जिन कार्यों को आमतौर पर सर्वो मोटर्स द्वारा किया जाता है, उनके लिए क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर्स सबसे अच्छा विकल्प हो सकती हैं क्योंकि पारंपरिक स्टेपर मोटर्स उन्हें संभाल नहीं सकती थीं।

किसी भी प्रकार की गति नियंत्रण प्रक्रिया को डिजाइन करते समय इंजीनियरों द्वारा लिए जाने वाले सबसे महत्वपूर्ण निर्णयों में से एक मोटर का चयन है। सही मोटर का चुनाव, प्रकार और आकार दोनों के लिहाज से, अंतिम मशीन की परिचालन दक्षता के लिए अत्यंत आवश्यक है। इसके अलावा, यह सुनिश्चित करना कि मोटर बजट से बाहर न जाए, हमेशा एक प्रमुख चिंता का विषय होता है।

निर्णय लेने से पहले जिन पहले सवालों के जवाब देने होते हैं, उनमें से एक यह है: किस प्रकार की मोटर सबसे अच्छी रहेगी? क्या इस काम के लिए उच्च-प्रदर्शन वाली सर्वो मोटर की आवश्यकता है? क्या कम लागत वाली स्टेपर मोटर बेहतर रहेगी? या फिर कोई तीसरा, बीच का विकल्प भी हो सकता है जिस पर विचार किया जा सके?

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

आवश्यकताएं

मोटर को प्रति मिनट कितने चक्र पूरे करने होंगे? कितना टॉर्क आवश्यक है? आवश्यक अधिकतम गति कितनी है?

इन महत्वपूर्ण सवालों का समाधान केवल एक निश्चित हॉर्सपावर वाली मोटर का चयन करके नहीं किया जा सकता है।

किसी मोटर की शक्ति उत्पादन क्षमता टॉर्क और गति का संयोजन है, जिसकी गणना गति, टॉर्क और एक स्थिरांक के गुणनफल द्वारा की जा सकती है।

इस गणना की प्रकृति के कारण, टॉर्क और गति के कई अलग-अलग संयोजन होते हैं जिनसे एक विशिष्ट शक्ति उत्पादन प्राप्त होता है। इस प्रकार, समान शक्ति रेटिंग वाले विभिन्न मोटर, गति और टॉर्क के संयोजन के कारण अलग-अलग तरीके से कार्य कर सकते हैं।

किसी निश्चित आकार के भार को कितनी गति से चलाना है, यह जानने के बाद ही इंजीनियर आत्मविश्वास से सबसे उपयुक्त मोटर का चुनाव कर सकते हैं। किया जाने वाला कार्य भी मोटर के टॉर्क/गति वक्र के अनुरूप होना चाहिए। यह वक्र दर्शाता है कि संचालन के दौरान मोटर का टॉर्क कैसे बदलता है। सबसे खराब स्थिति की धारणाओं (यानी, कार्य के लिए आवश्यक अधिकतम/न्यूनतम टॉर्क और गति का निर्धारण) का उपयोग करके, इंजीनियर यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि चुनी गई मोटर का टॉर्क/गति वक्र पर्याप्त है।

मोटर का चुनाव करने से पहले, लोड की जड़ता एक और महत्वपूर्ण कारक है जिस पर विचार करना आवश्यक है। लोड और मोटर की जड़ता के बीच तुलना करके जड़ता अनुपात की गणना करना आवश्यक है। एक सामान्य नियम यह है कि यदि लोड की जड़ता रोटर की जड़ता से 10 गुना अधिक हो, तो मोटर को ट्यून करना अधिक कठिन हो सकता है और प्रदर्शन प्रभावित हो सकता है। लेकिन यह नियम न केवल तकनीक के अनुसार, बल्कि आपूर्तिकर्ता और उत्पाद के अनुसार भी भिन्न होता है। किसी अनुप्रयोग की गंभीरता भी इस निर्णय को प्रभावित करती है। कुछ उत्पाद 30-से-1 तक के अनुपात को संभाल सकते हैं, जबकि डायरेक्ट ड्राइव 200-से-1 तक के अनुपात पर काम करते हैं। कई लोग 10-से-1 से अधिक अनुपात वाली मोटर का आकार तय करना पसंद नहीं करते हैं।

अंत में, क्या ऐसी कोई भौतिक सीमाएँ हैं जो एक मोटर को दूसरी मोटर से बेहतर बनाती हैं? मोटरें विभिन्न आकारों और आकृतियों में आती हैं। कुछ मामलों में, मोटरें बड़ी और भारी होती हैं, और कुछ कार्यों के लिए एक निश्चित आकार की मोटर उपयुक्त नहीं होती। सर्वोत्तम प्रकार की मोटर का चयन करने से पहले, इन भौतिक विशिष्टताओं को पहचानना और समझना आवश्यक है।

एक बार जब इंजीनियर गति, टॉर्क, हॉर्सपावर, लोड इनर्शिया और भौतिक सीमाओं जैसे सभी सवालों के जवाब दे देते हैं, तो वे सबसे कुशल आकार की मोटर का चयन कर सकते हैं। हालांकि, निर्णय लेने की प्रक्रिया यहीं समाप्त नहीं होती। इंजीनियरों को यह भी पता लगाना होता है कि किस प्रकार की मोटर एप्लिकेशन के लिए सबसे उपयुक्त है। वर्षों से, अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए मोटर के प्रकार का चुनाव दो विकल्पों तक ही सीमित था: एक सर्वो मोटर या एक ओपन-लूप स्टेपर मोटर।

सर्वो और स्टेपर

सर्वो और ओपन-लूप स्टेपर मोटरों के संचालन सिद्धांत समान हैं। हालांकि, इन दोनों में कुछ महत्वपूर्ण अंतर हैं जिन्हें इंजीनियरों को यह तय करने से पहले समझना चाहिए कि किसी विशेष अनुप्रयोग के लिए कौन सी मोटर आदर्श है।

परंपरागत सर्वो प्रणालियों में, नियंत्रक पल्स और दिशा या स्थिति, गति या टॉर्क से संबंधित एनालॉग कमांड के माध्यम से मोटर के ड्राइव को निर्देश भेजता है। कुछ नियंत्रक बस-आधारित विधि का उपयोग कर सकते हैं, जो नवीनतम नियंत्रकों में आमतौर पर ईथरनेट-आधारित संचार विधि होती है। ड्राइव फिर मोटर के प्रत्येक चरण को उपयुक्त करंट भेजता है। मोटर का फीडबैक मोटर के ड्राइव और, यदि आवश्यक हो, तो नियंत्रक तक वापस पहुँचता है। ड्राइव इस जानकारी पर निर्भर करता है ताकि मोटर को ठीक से संचालित किया जा सके और मोटर शाफ्ट की गतिशील स्थिति के बारे में सटीक जानकारी भेजी जा सके। इसलिए, सर्वो मोटरों को क्लोज्ड-लूप मोटर माना जाता है और इनमें अंतर्निर्मित एनकोडर होते हैं, और स्थिति संबंधी डेटा लगातार नियंत्रक को भेजा जाता है। यह फीडबैक नियंत्रक को मोटर पर अधिक नियंत्रण प्रदान करता है। यदि कुछ ठीक से काम नहीं कर रहा है, तो नियंत्रक संचालन में विभिन्न स्तरों पर समायोजन कर सकता है। इस प्रकार की महत्वपूर्ण जानकारी ओपन-लूप स्टेपर मोटरों का लाभ नहीं है।

स्टेपर मोटरें भी मोटर के ड्राइव को भेजे गए निर्देशों के आधार पर दूरी और गति निर्धारित करती हैं। आमतौर पर, यह संकेत एक स्टेप और दिशा का निर्देश होता है। हालांकि, ओपन-लूप स्टेपर मोटरें ऑपरेटरों को फीडबैक नहीं दे सकतीं, इसलिए उनके नियंत्रण किसी स्थिति का सही आकलन नहीं कर सकते और मोटर के संचालन को बेहतर बनाने के लिए आवश्यक समायोजन नहीं कर सकते।

उदाहरण के लिए, यदि मोटर का टॉर्क लोड को संभालने के लिए पर्याप्त नहीं है, तो मोटर रुक सकती है या कुछ चरणों को पूरा करने में चूक 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 को ठीक से नहीं भेजी जाएगी ताकि वह समायोजन कर सके।

दक्षता और प्रदर्शन के मामले में सर्वो मोटर के स्पष्ट लाभ दिखाई देते हैं, तो फिर कोई स्टेपर मोटर क्यों चुनेगा? इसके कई कारण हैं। सबसे आम कारण कीमत है; किसी भी डिज़ाइन संबंधी निर्णय लेते समय परिचालन बजट एक महत्वपूर्ण कारक होता है। बजट कम होने पर अनावश्यक खर्चों में कटौती करनी पड़ती है। यह न केवल मोटर की लागत पर लागू होता है, बल्कि स्टेपर मोटरों का नियमित और आपातकालीन रखरखाव सर्वो मोटरों की तुलना में सस्ता 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 परिचालन दृष्टिकोण से देखें तो, स्टेपर मोटर मानक सर्वो मोटरों की तुलना में उपयोग में कहीं अधिक आसान होती हैं। स्टेपर मोटर को चलाना समझना और कॉन्फ़िगर करना बहुत सरल है। अधिकांश कर्मचारी इस बात से सहमत होंगे कि यदि संचालन को अनावश्यक रूप से जटिल बनाने का कोई कारण नहीं है, तो चीजों को सरल ही रखना चाहिए।

दो अलग-अलग प्रकार की मोटरों के फायदे काफी भिन्न हैं। सर्वो मोटरें तब आदर्श होती हैं जब आपको 3,000 आरपीएम से अधिक गति और उच्च टॉर्क वाली मोटर की आवश्यकता हो। हालांकि, कुछ सौ आरपीएम या उससे कम गति की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, सर्वो मोटर हमेशा सबसे अच्छा विकल्प नहीं होती है। कम गति वाले अनुप्रयोगों के लिए सर्वो मोटरें आवश्यकता से अधिक शक्तिशाली हो सकती हैं।

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

यदि स्टेपर मोटर का आकार सही हो, तो यह एक आदर्श विकल्प हो सकता है। हालांकि, जब स्टेपर मोटर ओपन-लूप कॉन्फ़िगरेशन में चल रही हो और कोई समस्या उत्पन्न हो जाए, तो ऑपरेटरों को समस्या को ठीक करने के लिए आवश्यक सभी डेटा प्राप्त नहीं हो सकता है।

ओपन-लूप समस्या का समाधान

पिछले कुछ दशकों में, ओपन-लूप स्टेपर मोटर्स की पारंपरिक समस्याओं को हल करने के लिए कई अलग-अलग दृष्टिकोण प्रस्तुत किए गए हैं। पावर ऑन होने पर मोटर को सेंसर की ओर निर्देशित करना, या किसी एप्लिकेशन के दौरान कई बार ऐसा करना, एक तरीका था। हालांकि यह सरल है, लेकिन इससे संचालन धीमा हो जाता है और सामान्य परिचालन प्रक्रियाओं के दौरान उत्पन्न होने वाली समस्याओं का पता नहीं चल पाता है।

मोटर के रुकने या अपनी जगह से हटने का पता लगाने के लिए फीडबैक जोड़ना एक और तरीका है। मोशन कंट्रोल कंपनियों के इंजीनियरों ने "स्टॉल डिटेक्शन" और "पोजीशन मेंटेनेंस" जैसी सुविधाएं विकसित की हैं। कुछ ऐसे तरीके भी हैं जो इससे भी आगे बढ़कर स्टेपर मोटर्स को सर्वो मोटर्स की तरह मानते हैं, या कम से कम उन्नत एल्गोरिदम का उपयोग करके उनकी नकल करते हैं।

मोटरों की व्यापक श्रेणी में—सर्वो और ओपन-लूप स्टेपर मोटरों के बीच—क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर नामक एक अपेक्षाकृत नई तकनीक मौजूद है। यह उन अनुप्रयोगों की समस्या का सबसे अच्छा और किफायती समाधान है जिनमें स्थितिगत सटीकता और कम गति की आवश्यकता होती है। लूप को बंद करने के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन फीडबैक उपकरणों का उपयोग करके, इंजीनियर दोनों दुनियाओं का सर्वोत्तम लाभ उठा सकते हैं।

क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर्स, स्टेपर मोटर्स के सभी फायदे प्रदान करती हैं: उपयोग में आसानी, सरलता और सटीक स्टॉपिंग के साथ कम गति पर लगातार चलने की क्षमता। साथ ही, ये सर्वो मोटर्स की तरह फीडबैक क्षमता भी प्रदान करती हैं। अच्छी बात यह है कि इसमें सर्वो मोटर्स की सबसे बड़ी कमी, यानी अधिक कीमत, नहीं होती।

ओपन-लूप स्टेपर मोटर्स की कार्यप्रणाली हमेशा से ही महत्वपूर्ण रही है। इनमें आमतौर पर दो कॉइल होते हैं, कभी-कभी पाँच भी, जिनके बीच चुंबकीय संतुलन बना रहता है। गति इस संतुलन को बिगाड़ देती है, जिससे मोटर का शाफ्ट विद्युत रूप से पीछे रह जाता है, लेकिन ऑपरेटर को यह पता नहीं चल पाता कि वह कितना पीछे रह गया है। ओपन-लूप स्टेपर मोटर्स के लिए स्टॉपिंग पॉइंट निश्चित होता है, लेकिन सभी लोड के लिए नहीं। स्टेपर पर एनकोडर लगाने और इसे क्लोज्ड-लूप बनाने से कुछ हद तक डायनामिक कंट्रोल मिलता है। इससे ऑपरेटर अलग-अलग लोड के तहत सटीक स्थान पर मोटर रोक सकते हैं।

कुछ विशिष्ट अनुप्रयोगों में क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर्स के उपयोग से मिलने वाले लाभों ने मोशन-कंट्रोल क्षेत्र में इनकी लोकप्रियता को तेज़ी से बढ़ाया है। विशेष रूप से, दो प्रमुख उद्योगों, सेमीकंडक्टर और चिकित्सा उपकरण निर्माताओं में, क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर्स का उपयोग स्पष्ट रूप से बढ़ रहा है। इन उद्योगों के इंजीनियरों को यह जानना आवश्यक है कि मोटर ने लोड या एक्चुएटर्स को ठीक कहाँ स्थापित किया है, चाहे वह बेल्ट को पावर दे रहा हो या बॉल स्क्रू को। इन स्टेपर मोटर्स में मौजूद क्लोज्ड-लूप फीडबैक उन्हें लोड या एक्चुएटर्स की सटीक स्थिति का पता लगाने में मदद करता है। ये स्टेपर मोटर्स कम गति पर सर्वो मोटर्स की तुलना में बेहतर प्रदर्शन भी प्रदान कर सकती हैं।

सामान्य तौर पर, कोई भी ऐसा अनुप्रयोग जिसमें सर्वो मोटर की तुलना में कम लागत पर गारंटीकृत प्रदर्शन की आवश्यकता होती है, और अपेक्षाकृत कम गति पर चलने की क्षमता होती है, वह क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर्स के लिए एक अच्छा विकल्प है।

ध्यान रखें, ऑपरेटरों को यह सुनिश्चित करना होगा कि ड्राइव या कंट्रोल सिस्टम क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर्स को सपोर्ट करते हों। पहले, आपको पीछे की तरफ एनकोडर वाला स्टेपर मिल जाता था, लेकिन ड्राइव एक स्टैंडर्ड स्टेपर ड्राइव होता था और एनकोडर को सपोर्ट नहीं करता था। एनकोडर को कंट्रोलर तक ले जाना पड़ता था और किसी भी मूवमेंट के अंत में पोजीशन वेरिफिकेशन करना आवश्यक होता था। नए क्लोज्ड-लूप स्टेपर ड्राइव्स में इसकी आवश्यकता नहीं है। क्लोज्ड-लूप स्टेपर ड्राइव्स कंट्रोलर की मदद के बिना ही डायनामिकली और ऑटोमैटिकली पोजीशन और स्पीड कंट्रोल कर सकते हैं।