सटीक स्वचालित स्थिति निर्धारण के लिए, स्टेपर-मोटर-आधारित रैखिक एक्चुएटर्स पर विचार करें।

रैखिक एक्ट्यूएटर मूलतः एक सीधी रेखा में बल और गति उत्पन्न करते हैं। एक विशिष्ट यांत्रिक प्रणाली में, किसी उपकरण का आउटपुट शाफ्ट गियर, बेल्ट और पुली, या अन्य यांत्रिक घटकों के माध्यम से एक रोटरी मोटर का उपयोग करके रैखिक गति प्रदान करता है। समस्या यह है कि इन घटकों को युग्मित और संरेखित किया जाना आवश्यक है। इससे भी बदतर, ये घर्षण और प्रतिक्षेप जैसे घिसाव वाले तत्वों को प्रणाली में जोड़ते हैं। बेहतर स्थिति निर्धारण आवश्यकताओं के लिए, स्टेपर-मोटर-आधारित रैखिक एक्ट्यूएटर एक अधिक प्रभावी और सरल विकल्प हैं।

ये उपकरण किसी मशीन या तंत्र के डिज़ाइन को सरल बनाते हैं जिसके लिए सटीक रैखिक स्थिति की आवश्यकता होती है क्योंकि ये मोटर के अंदर ही घूर्णी-से-रैखिक रूपांतरण प्रदान करते हैं। एक्ट्यूएटर प्रत्येक विद्युत-इनपुट पल्स के लिए घूर्णी गति की एक निश्चित डिग्री को गतिमान करते हैं। यह तथाकथित "स्टेपिंग" विशेषता और एक सटीक लीडस्क्रू का उपयोग सटीक और दोहराई जाने योग्य स्थिति प्रदान करता है।

स्टेपर-मोटर की मूल बातें
एक्ट्यूएटर कैसे काम करते हैं, यह समझने के लिए स्टेपर मोटर्स की मूल बातें समझना उपयोगी है। विभिन्न प्रकार के स्टेपर मोटर्स में वेरिएबल रिलेक्टेंस (VR), परमानेंट मैग्नेट (PM), और हाइब्रिड शामिल हैं। यह चर्चा हाइब्रिड स्टेपर पर केंद्रित है, जो उच्च टॉर्क और फाइन पोजिशनिंग रेज़ोल्यूशन (1.8 या 0.9° स्टेप) प्रदान करता है। रैखिक एक्ट्यूएटर प्रणालियों में, हाइब्रिड ऐसे उपकरणों में पाए जाते हैं जैसेएक्सवाईटेबल, रक्त विश्लेषक, एचवीएसी उपकरण, छोटे गैन्ट्री रोबोट, वाल्व-नियंत्रण तंत्र और स्वचालित स्टेज-प्रकाश प्रणालियां।

हाइब्रिड स्टेपर के हुड के नीचे एक स्थायी-चुंबक रोटर और एक स्टील स्टेटर होता है जो एक कॉइल वाइंडिंग से लिपटा होता है। कॉइल को सक्रिय करने से उत्तरी और दक्षिणी ध्रुवों वाला एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र बनता है। स्टेटर चुंबकीय क्षेत्र का संचालन करता है, जिससे रोटर स्वयं को क्षेत्र के साथ संरेखित कर लेता है। चूँकि कॉइल वाइंडिंग को क्रमिक रूप से सक्रिय और निष्क्रिय करने से चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन होता है, इसलिए प्रत्येक इनपुट पल्स या स्टेप रोटर को हाइब्रिड मॉडल के आधार पर 0.9 या 1.8 घूर्णन अंशों की वृद्धिशील गति प्रदान करता है। स्टेपर-मोटर लीनियर एक्चुएटर में, रोटर में लगा एक थ्रेडेड प्रिसिज़न नट लीडस्क्रू (जो एक पारंपरिक शाफ्ट की जगह लेता है) से जुड़ता है।

लीडस्क्रू, आनत तल के सरल यांत्रिक सिद्धांत का उपयोग करके एक रैखिक बल प्रदान करता है। एक स्टील शाफ्ट की कल्पना कीजिए जिसके चारों ओर एक रैंप या आनत तल लिपटा हुआ है। यांत्रिक लाभ या बल प्रवर्धन रैंप के कोण द्वारा निर्धारित होता है, जो स्क्रू के व्यास, लीड (एकल चक्कर में स्क्रू थ्रेड द्वारा आगे बढ़ने की अक्षीय दूरी), और पिच (आसन्न थ्रेड रूपों के बीच मापी गई अक्षीय दूरी) पर निर्भर करता है।

लीडस्क्रू थ्रेड, रैंप की ढलान (थ्रेड लीड) के आधार पर, एक छोटे घूर्णन बल को एक बड़ी भार क्षमता में परिवर्तित करते हैं। एक छोटा लीड अधिक बल लेकिन कम रैखिक गति प्रदान करता है। एक बड़ा लीड, घूर्णी शक्ति के समान स्रोत से कम बल लेकिन अधिक रैखिक गति प्रदान करता है। कुछ डिज़ाइनों में, रोटर में लगा पावर नट बेयरिंग-ग्रेड कांस्य से बना होता है जो आंतरिक धागों की मशीनिंग के लिए उपयुक्त होता है। लेकिन कांस्य, चिकनाई और भौतिक स्थिरता के बीच एक इंजीनियरिंग समझौता है। एक बेहतर सामग्री एक चिकनाईयुक्त थर्मोप्लास्टिक है जिसका नट-स्क्रू थ्रेड इंटरफ़ेस पर घर्षण गुणांक बहुत कम होता है।

स्टेपिंग अनुक्रम
स्टेपर मोटर चलाने की योजनाओं में “एक चरण पर” स्टेपिंग और “दो चरण पर” स्टेपिंग शामिल हैं।

एक सरलीकृत द्वि-फेज मोटर के लिए "एक फेज चालू" अनुक्रम में, चरण 1 सक्रिय स्टेटर के फेज A को दर्शाता है। यह रोटर को चुंबकीय रूप से लॉक कर देता है क्योंकि विपरीत ध्रुव एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं। फेज A को 0 और B को चालू करने पर रोटर 90° दक्षिणावर्त घूमता है (चरण 2)। चरण 3 में, फेज B 0 और फेज A चालू होता है, लेकिन ध्रुवता चरण 1 से उलट होती है। इससे रोटर 90° और घूम जाता है। चरण 4 में, फेज A को 0 और फेज B को चालू किया जाता है, लेकिन ध्रुवता चरण 2 से उलट होती है। इस क्रम को दोहराने से रोटर 90° के चरणों में दक्षिणावर्त घूमता है।

"दो फेज़ चालू" क्रम में, मोटर के दोनों फेज़ हमेशा सक्रिय रहते हैं, और केवल एक फेज़ की ध्रुवता बदलती है। इससे रोटर "औसत" उत्तरी और "औसत" दक्षिणी चुंबकीय ध्रुवों के बीच संरेखित हो जाता है। चूँकि दोनों फेज़ हमेशा चालू रहते हैं, इसलिए यह विधि "एक फेज़ चालू" चरण की तुलना में 41.4% अधिक टॉर्क प्रदान करती है।

दुर्भाग्य से, हालाँकि प्लास्टिक थ्रेड्स के लिए अच्छा काम करता है, लेकिन हाइब्रिड स्टेपर डिज़ाइन में बेयरिंग जर्नल्स के लिए यह पर्याप्त स्थिर नहीं है। ऐसा इसलिए है क्योंकि लगातार पूर्ण-भार की स्थिति में, प्लास्टिक जर्नल्स पीतल के जर्नल्स की तुलना में चार गुना ज़्यादा फैल सकते हैं। यह मात्रा अस्वीकार्य है क्योंकि मोटर डिज़ाइन के लिए स्टेटर-से-रोटर के बीच हवा का अंतर केवल एक इंच के कुछ हज़ारवें हिस्से जितना होना आवश्यक है। इस समस्या से निपटने का एक तरीका प्लास्टिक थ्रेड्स को एक पीतल की स्लीव के अंदर इंजेक्शन मोल्ड करना है, जिसे स्थायी-चुंबक रोटर में डाला जाएगा। यह तरीका मोटर की लाइफ बढ़ाता है और बेयरिंग-जर्नल स्थिरता बनाए रखते हुए कम घर्षण प्रदान करता है।

हेडन एक्ट्यूएटर्स के विभिन्न प्रकारों में से, "कैप्टिव" उपकरणों में एक अंतर्निर्मित एंटीरोटेशन तंत्र होता है। यह विन्यास अधिकतम 2.5 इंच तक का स्ट्रोक प्रदान करता है और सटीक द्रव वितरण, थ्रॉटल नियंत्रण और वाल्व गति जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। अन्य प्रकार केहेडनरैखिक एक्ट्यूएटर "नॉनकैप्टिव" और "एक्सटर्नल लीनियर" होते हैं जो लंबे स्ट्रोक की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होते हैं जैसे कि छोटे गैन्ट्री रोबोट द्वारा रक्त ट्यूबों का स्थानांतरण,एक्सवाईगति प्रणालियाँ, और इमेजिंग प्रणालियाँ।

एक एक्चुएटर का आकार निर्धारण
एक अनुप्रयोग उदाहरण सबसे अच्छी तरह से दर्शाता है कि एक एक्ट्यूएटर का आकार कैसे निर्धारित किया जाता है। निम्नलिखित मापदंडों पर विचार करें:

भार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक रैखिक बल = 15 lb (67 N)
रैखिक दूरी, मीटर, भार को स्थानांतरित करने की आवश्यकता = 3 इंच (0.0762 मीटर)
समय,tभार को सेकंड में स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक समय = 6 सेकंड
चक्रों की लक्षित संख्या = 1,000,000

स्टेपर-मोटर रैखिक एक्ट्यूएटर के आकार का निर्धारण करने के चार चरण हैं: 1) आवश्यक जीवन को पूरा करने के लिए एक्ट्यूएटर की प्रारंभिक बल रेटिंग निर्धारित करें; 2) मिलीमीटर/सेकंड में वेग निर्धारित करें; 3) उचित एक्ट्यूएटर फ्रेम आकार चुनें; और 4) बल आवश्यकताओं के आधार पर उचित स्क्रू रिज़ॉल्यूशन निर्धारित करें।

जीवन की भविष्यवाणी करने का सबसे अच्छा तरीका अनुप्रयोग परीक्षण है, जिसकी अत्यधिक अनुशंसा की जाती है।प्रतिशत भार बनाम चक्रों की संख्यावक्र एक अच्छा प्रथम सन्निकटन प्रदान करता है। स्टेपर मोटरों में घिसने वाले ब्रश नहीं होते, और वे सटीक, लंबे समय तक चलने वाले बॉल बेयरिंग का उपयोग करते हैं, इसलिए मुख्य घिसाव वाला घटक पावर नट होता है। इसलिए, डिज़ाइन विनिर्देशों को पूरा करते हुए उपकरण कितने चक्रों तक चलता है, यह भार पर निर्भर करता है।

देखेंप्रतिशत भार बनाम चक्रों की संख्याएक्चुएटर के लिए 1,000,000 चक्रों को झेलने हेतु सही आकार निर्धारण कारक निर्धारित करने के लिए चार्ट। यह 50% निकला - 0.5 का कारक। इसलिए, 1,000,000 चक्रों के बाद भार को पूरा करने के लिए आवश्यक प्रारंभिक रेटेड बल, N, 15 lb/0.5 = 30 lb या 133 N है।

अब आवश्यक रैखिक यांत्रिक शक्ति वाट में निर्धारित करें:

P_{रेखीय}= (एन × मीटर)/टी

हमारे उदाहरण में, यह (133 × 0.0762)/6 = 1.7 W हो जाता है

इस डेटा के साथ, का उपयोग करेंएक्चुएटर फ्रेम का आकारसही फ्रेम आकार चुनने के लिए तालिका देखें। सभी स्टेपर-मोटर रैखिक एक्चुएटर्स को मोटर को पल्स भेजने के लिए एक ड्राइव की आवश्यकता होती है। ध्यान दें कि तालिका में L/R ड्राइव (स्थिर वोल्टेज) और चॉपर ड्राइव (स्थिर धारा) दोनों के लिए शक्ति सूचीबद्ध है। जब तक कि अनुप्रयोग बैटरी चालित न हो (जैसे कि एक हैंडहेल्ड पोर्टेबल उपकरण में), निर्माता अधिकतम प्रदर्शन के लिए चॉपर ड्राइव की अत्यधिक अनुशंसा करते हैं। इस उदाहरण में, तालिका में चॉपर ड्राइव पावर विनिर्देशों की समीक्षा से पता चलता है कि हेडन 43000 श्रृंखला (आकार 17 हाइब्रिड) 1.7-W आवश्यकता को सबसे करीब से पूरा करती है। यह चयन सिस्टम को ज़रूरत से ज़्यादा डिज़ाइन किए बिना लोड आवश्यकताओं को पूरा करता है।

इसके बाद, रैखिक वेग (ips) की गणना करें। यह इस प्रकार दिया गया है:एम/टीऔर यह 3 इंच/6 सेकंड = 0.5 ips होता है। अनुकूलित फ़्रेम आकार (साइज़ 17 हाइब्रिड) और रैखिक वेग (0.5 ips) के साथ, उपयुक्त का उपयोग करेंबल बनाम रेखीय वेगएक्ट्यूएटर लीडस्क्रू का उचित रिज़ॉल्यूशन निर्धारित करने के लिए वक्र का उपयोग करें। इस स्थिति में, आवश्यक लीडस्क्रू रिज़ॉल्यूशन 0.00048 इंच है।

याद रखें कि लीडस्क्रू मोटर में इनपुट स्टेप्स की संख्या के आधार पर आगे बढ़ता है। प्रदर्शन वक्र "ips" और "स्टेप्स/सेकंड" दोनों में व्यक्त किए जाते हैं। अपने चयन की पुष्टि के लिए, आवश्यक स्टेप दर पर बल की जाँच करें।बल बनाम पल्स दरवक्र, जहां: चुना गया रिज़ॉल्यूशन = 0.00048 इंच/चरण आवश्यक रैखिक वेग = 0.5 आईपीएस आवश्यक चरण दर = (0.5 आईपीएस)/ (0.00048 इंच/चरण) = 1,041 चरण।

1,041 को X-अक्ष मान (पल्स दर) के रूप में प्लॉट करने और इस बिंदु से वक्र तक एक लंबवत रेखा खींचने से पता चलता है कि Y-अक्ष मान (बल) 30 है। इसलिए, चयन सही है।