Motor Stepper : Tipe dan Rangkaian Kontrol

(Bagian I)

Oleh Susanto Wibisiono Koselan

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