I. Pendahuluan
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.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar