Motor Stepper Serta Hubungan Antara Tegangan Dengan RPM

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)

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 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 (V_M) 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

Berdasarkan konstruksinya motor stepper dapat dibagi menjadi dua, yaitu :

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.

Untuk dapat menghasilkan kombinasi medan magnet sesuai metode yang digunakan, diperlukan kombinasi sinyal pada masing-masing input motor step.

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.