्ध रूप से परिचालन के दृष्टिकोण से, स्टेपर मोटरों का उपयोग मानक सर्वो मोटरों की तुलना में काफ़ी आसान होता है। स्टेपर मोटर का संचालन समझना और कॉन्फ़िगर करना कहीं अधिक आसान है। अधिकांश कर्मचारी इस बात से सहमत होंगे कि यदि संचालन को अत्यधिक जटिल बनाने का कोई कारण नहीं है, तो चीजों को सरल रखें।

दोनों अलग-अलग मोटर प्रकारों के फायदे बहुत अलग हैं। अगर आपको 3,000 आरपीएम से ज़्यादा गति और ज़्यादा टॉर्क वाली मोटर चाहिए, तो सर्वो मोटर आदर्श हैं। हालाँकि, ऐसे अनुप्रयोगों के लिए जिनमें केवल कुछ सौ आरपीएम या उससे कम की गति की आवश्यकता होती है, सर्वो मोटर हमेशा सबसे अच्छा विकल्प नहीं होती। कम गति वाले अनुप्रयोगों के लिए सर्वो मोटर ज़रूरत से ज़्यादा उपयोगी हो सकती हैं।

कम गति वाले अनुप्रयोगों में स्टेपर मोटर सबसे बेहतरीन समाधान साबित होते हैं। स्टेपर मोटर न केवल रुकने पर दोहराई जा सकती हैं, बल्कि इन्हें उच्च टॉर्क प्रदान करते हुए कम गति पर चलने के लिए भी डिज़ाइन किया गया है। इस डिज़ाइन की प्रकृति के कारण, स्टेपर मोटरों को नियंत्रित किया जा सकता है और उनकी गति सीमा तक चलाया जा सकता है। सामान्य स्टेपर मोटरों की गति सीमा आमतौर पर 1,000 आरपीएम से कम होती है, जबकि सर्वो मोटरों की रेटेड गति 3,000 आरपीएम या उससे अधिक हो सकती है—कभी-कभी 7,000 आरपीएम से भी अधिक।

अगर स्टेपर का आकार सही हो, तो यह एक बेहतरीन विकल्प हो सकता है। हालाँकि, जब स्टेपर मोटर ओपन-लूप कॉन्फ़िगरेशन पर चल रही हो और कुछ गड़बड़ हो जाए, तो ऑपरेटरों को समस्या को ठीक करने के लिए ज़रूरी सभी डेटा नहीं मिल पाते।

ओपन-लूप समस्या का समाधान

पिछले कुछ दशकों में, ओपन-लूप स्टेपर्स से जुड़ी पारंपरिक समस्याओं को हल करने के लिए कई अलग-अलग तरीके अपनाए गए हैं। पावर-अप के दौरान, या किसी एप्लिकेशन के दौरान कई बार मोटर को सेंसर से जोड़ना, एक तरीका था। हालाँकि यह आसान है, लेकिन इससे काम धीमा हो जाता है और सामान्य ऑपरेटिंग प्रक्रियाओं के दौरान आने वाली समस्याओं का पता नहीं चलता।

मोटर के रुकने या अपनी स्थिति से बाहर होने का पता लगाने के लिए फीडबैक जोड़ना एक और तरीका है। गति नियंत्रण कंपनियों के इंजीनियरों ने "ठहराव का पता लगाने" और "स्थिति बनाए रखने" की सुविधाएँ विकसित की हैं। कुछ दृष्टिकोण तो इससे भी आगे बढ़ गए हैं जो स्टेपर मोटर्स को सर्वो की तरह ही मानते हैं, या कम से कम आकर्षक एल्गोरिदम के साथ उनकी नकल करते हैं।

मोटरों के विशाल स्पेक्ट्रम में—सर्वो और ओपन-लूप स्टेपर मोटरों के बीच—एक नई तकनीक मौजूद है जिसे क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर के नाम से जाना जाता है। यह उन अनुप्रयोगों की समस्या को हल करने का सबसे अच्छा और सबसे किफ़ायती तरीका है जिनमें स्थितिगत सटीकता और कम गति की आवश्यकता होती है। लूप को बंद करने के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन फ़ीडबैक उपकरणों का उपयोग करके, इंजीनियर "दोनों दुनियाओं का सर्वश्रेष्ठ" लाभ उठा सकते हैं।

क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर्स, स्टेपर मोटर्स के सभी फायदे प्रदान करते हैं: उपयोग में आसानी, सरलता, और कम गति पर भी सटीक स्टॉपिंग के साथ लगातार चलने की क्षमता। इसके अलावा, ये सर्वो मोटर्स जैसी फीडबैक क्षमताएँ भी प्रदान करते हैं। सौभाग्य से, इनमें सर्वो मोटर्स का सबसे बड़ा नुकसान, यानी ज़्यादा कीमत, नहीं होता।

ओपन-लूप स्टेपर मोटरों के काम करने के तरीके में हमेशा से ही मुख्य बात रही है। इनमें आमतौर पर दो कुंडलियाँ होती हैं, कभी-कभी पाँच, और उनके बीच एक चुंबकीय संतुलन क्रिया होती है। गति इस संतुलन को बिगाड़ देती है, जिससे मोटर का शाफ्ट विद्युत रूप से पीछे चला जाता है, लेकिन ऑपरेटर यह नहीं जान पाता कि यह कितना पीछे चला गया है। ओपन-लूप स्टेपर के लिए रुकने का बिंदु दोहराया जा सकता है, लेकिन सभी भारों के लिए नहीं। स्टेपर पर एक एनकोडर लगाकर उसे एक बंद लूप में बदलने से कुछ गतिशील नियंत्रण मिलता है। इससे ऑपरेटर अलग-अलग भारों के तहत एक सटीक स्थान पर रुक सकते हैं।

कुछ अनुप्रयोगों में क्लोज़्ड-लूप स्टेपर मोटर्स के उपयोग के इन लाभों ने गति-नियंत्रण समुदाय में इन मोटर्स की लोकप्रियता में तेज़ी से वृद्धि की है। विशेष रूप से, दो प्रमुख उद्योगों, अर्धचालक और चिकित्सा उपकरण निर्माताओं, में क्लोज़्ड-लूप स्टेपर मोटर्स के उपयोग में स्पष्ट वृद्धि देखी गई है। इन उद्योगों में इंजीनियरों को यह ठीक से पता होना चाहिए कि मोटरों ने लोड या एक्चुएटर्स को कहाँ रखा है, चाहे वह बेल्ट को शक्ति प्रदान करे या बॉल स्क्रू को। इन स्टेपर्स में क्लोज़्ड-लूप फ़ीडबैक उन्हें यह ठीक से बताता है कि यह कहाँ स्थित है। ये स्टेपर्स कम गति पर सर्वो की तुलना में बेहतर प्रदर्शन भी प्रदान कर सकते हैं।

सामान्यतः, कोई भी अनुप्रयोग जिसमें सर्वो मोटर की तुलना में कम लागत पर गारंटीकृत प्रदर्शन की आवश्यकता होती है, तथा अपेक्षाकृत कम गति पर चलने की क्षमता होती है, वह बंद-लूप स्टेपर मोटर के लिए एक अच्छा विकल्प है।

ध्यान रखें, ऑपरेटरों को यह सुनिश्चित करना ज़रूरी है कि ड्राइव या नियंत्रण क्लोज़्ड-लूप स्टेपर मोटर्स को सपोर्ट करते हों। पहले, आपको पीछे एनकोडर वाला स्टेपर मिल सकता था, लेकिन ड्राइव एक मानक स्टेपर ड्राइव थी और एनकोडर को सपोर्ट नहीं करती थी। एनकोडर को कंट्रोलर के पास वापस ले जाना पड़ता था और किसी भी मूव के अंत में स्थिति सत्यापन लागू करना पड़ता था। नए क्लोज़्ड-लूप स्टेपर ड्राइव के साथ यह ज़रूरी नहीं है। क्लोज़्ड-लूप स्टेपर ड्राइव, कंट्रोलर की मदद के बिना, गतिशील और स्वचालित रूप से स्थिति और गति नियंत्रण संभाल सकते हैं।