Motor Stepper adalah sebuah perangkat pengandali yang
menkonversikan bit-bit menjadi posisi rotor. Motor stepper memiliki pin-pin
input yang menjadi kutub-kutub magnet di dalam motor. Bila salah satu pin
diberi sumber tegangan, pin tersebut akan mengaktitkan kutub di dalam magnet
sebagai kutub utara dan kutub yang tidak diberi tegangan sebagai kutub selatan.
Dengan terdapatnya 2 kutub di dalam motor ini, rotor di dalam motor yang
memiliki kutub permanen akan mengarah sesuai dengan kutub—kutub input. Kutub
utara rotor akan mengarah ke kutub selatan stator sedangkan kutub selatan rotor
akan mengarah ke kutub utara stator. Pada motor stepper terdapat berbagai macam
tipe, antara lain:
1. Unipolar
2. Bipolar
3. Single-phase
4.
Multy-phase dan sebagainya.
Skema umum
motor stepper dapat dilihat seperti gambar:
Gambar Skema Motor Stepper
Gambar
diatas menunjukkan penampang motor stepper dengan empat koil. Setiap koil
memiliki empat kondisi kutub. Bila kondisi satu yang aktif, posisi rotor akan
nampak seperti di atas. Bila kondisi bergeser ke dua. rotor akan berputar ke
kiri dengan sudut putar sesuai dengan jarak kondisi satu dan dua. Namun bila
setelah kondisi satu, kondisi empat yang aktif, rotor akan menuju ke koil
dengan pin empat paling dekat dengan pin satu dari kondisi sebelumnya. Hal ini
menyebabkan rotor berputar ke kanan dan seterusnya. ketelitian sudut putar pada
motor stepper sebanding dengan banyaknya kondisi masukkannya. Pada kondisi
seperti gambar stepper dengan empat koil dan empat kondisi kutub dengan metode
full step akan mampu menghadap ke 16 sudut berbeda.
Ada dua tipe
pengendalian dengan metoda full step yaitu dengan pembangkitan tunggal dan
pembangkitan ganda. Untuk tipe pcmbangkitan tunggal dapat dilihat lebih jelas
pada tabel berikut.Pada tabel karakteristik pembangkitan stepper dibawah hanya
ada satu kondisi yang aktif. Misal koil satu aktif dan lainnya mati, maka rotor
akan menghadap ke kutub satu. Bila koil dua aktif, dan kutub lainny off, rotor
akan mcnghadap ke kutub dua dan seterusnya. Untuk Pembangkitan motor stepper
dengan metode pembangkitan ganda dapat dilihat pada tabel berikut.
Tabel Karakteristik Stepper Pembangkitan Tunggal
Pada tabel
dua koil aktif bersamaan, dan dua lainnya mati. Hal ini akan menyebabkan rotor
menghadap diantara kutub yang aktif. Misalkan untuk kondisi koil satu dan dua
aktif, rotor akan menghadap ke titik diantara kutub satu dan dua, dan
seterusnya.
Tabel Karakteristik Stepper Pembangkitan Ganda
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 a. 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 b). 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 b. Ilustrasi sederhana dari motor stepper
tipe permanent magnet (PM)
3. Motor stepper tipe Hybrid (HB)
Gambar
c. 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 d.).
Gambar
d. 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 e.). 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
e. Motor stepper dengan lilitan bipolar
Motor stepper
(stepper motor) adalah salah satu jenis motor DC yang dapat berputar pada
langkah tetap dengan besar sudut tertentu. Tidak seperti motor DC biasa yang
menghasilkan gerakan putaran kontinyu, motor step menghasilkan gerak putaran
diskret (gerakan yang patah-patah) seperti terlihat pada Gambar 1. Besarnya
sudut untuk tiap langkah bervariasi antara 0,9 hingga 900. Motor
stepper digunakan pada aplikasi yang memerlukan perputaran pada sudut tertentu
namun tidak memerlukan umpan balik dari sensor posisi. Sudut perpindahan dapat
diketahui dengan menghitung jumlah langkah yang dilakukan dalam satu putaran.
Gambar 1 Perbedaan antara gerak motor step dengan gerak motor DC kontinyu.
Motor stepper
adalah satu-satunya jenis motor DC yang pengendaliannya dapat dilakukan secara
open loop. Contoh penggunaan motor stepper dapat dilihat pada printer, scanner,
dan floppy disk drive. Gambar 2 menunjukkan contoh dari suatu motor step.
Gambar 2 Bentuk fisik motor step
Motor stepper
magnet permanen (permanent magnet stepper motor). Motor stepper jenis magnet
permanen dapat bergerak karena adanya interaksi antara magnet permanen dengan
elektromagnet yang dihasilkan oleh arus elektrik. Saat tidak terhubung catu
daya jika digerakan pada motor step jenis ini akan terasa adanya tahanan
magnetik.
Motor stepper
reluktansi variabel (variable reluctance stepper motor). Pada motor stepper
jenis reluktansi variabel tidak terdapat magnet permanen, maka gerak dihasilkan
oleh interaksi antar elektromagnet. Saat tidak terhubung catu daya motor step
jenis ini tidak akan menghasilkan tahanan magnetik.
Untuk selanjutnya
pembahasan difokuskan pada motor step magnet permanen. Gambar 3 menunjukkan
konstruksi dasar dari suatu motor stepper, dalam hal ini jenis magnet permanen,
yang terdiri dari rotor berupa magnet permanen dan stator berupa elektromagnet.
Gambar 3 Komponen motor step
Berdasarkan
polaritasnya motor stepper magnet permanen dapat dibedakan menjadi dua, yaitu
unipolar (polaritas tunggal) dan bipolar (polaritas ganda). Gambar 4
menunjukkan rangkaian dari suatu motor step bipolar. Dari Gambar 4 terlihat
bahwa setiap dua buah elektromagnet yang berseberangan sebetulnya adalah
merupakan sebuah kumparan dan disusun sedemikian rupa sehingga jika kumparan
dialiri arus kedua elektromagnet tersebut menghasilkan kutub yang berlawanan.
Contohnya jika diberi polaritas A + dan B –, maka elektromagnet atas
menghasilkan kutub Utara dan elektromagnet bawah menjadi kutub Selatan.
Sedangkan jika polaritas dibalik menjadi A – dan B + maka kutub elektromagnet
akan berkebalikan, elektromagnet atas menjadi Selatan dan elektromagnet bawah
menjadi Utara. Jika diberi polaritas sama, A + dan B + atau A – dan B – maka
elektromagnet atas dan bawah tidak aktif.
Gambar 4 Simbol dan diagram pengkabelan motor step bipolar.
Terdapat beberapa
metode untuk menggerakkan motor stepper bipolar. Metode yang paling sederhana
adalah dengan bergantian mengaktifkan salah satu kumparan (AB atau CD), yang
disebut metode satu fase aktif atau sering disebut juga wave mode, seperti
ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Metode satu fase aktif pada motor step bipolar
Metode berikutnya
adalah metode dua fase aktif dengan mengaktifkan kedua kumparan. Pada metode
ini magnet pada rotor akan tertarik oleh dua elektromagnet yang bersebelahan,
sehingga posisinya selalu berada di antara dua elektromagnet, seperti terlihat
pada Gambar 6.
Gambar 6 Metode dua fase aktif pada motor step bipolar
Metode satu fase
aktif dan metode dua fase aktif sering disebut juga mode langkah penuh (full
step) untuk membedakan dengan mode setengah langkah (half step). Mode setengah
langkah menggabungkan antara metode satu fase dan metode dua fase, sehingga
dihasilkan jumlah langkah dua kali lipat lebih banyak dalam satu putaran
dibanding kedua mode langkah penuh. Motor step dapat menghasilkan 4 langkah
saat mode langkah penuh dan 8 langkah saat mode setengah langkah.
Gambar 7 Mode setengah langkah pada motor stepper bipolar
Untuk menghasilkan
jumlah langkah yang lebih banyak, maka pada suatu motor step tidak hanya
terdapat empat elektromagnet, tapi dapat berjumlah lebih banyak Meski demikian
untuk memudahkan pengaturannya, setiap elektromagnet tidak diatur secara
individu, namun terdapat beberapa elektromagnet yang disatukan pengaturannya
seperti tergambar pada gambar 8.
Gambar 8 Jumlah langkah gerak motor stepper ditentukan oleh banyaknya elektromagnet.
HUBUNGAN ANTARA TEGANGAN ( V ) DAN PUTARAN
MOTOR ( RPM )
Motor induksi adalah alat listrik yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Listrik yang diubah adalah listrik 3
phasa. Motor induksi sering juga disebut motor tidak serempak atau motor
asinkron.
Dalam motor induksi kompas digantikan oleh rotor sangkar yang akan berputar
pada porosnya. Karena ada perbedaan putaran antara medan putar stator dengan
putaran rotor, maka disebut motor induksi tidak serempak atau motor asinkron.
Adanya perubahan tegangan mengakibatkan terjadinya
perubahan kecepatan. Seperti dalam teori yang dibahas sebelumnya, bahwa kopel
sebanding dengan pangkat dua tegangan yang diberikan terminal primernya. Maka
saat tegangan diturunkan, kopel yang diterima rotor juga akan ikut turun.
Penurunan kopel yang diterima oleh rotor ini akan
mengakibatkan kecepatan putaran motor juga akan berkurang sesuai dengan
penurunan tegangan. Hal inilah yang menjadi dasar pengaturan kecepatan motor
dengan mengubah sumber tegangan (line voltage control). Dalam pengaturan
putaran dengan mengubah tegangan ini masih terdapat beberapa kelemahan yang
timbul. Dimana dalam pengaturan ini kadang diperoleh putaran yang tidak
stabil (berubah-ubah) terutama untuk putaran rendah. Hal ini terjadi karena
motor yang digunakan adalah motor dengan tegangan stabil. Sehingga saat
tegangan diturunkan, putaran motor menjadi tidak stabil, karena motor akan
berputar dengan sempurna pada tegangan yang diperkenakan yang telah ditentukan
dalam plat penunjuk daya (name plate) yang sudah disesuaikan pada motor
tersebut.
Semakin
besar tegangan yang dinaikkan, maka putaran motor semakin cepat, dan sebaliknya
semakin kecil tegangan yang diberikan maka semakin pelan putaran motor sehingga
arus starting motor menjadi kecil dan drop tegangan masih dalam batas toleransi.
