MOTOR STEPPER

Stepper motor bukanlah barang baru di dalam dunia komputer. Bahkan hampir sebagian besar disk drive atau CDROM menggunakan stepper motor untuk memutar disk. Penggunaannya juga cukup sederhana dan mudah digunakan untuk aplikasi-aplikasi tertentu yang tidak terlalu membutuhkan torsi yang besar. Motor stepper banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang biasanya cukup menggunakan torsi yang kecil, seperti untuk penggerak piringan disket atau piringan CD. Dalam hal kecepatan, kecepatan motor stepper cukup cepat jika dibandingkan dengan motor DC. Motor stepper merupakan motor DC yang tidak memiliki komutator. Pada umumnya motor stepper hanya mempunyai kumparan pada statornya sedangkan pada bagian rotornya merupakan permanen magnet. Dengan model motor seperti ini maka motor stepper dapat diatur posisinya pada posisi tertentu dan/atau berputar ke arah yang diinginkan, csearah jarum jam atau sebaliknya. Kecepatan motor stepper pada dasarnya ditentukan oleh kecepatan pemberian data pada komutatornya. Semakin cepat data yang diberikan maka motor stepper akan semakin cepat pula berputarnya. Pada kebanyakan motor stepper kecepatannya dapat diatur dalam daerah frekuensi audio dan akan menghasilkan putaran yang cukup cepat. Tipe Motor Stepper Motor stepper dibedakan menjadi dua macam berdasarkan magnet yang digunakan, yaitu tipe permanen magnet dan variabel reluktansi. Pada umumnya motor stepper saat ini yang digunakan adalah motor stepper yang mempunyai variabel relukatansi. Cara yang paling mudah untuk membedakan antara tip motor stepper di atas adalah dengan cara memutar rotor dengan tangan ketika tidak dihubungkan ke suplai. Pada motor stepper yang mempunyai permanen magnet maka ketika diputar dengan tangan akan terasa lebih tersendat karena adanya gaya yang ditimbulkan oleh permanen magnet. Tetapi ketika menggunakan motor dengan variabel reluktansi maka ketika diputar akan lebih halus karena sisa reluktansinya cukup kecil. Variabel Reluktansi Motor Pada motor stepper yang mempunyai variabel reluktansi maka terdapat 3 buah lilitan yang pada ujungnya dijadikan satu pada sebuah pin common. Untuk dapat menggerakkan motor ini maka aktivasi tiap-tiap lilitan harus sesuai urutannya. Gambar 1 merupakan gambar struktur dari motor dengan variabel reluktansi dimana tiap stepnya adalah 30°. Mempunyai 4 buah kutub pada rotor dan 6 buah kutub pada statornya yang terletak saling berseberangan. Gambar 1 Variabel Reluktance Motor Jika lilitan 1 dilewati oleh arus, lilitan 2 mati dan lilitan 3 juga mati maka kumparan 1 akan menghasilkan gaya tolakan kepada rotor dan rotor akan berputar sejauh 30° searah jarum jam sehingga kutub rotor dengan label Y sejajar dengan kutub dengan label 2. Jika kondisi seperti ini berulang terus menerus secara berurutan, lilitan 2 dilewati arus kemudian lilitan 3 maka motor akan berputar secara terus menerus. Maka agar dapat berputar sebanyak 21 step maka perlu diberikan data dengan urutan seperti pada gambar 2. ‘1’ pada gambar 2 diartikan bahwa lilitan yang bersangkutan dilewati arus sehingga menghasilkan gaya tolak untuk rotor. Sedangkan ‘0’ diartikan lilitan dalam kondisi off, tidak mendapatkan arus. Unipolar Motor Stepper Motor stepper dengan tipe unipolar adalah motor stepper yang mempunyai 2 buah lilitan yang masing-masing lilitan ditengah-tengahnya diberikan sebuah tap seperti tampak pada gambar 3. Gambar 3 Unipolar Stepper Motor Motor ini mempunyai step tiap 30° dan mempunyai dua buah liliatan yang didistribusikan berseberangan 180° di antara kutub pada stator. Sedangkan pada rotonya menggunakan magnet permanen yang berbentuk silinder dengan mempunyai 6 buah kutub, 3 kutub selatan dan 3 buah kutub utara. Sehingga dengan konstrusi seperti ini maka jika dibutuhkan ke presisian dari motor stepper yang lebih tinggi dibutuhkan pula kutub-kutub pada stator dan rotor yang semakin banyak pula. Pada gambar 3, motor tersebut akan bergerak setiap step sebesar 30° dengan 4 bit urutan data (terdapat dua buah lilitan dengan tap, total lilitan menjadi 4 lilitan). Ketelitian dari magnet permanen di rotor dapat sampai 1.8° untuk tiap stepnya. Ketika arus mengalir melalui tap tengah pada lilitan pertama akan menyebabkan kutub pada stator bagian atas menjadi kutub utara sedangkan kutub stator pada bagian bawah menjadi kutub selatan. Kondisi akan menyebabkan rotor mendapat gaya tarik menuju kutub-kutub ini. Dan ketika arus yang melalui lilitan 1 dihentikan dan lilitan 2 diberi arus maka rotor akan mengerak lagi menuju kutub-kutub ini. Sampai di sini rotor sudah berputar sampai 30° atau 1 step. Gambar 4 Urutan Data Untuk Motor Stepper dengan Tipe Unipolar (torsi normal) Gambar 5 Urutan Data Motor Stepper Tipe Unipolar (torsi besar) Untuk meningkatkan torsi yang tidak terlalu besar maka dapat digunakan urutan pemberian data seperti pada gambar 5. Dimana terdapat dua buah lilitan yang di beri arus pada suatu waktu. Dengan pemberian urutan data seperti ini akan menghasilkan torsi yang lebih besar dan tentunya membutuhkan daya yang lebih besar. Dengan urutan data baik pada gambar 4 atau gambar 5 akan menyebabkan motor berputar sebanyak 24 step atau 4 putaran. Bipolar Motor Stepper Motor dengan tipe bipolar ini mempunyai konstruksi yang hampir sama dengan motor stepper tipe unipolar namun tidak terdapat tap pada lilitannya, seperti tampak pada gambar 6. Gambar 6 Bipolar Motor Stepper Penggunaan motor dengan tipe bipolar ini membutuhkan rangkaian yang sedikit lebih rumit untuk mengatur agar motor ini dapat berputar dalam dua arah. Biasanya untuk menggerakkan motor stepper jenis ini membutuhkan sebuah driver motor yang sering dikenal sebagai H Bridge. Rangkaian ini akan menontrol tiap-tiap lilitan secara independen termasuk dengan polaritasnya untuk tiap-tiap lilitan. Untuk mengontrol agar motor ini dapat berputar satu step maka perlu diberikan arus untuk tiap-tiap lilitan dengan polaritas tertentu pula. Urutan datanya dapat dilihat pada gambar 7. Gambar 7 Urutan Data Motor Stepper tipe Bipolar Rangkaian kontrol untuk setiap tipe motor stepper mempunyai kemiripan yaitu dalam hal aktivasinya. Namun yang paling membedakan adalah dalam hal urutan pemberian data aktivasi setiap lilitan pada motor stepper. Motor stepper merupakan motor listrik yang tidak mempunyai komutator, di mana semua lilitannya merupakan bagian dari stator. Dan pada rotornya hanya merupakan magnet permanen. Semua komutasi setiap lilitan harus di kontrol secara eksternal sehingga motor stepper ini dapat dikontrol sehingga dapat berhenti pada posisi yang diinginkan atau bahkan berputar ke arah yang berlawanan. Pada bagaian ini akan dibahas mengenai bagaian terakhir dari rangkaian penggerak motor stepper. Rangkaian ini pada dasarnya hanya merupakan rangkaian switching arus yang mengaliri lilitan pada motor stepper. Urutan pemberian data pada motor stepper ini dapat mengontrol arah putaran dari motor stepper ini. Penambahan kecepatan pada motor stepper dapat dilakukan dengan cara meningkatkan frekuensi pemberian data pada rangkaian switching arus. Rangkaian kontrol ini nantinya terhubung langsung dengan lilitan pada motor, rangkaian power supplai, dan rangkaian yang dikontrol secara digital yang pada akhirnya menentukan kapan lilitan yang diinginkan dalam kondisi off atau on. Selain hanya menggunakan transistor switching ar, saat ini sudah tersedia driver motor yang memang diperuntukkan bagi motor stepper, yang lebih dikenal dengan H-Bridge. Komponen ini biasanya digunakan pada motor stepper tipe bipolar, walaupun demikian tidak menutup kemungkinan digunakan pada motor stepper tipe yang lain. Rangkaian Driver Variabel Reluctance Motor Gambar 1Kontrol Pada Varibel Reluctance Motor Stepper Di dalam gambar 1 tersebut terdapat sebuah 3 blok dimana masing-masing mengatur sebuah kumparan motor stepper. Blok tersebut terdiri dari saklar arus yang dikontrol secara digital. Blok ini berperan penting di dalam pengontrolan arus yang akan melewati kumparan motor tertentu. Pengontrollan blok ini dapat dilakukan oleh sebuah rangkaian digital sederhana atau bahkan sebuah komputer melalui printer port. Dengan menggunakan komputer maka diperlukan perangkat lunak yang nantinya akan mengatur pemberian data dengan suatu urut-urutan tertentu kepada komponen saklar di dalam blok. Kumparan pada motor stepper mempunyai karakteristik yang sama dengan karakteristik beban induktif lainnya. Oleh sebab itu ketika terdapat arus yang melalui kumparan motor, tidak dapat dimatikan dengan seketika tanpa menghasilkan tegangan transien yang sangat tinggi. Kondisi ini biasanya nampak dengan timbulnya percikan bunga api (ketika menggunakan motor DC dengan daya yang besar). Hal ini sangat tidak diinginkan karena dapat merusak saklar sehingga perlu diberikan rangkaian tambahan untuk membatasi tegangan transien yang muncul. Sebaliknya ketika saklar tertutup maka terdapat arus yang mengalir ke kumparan motor dan akan menghasilkan kenaikan tegangan secara perlahan. Untuk membatasi tegangan spike yang muncul maka ada dua alternatif penyelesaiannya yaitu dengan memparalel pada kumparan motor dengan dioda dan alternatif yang kedua adalah dengan menggunakan kapasitor yang dipasang paralel dengan kumparan motor stepper. Gambar 2 Spike Voltage Reducer Diode yang yang terpasang paralel tersebut harus mampu melewatkan arus balik yang terjadi ketika saklar terbuka. Dioda yang digunakan dapat berupa dioda yang umum dipakai seperti 1N4001 atau 1N4002. Jika digunakan dioda yang mempunyai karakteristik ‘fast switch’ maka perlu diberikan penambahan kapasitor yang dipasang secara paralel pada dioda. Pemasangan kapasitor paralel dengan kumparan motor dapat menyebabkan spike yang ditimbulkan akan menyebabkan kapasitor tersebut charge sehingga tegangan spike yang terjadi tidak akan keluar tetapi diredam oleh kapasitor ini. Tetapi yang paling penting adalah kapasitor ini harus mampu menahan surge current pada saat terjadi spike. Surge current adalah arus tiba-tiba yang sangat besar yang muncul bersamaan dengan tegangan spike. Nilai kapasitor harus dipilih pada kondisi dimana nilai induktansi dari kumparan motor stepper paling besar. Inilah karakteristik motor stepper dengan tipe variabel reluctance dimana nilai induktansinya berubah-ubah tergantung dari sudut putaran pada poros rotor. Penambahan kapasitor sehingga tepat akan membentuk sebuah rangkaian resonansi yang dapat menyebabkan peningkatan torsi pada motor dengan tipe ini. Rangkaian Driver Unipolar Permanent Magnet and Hybrid Motor Gambar 3 Kontrol Pada Unipolar Permanent Magnet Motor Rangkaian kontrol untuk mengendalikan motor stepper dengan tipe unipolar ini hampira sama dengan rangkaian kontrol pada motor tipe variabel reluctance. Perbedaanya hanya pada struktur kumparan motornya saja. Gambar 4 Spike Voltage Reducer untuk Unipolar Stepper Motor Walaupun demikian karena bebanya merupakan beban induktif maka selalu ada tegangan spike yang muncul ketika saklar terbuka. Oleh sebab itu perlu penambahan dioda yang terpasang paralel dengan kumparan motor stepper seperti terlihat pada gambar 4. Dua buah dioda tambahan diperlukan karena kumparan motor bukanlah kumparan yang independen tetapi sebuah kumparan yang mempunyai tap di tengah-tengah kumparan seperti struktur pada autotransformer. Ketika salah satu saklar dibuka maka tegangan spike muncul di kedua ujung kumparan motor tersebut dan di clamp oleh dua buah dioda ke supplay motor. Tetapi jika salah satu ujung kumparan motor tersebut tidak floating terhadap supplai motor maka tegangan spike ini akan lebih negatif daripada referensi ground. Jika saklar yang digunakan berupa relay, kondisi ini bukan menjadi masalah. Kondisi ini baru menjadi masalah ketika saklar yang digunakan adalah saklar semikonduktor seperti transistor atau FET. Untuk membatasi level tegangan spike dapat pula digunakan kapasitor yang terpasang seperti pada gambar 5. Gambar 5 Pemberian Kapasitor Pembatas Tegangan Spike Rangkaian Praktis Pengendali Motor Stepper Jika rangkaian kontrol yang mengendalikan rangakaian motor driver ini berupa mikrokontroller atau komponen digital maka ada baiknya agar setiap port yang mengontrol rangkaian driver motor stepper ini diberi buffer terlebih dahulu agar tidak membebani port mikrokontroller yang digunakan. Seperti pada gambar 3, pin control_0, control_1, control_2 dan control_3 ini dapat dikontrol secara digital dengan menggunakan mikrokontroller dengan memberi komponen yang berfungsi sebagai buffer seperti pada gambar 6. Gambar 6 Rangkaian Sederhana Penggerak Motor Stepper Pada gambar 6 hanya ditampilkan satu bagian untuk mengontrol satu buah kumparan motor stepper. Ada dua alternatif yaitu dengan menggunakan buffer terlebuh dahulu atau menggunakan FET, yang mempunyai impedansi input yang sangat tinggi, sebagai komponen saklarnya. Tegangan Vmotor tidaklah harus selalu sama dengan tegangan VCC pada mikrokontroller. Oleh sebab itu digunakan sebuah komponen buffer yang mempunyai output open collector sehingga outputnya dapat di pull-up ke tegangan yang diinginkan. Untuk dasar pemilihan transistornya adalah pada karakteristik IC (arus kolektor). Transistor ini harus merupakan transistor power yang mampu melewatkan arus sesuai dengan arus yang diperlukan oleh kumparan motor stepper ini. Jika arus yang ditarik oleh kumparan motor stepper ternyata lebih besar daripada kemampuan transistor maka transistor akan cepat panas dan dapat menyebabkan rusaknya transistor tersebut. R pull-up sebesar 470 akan memberikan arus sebesar 10 mA ke basis transistor Q1. Jika Q1 mempunyai gain sebesar 1000 maka arus yang dapat diliewatkan adalah sekitar beberapa ampere, tergantung dari besar arus yang ditarik oleh kumparan motor stepper tersebut. Arus ini harus lebih kecil dari arus IC yang diperbolehkan. Untuk komponen FET dapat digunakan komponen IRL540 yang dapat mengalirkan arus sampai 20 A dan mampu menahan tegangan balik sampai 100V. Hal ini disebabkan oleh karena FET ini mampu menyerap tegangan spike tanpa perlindungan dioda. Tetapi komponen ini memerlukan heat sink yang besar dan harus cukup baik dalam hal penyerapan panasnya. Ada baiknya jika digunakan kapasitor untuk menekan level tegangan spike yang ditimbulkan dari transisi saklar dari on ke off.