motor stepper

Aga Eka Prayitna Motor Listrik

3211301011 Tugas 3

Motor Stepper

1. Definisi Motor Stepper

Motor stepper mengubah pulsa-pulsa listrik yang diberikan menjadi gerakan-gerakan diskrit rotor yang disebut langkah (steps). Nilai rating dari suatu motor stepperdiberikan dalam langkah per putaran (steps per revolution). Motor stepper umumnyamempunyai kecepatan dan [torsi] yang rendah.

Motor stepper bekerja berdasarkan pulsa-pulsa yang diberikan pada lilitanfasenya dalam urut-urutan yang tepat. Selain itu, pulsa-pulsa itu harus jugamenyediakan arus yang cukup besar pada lilitan fase tersebut. Karena itu untukpengoperasian motor stepper pertama-tama harus mendesain suatu sequencer logicuntuk menentukan urutan pencatuan lilitan fase motor dan kemudian menggunkansuatu penggerak (driver) untuk menyediakan arus yang dibutuhkan oleh lilitan fase

2. Karakteristik suatu Motor Stepper

Tegangan. Motor stepper biasanya mempunyai tegangan nominal.Tegangan yangdiberikan kadang-kadang melebihi tegangan nominal untuk mendapatkan torsi yangdibutuhkan, tetapi dapat menyebabkan panas berlebih dan mempersingkat usia motor.

Hambatan. Karakteristik lainnya adalah hambatan-per-lilitan. Hambatan ini akanmenentukan arus yang ditarik oleh motor, dan juga memengaruhi kurva torsi dankecepatan kerja maksimum motor.

Derajat per langkah (step angle).Faktor ini menentukan berapa derajat poros akanberputar untuk setiap langkah penuh (full step). Operasi setengah langkah (half step)akan melipat-gandakan jumlah langkah-per-revolusi, dan mengurangi derajat-per-langkahnya. Derajat-per-langkah sering disebut sebagai resolusi motor.

3. Prinsip Kerja Motor Stepper

Meskipun pada saat ini terdapat berbagai jenis motor stepper di pasaran, namunpada dasarnya mereka memiliki prinsip kerja yang sama. Seperti halnya pada motorinduksi, motor stepper memiliki bagian-bagian utama berupa stator magnet permanen,dan lilitan kawat pada rotor. Hal yang membedakan motor stepper dari motor induksibiasa adalah motor stepper memiliki beberapa lilitan pada rotor, yang jumlahnyaditunjukkan oleh jumlah bit motor stepper tersebut dan juga menunjukkan besar derajatpada setiap langkah putaran. Pada motor stepper empat bit terdapat empat lilitan yangmenentukan gerakan rotor. Dengan bantuan gambar di bawah ini, akan dijelaskanprinsip kerja dari motor stepper.


3211301011 Tugas 3

Jika suatu lilitan induktor dengan arah tertentu dialiri arus listrik searah, akantimbul medan magnet berkutub utara-selatan pada ujung-ujung inti besinya. Medanmagnet pada keempat lilitan stator motor stepper SA, SB, SC, dan SD, dapat diaktifkanmasing-masing. Pengaktifan medan magnet pada satu lilitan stator akan menarik ujungrotor R untuk mensejajarkan dirinya dengan stator penarik. Dimisalkan gambar di atasmenunjukkan kondisi awal suatu motor stepper, dimana salah satu ujung rotor R sedangsejajar dengan lilitan stator SA. Jika dalam keadaan tersebut aktivitas pemberian arusdipindahkan ke lilitan SB, maka ujung rotor R yang terdekat dengan SB akan segeramensejajarkan diri dengan SB. Berarti, rotor akan berputar searah jarum jam sejauh 18o.Sebaliknya, jika dari kondisi awal lilitan pada stator SD yang diaktifkan, maka rotorakan berputar berlawanan dengan arah jarum jam sejauh 18o, hingga ujung rotor yangterdekat menjadi sejajar dengan SD. Jadi, untuk memutar rotor sejauh 360o searah jarumjam, diperlukan 20 langkah aktivasi (360o = 20 x 18o), yaitu SB, SC, SD, SA, SB, ... dst.

Dari uraian di atas, dapat disimpulkan bahwa jika lilitan stator diaktifkan satupersatu secara bergiliran, maka stator akan berputar sejauh 18o/langkah. Namun,besarnya sudut putar ini bisa diperkecil lagi dengan menambahkan kombinasi berupaaktivasi dua lilitan stator. Sebagai contoh, dari kondisi awal pada gambar di atas, jikalilitan stator SA dan SB diaktifkan, maka rotor akan bergerak searah jarum jam sebesar9o (half step). Jika keadaan terakhir dilanjutkan lagi dengan mengaktifkan lilitan statorSB, maka putaran akan berlanjut sejauh 9o lagi. Putaran sebesar 9o berikutnya, dapatdilakukan dengan mengaktifkan lilitan stator SB dan SC, dan demikian seterusnya. Caraini dapat dilakukan untuk memperhalus sudut putar motor stepper. Disamping caratersebut, penghalusan putaran dapat juga dilakukan dengan menggunakan roda gigiatau roda bertali, yang dapat memperkecil derajat putar dalam setiap langkahnya.

4. Prinsip Pengendalian Motor Stepper

Pada gambar dan tabel berikut ini dapat dilihat prinsip pengendalian motorstepper. Jika seluruh saklar dalam keadaan terbuka (OFF alias berkondisi 0), makamotor berada dalam keadaan diam. Jika saklar ditutup dan dibuka secara bergiliran


3211301011 Tugas 3

sebagai berikut, TA, TB, TC, TD, maka motor akan bergerak sejauh 4 langkah (4 x 18o)searah jarum jam. Sebaliknya, motor akan bergerak sejauh 4 langkah berlawanandengan arah jarum jam, jika saklar ditutup dan dibuka menurut urutan TD, TC, TB, TA.

CW : Clock Wise (Searah jarum Jam)CCW : Counter Clock Wise (Berlawanan dengan arah jarum jam)

SA SB SC SD Gerakan

0 0 0 0 X

1 0 0 0 CW

0 1 0 0 CW

0 0 1 0 CW

0 0 0 1 CW

1 0 0 0 CW

0 0 0 1 CCW

0 0 1 0 CCW

0 1 0 0 CCW

1 0 0 0 CCW


3211301011 Tugas 3

Agar bisa dikendalikan secara elektronis (termasuk pengendalian melaluikomputer), posisi saklar dapat diganti dengan rangkaian yang terdiri atas transistor,dioda, dan resistor, seperti pada gambar

Pada rangkaian di atas, transistor digunakan sebagai saklar. Jika satu transistormendapatkan arus bias pada basisnya (yang telah diperkecil oleh resistor 10 k),transistor langsung memasuki kondisi saturasi, sehingga timbul kesan seolah-olah kakikolektor dan emitor terkontak langsung. Hal ini menyebabkan arus dari VCC dapatmengalir melalui lilitan menuju ground. Arus bias pada jalur IN di sini bisa berasal,misalnya, dari port paralel suatu komputer. Sebaliknya, jika transistor tidak mendapatbias, hubungan antara kaki kolektor dan emitor akan "terputus", sehingga arus tidakbisa mengalir melalui lilitan menuju ground.

Umumnya motor stepper membutuhkan daya yang cukup besar. Untukmengendalikan motor stepper dengan spesifikasi arus 1,2 A dan tegangan 5 V / fasadapat digunakan transistor bertipe BD 677, yang merupakantransistor Darlington bertipe NPN yang dikemas dalam satu transistor. Penggunaantransistor Darlington ini dimaksudkan agar pasokan daya danswitching dapatberlangsung dengan cepat.

Dalam rangkaian diatas, dioda berfungsi untuk membuang energi dalam bentukmedan listrik yang timbul pada lilitan ketika tidak aktif (mati / OFF), sehinggakerusakan transistor dapat dicegah. Untuk rangkaian di atas, dapat digunakan diodabertipe IN4002.

5. Keunggulan motor stepper

Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudahdiatur.


3211301011 Tugas 3

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 sepertipada motor DC

Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopellangsung ke porosnya

Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yangluas.

6. Pada dasaranya terdapat 3 tipe motor stepper yaitu:

A. Motor stepper tipe Variable reluctance (VR)

Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang secarastruktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah rotor besilunak dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika lilitan stator diberienergi dengan arus DC, kutub-kutubnya menjadi termagnetasi. Perputaran terjadiketika gigi-gigi rotor tertarik oleh kutub-kutub stator. Berikut ini adalah penampangmelintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR):

Gambar 2.8. Penampang melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR)

B. Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM)


3211301011 Tugas 3

Motor stepper jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti kaleng bundar (tincan) yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang diselang-seling dengan kutubyang berlawanan (perhatikan gambar 2.9). Dengan adanya magnet permanen, makaintensitas fluks magnet dalam motor ini akan meningkat sehingga dapatmenghasilkan torsi yang lebih besar. Motor jenis ini biasanya memiliki resolusilangkah (step) yang rendah yaitu antara 7,50 hingga 150 per langkah atau 48 hingga24 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah ilustrasi sederhana dari motorstepper tipe permanent magnet:

Gambar 2.9. Ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet (PM)

C. Motor stepper tipe Hybrid (HB)

Motor stepper tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi darikedua tipe motor stepper sebelumnya. Motor stepper tipe hibrid memiliki gigi-gigiseperti pada motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen yang tersusunsecara aksial pada batang porosnya seperti motor tipe PM. Motor tipe ini palingbanyak digunkan dalam berbagai aplikasi karena kinerja lebih baik. Motor tipehibrid dapat menghasilkan resolusi langkah yang tinggi yaitu antara 3,60 hingga0,90 per langkah atau 100-400 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalahpenampang melintang dari motor stepper tipe hibrid:


3211301011 Tugas 3

Gambar 2.10. Penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid

Berdasarkan metode perancangan rangkain pengendalinya, motor stepper dapatdibagi menjadi jenis unipolar dan bipolar. Rangkaian pengendali motor stepperunipolar lebih mudah dirancang karena hanya memerlukan satu switch / transistorsetiap lilitannya. Untuk menjalankan dan menghentikan motor ini cukup denganmenerapkan pulsa digital yang hanya terdiri atas tegangan positif dan nol (ground)pada salah satu terminal lilitan (wound) motor sementara terminal lainnya dicatudengan 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 yangberubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Jadi pada setiap terminal lilitan (A& B) harus dihubungkan dengan sinyal yang mengayun dari positif ke negatif dansebaliknya (perhatikan gambar 2.12). Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yangagak lebih kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar. Motor


3211301011 Tugas 3

stepper bipolar memiliki keunggulan dibandingkan dengan motor stepper unipolardalam hal torsi yang lebih besar untuk ukuran yang sama.

Gambar 2.12. Motor stepper dengan lilitan bipolar

motor stepper

Documents