Motor Stepper sebagai Aktuator

Pengertian Aktuator Motor Stepper

Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja terhadap perubahan pulsa elektronis yang dikonversikan 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.

Gambar 1. Motor Stepper

Hal yang membedakan motor stepper dengan motor lainnya misalnya pada motor AC dan motor DC salah satunya adalah dari segi putarannya. Motor stepper merupakan motor DC yang tidak mempunyai komutator, akan tetapi memiliki kumparan pada bagian stator sedangkan pada bagian rotor merupakan magnet permanen (bahan ferromagnetic). Karena konstruksi inilah maka motor stepper dapat diatur posisinya ke arah tertentu sesuai dengan yang diinginkan, apakah searah jarum jam atau sebaliknya. Terdapat tiga jenis motor stepper: motor stepper Magnet Permanen, Variable Reluctance dan Hybrid. Ketiga jenis motor stepper tersebut melakukan fungsi dasar yang sama, tetapi berbeda dalam beberapa aplikasi. Motor stepper dapat berputar atau berotasi dengan sudut step yang bisa bervariasi tergantung motor yang digunakan. Ukuran step (step size) berada pada range 0,9° sampai 90°. Misalnya sudut step 7,5°; 15°; 30° dan seterusnya tergantung posisi putarannya relatif eksak dan stabil. Dengan adanya variasi sudut step tersebut akan lebih memudahkan untuk melakukan pengontrolan serta dapat langsung menggunakan sinyal digital tanpa perlu menggunakan rangkaian closedloop feedback untuk memonitor posisinya. Dengan alasan inilah maka motor stepper banyak digunakan sebagai aktuator yang menerapkan rangkaian digital sebagai pengontrol. Ada beberapa cara dalam mendesain motor untuk mendapatkan aksi stepping yang dikontrol secara digital. Salah satu caranya seperti diilustrasikan pada Gambar 2. Motor stepper ini memiliki konstruksi empat kumparan stator (bagian yang tetap/stasioner) yang merupakan empat pasang kutub (pole). Setiap kutub stator memiliki offsent sudut sebesar 450 satu sama lain yang saling berdekatan. Arah kumparan dibuat sedemikian rupa sehingga memberikan energi (energizing) ke salah satu kumparan yang membangkitkan medan “Utara” pada kutub tersebut. Sebaliknya akan memberikan medan kutub “Selatan”. Kutub utara dan selatan yang dibangkitkan oleh kumparan 1 ditunjukkan pada Gambar 2. Bagian motor yang berputar (rotor) didesain menggunakan tiap pasang lengan dari bahan ferromagnetic, yang satu dengan lainnya saling berdekatan membentuk sudut 60°. (Bahan ferromagnetic merupakan bahan yang mudah tertarik ke medan magnet). Karena kutub stator berjarak 45°, hal ini membuat sudut antara stator dan rotor sebesar 15°.

Gambar 2. Motor Stepper 4 Kumparan

Pada Gambar 2. terlihat sumbu rotor dengan garis flux yang diperoleh dari kutub stator utara-selatan adalah dari kumparan 1. Terjadinya pergerakan step pada rotor dengan sudut 15° searah jarum jam karena adanya pemutusan energi (deenergizing) pada kumparan 1 dan pemberian energi (energizing) pada kumparan 2. Pasangan rotor yang dekat dengan kumparan 2 sekarang akan segaris dengan pasangan kutub stator flux line 2. Stepping 15° berikutnya diperoleh dari pemberian energi pada kumparan 3, kemudian kumparan 4, kumparan 1, kumparan 2 dan seterusnya tergantung jumlah step yang diinginkan. Kode digital yang diberikan pada kumparan stator untuk step 15° searah jarum jam dan 15° berlawanan arah jarum jam dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Kumparan Motor Stepper dengan Data Digital

Pengaruh Pembebanan pada Motor Stepper

Operasi motor stepper dalam keadaan open-loop harus memberikan step (langkah putaran) sesuai dengan perintah atau kontrol yang diberikan pada motor stepper. Jika beban terlalu besar, maka motor tidak dapat bergerak secara normal atau diam, hal ini disebabkan karena torsi (torque) tidak kuat untuk melakukan stepping. Dalam keadaan seperti ini, mungkin rotor dapat bergerak sedikit ketika mendapat step pulse (pulsa) tetapi kemudian jatuh kembali ke posisi semula. Keadaan ini disebut stalling. Jika tidak digunakan feedback (umpan balik), kontroler tidak dapat mengetahui apakah terjadi kegagalan stepping. Dalam setiap step, pertambahan torsi oleh motor stepper tergantung pada shaft angle (sudut poros). Faktanya bahwa torsi pada rotor sebenarnya nol bila tepat berada sejajar dengan kumparan yang sedang mendapat energi (energized). Pada Gambar 3. gambarkan bagaimana motor yang hanya dapat memberikan torsi apabila rotor tidak sejajar. Gambar 1.18 menunjukkan kutub rotor menuju ke suatu kutub medan yang sedang mendapatkan energi. Gaya tarik terjadi antara ujung selatan (S) rotor dengan ujung utara (N) dari kutub medan (stator). Ketika kutub rotor mendekati kutub medan, gaya tarik (F) yang diterima lebih kuat tetapi komponen torsi (T) nya lemah. Bila rotor mengarah langsung ke kutub medan, maka komponen torsi adalah nol. Secara praktis, hal ini berarti bahwa rotor dapat berhenti sebelum sejajar secara sempurna dengan kutub medan (yang mendapat energi). Pada contoh yang kita bahas ini, torsi maksimum terjadi bila rotor berada sekitar 45° jauh dari kutub medan (Gambar 3). Jika beban melebihi torsi maksimum tersebut, maka rotor akan slip dengan cepat ke arah 90° ke belakang, dan hal ini dapat menyebabkan motor justru memberikan step terbalik/mundur. Torsi beralih ke nol ketika sejajar dengan kutub medan dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Torsi beralih ke nol ketika rotor sejajar dengan kutub medan

Motor Stepper Dua-Phase (Bipolar)

Motor stepper dua-phase (bipolar) mempunyai konstruksi yang mirip dengan jenis unipolar, hanya tidak terdapat tap pada kumparannya (Gambar 4.). Penggunaan motor stepper jenis bipolar memerlukan rangkaian yang agak lebih rumit untuk 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.

Gambar 4. Motor stepper dua-phase (bipolar)

Motor stepper dua-phase (bipolar) hanya mempunyai dua rangkaian tetapi sebenarnya terdiri dari empat kutub medan. Gambar 4 (a) menunjukkan simbol motor dan Gambar 4 (b) menunjukkan bagaimana lilitan internal motor tersebut.

Tabel 2. Step Putaran Motor Stepper

Istilah bipolar digunakan pada motor ini karena arus terkadang terbalik. Urutan tegangan diperlukan untuk memutar motor satu putaran penuh seperti ditunjukkan pada Tabel 2. Pembacaan dari atas ke bawah memberikan urutan untuk peralihan/ perputaran CCW, pembacaan dari bawah ke atas adalah urutan CW (clockwise, sarah jarum jam). Bentuk fisik dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 5. Bentuk Fisik Dan Simbol Motor Stepper

Bentuk Kontruksi Motor Stepeer dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 5. Konstruksi internal motor stepper hybrid (hanya ditampilkan dua kutub per-stator)

Internal dari motor hybrid yang dapat dianggap lebih rumit dari motor magnet permanen biasa. Rotor yang terdiri dari dua roda bergigi dengan suatu magnet di antaranya satu roda termagnetisasi secara sempurna menjadi utara dan yang lainnya sempurna menjadi selatan. Untuk setiap step, dua gigi berlawanan pada roda utara ditarik menuju dua kutub medan selatan, dan dua gigi berlawanan pada roda selatan ditarik menuju dua kutub medan utara. Kumparan atau perkawatan internal lebih rumit dari motor magnet permanen atau motor VR, tetapi untuk di dunia luar motor ini sederhana dan mudah untuk dikontrol. Teori operasi motor hybrid mirip dengan motor VR di mana rotor dan stator mempunyai jumlah gigi yang berbeda dan untuk setiap step, gigi yang mendapatkan energi terdekat akan ditarik untuk disejajarkan. Akan tetapi, prinsip magnetik tetap diperlukan sewaktu-waktu, setengah kutub menjadi utara dan setengah lainnya menjadi selatan. Untuk mempertahankan keseimbangan magnetik, setiap kutub harus dapat men-switch polaritas supaya dapat memberikan kutub yang tepat pada waktu yang tepat. Hal ini diselesaikan dengan satu cara dari dua cara: Untuk motor bipolar, tegangan yang digunakan harus dibalik oleh rangkaian driver. Pada sisi lain, motor unipolar mempunyai dua kumparan terpisah arah berlawanan pada setiap kutub medan (disebut bifilar winding), dan juga setiap kutub dapat menjadi utara atau selatan. Karena itu motor stepper hybrid unipolar tidak memerlukan rangkaian pembalik polaritas.

Prinsip Kerja Motor Stepper

Metode full step

Metode full step disebut juga metode pembangkitan tunggal. Untuk tipe pembangkitan tunggal dapat dilihat lebih jelas pada Tabel 3. Dalam Tabel 3, karakteristik pembangkitan motor stepper hanya ada satu kondisi yang aktif. Contohnya jika koil satu aktif dan lainnya mati, maka rotor akan menghadap ke kutub satu. Bila koil dua aktif, dan kutub lainnya off, rotor akan mcnghadap ke kutub dua dan seterusnya.

Tabel 3. Karakteristik Motor Stepper Pembangkitan Tunggal

Metode half step

Metode half step disebut juga metode pembangkitan ganda. Untuk metode pembangkitan ganda, urutan pembangkitan motor stepper dengan dapat dilihat pada Tabel 4. Dalam Tabel 4. terlihat bahwa dua koil aktif bersamaan, dan dua lainnya mati. Hal ini akan menyebabkan rotor menghadap diantara kutub yang aktif. Contohnya, untuk kondisi koil satu dan dua aktif, rotor akan menghadap ke titik diantara kutub satu dan dua, dan seterusnya.

Tabel 4. Karakteristik Motor Stepper Pembangkitan Ganda

Implementasi Motor Stepper

Motor stepper dapat diimplementasikan pada mesin disk drive, printer, fotokopi, robot, penggerak kamera pada cctv, dan pompa penyiram taman. Untuk rangkaian implementasi motor stepper akan dibahas lebih detail pada BAB berikutnya. Salah satu contoh implementasi motor stepper pada printer dapat dilihat pada Gambar 7.

Gambar 7. implementasi motor stepper pada printer

Abdurrahman Rasyid, S.Pd.

Lulusan Teknik Elektro yang hobi ngoprek komputer, gadget, dan traveling

Share this post