Motor-Motor Stepper ( Seri I )

Motor-motor dengan reluktansi variabel

Pengendali-pengendali khusus untuk motor-motor pelangkah/stepping dengan reluktansi variabel adalah perubahan-perubahan pada jejalur keluarannya, seperti digambarkan oleh Gambar-1 di bawah ini:

 

Gambar-1

Pada Gambar-1, gambar kotak digunakan untuk menunjukkan saklar/switch; unit pengendali yang tidak digambarkan untuk penyederhanaan, berguna sebagai penyedia sinyal-sinyal pengendali untuk membuka dan menutup saklar-saklar pada sekuensial waktu yang benar untuk menggerakkan motor. Pada banyak kasus, unit pengendali adalah komputer atau pengendali interface-terprogram ( programmable interface controller ).

Lilitan motor, solenoid dan peralatan sejenisnya adalah bersifat beban induktif; dengan demikian arus yang melewati lilitan motor tidak dapat dihidupkan dan dimatikan secara tiba-tiba/instan tanpa melibatkan tegangan tanpa batas. Ketika sakelar pengendali motor ditutup, maka arus mengalir dan hasilnya adalah kenaikan arus yang perlahan. Ketika sakelar yang mengendalikan lilitan motor dibuka, hasilnya adalah tegangan lancip/spike dan merusak sakelar kecuali jika sakelar ditutup dengan cara yang seharusnya ( biasanya pada rangkaian sakelar ditambah dengan rangkaian penghalus berupa diode fly-wheel atau rangkaian filter ). Gambar-2 menunjukkan tegangan natural dari proses tutup-buka sakelar:

 

Terdapat dua cara untuk mengurangi kelancipan tegangan. Pertama adalah memasang secara paralel sebuah diode terhadap lilitan motor ( fly-wheel diode system ) dan kedua memasang secara paralel sebuah kapasitor terhadap lilitan motor ( High pass natural filter system ), seperti ditunjukkan oleh Gambar-3:

 

Gambar-3.

Diode yang diperlihatkan oleh Gambar-3 harus mampu mengalirkan arus secara penuh ke lilitan motor ( artinya diode harus memiliki tahanan dalam yang lebih besar daripada impedansi induktif dari lilitan motor ), tetapi hanya mengalirkan arus secara singkat ketika setiap kali sakelar dibuka, sejalan dengan berkurangnya arus yang mengalir di dalam lilitan, seperti pada Gambar-4 berikut ini:

 

Diode untuk keperluan ini biasanya digunakan diode dari keluarga 1N400X yang sering digunakan bersama dengan ‘sakelar-cepat’ atau fast-switch, dan jika perlu dipasang kapasitor kecil secara paralel terhadap diode seperti Gambar-5 berikut ini:

 

Kapasitor yang ditunjukkan oleh Gambar-3 mengisyaratkan masalah-masalah desain yang lebih rumit. Ketika sakelar ditutup, kapasitor akan melepaskan muatan elektrostatiknya melalui sakelar menuju ground/tanah, dan sakelar harus mampu menahan arus singkat ini. Sebuah resistor dapat dipasang secara seri terhadap kapasitor atau seri terhadap catu daya untuk membatasi arus ini, seperti ditunjukkan Gambar-6 berikut:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ketika sakelar dibuka, maka energi yang tersimpan pada lilitan motor akan mengisi kapasitor pada tingkat tegangan yang lebih tinggi dari tegangan catunya dan sakelar harus mampu menahan tegangan ini; untuk memperoleh rate kapasitor yang tepat kita menggunakan persamaan resonansi sebagai berikut:

 

P = C V2 / 2
P = L I2 / 2

Dengan :

P – energi yang tersimpan, dalam watt detik atau coulomb volt
C – Kapasitansi,  dalam farads
V – tegangan yang melewati kapasitor
L – induktansi lilitan motor, dalam henry
I – arus yang melewati lilitan motor

Penyelesaian rate minimum dari kapasitor yang diperlukan untuk mencegah tegangan lebih pada sakelar adalah cukup mudah:

C > L I2 / (VbVs)2

Dengan:

Vb — tegangan breakdown of dari sakelar 
Vs – tegangan catu daya

Motor dengan variabel reluktansi memiliki induktansi variabel yang bergantung pada sudut poros; sehingga pada kasus desain terburuk harus digunakan untuk memilih kapasitor. Sayangnya, induktansi motor stepper sangat jarang didokumentasikan, atau bahkan tidak sama sekali. 

Kapasitor dan lilitan motor berkombinasi membentuk rangkaian resonansi. Jika sistem kontrol mengendalikan motor pada frekuensi yang dekat dengan frekuensi resonansi dari rangkaian ini, dan arus motor yang melewati lilitan motor, maka torsi dihasilkan oleh motor, hal ini sangat berbeda dari torsi tunak/steady-state pada tegangan operasi nominal. Frekuensi resonansinya adalah:

f = 1 / ( 2π (L C)0.5 )

Sekali lagi, frekuensi untuk motor dengan reluktansi variabel akan tergantung pada sudut poros motor. Ketika satu motor dengan reluktansi variabel dioperasikan dengan pulsa-pulsa yang dihasilkan dekat dengan frekuensi resonansinya, arus osilasi di dalam lilitan motor akan menyebabkan medan magnet menuju nol pada nilai dua kali frekuensi resonansi, dan akan mengurangi kemampuan motor menghasilkan torsi.

Motor-motor Magnet Permanen dan Hibrid

Kontroler-kontroler untuk menenggatkan (stepping) motor adalah variasi pada keluarannya seperti ditunjukkan Gambar-7:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sama seperti pada definisi Gambar-1, gambar kotak digunakan untuk menunjukkan saklar/switch; unit pengendali yang tidak digambarkan untuk penyederhanaan, berguna sebagai penyedia sinyal-sinyal pengendali untuk membuka dan menutup saklar-saklar pada sekuensial waktu yang benar untuk menggerakkan motor. Pada banyak kasus, unit pengendali adalah komputer atau pengendali interface-terprogram ( programmable interface controller ) dengan software yang secara langsung membangkitkan keluaran yang dibutuhkan untuk mengendalikan sakelar.

Seperti pada rangkaian untuk motor reluktansi variabel, kita juga harus berurusan dengan sentakan induktif yang dihasilkan setiap kali sakelar dimatikan/dibuka. Sekali lagi kita harus ‘melewatkan’ (shunt) sentakan induktif menggunakan diode, tetapi harus menggunakan 4 diode seperti pada Gambar-8 karena lilitan motor unipolar bersifat ‘center tap’:

 

 

 

 

 

 

 

 

Diode tambahan dibutuhkan karena lilitan motor tidak berlaku sebagai dua induktor bebas, melainkan induktor tersadap-tengah tunggal/single center-tapped dengan sadapan tengah pada tegangan tetap; kondisi ini menjadikan lilitan motor berlaku seperti auto-trasformator. Ketika kondisi kelistrikan ( tegangan atau arusnya ) salah satu sisi turun, maka kondisi kelistrikan sisi lain lainnya akan meningkat, demikian sebaliknya. Ketika satu sakelar terbuka, sentakan induktif akan mengarahkan lilitan motor di sisi tersebut menuju catu positif yang diraup/clamped oleh diode; sisi yang berlawanan akan menurun, dan jika tidak berada pada level tegangan catu di saat itu, maka sakelar tersebut akan jatuh hingga di bawah kondisi pentanahannya ( bertegangan negatif ), membalikkan tegangan yang melintasi sakelar pada sisi tersebut. Beberapa sakelar dapat bertahan pada kondisi pembalikan semacam ini, namun yang lain dapat mengalami kerusakan serius.

Sebuah kapasitor dapat juga dipasang shunt terhadap lilitan motor untuk mengatasi sentakan induktif seperti ditunjukkan Gambar-9:       

 

 

 

 

 

 

 

 

Aturan untuk perhitungan kapasitor yang ditunjukkan oleh Gambar-9 sama dengan aturan untuk menghitung nilai kapasitor pada Gambar-3, tetapi efek resonansi yang muncul sangat berbeda. Pada motor magnet permanen, jika kapasitor diarahkan pada frekuensi resonansinya atau dekat dengan frekuensi resonansinya, maka torsi motor akan meningkat sebanyak dua kali torsi kecepatan rendahnya. Torsi yang dihasilkan v.s kurva kecepatan cukup rumit seperti ditunjukkan oleh Gambar-10 berikut:

 

 

 

 

 

 

 

Gambar-10 menunjukkan satu bukit torsi yang muncul pada frekuensi listriknya dan satu lembah pada saat frekuensi resonansi mekanisnya. Jika frekuensi resonansi listrik ditempatkan secara benar di atas torsi dari kecepatan cutoff untuk motor yang menggunakan pengarah berbasis diode, maka efeknya dapat sebagai satu peningkatan kecepatan cutoff efektif.  

Frekuensi resonansi mekanis bergantung pada torsi, jika frekuensi resonansi mekanis berada dekat pada resonansi listriknya, maka resonansi mekanis akan digeser oleh resonansi listriknya. Lebih jauh, lebar resonansi mekanis bergantung pada kurva kelandaian/slope lokal dari torsi terhadap kecepatannya; seperti pada Gambar-11 berikut:

 

 

 

 

 

 

 

Jika torsi turun drastis terhadap meningkatnya kecepatan maka wilayah resonansi mekanis akan menjadi sempit dan tajam, sementara jika torsi meningkat terhadap kecepatan maka wilayah resonansinya akan lebih lebar atau bahkan terbagi ke dalam beberapa frekuensi resonansi.

Pengarah-pengarah praktis untuk motor unipolar dan motor reluktansi variabel

Pada rangkaian-rangkaian sebelumnya, detail sakelar diabaikan. Pada pembahasan kali ini teknologi switching dari yang sederhana (toggle switch) hingga berbasis MOSFET akan dibahas. Gambar-12 terdiri dari dua contoh untuk rangkaian kontrol/switching system:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Masing-masing sakelar yang ditunjukkan oleh Gambar-12 kompatibel terhadap satu input TTL (Transistor-Transistor Logic). Catu 5 volt digunakan untuk rangkaian logikanya, termasuk pengarah kolektor-terbuka 7407 pada gambar, yang harus diregulasi dengan baik. Daya motor yang digunakan pada umumnya antara 5 volt dan 24 volt, hanya membutuhkan sedikit pengaturan. Rangkaian-rangkaian switching daya ini juga cocok untuk mengarahkan solenoid, motor DC dan beban-beban induktif lainnya sama seperti untuk mengarahkan motor-motor pelangkah.

Transistor SK3180 pada Gambar-12 merupakan rangkaian darlington daya ( uraian TTL-nya pada Gambar-13) dengan gain arus di atas 1000; sehingga jika terdapat arus 10 mA mengalir melalui resistor-bias 470 ohm adalah lebih dari cukup untuk memampukan transistor melakukan penyakelaran/switching untuk arus beberapa ampere melalui lilitan motor. Buffer/penyangga 7407 yang digunakan untuk mengarahkan rangkaian darlington dapat digantikan dengan lemping/chip kolektor-terbuka-untuk-tegangan tinggi yang dapat ‘menenggelamkan’ paling tidak 10 mA. Jika transistor gagal, maka pengarah chip kolektor-terbuka-untuk-tegangan-tinggi melindungi sisa rangkaian logika dari catu daya motor.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IRC IRL540 yang ditunjukkan oleh Gambar-12 adalah FET (Field Effect Transistor) daya. FET ini dapat menahan hingga 20 A, dan putus tanpa merusak pada 100 volt; sebagai hasilnya, lemping ini dapat menyerap kelancipan/spike induktif tanpa diode-diode proteksi jika FET tersebut dipasangi cukup heat-sink yang cukup besar. Transistor FET ini memiliki waktu switching yang sangat cepat, sehingga diode proteksi yang dikombinasi dengan FET ini harus memiliki kecepatan tanggapan yang setara atau di-bypass dengan sebuah kapasitor kecil. Hal ini adalah sangat mendasar bagi diode yang digunakan untuk melindungi transistor menahan bias balik. Jika transistor gagal, maka diode zener dan resistor 100 ohm melindungi rangkaian TTL. Resistor 100 ohm juga bertindak untuk memperlambat waktu-waktu penyakelaran/switching dari transistor.   

Pada aplikasi-aplikasi yang melibatkan lilitan motor dengan arus di bawah 500 mA, transistor keluarga ULN200x (Allegro System), DS200x (National Semiconductor), dan MC1413 (Motorola) berisi susunan darlington yang mampu mengarahkan lilitan-lilitan motor atau beban-beban induktif lainnya secara langsung dari input-input logikanya. Gambar-14 menunjukkan pinout dari transistor ULN2003 dengan 7 susunan transistor darlington dengan input-input yang kompatibel dengan TTL:     

 

 

 

 

 

 

 

 

Resistor base pada setiap transistor darlington adalah sesuai untuk output-output TTL bipolar. Setiap NPN darlington disambung dengan emitternya lalu dihubungkan ke pin 8, yang ditujukan sebagai pin ground/pentanahan. Setiap transistor pada paket ini dilindungi oleh dua diode, salah satu diode menghubungkan emitter ke collector, melindungi dari tegangan balik yang melintasi transistor, dan diode lainnya menghubungkan collector ke pin 9; jika pin 9 terhubung ke catu positif dari motor, diode ini akan melindungi transistor dari kelancipan/spike induktif.

Leave a comment

Filed under Uncategorized

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s