Aplikasi Motor DC

APLIKASI MOTOR DC

Penggunaan Motor DC amat luas, namun penggunaan tersebut tergantung pada jenis motor DC yang digunakan. Tiap jenis motor DC mempunyai aplikasi tersendiri yang tentunya tidak seefektif jika menggunakan motor jenis lain untuk keperluan yang sama. Terdapat tiga jenis motor DC, penggolongan ini pada dasarnya berdasarkan topologi rangkaian, yaitu bagaimana motor tersebut disusun dengan komponen lain yang mendukung kinerjanya.

1. Motor DC shunt
Motor ini dinamakan motor DC shunt karena cara pengkabelan motor ini yang parallel (shunt) dengan kumparan armature. Motor jenis ini memiliki kecepatan yang stabil sehingga motor ini digunakan ketika membutuhkan kecepatan yang hampir sama sekali constant dari saat terdapat beban maupun terdapat beban. Selain itu, motor ini juga tepat jika kita rangkaian harus memiliki beban yang telah ditentukan.
Motor DC shunt berbeda dengan motor yang sejenis terutama pada gulungan kawat yang terkoneksi parallel dengan medan armature. Kita harus ingat bahawa teori elektronika dasar bahwa sebuah sirkuit yang parallel juga disebut sebagai shunt. Karena gulungan kawat diparalel dengan armature, maka disebut sebagai shunt winding dan motornya disebut shunt motor. Motor DC shunt memiliki skema berikut:

Motor DC shunt memiliki karakteristik pengoperasian yang agak berbeda dengan motor listrik yang sejenis. Karena medan kumparan parallel terbuat dari kabel yang kecil. Motor ini tidak dapat memproduksi arus yang besar ketika mulai melakukan putaran seperti pada medan kumparan seri. Hal ini berarti motor parallel mempunyai torsi awal yang lemah.


Ketika voltase diaplikasikan ke motor listrik, resistansi yang tinggi pada kumparan parallel menjaga arus mengalir lambat. Kumparan armature untuk motor shunt pada dasarnya sama dengan motor seri dan menggunakan arus untuk memproduksi medan magnetik yang cukup kuat untuk membuat kumparan armature memulai putaran. Seperti halnya motor seri, ketika armature mulai berputar, kumparan tersebut akan memproduksi EMF. EMF balik akan menyebabkan arus pada kumparan armature mulai terkurangi sampai pada level yang sangat rendah. Banyaknya arus pada kumparan armature yang dibutuhkan akan secara langsung berhubungan dengan banyaknya beban ketika motor mencapai kecepatan maksimal. Ketika bebannya sedikit, kumparan armature ini akan membutuhkan arus yang sedikut pula. Namun, ketika motor mencapai rpm yang penuh, kecepatannya akan tetap konstan.
Dalam industry, motor shunt digunakan pada Mesin bubut, Drills, Boring Mills, pembentuk, dan Spinning. Berikut adalah contoh boring mills yang sering digunakan pada industry.

2. Motor DC Seri
Motor ini dipasang secara seri dengan kumparan armature. Motor ini, kurang stabil. Pada torsi yang tinggi kecepatannya menurun dan sebaliknya. Namun, pada saat tidak terdapat beban motor ini akan cenderung menghasilkan kecepatan yang sangat tinggi. Tenaga putaran yang besar ini dibutuhkan pada elevator dan Electric Traction. Kecepatan ini juga dibutuhkan pada mesin jahit.
Motor DC seri mampu menghasilkan torsi awal yang besar dan stabil untuk memindahkan beban yang amat berat. Motor DC disusun dengan topologi berikut:

Karena kumparan medan terseri dengan kumparan armature, motor DC seri membutuhkan jumlah arus yang sama dengan arus yang mengalir melalui kumparan armature. Untuk alas an ini kumparan dibuat dari kabel yang diameternya besar sehingga didapat arus yang mencukupi. Karena diameter kabelnya sangat besar, kumparan hanya bisa memiliki beberapa lilitan kabel. Pada motor DC yang lebih besar, medan kumparan terbuat dari tembaga dan bukan dari rentetan kabel yang digunakan untuk mendistribusikan power. Bentuk kotak dari kabel tembaga membuat penempatan lebih mudah disekitar kutub medan. Kabel tembaga tersebut juga dapat dengan mudah memanas karena besarnya arus yang mengalir.


Jumlah arus yang melewati kumparan menentukan jumlah torsi dari motor yang dapat diproduksi. Karena medan yang seri fibuat dari konduktor yang besar, konduktor tersebut memungkinkan jumlah arus yang lebih besar dan torsi yang lebih besar. Motor DC seri dapat dengan aman ditangani karena motor tidak beroperasi untuk waktu yang lama. Pada kebanyakan aplikasinya motor akan beroperasi selama beberapa detik saja, yaitu ketika terdapat arus yang besar.

Pengoperasian dari motor ini sangat mudah untuk dimengerti. Kita tahu, bahwa kumparan medan terkoneksi secara seri dengan kumparan armature. Hal ini berarti bahwa power akan teraplikasi pada salah satu ujung dari kumparan medan yang seri dan ujung lain dari kumparan armature yang terkoneksi dengan brush.
Ketika voltase diberikan, arus mulai mengalir dari terminal power supply yang negative ke kumparan yang seri dan kumparan armature. Kumparan armature tidak berputar ketika tegangan pertama kali diberikan dan satu-satunya hambatan pada sirkuit berasal dari konduktor yang digunakan pada armature dan kumparan penguat medan. Kerena konduktor ini sangat besar, maka konduktor ini hanya akan memiliki hambatan yang kecil. Hal ini menyebabkan motor mengambil arus yang besar dari power supply. Ketika arus yang besar mulai mengalir ke kumparan penguat medan dan kumparan armature maka akan terbentuk medan magnetic yang cukup kuat. Karena arusnya amat besar, hal ini menyebabkan kumparan menjadi jenuh, yang akan memproduksi medan magnet yang amat kuat.

Dalam industry, motor ini digunakan sebagai electric traction, elevator, kompresor udara, penyedot debu, dan pengering rambut. Contoh yang nyata, dapat kita temui pada mesin mobil. Ketika pada saat pertama kali dihidupkan, mobil memerlukan tenaga putaran yang kuat untuk membuat mesin dalam mobil hidup. Dan berikut adalah gambar electric traction yang digunakan pada industri.

3. Motor DC Compound
Motor compound memiliki dua bidang kumparan. Salah satu berparalel dengan kumparan armature, sementara kumparan lain berseri dengan bidang yang terkoneksi seri dengan kumparan armature. Kumparan yang parallel memberikan kecepatan yang constant. Sementara kumparan yang seri dapat menyumbangkan torsi yang besar ketika motor dinyalakan meski pada saat terdapat beban berat. Dalam industri, motor ini digunakan untuk pekerjaan apa saja yang membutuhkan torsi besar dan kecepatan yang constant.

MOTOR DC STEPPER

Motor stepper adalah jenis motor yang tidak memiliki sikat, motor listrik yang sinkron yang dapat membagi sebuah rotasi penuh menjadi banyak langkah. Posisi motor dapat dikontrol secara tepat tanpa ada mekanisme balik selama motor didesain secara hati-hati pada aplikasinya.

Dasar Pengoperasian

Motor stepper beroperasi sedikit berbeda dengan motor sikat, yang berotasi jika terdapat tegangan pada terminalnya. Motor stepper disisi lain, secara efektif memiliki gigi yang berotasi jika electromagnet pada sekitar gear central yang dibuat dari besi.

Electromagnet ditimbulkan secara eksternal oleh ‘control circuit’ seperti microcontroller. Untuk membuat motor berputar, electromagnet pertama diberi power, yang membuat gigi gear secara magnetisasi menarik gigi gear. Ketika gigi gear menyimpang dari electromagnet yang pertama. Kemudian ketika elektromaget yang kedua diberikan power, maka gear juga akan tertarik ke electromagnet yang kedua. Proses ini berulang untuk seluruh electromagnet pada motor. Tiap rotasi kecil tersebut disebut dengan ‘step’. Dengan mengetahui clock, yaitu berapa step yang dibutuhkan untuk melakukan satu kali putaran kita dapat mengontrol motor dengan tepat.

Karakteristik motor stepper:

• Powernya constant.

• Ketika kecepatan meningkat, torsi menurun.

• Kurva dari torsi dapat ditingkatkan dengan meningkatkan tegangan. 

• Motor stepper mimiliki getaran yang lebih besar disbanding jenis motor lain. 

Getaran ini dapat menjadi efek buruk bagi motor, karena dapat menghilangkan torsi atau kehilangan arah. Hal ini karena rotor terdapat pada medan magnetic yang bertindak layaknya spring. Tiap langkah motor, rotor dapat maju dan mundur secara berlebih. Hal ini dapat menimbulkan resonansi. Jika frekuensi steppingnya cocok dengan frekuensi resonansi maka bunyi makin keras dan motor tidak lagi sinkron. Hal ini dapat menimbulkan perubahan arah. Dan yang paling buruk adalah kehilangan control dan membuat motor berputar secara bebas.

Efeknya dapat dikurangi dengan mengakselerasi secara cepat melalui range kecepatan bermasalah. Secara fisik, membasahi system, atau menggunakan driver microstepping. Motor dengan phase yang besar juga menunjukkan operasi yang lebih halus dibandingkan dengan motor yang memiliki phase yang rendah.

Komutasi Open-loop versus Komutasi closed-loop 

Motor stepper secara umum berkomutasi secara open loop. Pengontrol tidak memiliki feedback dimana motor sebenarnya. System pada motor stepper harus demikian digeneralisasikan, terutama jika beban inersianya tinggi atau terdapat variasi yang besar dari beban sehingga tidak terdapat kemungkinan motor akan kehilangan step. Hal ini membuat pendesain system mempertimbangkan untuk mempertukarkan antara terdesain dengan baik namun mahal dan sebuah motor besar harga yang relative murah.

Motor stepper model baru pengontrol berooperasi dengan sebuah peralatan pengatur posisi rotor, sehingga komunikasi dapat dibangun secara optimal untuk menghasilkan torsi sesuai dengan posisi rotor sebenarnya. Hal ini mengubah motor stepper menjadi motor servo tanpa sikat dengan polarisasi tinggi, dengan pengecualian kecepatan yang rendah dan resolusi posisi. Teknik yang lebih canggih adalah dengan menjalankan motor secara normal pada mode open loop, dan hanya menggunakan closed loop jika posisi kesalahan rotor menjadi terlalu besar. 

Types

Terdapat tiga tipe dari motor stepper.

• Motor stepper magnet permanen. Dapat dibagi menjadi ‘tin-can’yang lebih murah dan ‘hybrid’ dengan kualitas yang baik, derajat step yang kecil dan densitas power yang tinggi.

• Hybrid Synchronous Stepper

• Variable Reluctance Stepper

• Lavet type stepping motor

Motor dengan magnet permanent (PM) pada rotor dan beroperasi pada tarikan atau tolakan antara rotor PM dan electromagnet stator. Reluktansi variable (VR) motor mempunyai rotor besi yang murni dan beroperasi berdasarkan prinsip reluktansi minimal yang terjadi dengan celah yang minimum, maka titik dari rotor tertarik ke kutub magnet stator. Motor stepper hybrid, dinamai demikian karena menggunakan kombinasi dari PM dan teknik VR untuk mencapai power maksimal dengan ukuran motor yang kecil.

Stepper motor dua phase

Ada dua dasar susunan gulungan untuk kumparan elektromagnetik pada motor stepper dua fase, yaitu bipolar dan unipolar.

Motor stepper unipolar

Motor stepper unipolar mempunyai dua fase tiap gulungan, satu untuk tiap arah dari medan magnet. Karena pada susunan ini sebuah kutub magnet dapat dibalik tanpa mengubah arah arus, pertukaran kutub sirkuit dapat dilakukan dengan sangat mudah untuk tiap gulungan. Khususnya, fase yang ada, satu ujung dari tiap gulungan dibuat sama, memberikan tiga fase yang memimpin tiap fase dan enam fase yang memimpin untuk motor dengan dua fase. 

Sebuah microcontroller atau motor stepper controller dapat digunakan untuk mengatifkan drive transistor pada urutan yang benar, dan pengoperasian sederhana ini membuat motor unipolar popular.

Motor stepper bipolar

Motor stepper bipolar mempunyai satu fase tiap lilitan. Arus pada lilitan harus dibolak-balik untuk dapat membalik kutub magnet, sehingga sirkuit pengendali menjadi amat rumit. Secara khusus sebuah susunan jembatan H. terdapat dua fase yang memimpin, keduanya tidak sama. Efek pergeseran statis menggunakan jembatan H telah diteliti dengan topologi drive tertentu. 

Karena lilitan ini lebih baik untuk dimanfaatkan, lilitan tsb lebih powerful daripada sebuah motor unipolar dengan berat yang sama. hal ini karena space fisik yang ditempati oleh lilitan. Sebuah motor unipolar mempunyai jumlah kabel dua kali lipat untuk tempat yang sama, namun hanya sebagian yang digunakan pada tiap sudutnya. Maka 50% efisiensi dan 70% output tersedia. Namun demikian bipolar lebih rumit untuk didrive, driver chip yang berlebihan berarti kurang lebih sulit untuk dibuat.

Sebuah motor stepper 8 kaki terlilit seperti motor stepper unipolar, naun kaki-kakinya tidak terhubung secara internal dengan motor. Motor jenis ini dapat dikabelkan dengan beberapa konfigurasi.

Unipolar

• Bipolar dengan lilitan seri. Hal ini memberikan induktansi yang tinggi namun arus yang lemah tiap lilitan.

• Bipolar dengan lilitan parallel. Hal ini membutuhkan arus yang tinggi namun dapat beroperasi lebih baik karena induktansi lilitan terkurangi.

• Bipolar dengan satu fase lilitan. Metode ini akan menjalankan motor setengah lilitan yang ada, yang akan mengurangi torsi kecepatan rendah namun membutuhkan arus yang rendah.

Motor stepper phase tinggi 

Motor stepper dengan beberapa fase akan cenderung memiliki level getaran yang rendah, meskipun biaya pembuatannya tinggi. Motor ini biasa dikenal dengan ‘hybrid’ dan memiliki bagian mesin yang mahal, tetapi qualitasnya tinggi. Namun demikian motor ini sangat mahal, dan mempunyai densitas power yang besar dan dnegan drive elektronik yang cocok sebenarnya layak untuk aplikasi. 

Sirkuit drive motor stepper

Performa motor stepper tergantung pada sirkuit drivenya. Kurva torsi mungkin akn meningkat untuk mendapatkan kecepatan yang lebih jika kutub stator dapat diubah-ubah dengan lebih cepat. Factor yang membatasi adalah induktansi lilitan. Untuk mengatasi hal tersebut dan memindah lilitan dengan cepat, caranya adalah dengan meningkatkan tegangan drive. Hal ini dimaksudkan untuk mengurangi arus yang mungkin diinduksi oleh tegangan tinggi.

Sirkuit drive L/R 

Sirkuit L/R drive juga dikenal sebagai dengan drive tegangan konstan karena sebuah konstan positif atau negative diaplikasikan pada tiap lilitan untuk mengatur posisi langkah. Namun, hal itu adalah lilitan arus bukan tegangan yang mengarahkan torsi untuk menggerakkan motor stepper. Arus pada tiap gulungan dipengaruhi oleh tegangan karena induktansi lilitan L dan resistansi Lilitan R.

Hambatan R menentukan arus maksimal sesuai dengan hokum OHM. Induktansi L menentukan jumlah perubahan arus maksimum pada lilitan sesuai dengan formula untuk sebuah inductor dl/dt = V/L. dengan demikian ketika motor dikontrol dengan drive L/R, kecepatan maksimum dari motor stepper terbatas pada induktansinya karena pada beberapa tingkat kecepatan, voltase U akan berubah lebih cepat disbanding I dan menjaga keadaan ini. Ini adalah dalamhal tingkat perubahan arus adalah L x R (e.g. a 10mH inductance with 2 ohms resistance will take 20 ms to reach approx 2/3 of maximum torque or around 0.1 sec to reach 99% of max torque). Untuk mendapatkan torsi yang tinggi pada kecepatan yang tinggi membutuhkan voltase drive yang tinggi dengan hambatan yang rendah dan induktansi yang rendah pula. Dengan drive L/R dimungkinkan untuk mengontrol sebuah motor resistif tegangan rendah dengan tegangan drive yang lebih tinggi dengan menambah resistor eksternal yang diseri dengan tiap gulungan. Hal ini akan menghabiskan power pada resistor dan menghasilkan panas. 

Sirkuit drive pemotong (chopper)

Sirkuit pemotong juga dikenal dengan drive arus constant karena drive ini menghasilkan arus yang constant pada tiap lilitan. Pada tiap langkah baru, pada awalnya sebuah tegangan yang amat tinggi diberikan pada lilittan. Hal ini menyebabkan arus pada lilitan meningkat dengan cepat kerna dl/dt = V/L.

Arus pada lilitan dimonitor oleh controller, biasanya dengan mengukur tegangan ynag melalui resistor yang kecil yang diseri dengan tiap lilitan. ketika arus berlebih, sejumlah arus dibatasi dengan cara memotong tegagangan (Chopped), biasanya digunakan transistor power. Dengan cara ini, arus yang ada relative konstan untuk posisi step tertentu. Hal ini memerlukan arus lilitan elektronik tambahan dan control pensaklaran. Namun hal ini memungkinkan motor dikontrol dengan torsi yang besar pada kecepatan yang tinggi daripada L/R drive. Komponen Elektronic yang diperlukan banyak tersedia.

Bentuk gelombang fase arus

Sebuah motor stepper adalah motor sinkron AC polifase, karena adanya arus sinusoidal. Sebuah bentuk gelombang full step adalah sebuah perkiraan dinusoid, dan itu adalah alasan mengapa motor menunjukkan vibrasi yang berlebih. Berbagai teknik driving telah dikembangkan untuk perkiraan bentuk gelombang sinusoidal yang lebih baik, yaitu half stepping dan microstepping.

Mode drive yang berbeda menunjukkan arus kumparan pada motor unipolar 4 fase.

Gelombang drive

Pada metode drive ini hanya satu fase yang diaktifkan pada suatu waktu. Drive ini mempunyai jumlah step yang sama seperti halnya drive full step, namun motor ini mempunyai rotasi torsi yang lebih rendah dan jarang digunakan.

Drive full step (2 fase on)

Ini adalah metode umum untuk motor dengan drive full step. Dua fase selalu on. Motor akan mempunyai tingkat torsi yang penuh.

Half stepping

Ketika half stepping, drive bertukar antara dua fase on dan single fase on. Hal ini meningkatkan resolusi angular, namun motor mempunyai torsi yang lebih rendah (sekitar 70%) pada posisi half step (dimana hanya satu fase on). Hal ini mungkin terkurangi karena meningkatnya arus pada lilitan yang aktif untuk mengganti kerugiannya. Manfaat dari half stepping adalah drive elektronik tidak harus berubah untuk mensupply motor.

Microstepping

Microstepping mengacu pada sinus cosines microstepping yang mana lilitan arus memperkirakan sebuah bentuk gelombang AC sinusoidal. Sinus cosines mircrostepping pada bentuk yang paling umum, nanmun bentuk gelombangnya digunakan. Tanpa menghiraukan bentuk gelombang yang digunakan, karena microstep lebih kecil, operasi motor menjadi lebih halus, oleh karenanya sangat mengurangi resonansi di berbagai bagian dari motor yang terkoneksi. Resolusi akan dibatasi oleh striksi mekanis, backslash, dan sumber error yang lain antara motor dan end device. Gear reducers mungkin digunakan untuk meningkatkan posisi resolusi.

Tingkat pengulangan ukuran step merupakan fitur motor stepper yang penting dan sebuah alasan yang mendasar untuk penggunaannya dalam pemposisian.

Teori

Sebuah motor stepper dapat dilihat sebuah sebuah motor AC sinkron dengan sejumlah kutub (pada rotor dan stator) yang meningkat. Sebagai tambahan bahan magnetic lunak dengan banyak gerigi pada rotor dan stator dapat menggandakan jumlah kutub (reluktansi motor). Motor stepper modern dari desain hybrid mempunyai magnet permanen dan inti besi lunak.

Untuk mencapai tingkat torsi yang penuh, kumparan pada motor stepper harus mencapai tingkat arus yang penuh pula selama step dilakukan. Lilitan induktansi dan EMF balik yang dihasilkan oleh rotor yang bergerak cenderung menghambat perubahan pada arus drive, sehingga ketika kecepatan motor naik, diperlukan waktu yang lebih sedikit untuk mencapai tingkat arus yang penuh. Dengan demikian mengurangi torsi motor. Karena kecepatan meningkat drastis, arus tidak akan mencapai tingkat arus ynag penuh, dan kadang-kadang motor akan berhenti memproduksi torsi.

Dorongan pada torsi

This is the measure of the torque produced by a stepper motor when it is operated without an acceleration state. At low speeds the stepper motor can synchronise itself with an applied step frequency, and this pull-in torque must overcome friction and inertia. It is important to make sure that the load on the motor is frictional rather than inertial as the friction reduces any unwanted oscillations.

Spesifikasi Motor stepper 

Pemberian nama motor stepper secara khusus diberikan hanya pada lilitan arus. Tingkat voltase akan memproduksi tingkat lilitan arus pada DC. Nanun hal ini kebanyakan sebuah rating yang tidak bermakna. Karena driver modern sekarang membatasi dan tegangan drive sangat berlebih pada motor.

Sebuah motor stepper dengan kecepatan torsi yang rendah akan bervariasi secara langsung dengan arus. Seberapa cepat torsi mencapai kecepatan yang lebih tergantung pada lilitan induktansi dan rangkaian drive yang ada, terutama voltase drive.

Motor stepper harus disetting sesuai dengan kurva torsi, yang mana ditentukan oleh pabrik pembuat pada voltase drive tertentu atau menggunakan rangkaian drive milik pabrik.

Aplikasi 

Computer yang dikontrol motor stepper adalah salah satu bentuk yang paling serbaguna pada system pemposisian. Hal tersebut secara khusus terdigitalisasi yang dikontrol sebagai bagian dari sebuah system open loop dan lebih kasar dibanding motor servo.

Aplikasi pada industry adalah pemutar berkecepatan tinggi, tempat peralatan, dan mesin CNC. Pada medan laser dan optic motor stepper digunakan untuk memposisikan peralatan secara tepat, seperti actuator linear, linear stages, rotation stages, goniometers, dan mirror mounts. Penggunaan lain adalah pada mesin pemaketan. Motor stepper juga digunakan pada drive disk floppy, scanner, printer, plotter, dan alat-alat lain.