Mengenal Motor DC
Motor DC adalah perangkat elektromekanis yang menggunakan interaksi medan magnet dan konduktor untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik putar.
Motor Listrik DC adalah aktuator kontinu yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Motor DC mencapai ini dengan menghasilkan rotasi sudut kontinu yang dapat digunakan untuk memutar pompa, kipas, kompresor, roda, dll.
Selain motor DC putar konvensional, motor linier juga tersedia yang mampu menghasilkan gerakan liner kontinu. Pada dasarnya ada tiga jenis motor listrik konvensional yang tersedia: tipe Motor AC, tipe Motor DC dan Motor Stepper.
Motor AC yang umumnya digunakan dalam aplikasi industri daya tunggal atau multi-fasa berkekuatan tinggi merupakan torsi rotasi konstan dan kecepatan diperlukan untuk mengontrol beban besar seperti kipas atau pompa.
Dalam tutorial tentang motor listrik ini, kita akan melihat Kerja ringan Motor DC, Motor Stepper, Motor Brushed, Motor Brushless, Motor Servo yang digunakan dalam berbagai jenis elektronik, kontrol posisi, mikroprosesor, PIC, dan rangkaian tipe robot.
Motor DC terdiri dari dua bagian, "Stator" yang merupakan bagian diam dan "Rotor" yang merupakan bagian yang berputar. Hasilnya adalah bahwa pada dasarnya ada tiga jenis Motor DC yang tersedia.
Kecepatan putaran motor DC dapat bervariasi dari beberapa putaran per menit (rpm) hingga ribuan putaran per menit sehingga cocok untuk aplikasi elektronik, otomotif atau robot.
Dengan menghubungkannya ke gearbox atau gir-train, kecepatan output mereka dapat menurun sementara pada saat yang sama meningkatkan output torsi motor pada kecepatan tinggi.
Motor stator adalah rangkaian elektromagnet yang terdiri dari kumparan listrik yang dihubungkan bersama dalam konfigurasi melingkar untuk menghasilkan kutub utara yang diperlukan kemudian kutub selatan kemudian kutub utara dst.
Jenis sistem medan magnet stasioner untuk rotasi, tidak seperti mesin AC yang bidang stator terus berputar dengan frekuensi yang diterapkan. Arus yang mengalir di dalam kumparan medan ini dikenal sebagai arus medan motor.
Kumparan coil elektromagnetik ini yang membentuk medan stator dapat dihubungkan secara elektrik secara seri, paralel, atau keduanya bersama-sama (gabungan) dengan angker motor.
Motor DC gulungan seri memiliki belitan medan stator yang terhubung seri dengan angker. Demikian juga, motor DC gulungan shunt memiliki gulungan bidang stator yang terhubung secara paralel dengan angker seperti yang ditunjukkan.
Rotor atau angker mesin DC terdiri dari konduktor pembawa arus yang dihubungkan bersama di satu ujung ke segmen tembaga yang terisolasi secara elektrik yang disebut komutator. Komutator memungkinkan sambungan listrik dibuat melalui sikat karbon (seperti namamya motor "Brushed") ke catu daya eksternal saat angker berputar.
Pengaturan medan magnet oleh rotor mencoba untuk menyelaraskan diri dengan bidang stator stasioner yang menyebabkan rotor berputar pada porosnya, tetapi tidak dapat menyelaraskan dirinya sendiri karena penundaan pergantian.
Kecepatan rotasi motor tergantung pada kekuatan medan magnet rotor dan semakin banyak tegangan yang diterapkan pada motor semakin cepat rotor akan berputar. Dengan memvariasikan tegangan DC yang diterapkan, kecepatan rotasi motor juga dapat bervariasi.
Motor DC brush Permanent Magnet (Motor PMDC) umumnya jauh lebih kecil dan lebih murah daripada saudaranya motor DC tipe stator yang sepadan karena tidak memiliki belitan medan.
Dalam motor DC magnet permanen (PMDC), kumparan coil medan ini diganti dengan magnet rare earth yang kuat (yaitu Samarium Cobolt, atau Neodymium Iron Boron) yang memiliki medan energi magnet sangat tinggi.
Penggunaan magnet permanen memberi motor DC karakteristik kecepatan/torsi linier yang jauh lebih baik daripada motor wound setara karena medan magnet permanen dan kadang-kadang sangat kuat, membuatnya lebih cocok untuk digunakan dalam model, robotik, dan servos.
Meskipun motor DC brushed sangat efisien dan murah, masalah yang terkait dengan motor DC brushed adalah percikan yang terjadi pada kondisi beban berat antara dua permukaan komutator dan sikat karbon yang menghasilkan panas yang dihasilkan sendiri, rentang hidup yang pendek, dan suara listrik akibat percikan, yang dapat merusak perangkat sakelar semikonduktor seperti MOSFET atau transistor. Untuk mengatasi kerugian ini, Motor DC Brushless dikembangkan.
Desain motor brushless menghilangkan kebutuhan untuk sikat dengan menggunakan rangkaian penggerak yang lebih kompleks jika medan magnet rotor adalah magnet permanen yang selalu disinkronkan dengan medan stator memungkinkan kecepatan dan torsi yang lebih tepat.
Kemudian konstruksi motor DC brushless sangat mirip dengan motor AC menjadikannya motor sinkron sejati tetapi satu kelemahannya adalah bahwa motor ini lebih mahal daripada desain motor "brushed" yang setara.
Motor Listrik DC adalah aktuator kontinu yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanis. Motor DC mencapai ini dengan menghasilkan rotasi sudut kontinu yang dapat digunakan untuk memutar pompa, kipas, kompresor, roda, dll.
Selain motor DC putar konvensional, motor linier juga tersedia yang mampu menghasilkan gerakan liner kontinu. Pada dasarnya ada tiga jenis motor listrik konvensional yang tersedia: tipe Motor AC, tipe Motor DC dan Motor Stepper.
Motor AC yang umumnya digunakan dalam aplikasi industri daya tunggal atau multi-fasa berkekuatan tinggi merupakan torsi rotasi konstan dan kecepatan diperlukan untuk mengontrol beban besar seperti kipas atau pompa.
Dalam tutorial tentang motor listrik ini, kita akan melihat Kerja ringan Motor DC, Motor Stepper, Motor Brushed, Motor Brushless, Motor Servo yang digunakan dalam berbagai jenis elektronik, kontrol posisi, mikroprosesor, PIC, dan rangkaian tipe robot.
Motor DC Dasar
Motor DC atau Direct Current Motor, adalah aktuator yang paling umum digunakan untuk menghasilkan gerakan terus-menerus dan kecepatan yang rotasi atau putar dapat dengan mudah dikontrol, membuat mereka ideal untuk digunakan dalam aplikasi yang kontrol kecepatan, jenis servo kontrol, dan/atau positioning diperlukan.Motor DC terdiri dari dua bagian, "Stator" yang merupakan bagian diam dan "Rotor" yang merupakan bagian yang berputar. Hasilnya adalah bahwa pada dasarnya ada tiga jenis Motor DC yang tersedia.
- Motor Brushed - Motor jenis ini menghasilkan medan magnet dalam gulungan rotor (bagian yang berputar) dengan melewatkan arus listrik melalui komutator dan rakitan sikat karbon, maka istilah "Brushed". Medan magnet stator (bagian stasioner) dihasilkan dengan menggunakan medan lilitan gulungan stator atau magnet permanen. Umumnya motor DC brused murah, kecil dan mudah dikendalikan.
- Motor Brushless - Motor jenis ini menghasilkan medan magnet di rotor dengan menggunakan magnet permanen yang melekat padanya dan pergantian dicapai secara elektronik. Mereka umumnya lebih kecil tetapi lebih mahal daripada tipe motor DC brushed konvensional karena mereka menggunakan sakelar “efek Hall” di stator untuk menghasilkan urutan rotasi medan stator yang diperlukan, tetapi mereka memiliki karakteristik torsi/kecepatan yang lebih baik, lebih efisien dan memiliki masa operasi lebih lama dari jenis Brushed yang setara.
- Motor Servo - Motor jenis ini pada dasarnya adalah Motor DC Brushed dengan beberapa bentuk kontrol umpan balik posisional yang terhubung ke poros rotor. Mereka terhubung dan dikendalikan oleh pengontrol tipe PWM dan terutama digunakan dalam sistem kontrol posisi dan model yang dikendalikan radio.
Kecepatan putaran motor DC dapat bervariasi dari beberapa putaran per menit (rpm) hingga ribuan putaran per menit sehingga cocok untuk aplikasi elektronik, otomotif atau robot.
Dengan menghubungkannya ke gearbox atau gir-train, kecepatan output mereka dapat menurun sementara pada saat yang sama meningkatkan output torsi motor pada kecepatan tinggi.
Motor DC Brushed
Motor DC brushed konvensional pada dasarnya terdiri dari dua bagian, badan stasioner motor yang disebut Stator dan bagian dalam yang berputar menghasilkan gerakan yang disebut Rotor atau "Armature/Angker" untuk mesin DC.Motor stator adalah rangkaian elektromagnet yang terdiri dari kumparan listrik yang dihubungkan bersama dalam konfigurasi melingkar untuk menghasilkan kutub utara yang diperlukan kemudian kutub selatan kemudian kutub utara dst.
Jenis sistem medan magnet stasioner untuk rotasi, tidak seperti mesin AC yang bidang stator terus berputar dengan frekuensi yang diterapkan. Arus yang mengalir di dalam kumparan medan ini dikenal sebagai arus medan motor.
Kumparan coil elektromagnetik ini yang membentuk medan stator dapat dihubungkan secara elektrik secara seri, paralel, atau keduanya bersama-sama (gabungan) dengan angker motor.
Motor DC gulungan seri memiliki belitan medan stator yang terhubung seri dengan angker. Demikian juga, motor DC gulungan shunt memiliki gulungan bidang stator yang terhubung secara paralel dengan angker seperti yang ditunjukkan.
Motor DC Terhubung Shunt dan Seri
Rotor atau angker mesin DC terdiri dari konduktor pembawa arus yang dihubungkan bersama di satu ujung ke segmen tembaga yang terisolasi secara elektrik yang disebut komutator. Komutator memungkinkan sambungan listrik dibuat melalui sikat karbon (seperti namamya motor "Brushed") ke catu daya eksternal saat angker berputar.
Pengaturan medan magnet oleh rotor mencoba untuk menyelaraskan diri dengan bidang stator stasioner yang menyebabkan rotor berputar pada porosnya, tetapi tidak dapat menyelaraskan dirinya sendiri karena penundaan pergantian.
Kecepatan rotasi motor tergantung pada kekuatan medan magnet rotor dan semakin banyak tegangan yang diterapkan pada motor semakin cepat rotor akan berputar. Dengan memvariasikan tegangan DC yang diterapkan, kecepatan rotasi motor juga dapat bervariasi.
Motor DC Konvensional (Brushed)
Motor DC brush Permanent Magnet (Motor PMDC) umumnya jauh lebih kecil dan lebih murah daripada saudaranya motor DC tipe stator yang sepadan karena tidak memiliki belitan medan.
Dalam motor DC magnet permanen (PMDC), kumparan coil medan ini diganti dengan magnet rare earth yang kuat (yaitu Samarium Cobolt, atau Neodymium Iron Boron) yang memiliki medan energi magnet sangat tinggi.
Penggunaan magnet permanen memberi motor DC karakteristik kecepatan/torsi linier yang jauh lebih baik daripada motor wound setara karena medan magnet permanen dan kadang-kadang sangat kuat, membuatnya lebih cocok untuk digunakan dalam model, robotik, dan servos.
Meskipun motor DC brushed sangat efisien dan murah, masalah yang terkait dengan motor DC brushed adalah percikan yang terjadi pada kondisi beban berat antara dua permukaan komutator dan sikat karbon yang menghasilkan panas yang dihasilkan sendiri, rentang hidup yang pendek, dan suara listrik akibat percikan, yang dapat merusak perangkat sakelar semikonduktor seperti MOSFET atau transistor. Untuk mengatasi kerugian ini, Motor DC Brushless dikembangkan.
Motor DC Brushless “Tanpa Sikat”
Brushless DC Motor (BDCM) sangat mirip dengan motor DC magnet permanen, tetapi tidak memiliki sikat untuk mengganti atau aus karena percikan komutator. Oleh karena itu, sedikit panas yang dihasilkan dalam rotor meningkatkan kehidupan motor.Desain motor brushless menghilangkan kebutuhan untuk sikat dengan menggunakan rangkaian penggerak yang lebih kompleks jika medan magnet rotor adalah magnet permanen yang selalu disinkronkan dengan medan stator memungkinkan kecepatan dan torsi yang lebih tepat.
Kemudian konstruksi motor DC brushless sangat mirip dengan motor AC menjadikannya motor sinkron sejati tetapi satu kelemahannya adalah bahwa motor ini lebih mahal daripada desain motor "brushed" yang setara.
Kontrol motor DC brushless sangat berbeda dari motor DC brushed normal, dalam hal ini motor jenis ini menggabungkan beberapa cara untuk mendeteksi posisi sudut rotor (atau kutub magnet) yang diperlukan untuk menghasilkan sinyal umpan balik yang diperlukan untuk mengontrol perangkat switching semikonduktor. Sensor posisi/kutub yang paling umum adalah "Sensor Efek Hall", tetapi beberapa motor juga menggunakan sensor optik.
Menggunakan sensor efek Hall, polaritas elektromagnet diaktifkan oleh rangkaian drive kontrol motor. Kemudian motor dapat dengan mudah disinkronkan ke sinyal jam digital, memberikan kontrol kecepatan yang tepat.
Motor DC brushless dapat dibangun untuk memiliki, rotor magnet permanen eksternal dan stator elektromagnet internal atau rotor magnet permanen internal dan stator elektromagnet eksternal.
Keuntungan dari Motor Brushless DC dibandingkan dengan saudaranya yang "Brushed" adalah efisiensi yang lebih tinggi, keandalan yang tinggi, kebisingan listrik yang rendah, kontrol kecepatan yang baik dan yang lebih penting, tidak ada sikat atau komutator yang aus menghasilkan kecepatan yang jauh lebih tinggi. Namun kelemahan mereka adalah bahwa mereka lebih mahal dan lebih rumit untuk dikendalikan.
Motor DC Servo
Motor DC Servo digunakan dalam aplikasi tipe loop tertutup dimana posisi poros motor output diumpankan kembali ke rangkaian kontrol motor. Perangkat “Umpan Balik” tipikal termasuk Resolver, Encoder dan Potensiometer seperti yang digunakan dalam model kontrol radio seperti pesawat terbang dan kapal dll.
Motor servo umumnya mencakup gearbox bawaan untuk pengurangan kecepatan dan mampu menghasilkan torsi tinggi secara langsung. Poros output dari motor servo tidak berputar bebas seperti halnya poros motor DC karena gearbox dan perangkat umpan balik yang terpasang.
Diagram Blok Motor DC Servo
Motor servo terdiri dari motor DC, gearbox reduksi, perangkat umpan balik posisional, dan beberapa bentuk koreksi kesalahan. Kecepatan atau posisi dikendalikan sehubungan dengan sinyal input posisi atau sinyal referensi yang diterapkan ke perangkat.
Penguat pendeteksi kesalahan melihat sinyal input ini dan membandingkannya dengan sinyal umpan balik dari poros output motor dan menentukan apakah poros output motor berada dalam kondisi kesalahan dan, jika demikian, pengontrol membuat koreksi yang tepat baik untuk mempercepat motor atau memperlambat itu ke bawah. Respon terhadap perangkat umpan balik posisional ini berarti bahwa motor servo beroperasi dalam "Sistem Loop Tertutup".
Seperti halnya aplikasi industri besar, motor servo juga digunakan dalam model remote control kecil dan robotika, dengan sebagian besar motor servo mampu berputar hingga sekitar 180 derajat di kedua arah menjadikannya ideal untuk posisi sudut yang akurat. Namun, servo jenis RC ini tidak dapat terus berputar dengan kecepatan tinggi seperti motor DC konvensional kecuali jika dimodifikasi secara khusus.
Motor servo terdiri dari beberapa perangkat dalam satu paket, motor, gearbox, perangkat umpan balik dan koreksi kesalahan untuk mengendalikan posisi, arah atau kecepatan. Mereka banyak digunakan dalam robotika dan model kecil karena mereka mudah dikontrol hanya dengan menggunakan tiga kabel, Power, Ground dan Signal Control.
Switching dan Kontrol Motor DC
Motor DC kecil dapat dinyalakan "On" atau "Off" dengan menggunakan sakelar/switch, relai, transistor atau rangkaian MOSFET dengan bentuk kontrol motor yang paling sederhana adalah kontrol "Linear".
Jenis rangkaian ini menggunakan Transistor bipolar sebagai Sakelar (Transistor Darlington juga dapat digunakan jika peringkat arus yang lebih tinggi diperlukan) untuk mengendalikan motor dari catu daya tunggal.
Dengan memvariasikan jumlah arus base yang mengalir ke transistor, kecepatan motor dapat dikontrol misalnya, jika transistor dihidupkan "setengah jalan", maka hanya setengah dari tegangan supply masuk ke motor.
Jika transistor dinyalakan "sepenuhnya ON" (jenuh), maka semua tegangan supply mengalir ke motor dan berputar lebih cepat. Kemudian untuk jenis kontrol linier ini, daya dikirim secara konstan ke motor seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Kontrol Kecepatan Motor DC
Rangkaian switching sederhana di atas menunjukkan rangkaian untuk rangkaian kontrol kecepatan motor Uni-directional (satu arah saja). Karena kecepatan rotasi motor DC sebanding dengan tegangan di terminalnya, kita dapat mengatur tegangan terminal ini menggunakan transistor.
Kedua transistor terhubung sebagai sepasang darlington untuk mengendalikan arus jangkar (angker) utama motor. Sebuah potensiometer 5kΩ digunakan untuk mengontrol jumlah base drive pilot pertama transistor TR1, yang pada gilirannya mengontrol transistor switching utama, TR2 memungkinkan motor tegangan DC akan bervariasi dari nol sampai Vcc, dalam contoh ini 9 sampai 12 volt.
Dioda flywheel opsional dihubungkan melintasi transistor switching, TR2 dan terminal motor untuk perlindungan dari ggl-balik yang dihasilkan oleh motor saat berputar. Potensiometer yang dapat disesuaikan dapat diganti dengan sinyal kontinu “1” atau logika “0” yang diterapkan langsung ke input rangkaian untuk mengganti motor “sepenuhnya-ON” (saturasi) atau “sepenuhnya-OFF” (cut-off). dari port microcontroler atau PIC.
Selain kontrol kecepatan dasar ini, rangkaian yang sama juga dapat digunakan untuk mengontrol kecepatan rotasi motor. Dengan berulang kali mengalihkan arus motor "ON" dan "OFF" pada frekuensi yang cukup tinggi, kecepatan motor dapat bervariasi antara berdiri diam (0 rpm) dan kecepatan penuh (100%) dengan memvariasikan rasio mark-space dari supply.
Ini dicapai dengan memvariasikan proporsi waktu "ON" (tON) ke waktu "OFF" (tOFF) dan ini dapat dicapai dengan menggunakan proses yang dikenal sebagai Modulasi Lebar Pulsa (PWM).
Kontrol Kecepatan Lebar Pulsa
Kami mengatakan sebelumnya bahwa kecepatan rotasi motor DC berbanding lurus dengan nilai rata-rata (rata-rata) tegangan pada terminalnya, dan semakin tinggi nilainya, hingga maksimum volt motor yang diizinkan, semakin cepat motor akan berputar.
Dengan kata lain tegangan lebih banyak kecepatan lebih. Dengan memvariasikan rasio antara waktu "ON" (tON) dan durasi waktu "OFF" (tOFF), disebut "Rasio Kerja", "Rasio Kerja/Ruang" atau "Siklus Kerja", nilai rata-rata dari tegangan motor dan karenanya kecepatan rotasinya dapat bervariasi. Untuk drive unipolar sederhana, rasio kerja β diberikan sebagai:
Dan tegangan output rata-rata DC yang diumpankan ke motor diberikan sebagai: Vmean = β x Vsupply. Kemudian dengan memvariasikan lebar pulsa a, tegangan motor dan karenanya daya yang diberikan pada motor dapat dikontrol dan jenis kontrol ini disebut Modulasi Lebar Pulsa atau PWM.
Cara lain untuk mengendalikan kecepatan rotasi motor adalah dengan memvariasikan frekuensi (dan karenanya periode waktu dari tegangan pengontrol) sementara waktu rasio kerja "ON" dan "OFF" tetap konstan. Jenis kontrol ini disebut Modulasi Frekuensi Pulsa atau PFM.
Dengan modulasi frekuensi pulsa, tegangan motor dikontrol dengan menerapkan pulsa frekuensi variabel misalnya, pada frekuensi rendah atau dengan pulsa sangat sedikit, tegangan rata-rata yang diterapkan pada motor rendah, dan karenanya kecepatan motor lambat. Pada frekuensi yang lebih tinggi atau dengan banyak pulsa, tegangan terminal motor rata-rata meningkat dan kecepatan motor juga akan meningkat.
Kemudian, Transistor dapat digunakan untuk mengontrol jumlah daya yang diterapkan pada motor DC dengan mode operasi yang "Linear" (tegangan motor bervariasi), "Modulasi Lebar Pulsa" (memvariasikan lebar pulsa) atau "Modulasi Frekuensi Pulsa”(memvariasikan frekuensi pulsa).
Membalik Arah Motor DC
Walaupun mengendalikan kecepatan motor DC dengan transistor tunggal memiliki banyak kelebihan, tetapi juga memiliki satu kelemahan utama, arah putarannya selalu sama, dengan rangkaian “Uni-directional”. Dalam banyak aplikasi kita perlu mengoperasikan motor di kedua arah maju dan mundur.
Untuk mengontrol arah motor DC, polaritas daya DC yang diterapkan pada koneksi motor harus dibalik sehingga porosnya dapat berputar ke arah yang berlawanan. Salah satu cara yang sangat sederhana dan murah untuk mengendalikan arah rotasi motor DC adalah dengan menggunakan sakelar berbeda yang diatur dengan cara berikut:
Kontrol Arah Motor DC
Rangkaian pertama menggunakan sakelar double-pole, double-throw (DPDT) tunggal untuk mengontrol polaritas koneksi motor. Dengan mengubah kontak, supply ke terminal motor terbalik dan motor membalik arah. Rangkaian kedua sedikit lebih rumit dan menggunakan empat sakelar single-pole, single-throw (SPST) yang diatur dalam konfigurasi "H".
Sakelar mekanis diatur secara berpasangan dan harus dioperasikan dalam kombinasi khusus untuk mengoperasikan atau menghentikan motor DC. Misalnya, kombinasi sakelar A + D mengontrol rotasi maju sementara sakelar B + C mengontrol rotasi mundur seperti yang ditunjukkan.
Kombinasi sakelar/switch A + B atau C + D keluar terminal motor menyebabkannya cepat mengerem. Namun, menggunakan sakelar dengan cara ini memiliki bahaya karena sakelar pengoperasian A + C atau B + D secara bersama-sama akan menyingkat catu daya.
Sementara dua rangkaian di atas akan bekerja dengan sangat baik untuk sebagian besar aplikasi motor DC kecil, apakah kita benar-benar ingin mengoperasikan berbagai kombinasi sakelar mekanis hanya untuk membalikkan arah motor, TIDAK!.
Kita dapat mengubah sakelar manual untuk set Relay Elektromekanis dan memiliki tombol maju-mundur tunggal atau sakelar atau bahkan menggunakan sakelar switch quad bilateral CMOS 4066B solid state.
Tapi cara lain yang sangat baik untuk mencapai kontrol dua arah motor (serta kecepatannya) adalah menghubungkan motor ke pengaturan rangkaian tipe Transistor H-bridge seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Rangkaian H-bridge Dua-arah Dasar pada Motor DC
Rangkaian H-jembatan di atas, dinamakan demikian karena konfigurasi dasar dari empat switch, baik relai elektromekanis atau transistor menyerupai huruf "H" dengan motor diposisikan di bar pusat.
Transistor atau MOSFET H-bridge mungkin merupakan salah satu jenis rangkaian kontrol motor DC dua arah yang paling umum digunakan. Ia menggunakan "pasangan transistor komplementer" baik transistor NPN dan transistor PNP di setiap cabang dengan transistor yang dipasangkan secara berpasangan untuk mengendalikan motor.
Input kontrol A mengoperasikan motor dalam satu arah, rotasi Maju, sedangkan input B mengoperasikan motor dalam arah lain, Rotasi terbalik. Kemudian dengan mengalihkan transistor "ON" atau "OFF" di "pasangan diagonal" mereka menghasilkan kontrol arah motor.
Misalnya, ketika transistor TR1 "ON" dan transistor TR2 "OFF", titik A terhubung ke tegangan supply (+Vcc) dan jika transistor TR3 "OFF" dan transistor TR4 "ON" titik B terhubung ke 0 volt (GND). Kemudian motor akan berputar dalam satu arah yang sesuai dengan terminal motor A menjadi positif dan terminal motor B menjadi negatif.
Jika status switching dibalik sehingga TR1 "OFF", TR2 "ON", TR3 "ON" dan TR4 "OFF", arus motor sekarang akan mengalir dalam arah yang berlawanan menyebabkan motor berputar di berlawanan arah.
Kemudian, dengan menerapkan level logika yang berlawanan “1” atau “0” pada input A dan B, arah rotasi motor dapat dikontrol sebagai berikut.
Tabel Kebenaran H-bridge
Input A
|
Input B
|
Fungsi motor
|
TR1 dan TR4
|
TR2 dan TR3
| |
0
|
0
|
Motor Berhenti (OFF)
|
1
|
0
|
Motor Memutar Maju
|
0
|
1
|
Motor Memutar Balik
|
1
|
1
|
TIDAK DIIZINKAN
|
Penting bahwa tidak ada kombinasi input lain yang diizinkan karena hal ini dapat menyebabkan catu daya menjadi korsleting, yaitu baik transistor, TR1 dan TR2 mengaktifkan "ON" pada saat yang sama, (fuse = bang!).
Seperti halnya kontrol motor DC uni-directional seperti yang terlihat di atas, kecepatan rotasi motor juga dapat dikontrol menggunakan Modulasi Lebar Pulsa atau PWM. Kemudian dengan menggabungkan switching H-bridge dengan kontrol PWM, baik arah dan kecepatan motor dapat dikontrol secara akurat.
IC decoder komersial seperti SN754410 Quad Half H-Bridge IC atau L298N yang memiliki 2 H-Bridges tersedia dengan semua kontrol yang diperlukan dan logika keselamatan yang dibangun secara khusus dirancang untuk rangkaian kontrol motor bi-directional H-bridge bi-directional.
Motor DC Stepper
Seperti motor DC di atas, Motor Stepper juga merupakan aktuator elektromekanis yang mengubah sinyal input digital berpulsa menjadi gerakan mekanis diskrit (inkremental) yang digunakan secara luas dalam aplikasi kontrol industri.
Motor stepper adalah jenis motor sinkron sinkron di mana ia tidak memiliki angker dengan komutator dan sikat karbon tetapi memiliki rotor yang terdiri dari banyak, beberapa jenis memiliki ratusan gigi magnetik permanen dan stator dengan gulungan individu.\
Seperti namanya, motor stepper tidak berputar secara terus-menerus seperti motor DC konvensional tetapi bergerak dalam "Step/Langkah" atau "Peningkatan" diskrit, dengan sudut setiap gerakan rotasi atau langkah tergantung pada jumlah kutub stator dan rotor gigi yang dimiliki motor stepper.
Karena operasi langkahnya yang terpisah, motor stepper dapat dengan mudah diputar sebagian terbatas dari rotasi pada suatu waktu, seperti 1.8, 3.6, 7.5 derajat dll. Jadi misalnya, mari kita asumsikan bahwa motor stepper menyelesaikan satu putaran penuh (360° persis 100 langkah).
Kemudian sudut langkah untuk motor diberikan sebagai 360 derajat/100 langkah = 3.6 derajat per langkah. Nilai ini umumnya dikenal sebagai Motor Stepper Step Angle.
Ada tiga tipe dasar motor stepper, Reluktansi Variable, Magnet Permanen, dan Hybrid (semacam kombinasi keduanya). Sebuah Motor Stepper sangat cocok untuk aplikasi yang membutuhkan posisi yang akurat dan pengulangan dengan respon yang cepat untuk memulai, berhenti, membalikkan dan kontrol kecepatan dan fitur lain kunci dari motor stepper, adalah kemampuannya untuk menahan beban stabil setelah membutuhkan posisi ini tercapai.
Secara umum, motor stepper memiliki rotor internal dengan sejumlah besar "gigi" magnet permanen dengan sejumlah "gigi" elektromagnet yang terpasang pada stator. Stator elektromagnet dipolarisasi dan didepolarisasi secara berurutan, menyebabkan rotor memutar satu "langkah" sekaligus.
Motor stepper multi-kutub dan multi-gigi modern mampu akurasi kurang dari 0.9 derajat per langkah (400 Pulsa per Revolusi) dan terutama digunakan untuk sistem penentuan posisi yang sangat akurat seperti yang digunakan untuk kepala magnetis pada drive disk/hard disk, printer/komplotan atau aplikasi robot.
Motor stepper yang paling umum digunakan adalah Motor Stepper 200 langkah per revolusi. Ini memiliki rotor 50 gigi, stator 4 fasa dan sudut langkah 1,8 derajat (360 derajat/(50 × 4)).
Konstruksi dan Kontrol Motor Stepper
Dalam contoh sederhana kami motor stepper reluktansi variabel di atas, motor terdiri dari rotor tengah yang dikelilingi oleh empat kumparan medan elektromagnetis berlabel A, B, C dan D.
Semua kumparan dengan huruf yang sama dihubungkan bersama sehingga memberi energi, katakanlah kumparan bertanda A akan menyebabkan rotor magnet untuk menyelaraskan dirinya dengan set kumparan itu.
Dengan menerapkan daya ke setiap set kumparan pada gilirannya rotor dapat dibuat untuk memutar atau "melangkah" dari satu posisi ke posisi berikutnya dengan sudut yang ditentukan oleh konstruksi sudut langkahnya, dan dengan memberi energi kumparan secara berurutan rotor akan menghasilkan putaran gerakan.
Driver motor stepper mengontrol sudut langkah dan kecepatan motor dengan memberi energi gulungan medan dalam urutan yang ditetapkan misalnya, “ ADCB, ADCB, ADCB, A… ” dst, rotor akan berputar dalam satu arah (maju) dan dengan membalik urutan pulsa ke " ABCD, ABCD, ABCD, A... " dst, rotor akan berputar ke arah yang berlawanan (mundur).
Jadi dalam contoh sederhana kami di atas, motor stepper memiliki empat kumparan, menjadikannya motor 4 fasa, dengan jumlah kutub pada stator menjadi delapan (2 x 4) yang ditempatkan pada interval 45 derajat. Jumlah gigi pada rotor adalah enam yang berjarak 60 derajat terpisah.
Lalu ada 24 (6 gigi x 4 gulungan) posisi yang memungkinkan atau "langkah" untuk rotor untuk menyelesaikan satu putaran penuh. Oleh karena itu, sudut langkah di atas diberikan sebagai: 360°/24 = 15°.
Jelas, semakin banyak gigi rotor dan atau kumparan stator akan menghasilkan lebih banyak kontrol dan sudut langkah yang lebih halus. Juga dengan menghubungkan kumparan listrik motor dalam konfigurasi yang berbeda, sudut Penuh, Setengah dan langkah mikro dimungkinkan. Namun, untuk mencapai loncatan mikro, motor stepper harus digerakkan oleh arus sinusoida (quasi) yang mahal untuk diimplementasikan.
Dimungkinkan juga untuk mengontrol kecepatan rotasi motor stepper dengan mengubah waktu tunda antara pulsa digital yang diterapkan pada kumparan (frekuensi), semakin lama penundaan semakin lambat kecepatan untuk satu putaran penuh. Dengan menerapkan jumlah pulsa pada motor, poros motor akan berputar melalui sudut tertentu.
Keuntungan menggunakan delayed pulsa waktu adalah tidak perlu adanya umpan balik tambahan karena dengan menghitung jumlah pulsa yang diberikan kepada motor, posisi akhir rotor akan diketahui dengan tepat. Respon terhadap sejumlah pulsa input digital ini memungkinkan motor stepper untuk beroperasi dalam "Sistem Loop Terbuka" sehingga lebih mudah dan lebih murah untuk dikendalikan.
Sebagai contoh, mari kita asumsikan bahwa motor stepper kami di atas memiliki sudut langkah 3.6 derajat per langkah. Untuk memutar motor melalui sudut katakan 216 derajat dan kemudian berhenti lagi pada posisi yang dibutuhkan hanya akan membutuhkan total: 216 derajat/(3.6 derajat/langkah) = 80 pulsa diterapkan pada gulungan stator.
Ada banyak IC pengontrol motor stepper yang tersedia yang dapat mengontrol kecepatan langkah, kecepatan putaran dan arah motor. Salah satu IC pengontrol tersebut adalah SAA1027 yang memiliki semua penghitung dan konversi kode bawaan yang diperlukan, dan dapat secara otomatis menggerakkan 4 output jembatan yang sepenuhnya dikontrol ke motor dalam urutan yang benar.
Arah rotasi juga dapat dipilih bersama dengan mode step tunggal atau rotasi kontinu (stepless) pada arah yang dipilih, tetapi ini memberi beban pada controller. Saat menggunakan pengontrol digital 8-bit, 256 langkah mikro per langkah juga dimungkinkan
Motor Stepper Chip Kontrol SAA1027
Dalam tutorial ini tentang Rotasi Aktuator, kita telah melihat Motor DC brushed dan brushless, Motor DC Servo dan Motor Stepper sebagai aktuator elektromekanis yang dapat digunakan sebagai perangkat output untuk kontrol posisi atau kecepatan.
Dalam tutorial berikutnya tentang perangkat Input/Output, kami akan melanjutkan melihat perangkat output yang disebut Aktuator, dan yang khusus mengubah sinyal listrik menjadi gelombang suara lagi menggunakan elektromagnetisme. Jenis perangkat keluaran yang akan kita lihat dalam tutorial berikutnya adalah Speaker.