स्वचालन उपकरणों में स्टेपर मोटर्स का चयन

स्टेपर मोटर्सस्टेपर ड्राइव का उपयोग फीडबैक उपकरणों के बिना गति नियंत्रण और स्थिति नियंत्रण के लिए किया जा सकता है (अर्थात ओपन-लूप नियंत्रण), इसलिए यह ड्राइव समाधान किफायती और विश्वसनीय दोनों है। स्वचालन उपकरणों और यंत्रों में स्टेपर ड्राइव का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। लेकिन कई तकनीकी कर्मियों को उपयुक्त स्टेपर मोटर का चयन कैसे करें, स्टेपर ड्राइव से सर्वोत्तम प्रदर्शन कैसे प्राप्त करें या ऐसे कई अन्य प्रश्न होते हैं। यह लेख स्टेपर मोटर के चयन पर चर्चा करता है, जिसमें स्टेपर मोटर इंजीनियरिंग के कुछ अनुभवों पर ध्यान केंद्रित किया गया है। आशा है कि स्वचालन उपकरणों में स्टेपर मोटरों के प्रसार में यह एक उपयोगी संदर्भ साबित होगा।

 

1. परिचयस्टेपर मोटर

स्टेपर मोटर को पल्स मोटर या स्टेप मोटर भी कहा जाता है। इनपुट पल्स सिग्नल के अनुसार उत्तेजना अवस्था में परिवर्तन होने पर यह एक निश्चित कोण से आगे बढ़ती है, और उत्तेजना अवस्था अपरिवर्तित रहने पर एक निश्चित स्थिति में स्थिर रहती है। इससे स्टेपर मोटर इनपुट पल्स सिग्नल को आउटपुट के लिए संगत कोणीय विस्थापन में परिवर्तित कर पाती है। इनपुट पल्स की संख्या को नियंत्रित करके आप आउटपुट के कोणीय विस्थापन को सटीक रूप से निर्धारित कर सकते हैं ताकि सर्वोत्तम स्थिति प्राप्त की जा सके; और इनपुट पल्स की आवृत्ति को नियंत्रित करके आप आउटपुट की कोणीय गति को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकते हैं और गति विनियमन का उद्देश्य प्राप्त कर सकते हैं। 1960 के दशक के उत्तरार्ध में, विभिन्न प्रकार की व्यावहारिक स्टेपर मोटरें अस्तित्व में आईं, और पिछले 40 वर्षों में इनका तीव्र विकास हुआ है। स्टेपर मोटरें डीसी मोटरों, अतुल्यकालिक मोटरों और तुल्यकालिक मोटरों के साथ-साथ एक बुनियादी प्रकार की मोटर बन गई हैं। स्टेपर मोटरें तीन प्रकार की होती हैं: प्रतिक्रियाशील (वीआर प्रकार), स्थायी चुंबक (पीएम प्रकार) और हाइब्रिड (एचबी प्रकार)। हाइब्रिड स्टेपर मोटर, स्टेपर मोटर के पहले दो रूपों के फायदों को मिलाकर बनाई जाती है। स्टेपर मोटर में एक रोटर (रोटर कोर, स्थायी चुंबक, शाफ्ट, बॉल बेयरिंग), एक स्टेटर (वाइंडिंग, स्टेटर कोर), आगे और पीछे के एंड कैप आदि होते हैं। सबसे आम दो-फेज हाइब्रिड स्टेपर मोटर में 8 बड़े दांत, 40 छोटे दांत वाला स्टेटर और 50 छोटे दांत वाला रोटर होता है; जबकि तीन-फेज मोटर में 9 बड़े दांत, 45 छोटे दांत वाला स्टेटर और 50 छोटे दांत वाला रोटर होता है।

 

2. नियंत्रण सिद्धांत

स्टेपर मोटरइसे सीधे बिजली आपूर्ति से नहीं जोड़ा जा सकता है, न ही यह सीधे विद्युत पल्स सिग्नल प्राप्त कर सकता है; इसलिए इसे बिजली आपूर्ति और नियंत्रक के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए एक विशेष इंटरफ़ेस - स्टेपर मोटर ड्राइवर - के माध्यम से ही संचालित किया जाना चाहिए। स्टेपर मोटर ड्राइवर में आमतौर पर एक रिंग डिस्ट्रीब्यूटर और एक पावर एम्पलीफायर सर्किट होता है। रिंग डिस्ट्रीब्यूटर नियंत्रक से नियंत्रण सिग्नल प्राप्त करता है। प्रत्येक पल्स सिग्नल प्राप्त होने पर, रिंग डिस्ट्रीब्यूटर का आउटपुट एक बार परिवर्तित होता है, जिससे पल्स सिग्नल की उपस्थिति या अनुपस्थिति और आवृत्ति के आधार पर यह निर्धारित किया जा सकता है कि स्टेपर मोटर की गति अधिक है या कम, त्वरण है या मंदन, और यह शुरू या बंद हो रही है। रिंग डिस्ट्रीब्यूटर को नियंत्रक से दिशा सिग्नल की निगरानी भी करनी चाहिए ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि इसके आउटपुट स्टेट ट्रांजिशन सकारात्मक हैं या नकारात्मक, और इस प्रकार स्टेपर मोटर की स्टीयरिंग निर्धारित की जा सके।

 

3. मुख्य मापदंड

① ब्लॉक संख्या: मुख्यतः 20, 28, 35, 42, 57, 60, 86, आदि।

② फेज संख्या: स्टेपर मोटर के अंदर कॉइल्स की संख्या। स्टेपर मोटर में आमतौर पर दो-फेज, तीन-फेज और पांच-फेज होते हैं। चीन में मुख्य रूप से दो-फेज स्टेपर मोटर का उपयोग होता है, हालांकि तीन-फेज स्टेपर मोटर का भी कुछ उपयोग होता है। जापान में पांच-फेज स्टेपर मोटर का अधिक उपयोग होता है।

③ स्टेप कोण: पल्स सिग्नल के अनुरूप, मोटर रोटर के घूर्णन का कोणीय विस्थापन। स्टेपर मोटर के स्टेप कोण की गणना का सूत्र निम्न है।

स्टेप कोण = 360° ÷ (2mz)

स्टेपर मोटर के चरणों की संख्या m है।

Z एक स्टेपर मोटर के रोटर के दांतों की संख्या है।

उपरोक्त सूत्र के अनुसार, दो-फेज, तीन-फेज और पांच-फेज स्टेपर मोटरों का स्टेप कोण क्रमशः 1.8°, 1.2° और 0.72° है।

④ होल्डिंग टॉर्क: यह मोटर की स्टेटर वाइंडिंग का वह टॉर्क है जो रेटेड करंट के माध्यम से प्रवाहित होता है, लेकिन रोटर को घुमाता नहीं है; स्टेटर रोटर को लॉक कर देता है। होल्डिंग टॉर्क स्टेपर मोटर्स का सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर है और मोटर के चयन का मुख्य आधार है।

⑤ स्थिति निर्धारण टॉर्क: यह वह टॉर्क है जो मोटर में करंट प्रवाहित न होने पर बाहरी बल द्वारा रोटर को घुमाने के लिए आवश्यक होता है। टॉर्क मोटर के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने वाले प्रमुख मापदंडों में से एक है। अन्य पैरामीटर समान होने पर, स्थिति निर्धारण टॉर्क जितना कम होगा, "स्लॉट प्रभाव" उतना ही कम होगा, जिससे कम गति पर मोटर का सुचारू संचालन सुनिश्चित होता है। टॉर्क आवृत्ति विशेषताएँ: मुख्य रूप से खींची गई टॉर्क आवृत्ति विशेषताओं को संदर्भित करती हैं। एक निश्चित गति पर स्थिर संचालन के दौरान मोटर बिना गति खोए अधिकतम टॉर्क सहन कर सकती है। अधिकतम टॉर्क और गति (आवृत्ति) के बीच संबंध को दर्शाने के लिए क्षण-आवृत्ति वक्र का उपयोग किया जाता है। टॉर्क आवृत्ति वक्र स्टेपर मोटर का एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है और मोटर चयन का मुख्य आधार है।

⑥ रेटेड करंट: रेटेड टॉर्क को बनाए रखने के लिए आवश्यक मोटर वाइंडिंग करंट, प्रभावी मान

 

4. अंक चुनना

औद्योगिक अनुप्रयोगों में उपयोग होने वाली स्टेपर मोटर की गति 600 से 1500 आरपीएम तक होती है। इससे अधिक गति के लिए, आप क्लोज्ड-लूप स्टेपर मोटर ड्राइव पर विचार कर सकते हैं, या अधिक उपयुक्त सर्वो ड्राइव प्रोग्राम का उपयोग करके स्टेपर मोटर का चयन कर सकते हैं (नीचे दिए गए चित्र को देखें)।

 

(1) चरण कोण का चयन

मोटर के फेज़ों की संख्या के आधार पर, तीन प्रकार के स्टेप कोण होते हैं: 1.8° (दो-फेज़), 1.2° (तीन-फेज़), 0.72° (पांच-फेज़)। निःसंदेह, पांच-फेज़ स्टेप कोण की सटीकता सबसे अधिक होती है, लेकिन इसके मोटर और ड्राइवर अधिक महंगे होते हैं, इसलिए चीन में इसका उपयोग कम ही होता है। इसके अलावा, आजकल मुख्यधारा के स्टेपर ड्राइवर सबडिवीजन ड्राइव तकनीक का उपयोग कर रहे हैं, जिससे चार सबडिवीजन से नीचे के स्टेप कोण की सटीकता सुनिश्चित की जा सकती है। इसलिए, यदि केवल स्टेप कोण की सटीकता को ही ध्यान में रखा जाए, तो पांच-फेज़ स्टेपर मोटर को दो-फेज़ या तीन-फेज़ स्टेपर मोटर से बदला जा सकता है। उदाहरण के लिए, 5 मिमी स्क्रू लोड के लिए किसी प्रकार के लीड के अनुप्रयोग में, यदि दो-चरण स्टेपिंग मोटर का उपयोग किया जाता है और ड्राइवर को 4 उपखंडों पर सेट किया जाता है, तो मोटर के प्रति क्रांति पल्स की संख्या 200 x 4 = 800 होती है, और पल्स समतुल्य 5 ÷ 800 = 0.00625 मिमी = 6.25 μm होता है, यह सटीकता अधिकांश अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है।

(2) स्थैतिक टॉर्क (होल्डिंग टॉर्क) चयन

सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले भार संचरण तंत्रों में सिंक्रोनस बेल्ट, फिलामेंट बार, रैक और पिनियन आदि शामिल हैं। ग्राहक सबसे पहले अपनी मशीन के भार (मुख्यतः त्वरण टॉर्क और घर्षण टॉर्क) की गणना करते हैं, जिसे मोटर शाफ्ट पर आवश्यक भार टॉर्क में परिवर्तित किया जाता है। फिर, इलेक्ट्रिक फ्लावर की अधिकतम चलने की गति के अनुसार, 300pm या उससे कम की आवश्यक मोटर गति के अनुप्रयोग के लिए स्टेपर मोटर ① के उपयुक्त होल्डिंग टॉर्क का चयन करने के लिए निम्नलिखित दो अलग-अलग उपयोग के मामले हैं: यदि मशीन लोड को मोटर शाफ्ट के आवश्यक लोड टॉर्क T1 में परिवर्तित किया जाता है, तो इस लोड टॉर्क को सुरक्षा कारक SF (आमतौर पर 1.5-2.0 लिया जाता है) से गुणा किया जाता है, यानी आवश्यक स्टेपर मोटर होल्डिंग टॉर्क Tn ②2। 300pm या उससे अधिक की मोटर गति की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए: अधिकतम गति Nmax सेट करें, यदि मशीन लोड को मोटर शाफ्ट में परिवर्तित किया जाता है, तो आवश्यक लोड टॉर्क T1 होता है, फिर इस लोड टॉर्क को सुरक्षा कारक SF (आमतौर पर 2.5-3.5) से गुणा किया जाता है, जिससे होल्डिंग टॉर्क Tn प्राप्त होता है। चित्र 4 देखें और एक उपयुक्त मॉडल का चयन करें। इसके बाद मोमेंट-फ़्रीक्वेंसी कर्व का उपयोग करके जाँच और तुलना करें: मोमेंट-फ़्रीक्वेंसी कर्व पर, उपयोगकर्ता द्वारा आवश्यक अधिकतम गति Nmax, T2 के अधिकतम लॉस्ट स्टेप टॉर्क के अनुरूप होती है, इसलिए T2 का अधिकतम लॉस्ट स्टेप टॉर्क, T1 से 20% से अधिक होना चाहिए। अन्यथा, अधिक टॉर्क वाली नई मोटर का चयन करना आवश्यक है, और नई चयनित मोटर के टॉर्क फ़्रीक्वेंसी कर्व के अनुसार पुनः जाँच और तुलना करें।

(3) मोटर बेस संख्या जितनी बड़ी होगी, होल्डिंग टॉर्क उतना ही बड़ा होगा।

(4) रेटेड करंट के अनुसार मैचिंग स्टेपर ड्राइवर का चयन करना।

उदाहरण के लिए, यदि 57CM23 मोटर की रेटेड धारा 5A है, तो आपको ड्राइव की अधिकतम अनुमत धारा 5A से अधिक का चयन करना होगा (ध्यान दें कि यह प्रभावी मान है, शिखर मान नहीं), अन्यथा यदि आप केवल 3A की अधिकतम धारा वाली ड्राइव का चयन करते हैं, तो मोटर का अधिकतम आउटपुट टॉर्क केवल लगभग 60% ही हो सकता है!

5. आवेदन अनुभव

(1) स्टेपर मोटर की निम्न आवृत्ति अनुनाद समस्या

सबडिविजन स्टेपर ड्राइव, स्टेपर मोटरों के निम्न आवृत्ति अनुनाद को कम करने का एक प्रभावी तरीका है। 150 आरपीएम से नीचे, सबडिविजन ड्राइव मोटर के कंपन को कम करने में बहुत कारगर है। सैद्धांतिक रूप से, सबडिविजन जितना अधिक होगा, स्टेपर मोटर के कंपन को कम करने में उतना ही बेहतर प्रभाव पड़ेगा, लेकिन वास्तविक स्थिति यह है कि सबडिविजन को 8 या 16 तक बढ़ाने पर ही स्टेपर मोटर के कंपन को कम करने का प्रभाव चरम सीमा तक पहुँचता है।

हाल के वर्षों में, देश-विदेश में निम्न आवृत्ति अनुनाद रोधी स्टेपर ड्राइवर उपलब्ध हुए हैं, जिनमें लीसाई की डीएम और डीएम-एस श्रृंखला के उत्पाद शामिल हैं। ये ड्राइवर हार्मोनिक कंपनसेशन का उपयोग करते हैं, और आयाम एवं फेज मिलान कंपनसेशन के माध्यम से स्टेपर मोटर के निम्न आवृत्ति कंपन को काफी हद तक कम कर देते हैं, जिससे मोटर का कंपन कम होता है और शोर भी कम होता है।

(2) स्टेपर मोटर उपविभाजन का स्थिति निर्धारण सटीकता पर प्रभाव

स्टेपर मोटर सबडिवीजन ड्राइव सर्किट न केवल उपकरण की गति की सुगमता को बेहतर बनाता है, बल्कि उपकरण की स्थिति निर्धारण सटीकता को भी प्रभावी ढंग से बढ़ाता है। परीक्षणों से पता चलता है कि: सिंक्रोनस बेल्ट ड्राइव मोशन प्लेटफॉर्म में, स्टेपर मोटर के 4 सबडिवीजन से मोटर प्रत्येक चरण में सटीक रूप से स्थित हो सकती है।