tugas motor stepper
TRANSCRIPT
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
1/13
TUGAS ELEKTRONIKA DAYA
MOTOR STEPPER
Disusun oleh :
Okky Marwan Ardiansah (0803030005)
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH PURWOKERTOTAHUN 2011
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
2/13
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 feedcontrol, 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 danatau berputar ke arah yang diinginkan, apakah searah jarum jam atau sebaliknya.
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
3/13
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 3Posisi 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
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
4/13
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 4Grafik 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 gigi-
gigi rotor tertarik oleh kutub-kutub stator. Berikut ini adalah penampang melintang
dari motor stepper tipe variable reluctance (VR):
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
5/13
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)
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
6/13
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 0,9 0 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 rumituntuk 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
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
7/13
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 7Motor stepper dua-phase (bipolar)
Cara yang paling sederhana dalam memberikan step pada motor ini adalahdengan 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 ).
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
8/13
Dibandingkan dengan motor stepper bipolar dua-phase, motor stepper
empat- phase mempunyai keuntungan 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 10).
Walaupun diperlukan masukan energi dua kali lipat, torsi motor meningkat sekitar
40%, dan kecepatan respon meningkat.
Gambar 9Motor 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, T B,
TC, T D, maka motor akan bergerak sejauh 4 langkah (4 x 18 o) searah jarum jam. Sebaliknya,
motor akan bergerak sejauh 4 langkah berlawanan dengan arah jarum jam, jika saklar ditutup
dan dibuka menurut urutan T D, T C, T B, T A.
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
9/13
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 CW0 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
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
10/13
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 danemitor 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 :
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
11/13
1. Rangkaian Driver Variabel Reluctance Motor
Gambar 1Kontrol 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.
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
12/13
Gambar 2Spike Voltage Reducer
2. Rangkaian Driver Unipolar Permanent Magnet and Hybrid Motor
Gambar 3Kontrol 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 4Spike Voltage Reducer untuk Unipolar Stepper Motor
-
7/31/2019 Tugas Motor Stepper
13/13
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 tengah-
tengah 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 5Pemberian Kapasitor Pembatas Tegangan Spike