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.
langsung dari stopkontak, melainkan membutuhkan pasokan listrik untuk mengubah listrik normal menjadi watt rendah. Jika catu daya pada PC Anda berhenti bekerja, komputer juga tidak dapat diaktifkan atau akan menutup diri secara acak kali. Meskipun insting pertama Anda mungkin untuk mengambil PC untuk teknisi, Anda malah bisa memecahkan masalah dan memperbaiki power supply pada Anda sendiri di rumah.
