Motor stepper dan servo

Nama              : Tedy Jatmiko W.U

NIM                : 101910101056

Motor Servo

Berbeda dengan motor DC dan motor Stepper, motor servo adalah sebuah

motor dengan sistem closed feedback di mana posisi dari motor akan diinformasikan

kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo. Motor ini terdiri dari

sebuah motor, serangkaian gear, potensiometer dan rangkaian kontrol.

Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas sudut dari putaran servo.

Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirim

melalui kaki sinyal dari kabel motor. Tampak pada gambar dengan pulsa 1.5 mS pada

periode selebar 2 mS maka sudut dari sumbu motor akan berada pada posisi tengah.

Semakin lebar pulsa OFF maka akan semakin besar gerakan sumbu ke arah jarum jam

dan semakin kecil pulsa OFF maka akan semakin besar gerakan sumbu ke arah yang

berlawanan dengan jarum jam.

Motor servo biasanya hanya bergerak mencapai sudut tertentu saja dan tidak kontinyu seperti motor DC maupun motor stepper. Walau demikian, untuk beberapa keperluan tertentu, motor servo dapat dimodifikasi agar bergerak kontinyu. Pada robot, motor ini sering digunakan untuk bagian kaki, lengan atau bagianbagian lain yang mempunyai gerakan terbatas dan membutuhkan torsi cukup besar.

Motor servo adalah motor yang mampu bekerja dua arah (CW dan CCW) dimana arah dan sudut pergerakan rotornya dapat dikendalikan hanya dengan memberikan pengaturan duty cycle sinyal PWM pada bagian pin kontrolnya. Motor Servo tampak pada gambar 1.

Motor Servo

Motor Servo merupakan sebuah motor DC yang memiliki rangkaian control elektronik dan internal gear untuk mengendalikan pergerakan dan sudut angularnya. Sistem Mekanik Motor Servo tampak pada gambar 2.

Sistem Mekanik Motor Servo

Motor servo adalah motor yang berputar lambat, dimana biasanya ditunjukkan oleh rate putarannya yang lambat, namun demikian memiliki torsi yang kuat karena internal gearnya.

Lebih dalam dapat digambarkan bahwa sebuah motor servo memiliki :

3 jalur kabel : power, ground, dan control

Sinyal control mengendalikan posisi

Operasional dari servo motor dikendalikan oleh sebuah pulsa selebar ± 20 ms, dimana lebar pulsa antara 0.5 ms dan 2 ms menyatakan akhir dari range sudut maksimum.

Konstruksi didalamnya meliputi internal gear, potensiometer, dan feedback control.

JENIS-JENIS MOTOR SERVO

Motor Servo Standar 180°

Motor servo jenis ini hanya mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) dengan defleksi masing-masing sudut mencapai 90° sehingga total defleksi sudut dari kanan – tengah – kiri adalah 180°.

Motor Servo Continuous

Motor servo jenis ini mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) tanpa batasan defleksi sudut putar (dapat berputar secara kontinyu).

KEGUNAAN MOTOR SERVO

Kebanyakan motor servo digunakan sebagai :

• Manipulators.

• Moving camera’s.

• Robot arms.

PENSINYALAN MOTOR SERVO

Mode pensinyalan motor servo tampak pada gambar 3.

Pensinyalan Motor Servo

Contoh dimana bila diberikan pulsa dengan besar 1.5ms mencapai gerakan 90 derajat, maka bila kita berikan data kurang dari 1.5 ms maka posisi mendekati 0 derajat dan bila kita berikan data lebih dari 1.5 ms maka posisi mendekati 180 derajat. Contoh Posisi dan Waktu Pemberian Pulsa tampak pada gambar 4.

Contoh Posisi dan Waktu Pemberian Pulsa

Motor Servo akan bekerja secara baik jika pada bagian pin kontrolnya diberikan sinyal PWM dengan frekuensi 50Hz.

Dimana pada saat sinyal dengan frekuensi 50Hz tersebut dicapai pada kondisi Ton duty cycle 1.5ms, maka rotor dari motor akan berhenti tepat di tengah-tengah (sudut 0° / netral).

Pada saat Ton duty cycle dari sinyal yang diberikan kurang dari 1.5ms, maka rotor akan berputar ke arah kiri dengan membentuk sudut yang besarnya linier terhadap besarnya Ton duty cycle, dan akan bertahan diposisi tersebut.

Dan sebaliknya, jika Ton duty cycle dari sinyal yang diberikan lebih dari 1.5ms, maka rotor akan berputar ke arah kanan dengan membentuk sudut yang linier pula terhadap besarnya Ton duty cycle, dan bertahan diposisi tersebut.

Bentuk-Bentuk Motor Servo tampak pada gambar 5.

Bentuk-Bentuk Motor Servo

Dimensi Motor Servo tampak pada gambar 6.

Dimensi Motor Servo

Pin-Pin dan Pengkabelan Pada Motor Servo

PENGENDALIAN MOTOR SERVO

Pengendalian sebuah motor servo dengan menggunakan mikrokontroler :

Ilustrasi pengendalian motor servo tampak pada gambar 8.

Driver motor DC Servo

Bentuk motor servo dapat dilihat pada gambar 5. Terdapat tiga utas kabel dengan warnamerah, hitam, dan kuning. Kabel merah dan hitam harus dihubungkan dengan sumber tegangan4-6 volt dc agar motor servo dapat bekerja normal. Sedangkan kabel berwarna kuning adalahkabel data yang dipakai untuk mengatur arah gerak dan posisi servo. Pergerakan motor servo terhadap perubahan lebar pulsa tampak pada gambar 8.

Pergerakan motor servo terhadap perubahan lebar pulsa

RANGKAIAN DRIVER MOTOR SERVO

Rangkaian berikut adalah rangkaian driver motor servo. Rangkaian tersebut digunakan untuk mengendalikan motor servo.

Rangkaian rangkaian driver motor servo

PEMROGRAMAN DRIVER MOTOR SERVO

Setelah membuat rangkaian driver motor servo, maka sekarang saatnya Anda membuat program yang digunakan untukmengendaliakan motor servo.

Program sebagai berikut ini

//Program Bab 11.1 Menggerakkan Motor Servo #include <at89x51.h>  idata at 0x50 unsigned int i; idata at 0x51 unsigned int k; void tunda(unsigned int j) {   while(j)    {   TH0=0xfc;   TL0=0x65;   TR0=1;   while(!TF0);    TF0=0;    TR0=0;    j--;   } } void main() {  TMOD=0x11;  while(1)  {  P1 = 0x0ff;             tunda (2);  P1 = 0x000;             tunda (18);         tunda (1000);   P1 = 0x0ff;             tunda (1.75);  P1 = 0x000;             tunda (18.25);    tunda (1000);   } } /* End main */

2. Motor Stepper

 Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Penggunaan motor stepper memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa. Keunggulannya antara lain adalah : 

        Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur.

        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 seperti pada motor DC

        Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke porosnya

        Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang luas.

 Pada dasaranya terdapat 3 tipe motor stepper yaitu: 

 1.      Motor stepper tipe Variable reluctance (VR)

Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang secara struktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah rotor besi lunak dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika lilitan stator diberi energi dengan arus DC, kutub-kutubnya menjadi termagnetasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gigi rotor tertarik oleh kutub-kutub stator. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR):

   

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

2.      Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM)

Motor stepper jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti kaleng bundar (tin can) yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang diselang-seling dengan kutub yang berlawanan (perhatikan gambar 2.9). Dengan adanya magnet permanen, maka intensitas fluks magnet dalam motor ini akan meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. Motor jenis ini biasanya memiliki resolusi langkah (step) yang rendah yaitu antara 7,5⁰ hingga 15⁰ per langkah atau 48 hingga 24 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet:

 

 

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

3.      Motor stepper tipe Hybrid (HB)

Motor stepper tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi dari kedua tipe motor stepper sebelumnya. Motor stepper tipe hibrid memiliki gigi-gigi seperti pada motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen yang tersusun secara aksial pada batang porosnya seperti motor tipe PM. Motor tipe ini paling banyak digunkan dalam berbagai aplikasi karena kinerja lebih baik. Motor tipe hibrid dapat menghasilkan resolusi langkah yang tinggi yaitu antara 3,6⁰ hingga 0,9⁰ per langkah atau 100-400 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid:

  

 

 Gambar 2.10. Penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid

Berdasarkan metode perancangan rangkain pengendalinya, motor stepper dapat dibagi menjadi jenis unipolar dan bipolar. Rangkaian pengendali motor stepper unipolar lebih mudah dirancang karena hanya memerlukan satu switch / transistor setiap lilitannya. Untuk menjalankan dan menghentikan motor ini cukup dengan menerapkan  pulsa digital yang hanya terdiri atas tegangan positif dan nol (ground) pada salah satu terminal lilitan (wound) motor sementara terminal lainnya dicatu dengan tegangan positif konstan (V_M) 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 yang berubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Jadi pada setiap terminal lilitan (A & B) harus dihubungkan dengan sinyal yang mengayun dari positif ke negatif dan sebaliknya (perhatikan gambar 2.12). Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yang agak lebih kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar. Motor stepper bipolar memiliki keunggulan dibandingkan dengan motor stepper unipolar dalam hal torsi yang lebih besar untuk ukuran yang sama.

 

Gambar 2.12. Motor stepper dengan lilitan bipolar

II. Pengendali Motor Stepper

  

Berikut ini akan diberikan contoh perancangan dan perhitungan rangkaian pengendali motor stepper sederhana. Motor stepper yang digunkan pada contoh ini bertipe hibrid unipolar, memiliki empat fasa dan panjang langkah sebesar 1,8⁰ per langkahi. Motor diharapkan dapat berputar dalam dua arah dan memiliki dua kecepatan. Karena itu diperlukan pengendali motor stepper yang memiliki empat keluaran pulsa dengan kemampuan dua arah perputaran dan dua macam frekuensi pulsa guna mengatur kecepatan motor.

Rangkaian pengendali motor stepper (stepper motor driver) menggunakan komponen utama berupa sebuah IC logika XOR (74LS86) dan sebuah IC JK flip-flop (74LS76). Rangkain dengan kedua IC tersebut berfungsi untuk menghasilkan empat pulsa keluaran berurutan yang dapat berbalik urutannya dengan menerapkan logika tertentu pada rangkaian. Rangkaian tersebut memerlukan pulsa clock untuk dapat beroperasi. Sebagai sumber clock digunkan rangkaian berbasis IC timer 555. Rangkain pembangkit clock ini dapat menghasilkan dua macam frekuensi pulsa keluaran guna mendukung dua kecepatan motor stepper. Kemudian untuk mendukung pulsa-pulsa dengan arus besar (sekitar 1 - 3 A) digunakan transistor daya NPN tipe TIP31 sebagai solid state switch. Untuk lebih jelasnya perhatikanlah rangkaian utama dari pengendali motor stepper di bawah ini (gambar 3.7):

  

 Gambar 3.7. skema rangkaian pengendali motor steppper

 Gambar 3.7 di atas adalah skema rangkaian pengendali motor stepper yang dapat bergerak ke dua arah. Keluaran pengendali motor stepper ini ada empat (pena 15, 14, 11, 10 dari IC 74LS76). Pena-pena tersebut akan menghasilkan pulsa yang dapat menggerakkan motor stepper. Berikut ini adalah ilustrasi struktur motor stepper sederhana dan pulasa yang dibutuhkan untuk menggerakkannya:

                                                                         

Gambar 3.8. (a) bentuk pulsa keluaran dari pengendali motor stepper (b) penerapan pulsa pengendali pada motor stepper dan arah putaran yang bersesuaian

 Arah putaran motor dapat diatur dengan mengatur kondisi logika masukan pada pena 13 dari IC 74LS86. Jika diterapkan logika 0, maka motor akan berputar berlawanan dengan arah jarum jam (counter clock wise) sedangkan jika diterapkan logika 1, maka motor akan berputar dengan arah sesuai dengan ajah jarum jam (clockwise). Gambar 3.8.a di atas adalah contoh bentuk pulsa keluaran yang menggerakkan motor stepper pada arah sesuai dengan jarum jam (clockwise) (Gambar 3.8.b).

Kecepatan motor ditentukan oleh frekuensi masukan clock yang berbentuk gelombang persegi empat. Pulsa clock ini dibangkitkan oleh rangkaian osilator pembangkit pulsa berbasis IC timer 555. Berikut ini adalah rangkaian pembangkit pulsa clock berbasis IC 555:

 Gambar 3.9. skema rangkaian pembangkit pulsa clock berbasis IC 555

 

Rangkaian pada gambar 3.9 di atas adalah rangkaian berbasis IC 555 yang bekerja pada mode astabil. Dalam mode ini, rangkian bekerja sebagai osilator pembangkit pulsa/gelombang. Rangkaian di atas akan membangkitkan pulsa berbentuk persegi empat pada keluarannya (pena 3) secara periodik.

 

 

  Gambar 3.10. bentuk gelombang keluaran rangkaian pembangkit pulsa (osilator)

 Pulsa di atas memiliki frekuensi dan periode yang konstan. Periode dari satu gelombang penuh adalah Tt (Time total). Th (Time high) adalah periode sinyal positif atau tinggi sedangkan Tl (Time low) adalah periode sinyal nol atau rendah. Periode gelombang keluaran tersebut ditentukan oleh VR1, VR2, R1, R2 dan C1. Kapasitor C2 hanya berfungsi sebagai penstabil rangkaian. Untuk menghitung Periode keluaran, dapat dilakukan dengan rumus berikut ini:

 

Th = 0,693  C1  (VR1 + R1 + R2)

Tl  = 0,693  C1  R2

Tt  = Th + Tl

 

Pada rangkaian osilator di atas digunakan C1 = 1 F = 0,000001 F, VR1= 200 k = 200000 , R1 = 1 k = 1000  dan R2 = 1,2 k = 1200 . Jika VR1 diatur pada posisi maksimum dan R1 terhubung dengan VR1, maka:

 

Th = 0,693  0,000001  (200000 + 1000 + 1200)

Th = 0,1401246 detik

 

Tl = 0,693  0,000001  1200 

Tl = 0,0008316 detik

 

Tt = 0,1401246 + 0,0008316

Tt = 0.1408562 detik

 

Jadi periode gelombang (Tt) adalah 0,0716 detik sehingga frekuensinya adalah:

 

f = Hz 

 

Jika VR1 berada pada posisi minimum maka perhitungannya menjadi:

 

Th = 0,693  0,000001  (0 + 1000 + 1200)

Th = 0,0015246 detik

 

Nilai Tl tetap = 0,0008316 detik karena harga R2 tetap.

 

Tt = 0,0015246 + 0,0008316

Tt = 0,0023562 detik

 

f =  Hz

 

Dari perhitungan di atas, diperoleh bahwa rangkaian pembangkit gelombang tersebut dapat membangkitkan pulsa dengan frekuensi 7,09 – 424,41 Hertz.

Karena motor yang digunakan terdiri atas 4 phase dan memiliki kecepatan sudut 1,8⁰ per langkah, maka:

        Jika frekuensi clock = 7,09 Hz, maka kecepatan motor adalah:

 

v =   7,09 = 0,03545 putaran / detik

 

v = 2,127 rpm

 

        Jika frekuensi clock = 424,41 Hz, maka kecepatan motor adalah:

 

v =   424,41 = 2,12205 putaran / detik

 

v = 127,323 rpm

 

Jadi pada sistem ini motor stepper dapat digerakkan pada kecepatan antara 2,127 rpm hingga 127,323 rpm. Dalam penerapannya pada sistem Triaxial, VR1 pada rangkaian osilator Gambar 3.9 di atur tahanannya hingga diperoleh kecepatan yang sesuai. Untuk dapat menghasilkan dua kecepatan, maka digunakan dua buah tahanan variabel (VR1 dan VR2). Masing-masing tahanan variabel diatur pada harga tahanan yang berbeda. Untuk harga tahanan yang lebih kecil akan dihasilkan pulsa clock yang lebih tinggi frekuensinya sehingga kecepatan motor stepper lebih tinggi. Untuk berpindah di antara dua kecepatan digunakan relay untuk memindah terminal R1 ke VR1 atau VR2. Jika relay off, maka terminal R1 terhubung ke terminal VR1 sedangkan jika relay on, maka terminal R1 terhubung ke terminal VR2.

Motor stepper umumnya memerlukan arus listrik yang relatif besar yaitu antara 1 hingga 2 A. Untuk itu keluaran dari pengendali motor stepper perlu dikuatkan sehingga dapat mengalirkan arus yang besar. Penguat tersebut dapat dianggap sebagai solid state switch karena hanya menghasilkan sinyal tinggi dan rendah (1 dan 0). Berikut ini adalah skema rangkaian solid state switch :

 

 

Gambar 3.11. skema rangkaian solid state switch

 Pada rangkaian di atas (gambar 3.11), digunakan transistor bipolar (BJT) tipe TIP31 yang disusun sebagai open collector switch. Transistor TIP31 adalah tergolong transistor daya menengah yang mampu mengalirkan arus puncak hingga 5 A. Transistor-transistor ini harus dilengkapi oleh lempengan pendingin dari aluminium untuk mengurangi panas yang terjadi akibat besarnya arus yang mengalir. L1 - L4 adalah lilitan (wound) dalam motor stepper. Dioda D1 - D4 berfungsi sebagai pelindung rangkaian dari tegangan tinggi (back EMF) yang mungkin timbul dari lilitan motor setepper.

Keluaran dari rangkain pengendali motor stepper (phase1 - phase4) dihubungkan ke masukan dari empat transistor tersebut melalui R1 - R2. Jika masukan bernilai sinyal rendah, maka transistor akan berada pada keadaan cut-off sehingga arus dalam lilitan motor stepper tidak mengalir. Jika masukan bernilai tinggi (diatas tegangan ambang transistor), maka transistor akan on sehingga tegangan antara kolektor dengan emitor (V_CE ) turun dan arus dapat mengalir ke tanah (ground). Dengan begitu motor stepper berputar.  Jika sinyal keluaran dari pengendali motor stepper berbentuk seperti gambar 3.8.a, maka L1, L2, L3 dan L4 akan dialiri arus secara berurutan. Dengan begitu rotor dari motor stepper akan berputar sesuai dengan arah urutan sinyal