Cara Kerja dan Jenis Motor Stepper

          Hampir seluruh peralatan proses produksi di industri menggunakan motor dan aktuator. Penjelasan tentang motor sebagai penggerak peralatan proses produksi diindustri telah banyak dibahas dalam blog ini, nah kali ini penulis akan membahas tentang aktuator. Aktuator adalah bagian output yang berfungsi sebagai penggerak peralatan proses produksi dari perintah yang diberikan oleh input. Salah satu jenis dari aktuator listrik adalah Motor Stepper, yang mana motor stepper dapat meningkatkan kecenderungan terhadap pengendalian digital dari mesin-mesin produksi dan berfungsi menghasilkan suatu permintaan untuk peranti-peranti mekanis, serta mampu mengirimkan gerakan-gerakan yang inkremental dengan ketelitian yang dapat diprediksi.

          Motor Stepper adalah salah satu mesin listrik yang mengubah sinyal-sinyal listrik ke dalam gerakan-gerakan mekanis diskrit. Batang atau spindel dari motor stepper dapat berputar yang disebabkan oleh kenaikan-kenaikan langkah diskrit ketika sinyal listrik berada di dalam urutan yang tepat. Urutan sinyal pulsa yang diterapkan secara langsung dihubungkan dengan arah rotasi spindle motor. Kecepatan dari rotasi spindel motor dihubungkan dengan frekuensi dari sinyal input dan panjang rotasi secara langsung berhubungan dengan nomor sinyal input.

A.  Cara Kerja Motor Stepper

          Torsi motor stepper tidak sebesar motor DC, namun motor ini mempunyai tingkat presisi yang sangat tinggi dalam gerakannya. Kecepatan gerak motor ini dinyatakan dalam step per second atau jumlah step gerakan dalam setiap detiknya. Cara kerja motor stepper didasari dengan prinsip magnet dasar, seperti kutub magnet yaitu sebagai berikut : Jika lilitan stator pada gambar 1 (a) diberi energi maka lilitan stator A adalah kutub selatan, stator B adalah kutub utara, dan rotor permanent magnet (PM) diposisikan seperti pada gambar, maka torsi motor akan bertambah seiring pergerakan rotor ke sudut 180⁰. Maka  hal tersebut akan menjadi tidak mungkin untuk menentukan arah dari putaran dan dalam rotor tidak akan bergerak seperti yang telah dikatakan tadi jika gayanya stabil. Jika yang terjadi seperti dalam gambar 1 (b), dua kutub stator tambahan  C dan D dipasang dan diberi energi seperti terlihat dalam gambar, kita bisa memprediksi arah dari putaran rotor. Seperti dalm gambar 1(b) arah putaran rotor akan konstan searah jarum jam dengan rotor sejajar dengannya antara ”rata-rata” kutub selatan dan ”rata-rata” kutub utara. Seperti diperlihatkan dalam gambar 1(c).

Gambar 1. Cara kerja motor stepper yang didasari dari prinsip magnet dasar

B. Jenis-Jenis Motor Stepper

          Ditinjau dari konstruksi nyata yaitu karakteristik unjuk kerjanya, motor stepper dapat dibagi menjadi tiga jenis yaitu : motor stepper variable reluctance (VR), motor stepper permanent magnet (PM), dan motor stepper hybrid.

          Keistimewaan dari motor stepper PM adalah dari penggabungan magnet permanen yang biasanya dipasang di dalam kumparan rotor. Untuk mendapat keluaran yang lebih baik biasanya ditambahkan lebih dari empat kutub stator, lalu gigi mesin dipasang di atas setiap kutub rotor dan juga di atas stator. Nomor-nomor gigi diatas rotor dan stator menunjukan segi langkah yang akan didapatkan dalam setiap satuan waktu.

          Polaritas dari perubahan arah angin, memberikan reaksi langkah bagian batang mesin sehingga terjadi pertambahan waktu untuk perubahan muatan kutub. Cara untuk mengubah kutub menjadi seimbang, kurang lebih didapat dari perputaran batang atau tambahan batang untuk mengetahui segi langkahnya.

          Langkah magnet permanen (PM) mengoperasikan jenis-jenis mesin oleh pengaruh timbal balik diantara magnet penggerak yang terus menerus berubah, ring dan kekuatan magnet oleh stator yang digerakan oleh angin akan membangkitkan daya listrik. Jika susunan dari energi angin sesuai, maka sebuah rangkaian akan stabil dari keseimbangan arah angin, sehingga akan menghasilkan daya listrik disekitar mesin. Jika arah putaran  membangkitkan rangkaian rotor maka akan mengikuti perubahan titik dari kesetimbangan dan perputaran dapat memberi reaksi untuk mengubah susunan, seperti ditunjukkan pada gambar 2 berikut ini.

Gambar 2a. Diagram rangkaian motor stepper PM

Gambar 2b. Urutan switch pada tahapan motor stepper PM

Gambar 2c. Bentuk gelombang pada tahapan motor stepper PM

          Berdasarkan magnet tetap pada motor, terdapat suatu tenaga putaran yang digerakkan kedalam gulungan motor walaupun gulungan pada stator tidak akan menghasilkan rugi-rugi. Energi putaran dapat diperoleh dengan cara memutar suatu motor stepper PM dengan tangan. Tenaga putaran dapat dihasilkan pada motor jika motor dipindahkan dari posisi yang mempunyai nilai hambatan minimum (dimasukan kedalam  suatu persamaan rangkaian DC) yang menyebabkan magnet tetap mengalami perubahan secara terus-menerus. Tenaga putaran ini  lebih besar bila dibandingkan dengan tenaga putaran normal dan hanya tinggal beberapa persen saja untuk  mencapai tenaga putaran maksimum.

          Motor stepper variabel reluktansi (VR) adalah sebuah stator yang merupakan bagian dari wound pole (kutub rotor) berbentuk silinder. Untuk bagian dari gigi memiliki hubungan dengan kutub stator dan dengan gigi itu sendiri (stator tidak boleh memiliki gigi). Nomor dari gigi akan menentukan perbedaan sudut yang dibutuhkan (ditunjukkan pada gambar 4). Tipe sebuah motor VR ditunjukan pada gambar 5a dimana aliran arus sudah layak mengaliri lilitan kumparan motor. Tenaga putar (sumber listrik) akan menghasilkan langkah yang berupa pemutar rotor pada posisi tidak terhubung garis edar minimum magnet.

Gambar 3. Prinsip dasar dari motor stepper PM

Gambar 4. Penampang atas dari motor stepper VR

Gambar 5a. Langkah lilitan 3 fasa

          Pada posisi ini listrik statis akan menjadi stabil pada tenaga putar tanpa tekanan yang diperlukan untuk memindahkan rotor dari posisi stabil, dan praktek  ini tidak akan berada pada satu posisi absolut. Pada rata-rata motor banyak posisi stabil memberi energi untuk stator.yang mana sebuah perbedaan energi akan mengatur lilitan untuk tidak terhubung pada sumber stator akan mengubah medan magnet karena rotor pada posisi yang baru.

Gambar 5b. Penyambungan kawat common lilitan motor stepper VR

          Pemilihan urutan energisasi yang tepat dari melilit membuat posisi-posisi yang stabil dan berputar dengan lembut pada kutub-kutub stator, menentukan kecepatan putaran dan pengaturan pada rotor. Ketika pola yang diberi tenaga, posisi rotor perlahan mengubah pola energisasi kumparan. Gambar 5 (c), mengilustrasi modus-modus pembangkitan  yang menghasikan suatu patokan sudut langkah yang nominal. Pembangkitan rangkap atau ganda (selalu dua kumparan didalamnya)  sering digunakan karena memiliki tenaga putaran yang lebh tinggi. Tidak seperti motor stepper PM, motor stepper VR memilki sisa kemagnetan, maka rotor (penghasil torsi) akan menjadi tidak kuat ketika stator tidak diberi tenaga. Sudut langkah ditentukan oleh nomor dari stator dan gigi rotor (bervariasi dari 7,5 sampai dengan 30). 

Gambar 5c. Tabel eksitasi rangkap/ganda 3 fasa

Gambar 5d. Bentuk gelombang pada tahapan motor stepper VR

          Motor stepper Hybrid lebih mahal dibandingkan motor stepper PM, namun  dengan penampilan yang lebih baik termasuk pengaruh resolusi langkah, torsi dan kecepatan. Ciri khas dari sudut langkahnya berkisar dari 36° hingga 0.9° (dengan 100 s/d 400 langkah per putaran). Motor stepper Hybrid merupakan perpaduan bagian terbaik dari kedua motor stepper, yaitu motor stepper PM dan VR. Rotornya bergigi banyak seperti motor stepper VR dan pada bagian axis berisi magnet konsentrik disekitar batangnya. Gigi pada rotor memberikan lintasan yang lebih baik untuk membiarkan fluks magnet memilih tempat yang disukai di dalam celah udara (airgap). Hal ini berlanjut pada ketahanan dan karakteristik torsi dinamis ketika kita membandingkannya dengan kedua jenis motor yang lain.

Gambar 6. Penampang melintang motor stepper hybrid

          Motor Stepper terdiri dari berbagai macam ukuran, tipe dan model, tetapi prinsip dasar untuk semua ukuran, tipe dan model adalah sama, dan mereka  termasuk salah satu dari tiga jenis yang telah dibahas. Mereka mungkin paling sedikit mempunyai 2 lilitan, atau paling banyak mempunyai sepuluh lilitan fasa (ini menempuh 2.500 langkah untuk satu resolusi). Tipe atau jenis motor stepper yang paling sering digunakan adalah motor stepper PM dan Hybrid.