I. Pendahuluan
Baca Selanjutnya »»
Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan
mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper
bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk
menggerakkan motor stepper diperlukan pengendali motor stepper yang
membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Penggunaan motor stepper memiliki beberapa
keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa. Keunggulannya antara
lain adalah :
· Sudut
rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah
diatur.
· Motor
dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak
· Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara
presisi
· Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik
(perputaran)
· Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan
rotor seperti pada motor DC
· Dapat
menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke
porosnya
· Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada
range yang luas.
Pada dasaranya terdapat 3 tipe motor stepper
yaitu:
1. Motor stepper tipe Variable
reluctance (VR)
Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang
secara struktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah
rotor besi lunak dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika
lilitan stator diberi energi dengan arus DC, kutub-kutubnya menjadi
termagnetasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gigi rotor tertarik oleh
kutub-kutub stator. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper
tipe variable reluctance (VR):
Gambar 2.8. Penampang
melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR)
2.
Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM)
Motor stepper jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti kaleng
bundar (tin can) yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang
diselang-seling dengan kutub yang berlawanan (perhatikan gambar 2.9). Dengan
adanya magnet permanen, maka intensitas fluks magnet dalam motor ini akan
meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. Motor jenis ini
biasanya memiliki resolusi langkah (step) yang rendah yaitu antara
7,50 hingga 150 per langkah atau 48 hingga 24 langkah
setiap putarannya. Berikut ini adalah ilustrasi sederhana dari motor stepper
tipe permanent magnet:
Gambar 2.9. Ilustrasi
sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet (PM)
3.
Motor stepper tipe Hybrid (HB)
Motor stepper tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi
dari kedua tipe motor stepper sebelumnya. Motor stepper tipe hibrid memiliki
gigi-gigi seperti pada motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen yang
tersusun secara aksial pada batang porosnya seperti motor tipe PM. Motor tipe
ini paling banyak digunkan dalam berbagai aplikasi karena kinerja lebih baik.
Motor tipe hibrid dapat menghasilkan resolusi langkah yang tinggi yaitu antara
3,60 hingga 0,90 per langkah atau 100-400 langkah setiap
putarannya. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe
hibrid:
Gambar 2.10. Penampang melintang dari motor
stepper tipe hibrid
Berdasarkan metode perancangan rangkain
pengendalinya, motor stepper dapat dibagi menjadi jenis unipolar dan bipolar.
Rangkaian pengendali motor stepper unipolar lebih mudah dirancang karena hanya
memerlukan satu switch / transistor setiap lilitannya. Untuk menjalankan dan
menghentikan motor ini cukup dengan menerapkan
pulsa digital yang hanya terdiri atas tegangan positif dan nol
(ground) pada salah satu terminal lilitan (wound) motor sementara
terminal lainnya dicatu dengan tegangan positif konstan (VM) pada
bagian tengah (center tap) dari lilitan (perhatikan gambar
2.11).
Gambar 2.11. Motor stepper dengan lilitan unipolar
Untuk motor stepper dengan lilitan bipolar,
diperlukan sinyal pulsa yang berubah-ubah dari positif ke negatif dan
sebaliknya. Jadi pada setiap terminal lilitan (A & B) harus dihubungkan
dengan sinyal yang mengayun dari positif ke negatif dan sebaliknya (perhatikan
gambar 2.12). Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yang agak lebih
kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar. Motor stepper
bipolar memiliki keunggulan dibandingkan dengan motor stepper unipolar dalam hal
torsi yang lebih besar untuk ukuran yang sama.
Gambar 2.12. Motor stepper dengan lilitan bipolar
II. Pengendali Motor Stepper
Berikut ini akan diberikan contoh perancangan
dan perhitungan rangkaian pengendali motor stepper sederhana. Motor stepper yang
digunkan pada contoh ini bertipe hibrid unipolar, memiliki empat fasa dan
panjang langkah sebesar 1,80 per langkahi. Motor diharapkan dapat
berputar dalam dua arah dan memiliki dua kecepatan. Karena itu diperlukan
pengendali motor stepper yang memiliki empat keluaran pulsa dengan kemampuan dua
arah perputaran dan dua macam frekuensi pulsa guna mengatur kecepatan
motor.
Rangkaian pengendali motor stepper (stepper
motor driver) menggunakan komponen utama berupa sebuah IC logika XOR
(74LS86) dan sebuah IC JK flip-flop (74LS76). Rangkain dengan kedua IC tersebut
berfungsi untuk menghasilkan empat pulsa keluaran berurutan yang dapat berbalik
urutannya dengan menerapkan logika tertentu pada rangkaian. Rangkaian tersebut
memerlukan pulsa clock untuk dapat beroperasi. Sebagai sumber clock
digunkan rangkaian berbasis IC timer 555. Rangkain pembangkit clock ini
dapat menghasilkan dua macam frekuensi pulsa keluaran guna mendukung dua
kecepatan motor stepper. Kemudian untuk mendukung pulsa-pulsa dengan arus besar
(sekitar 1 - 3 A) digunakan transistor daya NPN tipe TIP31 sebagai solid
state switch. Untuk lebih jelasnya perhatikanlah rangkaian utama dari
pengendali motor stepper di bawah ini (gambar 3.7):
Gambar 3.7. skema rangkaian pengendali motor
steppper
Gambar 3.7 di atas
adalah skema rangkaian pengendali motor stepper yang dapat bergerak ke dua arah.
Keluaran pengendali motor stepper ini ada empat (pena 15, 14, 11, 10 dari IC
74LS76). Pena-pena tersebut akan menghasilkan pulsa yang dapat menggerakkan
motor stepper. Berikut ini adalah ilustrasi struktur motor stepper sederhana dan
pulasa yang dibutuhkan untuk menggerakkannya:
Gambar 3.8. (a) bentuk
pulsa keluaran dari pengendali motor stepper (b) penerapan pulsa pengendali pada
motor stepper dan arah putaran yang bersesuaian
Arah putaran motor dapat diatur dengan
mengatur kondisi logika masukan pada pena 13 dari IC 74LS86. Jika diterapkan
logika 0, maka motor akan berputar berlawanan dengan arah jarum jam (counter
clock wise) sedangkan jika diterapkan logika 1, maka motor akan berputar
dengan arah sesuai dengan ajah jarum jam (clockwise). Gambar 3.8.a di
atas adalah contoh bentuk pulsa keluaran yang menggerakkan motor stepper pada
arah sesuai dengan jarum jam (clockwise) (Gambar 3.8.b).
Kecepatan motor ditentukan oleh frekuensi
masukan clock yang berbentuk gelombang persegi empat. Pulsa clock ini
dibangkitkan oleh rangkaian osilator pembangkit pulsa berbasis IC timer 555.
Berikut ini adalah rangkaian pembangkit pulsa clock berbasis IC 555:
Gambar 3.9.
skema rangkaian pembangkit pulsa clock berbasis IC 555
Rangkaian pada gambar 3.9 di atas adalah
rangkaian berbasis IC 555 yang bekerja pada mode astabil. Dalam mode ini,
rangkian bekerja sebagai osilator pembangkit pulsa/gelombang. Rangkaian di atas
akan membangkitkan pulsa berbentuk persegi empat pada keluarannya (pena 3)
secara periodik.
Gambar
3.10. bentuk gelombang keluaran rangkaian pembangkit pulsa (osilator)
Pulsa di atas
memiliki frekuensi dan periode yang konstan. Periode dari satu gelombang penuh
adalah Tt (Time total). Th (Time high) adalah periode sinyal
positif atau tinggi sedangkan Tl (Time low) adalah periode sinyal nol
atau rendah. Periode gelombang keluaran tersebut ditentukan oleh VR1, VR2, R1,
R2 dan C1. Kapasitor C2 hanya berfungsi sebagai penstabil rangkaian. Untuk
menghitung Periode keluaran, dapat dilakukan dengan rumus berikut
ini:
Th = 0,693 ´ C1 ´ (VR1 + R1 + R2)
Tl = 0,693 ´ C1 ´ R2
Tt = Th + Tl
Pada rangkaian
osilator di atas digunakan C1 = 1 mF = 0,000001 F, VR1= 200 kW = 200000 W, R1 = 1 kW = 1000 W dan R2 = 1,2 kW = 1200 W. Jika VR1 diatur pada posisi maksimum dan
R1 terhubung dengan VR1, maka:
Th
= 0,693 ´ 0,000001 ´ (200000 + 1000 + 1200)
Th
= 0,1401246 detik
Tl
= 0,693 ´ 0,000001 ´ 1200 W
Tl
= 0,0008316 detik
Tt
= 0,1401246 + 0,0008316
Tt
= 0.1408562 detik
Jadi periode gelombang
(Tt) adalah 0,0716 detik sehingga frekuensinya adalah:
f =
Hz
Jika VR1 berada pada
posisi minimum maka perhitungannya menjadi:
Th
= 0,693 ´ 0,000001 ´ (0 + 1000 + 1200)
Th
= 0,0015246 detik
Nilai Tl tetap = 0,0008316 detik karena harga R2 tetap.
Tt
= 0,0015246 + 0,0008316
Tt
= 0,0023562 detik
f
= Hz
Dari perhitungan di
atas, diperoleh bahwa rangkaian pembangkit gelombang tersebut dapat
membangkitkan pulsa dengan frekuensi 7,09 – 424,41 Hertz.
Karena motor yang digunakan terdiri atas 4
phase dan memiliki kecepatan sudut 1,80 per langkah, maka:
· Jika
frekuensi clock = 7,09 Hz, maka kecepatan motor adalah:
v =
´ 7,09 = 0,03545 putaran / detik
v = 2,127 rpm
· Jika
frekuensi clock = 424,41 Hz, maka kecepatan motor adalah:
v =
´ 424,41 = 2,12205 putaran / detik
v = 127,323 rpm
Jadi pada sistem ini
motor stepper dapat digerakkan pada kecepatan antara 2,127 rpm hingga 127,323
rpm. Dalam penerapannya pada sistem Triaxial, VR1 pada rangkaian osilator Gambar
3.9 di atur tahanannya hingga diperoleh kecepatan yang sesuai. Untuk dapat
menghasilkan dua kecepatan, maka digunakan dua buah tahanan variabel (VR1 dan
VR2). Masing-masing tahanan variabel diatur pada harga tahanan yang berbeda.
Untuk harga tahanan yang lebih kecil akan dihasilkan pulsa clock yang lebih
tinggi frekuensinya sehingga kecepatan motor stepper lebih tinggi. Untuk
berpindah di antara dua kecepatan digunakan relay untuk memindah terminal R1 ke
VR1 atau VR2. Jika relay off, maka terminal R1 terhubung ke terminal VR1
sedangkan jika relay on, maka terminal R1 terhubung ke terminal VR2.
Motor stepper umumnya memerlukan arus listrik
yang relatif besar yaitu antara 1 hingga 2 A. Untuk itu keluaran dari pengendali
motor stepper perlu dikuatkan sehingga dapat mengalirkan arus yang besar.
Penguat tersebut dapat dianggap sebagai solid state switch karena hanya
menghasilkan sinyal tinggi dan rendah (1 dan 0). Berikut ini adalah skema
rangkaian solid state switch :
Gambar 3.11. skema rangkaian solid state switch
Pada
rangkaian di atas (gambar 3.11), digunakan transistor bipolar (BJT) tipe TIP31
yang disusun sebagai open collector switch. Transistor TIP31 adalah tergolong
transistor daya menengah yang mampu mengalirkan arus puncak hingga 5 A.
Transistor-transistor ini harus dilengkapi oleh lempengan pendingin dari
aluminium untuk mengurangi panas yang terjadi akibat besarnya arus yang
mengalir. L1 - L4 adalah lilitan (wound) dalam motor stepper. Dioda D1 - D4
berfungsi sebagai pelindung rangkaian dari tegangan tinggi (back EMF) yang
mungkin timbul dari lilitan motor setepper.
Keluaran dari rangkain pengendali motor stepper
(phase1 - phase4) dihubungkan ke masukan dari empat transistor tersebut melalui
R1 - R2. Jika masukan bernilai sinyal rendah, maka transistor akan berada pada
keadaan cut-off sehingga arus dalam lilitan motor stepper tidak mengalir.
Jika masukan bernilai tinggi (diatas tegangan ambang transistor), maka
transistor akan on sehingga tegangan antara kolektor dengan emitor
(VCE ) turun dan arus dapat mengalir ke tanah (ground). Dengan begitu
motor stepper berputar. Jika sinyal
keluaran dari pengendali motor stepper berbentuk seperti gambar 3.8.a, maka L1,
L2, L3 dan L4 akan dialiri arus secara berurutan. Dengan begitu rotor dari motor
stepper akan berputar sesuai dengan arah urutan sinyal pada gambar
3.8.b.