TUGAS ELEKTRONIKA DAYA MOTOR STEPPER
Disusun oleh : Okky Marwan Ardiansah (0803030005) (0803030005)
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH PURWOKERTO TAHUN 2011
MOTOR STEPPER
A. Dasar Motor Stepper
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. Motor stepper merupakan salah satu jenis motor yang banyak digunakan saatini sebagai actuator, misalnya sebagai penggerak head baca/tulis pada diskdrive yang akan menetapkan posisi head baca/tulis di atas permukaan piringan disket, penggerak head pada printer dan line feed control, dan yang lebih populer saat ini adalah aplikasi dalam bidang robotik. Ada beberapa keunggulan motor stepper, antara lain adalah : 1. Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur. 2. Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak. 3. Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi. 4. Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik. 5. Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan rotor seperti pada motor DC. 6. Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke porosnya. 7. Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang luas.
Motor stepper dapat berputar atau berotasi dengan sudut step yang bisa bervariasi tergantung motor yang digunakan. Ukuran step (step size) dapat berada pada range 0,90 sampai 900. Misalnya sudut step 7,5°, 15°, 300° dan seterusnya tergantung aplikasi atau kebutuhan yang diinginkan. Posisi putarannya pun relatif stabil. Sebenarnya yang membedakan motor stepper
dengan
jenis
motor
lainnya, salah
satunya adalah dari segi putarannya. Motor stepper merupakan motor DC yang tidak mempunyai komutator. Umumnya motor stepper hanya mempunyai kumparan pada bagian stator sedangkan pada bagian rotor merupakan magnet permanen (bahan ferromagnetic).
Karena konstruksi inilah maka motor stepper dapat diatur posisinya pada posisi tertentu dan atau berputar ke arah yang diinginkan, apakah searah jarum jam atau sebaliknya.
B. Mode Operasi Motor Stepper
Motor stepper mempunyai dua mode operasi yaitu single step mode dan slew mode.
Single step mode Pada single step mode atau disebut juga bidirectional mode, frekuensi step cukup lambat untuk memperbolehkan rotor (hampir semua) berhenti di antara step. Gambar 3 menunjukkan sebuah grafik posisi versus waktu untuk operasi single step. Pada setiap step, motor meneruskan sudut tertentu dan kemudian berhenti. Jika motor bebannya kecil, overshoot (lonjakan) dan osilasi dapat terjadi pada akhir setiap step seperti yang ditunjukkan pada gambar. Keuntungan besar dari operasi single-step adalah bahwa setiap step benar-benar tidak tergantung pada step lainnya. Artinya motor dapat berhenti secara pasti ( dead stop) atau bahkan berbalik arah kapan saja. Karena itu kontroler mempunyai kontrol yang instant dan sempurna pada operasi motor. Dan juga ada kepastian bahwa kontroler tidak akan kehilangan hasil cacahan ( count , dan tentunya berarti posisi motor) sebab setiap step ditetapkan sedemikian baik. Kekurangan single-step mode adalah gerakannya lambat dan “choppy” (berombak). Kecepatan single-step mode yang tipikal adalah 5 step / detik yang mentranslasikan 12,5 rpm ( rotary per minute) untuk motor 150/ step.
Gambar 3 Posisi versus waktu untuk single-step mode
Slew Mode Pada slew mode, atau unidirectional mode, frekuensi step adalah cukup tinggi sehingga tidak mempunyai waktu untuk berhenti. Mode ini mirip dengan motor listrik biasa (regular electric motor ). Jadi motor selalu mengalami torsi dan berotasi lebih halus dengan kontinyu. Gambar 4 menunjukkan grafik posisi versus waktu untuk slew mode. Walaupun setiap step dapat tetap dilihat, gerakannya jauh lebih halus
dibandingkan dengan single-step mode. Motor stepper dengan slew mode tidak dapat berhenti atau berbalik arah secara mendadak ( instantaneously). Jika dicoba dilakukan, maka kemungkinan besar rotational inertia motor akan membawa rotor ke depan beberapa
step
sebelum berhenti. Jadi
step-count keseluruhan akan hilang.
Kemungkinan untuk menjaga step-count dalam slew mode dilakukan dengan memperlambat kecepatan lereng- atas dari single-step mode dan kemudian pada lereng-bawah bagian akhir dari slew. Hal ini berarti kontroler harus mengetahui waktu di depan seberapa jauh motor harus jalan. Secara tipikal slew mode digunakan untuk memperoleh posisi motor dalam “ballpark ”, dan kemudian fine adjusment dapat dilakukan dengan single step. Slewing menggerakkan motor lebih
cepat
tetapi
memperbesar perubahan kehilangan step-count .
Gambar 4 Grafik posisi versus waktu untuk slew mode
C. Jenis Motor Stepper
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 gigigigi 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 7,5 ° hingga 15° 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 3,6 0 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. 1.
Motor stepper dua-phase (bipolar) Motor
stepper
dua-phase
(bipolar) mempunyai konstruksi yang mirip
dengan jenis unipolar, hanya tidak terdapat tap pada
kumparannya
(gambar
7).
Penggunaan motor stepper jenis bipolar memerlukan rangkain yang agak lebih rumit untuk mengatur agar motor ini dapat berputar
dalam
dua
arah.
Untuk
menggerakkan motor stepper jenis ini biasanya diperlukan sebuah driver motor yang dikenal dengan nama H bridge. Rangkaian ini akan mengontrol setiap kumparan secara terpisah (independent ) termasuk polaritas untuk setiap kumparan. Motor stepper dua-phase (bipolar) hanya mempunyai dua rangkaian tetapi sebenarnya terdiri dari empat kutub medan. Gambar 7(a) menunjukkan simbol motor dan gambar 7(b) menunjukkan bagaimana perkawatan/lilitan internal motor tersebut.
Pada
gambar
7(b), rangkaian AB terdiri dari dua kutub berlawanan
sedemikian bila tegangan yang dikenakan (+A-B), kutub bagian atas akan memberikan ujung utara terhadap rotor dan kutub bawah akan memberikan ujung selatan. Rotor akan cenderung sejajar sendiri secara vertikal (posisi 1) dengan kutub selatannya mengarah ke atas (sebab kutub magnet yang berlawanan akan saling menarik).
Gambar 7 Motor stepper dua-phase (bipolar)
Cara yang paling sederhana dalam memberikan step pada motor ini adalah dengan
memberikan
energi secara bergantian pada AB atau CD untukmenarik
rotor dari kutub ke kutub.
Cara lain pengoperasian stepper dua- phase adalah
memberikan energi pada kedua rangkaian tersebut dengan waktu yang sama. Pada mode ini, rotor akan ditarik kepada dua kutub yang berdekatan dan menganggap posisinya ada di antaranya.
2. Motor Stepper Empat-Phase (Unipolar) Motor stepper empat-phase (unipolar) adalah jenis motor stepper yang paling umum (gambar 9). Istilah empat-phase digunakan karena motor mempunyai empat kumparan medan yang dapat diberikan
energi
secara
terpisah/ tersendiri, dan
istilah unipolar digunakan karena arus selalu menjalar dalam arah yang sama melalui kumparan. Cara sederhana untuk mengoperasikan motor stepper empat-phase adalah dengan memberikan energi phase satu pada suatu waktu yang berurutan (dikenal dengan wave drive).
Dibandingkan empat-
phase
dengan
mempunyai
motor
keuntungan
stepper bipolar dua-phase, motor stepper karena
kesederhanaannya
( simplicity).
Rangkaian kontrol motor empat-phase mudah men-switch urutan kutub on dan off ; tanpa harus
membalik
polaritas
kumparan medan
(namun, motor dua-phase
menghasilkan torsi lebih besar karena pushing dan pulling dilakukan bersamaan). Torsi motor stepper empat-phase dapat dinaikkan jika dua kumparan yang berdekatan diberikan energi secara bersamaan, menyebabkan rotor menjajarkan sendiri antara kutub-kutub medan (seperti yang ditunjukkan pada gambar Walaupun
10).
diperlukan masukan energi dua kali lipat, torsi motor meningkat sekitar
40%, dan kecepatan respon meningkat.
Gambar 9 Motor stepper empat-phase (unipolar)
4. Metode Pengendalian Motor Stepper
Pada gambar dan tabel berikut ini dapat dilihat prinsip pengendalian motor stepper. Jika seluruh saklar dalam keadaan terbuka (OFF alias berkondisi 0), maka motor berada dalam keadaan diam. Jika saklar ditutup dan dibuka secara bergiliran sebagai berikut, T A, TB, o
TC, T D, maka motor akan bergerak sejauh 4 langkah (4 x 18 ) searah jarum jam. Sebaliknya, motor akan bergerak sejauh 4 langkah berlawanan dengan arah jarum jam, jika saklar ditutup dan dibuka menurut urutan T D, TC, TB, TA.
SA
SB
SC
SD
Gerakan
0
0
0
0
-
1
0
0
0
CW
0
1
0
0
CW
0
0
1
0
CW
0
0
0
1
CW
1
0
0
0
CW
0
0
0
1
CCW
0
0
1
0
CCW
0
1
0
0
CCW
1
0
0
0
CCW
CW : Clock Wise (Searah jarum Jam) CCW : Counter Clock Wise (Berlawanan dengan arah jarum jam)
Agar bisa dikendalikan secara elektronis (termasuk pengendalian melalui komputer), posisi saklar dapat diganti dengan rangkaian yang terdiri atas transistor, dioda, dan resistor, seperti pada gambar berikut
Pada rangkaian di atas, transistor digunakan sebagai saklar. Jika satu transistor mendapatkan arus bias pada basisnya (yang telah diperkecil oleh resistor 10 k), transistor langsung memasuki kondisi saturasi, sehingga timbul kesan seolah-olah kaki kolektor dan emitor terkontak langsung. Hal ini menyebabkan arus dari VCC dapat mengalir melalui lilitan menuju ground. Arus bias pada jalur IN di sini bisa berasal ,misalnya, dari port paralel suatu komputer. Sebaliknya, jika transistor tidak mendapat bias, hubungan antara kaki kolektor dan emitor akan "terputus", sehingga arus tidak bisa mengalir melalui lilitan menuju ground. Umumnya
motor
stepper
membutuhkan
daya
yang
cukup
besar.
Untuk
mengendalikan motor stepper dengan spesifikasi arus 1,2 A dan tegangan 5 V / fasa dapat digunakan transistor bertipe BD 677, yang merupakan transistor Darlington bertipe NPN yang dikemas dalam satu transistor. Penggunaan transistor Darlington ini dimaksudkan agar pasokan daya dan switching dapat berlangsung dengan cepat. Dalam rangkaian diatas, dioda berfungsi untuk membuang energi dalam bentuk medan listrik yang timbul pada lilitan ketika tidak aktif (mati / OFF), sehingga kerusakan transistor dapat dicegah. Untuk rangkaian di atas, dapat digunakan dioda bertipe IN4002. Berikut adalah beberapa metode pengendalian motor stepper :
1. Rangkaian Driver Variabel Reluctance Motor
Gambar 1 Kontrol Pada Varibel Reluctance Motor Stepper
Di dalam gambar 1 tersebut terdapat sebuah 3 blok dimana masing-masing mengatur sebuah kumparan motor stepper. Blok tersebut terdiri dari saklar arus yang dikontrol secara digital. Blok ini berperan penting di dalam pengontrolan arus yang akan melewati kumparan motor tertentu. Pengontrollan blok ini dapat dilakukan oleh sebuah rangkaian digital sederhana atau bahkan sebuah komputer melalui printer port. Dengan menggunakan komputer maka diperlukan perangkat lunak yang nantinya akan mengatur pemberian data dengan suatu urut-urutan tertentu kepada komponen saklar di dalam blok. Kumparan pada motor stepper mempunyai karakteristik yang sama dengan karakteristik beban induktif lainnya. Oleh sebab itu ketika terdapat arus yang melalui kumparan motor, tidak dapat dimatikan dengan seketika tanpa menghasilkan tegangan transien yang sangat tinggi. Kondisi ini biasanya nampak dengan timbulnya percikan bunga api (ketika menggunakan motor DC dengan daya yang besar). Hal ini sangat tidak diinginkan karena dapat merusak saklar sehingga perlu diberikan rangkaian tambahan untuk membatasi tegangan transien yang muncul. Sebaliknya ketika saklar tertutup maka terdapat arus yang mengalir ke kumparan motor dan akan menghasilkan kenaikan tegangan secara perlahan. Untuk membatasi tegangan spike yang muncul maka ada dua alternatif penyelesaiannya yaitu dengan memparalel pada kumparan motor dengan dioda dan alternatif yang kedua adalah dengan menggunakan kapasitor yang dipasang paralel dengan kumparan motor stepper.
Gambar 2 Spike Voltage Reducer
2. Rangkaian Driver Unipolar Permanent Magnet and Hybrid Motor
Gambar 3 Kontrol Pada Unipolar Permanent Magnet Motor
Rangkaian kontrol untuk mengendalikan motor stepper dengan tipe unipolar ini hampira sama dengan rangkaian kontrol pada motor tipe variabel reluctance. Perbedaanya hanya pada struktur kumparan motornya saja.
Gambar 4 Spike Voltage Reducer untuk Unipolar Stepper Motor
Walaupun demikian karena bebanya merupakan beban induktif maka selalu ada tegangan spike yang muncul ketika saklar terbuka. Oleh sebab itu perlu penambahan dioda yang terpasang paralel dengan kumparan motor stepper seperti terlihat pada gambar 4. Dua buah dioda tambahan diperlukan karena kumparan motor bukanlah kumparan yang independen tetapi sebuah kumparan yang mempunyai tap di tengahtengah kumparan seperti struktur pada autotransformer. Ketika salah satu saklar dibuka maka tegangan spike muncul di kedua ujung kumparan motor tersebut dan di clamp oleh dua buah dioda ke supplay motor. Tetapi jika salah satu ujung kumparan
motor tersebut tidak floating terhadap supplai motor maka tegangan spike ini akan lebih negatif daripada referensi ground. Jika saklar yang digunakan berupa relay, kondisi ini bukan menjadi masalah. Kondisi ini baru menjadi masalah ketika saklar yang digunakan adalah saklar semikonduktor seperti transistor atau FET. Untuk membatasi level tegangan spike dapat pula digunakan kapasitor yang terpasang seperti pada gambar 5.
Gambar 5 Pemberian Kapasitor Pembatas Tegangan Spike
