Motor Stepper: Pengertian, Cara Kerja dan Jenisnya

Motor Stepper - Apa itu motor stepper? Motor stepper merupakan salah satu jenis motor yang sekarang sudah banyak digunakan. Misalnya, printer 3D dan mesin CNC Engraving.

stepper motor controller

Jika diperhatikan, motor stepper memiliki beberapa perbedaan terutama pada terminal inputnya. Jika biasanya motor DC hanya memiliki 2 input dan motor Servo memiliki 3 input, maka motor stepper memiliki 4 atau 5 input.

Pada artikel kali ini kita akan membahas tentang pengertian motor DC, Konstruksi motor ini, jenis-jenis, cara kerja motor serta cara mengendalikan.

Pengertian Motor Stepper

Seperti namanya, motor Stepper adalah jenis motor yang putarannya didasarkan pada langkah-langkah diskrit. Input ke motor stepper berasal dari pulsa digital, tidak seperti motor DC konvensional yang bekerja berdasarkan pergantian komponen brush (sikat).

Step yang mengendalikan motor berasal dari konstruksi kumparan yang disusun menjadi beberapa kelompok yang disebut fase. Motor dapat berputar ketika diberi energi dalam fase secara berurutan.

Motor stepper mengubah sinyal listrik menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak dalam langkah teratur. Anda dapat mengontrol langkah-langkah pada motor menggunakan mikrokontroler atau sirkuit digital.

Torsi motor stepper tidak sebesar motor DC. Namun motor jenis ini memiliki tingkat presisi yang tinggi dalam putarannya. Kecepatan gerak pada stepper dinyatakan dalam step per second atau jumlah langkah per detik.

Konstruksi Motor Stepper

Pada dasarnya motor stepper memiliki konstruksi yang sama dengan motor listrik pada umumnya yaitu memiliki rotor dan stator. Perbedaannya adalah motor stepper tidak memiliki sikat karena putaran dilakukan dengan memberikan pulsa diskrit ke kumparan motor.

rangkaian motor stepper

Stator motor DC terbuat dari logam dengan belitan di sekelilingnya. Belitan ini tidak dililitkan pada seluruh stator, tetapi dililitkan satu per satu pada gigi stator, sehingga lebih mirip motor tanpa sikat. Belitan ini dihubungkan ke input dan diberi pulsa digital.

Sedangkan rotor pada stepper terbuat dari besi lunak atau batang magnet. Rotor akan merespon medan magnet pada belitan stator dan bergerak sesuai dengan sudut langkah. Motor stepper dapat diatur posisinya tanpa mekanisme umpan balik (feedback).

Jenis Motor Stepper

Motor stepper memiliki beberapa kategori. Berdasarkan struktur rotor dan statornya, motor stepper terdiri dari 3 tipe umum, yaitu:

1. Variable Reluctance (VR)

Jenis stepper ini merupakan jenis yang paling sederhana. Motor Stepper VR terdiri dari motor besi lunak dengan beberapa gigi dan dikelilingi oleh belitan stator.

Stator itu sendiri terdiri dari beberapa belitan yang terhubung langsung ke input. Belitan ini menentukan sudut langkah motor.

Putaran motor terjadi ketika gigi rotor ditarik ke kutub stator sebagai akibat dari pulsa digital yang diberikan. Pulsa digital membawa daya listrik dan menyebabkan medan elektromagnetik pada kumparan stator.

motor stepper arduino

Magnet stepper tipe VR lebih kecil dan lebih ringan dari tipe magnet permanen, sehingga dapat bergerak sangat cepat. Semakin kecil celah antara rotor dan gigi stator dari VR stepper, semakin kecil gaya magnetnya.

2. Permanen Magnet (PM)

Stepper ini menggunakan magnet permanen pada rotor dan bekerja pada tarikan atau tolakan antara rotor dan elektromagnet stator. Berbeda dengan tipe Variable Reluctance, tipe Permanen Magnet tidak memiliki gigi pada rotornya.

Sebaliknya, Stepper PM menggunakan magnet dengan kutub utara dan selatan bergantian dalam garis lurus sejajar dengan sumbu rotor. Kutub magnet pada rotor menghasilkan peningkatan intensitas fluks sehingga torsi lebih tinggi dibandingkan stepper tipe VR.

motor stepper bipolar

3. Stepper Hybrid

Stepper Hybrid merupakan gabungan dari kedua jenis stepper diatas. Kombinasi Variable Reluctance dan Permanent magnet bertujuan untuk memberikan daya maksimum dalam kemasan kecil.

Karena konstruksi gabungan, harga stepper Hybrid bahkan lebih tinggi dari dua tipe lainnya. Namun, Stepper ini memiliki kombinasi sifat terbaik dari keduanya.

Tipe Hybrid memberikan performa yang lebih baik dalam hal resolusi, torsi dan kecepatan. Rotor Stepper ini memiliki banyak gigi seperti tipe VR dan mengandung magnet konsentris aksial di sekitar poros.

motor stepper nema 34

Stepper ini dapat menghasilkan sudut step yang tinggi, antara 3.6° hingga 0.9° per step. Artinya, dibutuhkan 100 hingga 400 langkah untuk setiap putaran penuh motor.

Berdasarkan sistem belitan pada stator, stepper dibagi menjadi dua jenis utama, yaitu:

• Stepper Unipolar

Stepper jenis ini terdiri dari dua lilitan yang memiliki cabang tengah atau center tap. Cabang tengah setiap belitan disatukan atau terpisah, tergantung pada datasheet motor.

Biasanya yang ditemukan adalah stepper unipolar dengan cabang pusat yang menyatu sehingga terdapat 5 input.

Cabang tengah stepper ini dapat dihubungkan ke ground atau ke VCC, tergantung spesifikasi pada datasheet motor dan driver yang digunakan.

• Stepper Bipolar

Stepper bipolar tidak memiliki keran tengah. Tipe ini memiliki keunggulan torsi yang lebih besar jika dibandingkan dengan unipolar dengan ukuran yang sama.

Motor stepper bipolar hanya memiliki empat input. Namun, pengendalian motor jenis ini lebih rumit dibandingkan motor jenis bipolar.

Untuk mengendalikan stepper bipolar, diperlukan sinyal digital yang berubah dari positif ke negatif dan sebaliknya di setiap belokan. Hal ini bertujuan untuk menghasilkan fluktuasi magnet yang berubah-ubah sehingga rotor dapat berputar sesuai dengan sudut langkahnya.

datasheet motor stepper nema 17

Cara Kerja Motor Stepper

Pada dasarnya cara kerja motor stepper berbeda-beda, tergantung konstruksi rotor dan stator serta sistem belitan pada stator. Namun setiap stepper digerakkan oleh pulsa digital yang berubah setiap saat.

Kecepatan sinyal pulsa digital atau lebih tepatnya frekuensi sinyal mempengaruhi kecepatannya. Semakin cepat frekuensi sinyal, semakin cepat RPM pada stepper.

Sinyal digital ini juga dapat digunakan untuk menentukan posisi motor stepper. Misalnya stepper dengan sudut langkah 1,8° membutuhkan 200 langkah untuk satu putaran penuh, sehingga untuk setengah langkah diperlukan 100 langkah dan untuk satu setengah putaran dibutuhkan 300 langkah. Hal inilah yang membuat stepper banyak digunakan pada mesin printer 3D dan CNC Engraving.

Sinyal digital yang diberikan ke rotor menghasilkan medan magnet yang berinteraksi dengan rotor motor stepper. Ini menyebabkan motor bergerak dalam satu sudut langkah, dan bertahan hingga sinyal digital berikutnya.

Cara Mengendalikan Motor Stepper

Motor stepper mengubah sinyal elektronik menjadi gerakan mekanis setiap kali pulsa digital diterapkan ke input. Setiap sinyal bergerak setiap step secara teratur.

Seperti dijelaskan di atas, jika spesifikasi stepper mencantumkan sudut step 1,8°, maka untuk satu putaran penuh, diperlukan 360/1,8=200 step.

Untuk menggerakkan setiap step pada stepper, ada beberapa cara yang dapat dilakukan, diantaranya adalah:

1. Full Step

Dalam metode full step, motor beroperasi hanya dengan satu fase berenergi pada satu waktu. Dalam metode full step, hanya satu belitan yang aktif. Namun, itu juga dapat mengaktifkan dua belitan untuk torsi yang lebih besar.

Full step menghasilkan putaran motor yang lebih kasar dibandingkan half step. Namun, cara ini membutuhkan daya paling sedikit dari driver. Contoh sinyal input full step dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

full step stepper motor

2. Half Step

Cara half step menggunakan belitan ganda untuk operasi, cara ini merupakan kombinasi dari satu fase dan dua fase dalam metode full step.

Sudut langkah yang dihasilkan akan lebih kecil, menghasilkan belokan yang lebih halus. Contoh sinyal input solid half step dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

stepper motor half step

Kelebihan Motor Stepper

Kelebihan utama motor stepper adalah memiliki kontrol posisi yang sangat baik dan oleh karena itu dapat digunakan untuk aplikasi kontrol yang presisi. Berikut kelebihan dari motor Stepper:

• Sudut putaran motor sebanding dengan pulsa input.
• Variasi kecepatan rotasi dapat dilakukan karena kecepatan berbanding lurus dengan frekuensi pulsa input.
• Kontrol loop terbuka membuat motor lebih sederhana dan lebih mudah dikendalikan.
• Motor memiliki full torsi standstill.
• Respon luar biasa untuk start, berhenti, dan mundur.
• Sangat andal karena tidak ada sikat kontak di motor.
• Ini dapat digunakan untuk mencapai rotasi sinkron kecepatan rendah dengan beban yang langsung digabungkan ke poros motor.

Kekurangan Motor Stepper

Seperti semua motor, Motor Stepper juga memiliki kekurangannya sendiri, karena berputar dengan langkah kecil tidak dapat mencapai kecepatan tinggi. Ini juga menghabiskan tenaga untuk menahan torsi bahkan saat ideal sehingga meningkatkan konsumsi daya.

Aplikasi dan Penerapan Motor Stepper

Motor stepper ini dapat digunakan sebagai mesin disk drive, printer, mesin fotocopy, robot, driver kamera untuk cctv, pompa penyiraman taman, dll.

Berikut cara menggunakan motor stepper pada printer ink-jet:

1. Saat kita mengklik tombol OK atau Print, ada beberapa tindakan yang dilakukan.
2. Aplikasi perangkat lunak yang digunakan mengirimkan data yang akan dicetak ke driver printer.
3. Driver menerjemahkan data yang dikirim menjadi data yang dapat dipahami oleh printer dan memeriksa apakah printer sudah siap untuk mencetak.
4. Data kemudian dikirim oleh driver dari komputer ke printer menggunakan antarmuka koneksi paralel/USB.
5. Printer menerima data dari komputer dan sebagian data disimpan di Buffer.

Circuit Control mengaktifkan feed motor stepper untuk mengambil kertas. Motor ini mengaktifkan roll dan mengambil kertas di tray kertas. Ada mekanisme kecil yang memeriksa tray kertas.

Jika ada kertas yang terdeteksi, maka pencetakan selesai. Namun jika tidak ada kertas yang terdeteksi maka LED pada printer akan menyala dan printer akan mengirimkan peringatan Printer is out of paper ke komputer.

Setelah kertas dimasukkan, print head menggunakan belt untuk bergerak di sekitar kertas. Motor berhenti setiap sepersekian detik untuk memberi waktu kepala cetak menyemprotkan titik tinta pada kertas sebelum bergerak lagi. Gerakan ini terjadi begitu cepat sehingga seolah-olah terus menerus.

Beberapa titik dibuat dalam satu semprotan. Head print menyemprotkan warna CMYK dengan nilai yang tepat sehingga diperoleh warna yang diinginkan.

Setelah mencapai tepi kertas, print head kembali ke sisi awal kertas (atau pada beberapa printer print head berputar/berputar) dan mencetak lagi.

Proses di atas diulang sampai satu halaman penuh dicetak. Waktu yang digunakan untuk mencetak satu halaman pun berbeda-beda, tergantung kerumitan halaman atau gambar yang dicetak.

Setelah pencetakan selesai, head print diposisikan di sisi lain di luar area kertas. Feed motor stepper lalu dorong kertas kembali ke tray dan pencetakan selesai.

Saat ini kebanyakan printer menggunakan tinta yang cepat kering sehingga dokumen yang dicetak dapat langsung digunakan tanpa harus menunggu smudging terlebih dahulu.

Akhir Kata

Demikian pembahasan tentang cara kerja dan pengendalian motor stepper yaitu pengendalian posisi sudut dan kecepatan. Semoga dapat menambah wawasan dan pemahaman bagi Anda semua.