Tugas Motor Stepper

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


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.


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


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):


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)


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


7/13

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 ).


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.


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


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 :


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.


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


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

Tugas Motor Stepper

Documents

Transcript of Tugas Motor Stepper