Stepper Motor

Driver and Controller

1

• Pada prinsipnya motor stepper adalah aktuator open-loop. Pada mode operasi normal, rotasi step motor karena perintah barisan pulsa. Ini terkadang disebut motor sinkronisasi digital, yang terkadang dinyatakan sebagai motor stepper.

• Operasi sinkronisasi step (incremental) ini menghsilkan operasi open loop yang memadai, paling tidak secara teori. Pengkecualian dapat terjadi pada:– keadaan transien yang tinggi melampaui torsi rata2– Adanya pulsa yang hilang

• Stepper motor perlu:– sistem kontrol komputer, paling tidak suatu hardware indexer

untuk memberikan perintah dalam bentuk pulsa – driver untuk untuk menginterpretasikan perintah yang

dinyatakan dalam arus yang cukup pada fasa lilitan motor.2

a. Dasar sistem kontrol untuk motor stepper. b. komponen dasar dari driver

• Feedback diperlukan untuk mengkoreksi perintah pulsa, jika ada error• Komponen dasar driver pada stepper motor adalah seperti pada gambar.

Terdiri dari rangkaian logik yang disebut translator, untuk menginterpretasikan pulsa perintah dan menswitch rangkaian analog untuk memberikan arus fasa. Pada lilitan fasa diperlukan arus yang besar, tergantung kapasitas motor, sehingga pada sistem driver perlu ada amplifier daya. 3

• Pulsa perintah dibangkitkan oleh:– komputer (komputer desktop atau mikroprosesor),

merupakan pendekatan software– Osilator drngsn frekuensi variabel (indekser), yang

merupakan pendekatan hardware• Untuk gerak 2 arah, diperlukan dua barisan pulsa,

yaitu – barisan pulsa posisi – Barisan pulsa arah yang ditentukan oleh trayektori gerak.

• Operasi:– Operasi steady state, rate stepping dapat diset secara

manual dengan menekan tombol potensiometer yang dihubungkan dengan translator

– Operasi gerak sederhana, misal menaikkan kecepatan dan menghentikan putaran setelah dicapai posisi yang diinginkan..intah untuk membangkitkan barisan pulsa dapat di set secara manual.

– Pada kondisi operasi yang lebih kompleks dan operasi transien yang terjadi pada gerak trayektori, pulsa perintah dapat dibangkitkan melalui komputer atau mikroprosesor4

• Translator adalah:– Mempunyai modul rangkaian untuk menginterpretasikan

barisan pulsa menjadi sekuens switching pada lilitan field stator

– Mempunyai rangkaian logik switching solid state, untuk mengarahkan arus field pada lilitan fasa yang sesuai dengan state switching yang diinginkan

– Tidak mempunyai kemampuan untuk menjaga track dari jumlah step yang dilakukan motor (step counter). Tetapi ada perangkat paket yang mampu melakukan ini, termasuk pembangkitan pulsa, fungsi translator, drive amplifier

– Untuk operasi translator (untuk rangkaian logik, rangkaian switching, dsb) dan operasi eksitasi amplifier fasa diperlukan daya dari power supply dc 24 V). Ada sistem paket yang sudah berisi sistem ini selain komponen lain yang telah disebutkan di atas

5

Hardware Driver• Terdiri dari komponen:

– Digital hardware logik untuk menginterpretasikan informasi dan arah yang dibawa sinyal pulsa step dan menghasilkan sinyal yan sesuai untuk memicu lilitan fasa. Ini merupakan unit translator hardware

– Rangkaian pemicu untuk lilitan fasa, dengan switching transistor untuk memicu fasa on, off, membalik pada kasus unifiliar atau bifiliar.

– Power supply untuk daya pada lilitas fasa• Ketiga komponen ini ada dalam 1 paket tunggal

secara komersial, untuk mengoperasikan suatu kelas motor step.

• Muncul panas pada operasi modul driver, sehingga diperlukan heat sink

6

• Sistem motor step 2 fasa. Fasanya dinyatakan sebagai A dan B. Motor mempunyai 5 lead, dimana 1 adalah ground dan 4 lainnya terminal dari 2 coil bifiliar (A+, A-, B+ dan B-)

7

Konstanta Waktu Motor

• Torsi yang dibangkitkan oleh motor step sebanding dengan arus fasa, maka diinginkan bahwa lilitan dapat mencapai arus maksimum dalam waktu yang singkat jika di switch on. Tetapi karena self-induction, maka arus pada fasa tidak segera muncul pada saat swifch-on. Dengan kenaikan switching rate, maka perioda waktu yang tersedia untuk setiap step menjadi turun, sehingga fasa dapat turn-off sebelum mencapai level arus untuk dapat turn on fasa berikutnya

8

• Konstanta waktu motor step: te = L/R, L induktansi lilitan fasa dan R resistansi rangkaian termasuk resistansi lilitan, keduanya saat energized. Arus yang muncul:

• Torsi pemicu motor turun karena arus fasa yang semakin rendah. Karena induksi, arus tidak langsung mati jika fasa switch off.

• Tegangan induksi diri bisa sangat tinggi dan dapat merusak translator dan rangkaian lainnya.

• Karakteristik torsi motor step dapat di improved (pada stepping rate yang tinggi) sehingga efek merusak dapat dikurangi dengan menurunkan konstanta waktu

etR

vi exp1

• Konstanta waktu dapat dikurangi dengan menaikkan harga R, tetapi hal ini hanya bermanfaat pada periode transien. Sedangkan pada periode steady state R yang lebih kecil lebih baik karena memberikan arus yang lebih besar (medan magnet), torsi yang lebih besar, dan disipasi kalor yang lebih rendah dan meningkatkan efisiensi.

• Karena induksi diri, arus tidak langsung mati saat fasa switch off. Tegangan yang cukup tinggi akibat induksi diri dapat merusakkan translator dan rangkaian lain.

• Hal ini dapat ditanggulangi dengan menurunkan konstanta waktu elektrik, dengan menaikkan R. Tetapi kenaikan R hanya dihatapkan pada saat transien saja (saat switch on dan switch off) 9

• Pada perioda steady diinginkan R yang lebih kecil, yang menghasilkan arus (medan magnet) dan torsi yang lebih besar, dan disipasi daya yang lebih kecil.

• Hal ini dapat dilaksanakan dengan menggunakan diode dan resistor DR yang dihubungkan paralel, dimana saat switch on dan switch off, arus akan melalui R dan DR, dan konstanta waktu = te=L/(R+DR)

• Pada keadaan steady state, tidak ada arus yang lewat DR, sehingga arus tidak melalui dioda dan tidak terjadi kenaikan R.

10

Karakteristik Torsi-Gerak

• x

• Respons motor step terhadap input pulsa tunggal pada umumnya akan berosilasi terhadap waktu

• Kurva statik ideal torsi-q digambarkan dalam garis putus2 (jika efek dinamik diabaikan).

• Pada kondisi operasi normal, akan ada tegangan induksi karena induksi diri dan induksi mutual, shg perlu waktu pembangkitan arus pada lilitan, saat fasa di switc on

• Terlebih lanjut muncul arus eddy pada rotor, yang menyebabkan medan magnit bergeser dibandingkan harga statiknya. Karena rotor berputar pada kecepatan tertentu, menghasilkan pergeseran kurva dinamik torsi-q dari kurva statiknya.

• Torsi dinamik yg benar terkadang tidak bisa diduga karena berbagai faktor (kec rotor, posisi rotor, level arus, dsb) harganya bervariasi.Torsi statik cukup memadai untuk menjelaskan berbagai karakteristik motor step, termasuk osilasi pada respons pulsa tunggal

11

• Torsi statik akan positif pada switching point, tetapi tidak maksimum, penjelasannya sbb:

– Sudut step sistem ini adalah 60o, dan sekuence swiching untuk full step CW adalah 1-2-3-1. Pada saat fasa I on, posisi dinyatakan dalam D. Torsi statik pada fasa ini digambarkan spt pada gambar b.

– Jika sistem diputar CCW, dari posisi kesetimbangan, dengan mekanisme rotasi eksternal (misal diputar dengan tangan), pada posisi C,

• x

12

• Motor berusaha berputar CW, karena fasa I yang on dan kembali ke poisisi D.

• Pada posisi B, torsi statik nol, karena gaya dari pole N pada fasa I seimbang dengan gaya pana S pole, sehingga merupakan posisi yang tidak setimbang, sedikit pergeseran dari posisi ini keatas atau kebawah, akan menyebabkan pergeseran ke arah tersebut.

• Posisi A pada qr = 180o dari posisi D, juga merupakan posisi yang stabil

• Torsi maksimum terjadi pada posisi M, yang terletak antara posisi B dan D (pada sudut qr=45o).

• Torsi statik maksimum ini juga dinyatakan sebagai torsi penyangga, karena ini merupakan torsi penahan maksimum dari suatu motor, jika rotor diputar dari posisi keseimbangannya

• Torsi pada posisi switching C akan lebih kecil dari harga maksimum

• Untuk penyederhanaan analisis, kurva torsi statik dinyatakan sebagai fungsi sinusoida

T1 = - Tmaks sin nrqq =posisi sudut diukur dari posisi

sebelumnya (dengan fasa 1 on). nr = jumlah gigi pada rotor, Tmaks = torsi maksimum. Gambar fungsi sinusoida yang

ditampilkan adalah untuk rotor dengan dua gigi (nr = 2)

Respons motor step jika suatu sekuense pulsa masuk padanya

13

• Slew rate =

Rs=1/Dt step/dt

Dt = waktu antar pulsa

Dt dapat lebih kecil dari pada settling time TS.

• Bisa terjadi osilasi yang pada umumnya tidak akan dihindari, amplitudonya akan mengecil jika damping naik

• Slew rate tergantung pada beban eksternal yang dihubungkan pada motor, yaitu damping motor, friksi bearing, set rating torsi pada batas atas slew rate.

• Untuk mencapai slew rate tertentu, motor step harus di aselerasikan dari kecepatan rendah ke secara bertahap. Ini dapat dipenuhi dengan memberikan pulsa sekuensial yang rate pulsanya semakin tinggi R(t)

• R(t) = Ro +(Rs-Ro)t/nDt– Ro = rate pulsa awal (~ 0)

– Rs = pulsa rate final

– n= jumlah pulsa14

• Jika digunakan kenaikan eksponensial, pulse rate dinyatakan sebagai:

• R(t) = RS –(RS-Ro)e-t/t

• Jika konstanta waktu t =t =nDt/4, pulse rate = 0.98 Ro dicapai pada pulsa total n (catatan e-4=0.022)

• Ramping rate tidak bisa dipilih sebarang, dan dibatasi oleh karakteristik torsi – speed dari motor

15

• Pulsa kedua diberikan pada B, titik sambung antara kurva 1 dan 2, yang berada diluar posisi detent. Hal ini akan menswitch torsi ke kurva 2, yang merupakan torsi yang dibangkitkan oleh energizing dari fasa baru. Aselerasi yang cepat dimungkinkan pada kasus ini karena torsi selalu positif.

• Pulsa 3 bekerja pada C, yaitu saat rotor sudah mendekati posisi final. Torsi pada kurva 3 relatif kecil, karena rotor hampir mendekati posisi final

• Pada operasi Transien dari motor step, diperlukan sekuense yang non uniform, tergantung pada kekompleksan trayektori gerak dan akurasi.

• Contoh pada drive 3 step.– pulsa pertama diberikan saat A, yaitu pada saat

motor istirahat. Hasil torsi positif (kurva1) dari fasa yang di energized akan mengaselerasi motor, menyebabkan overshoot diluar posisi detent (garis putus2).

16

Static position error• Jika motor step tidak dapat

menahan beban statik (misal elemen pegas-torsional), posisi kesetimbangan pada keadaan power on akan terkait dengan titik detent (torsi = nol) dari fasa yang energized.

• Tetapi jika ada torsi TL, posisi kesetimbangan akan bergeser ke -qe yang disebut error posisi

• Diasumsikan kurva torsi statik sinusoida,

T = -Tmaks sin(2pq/pDq)• Persamaan ini berlaku untuk

–Dq < q < 0• Tercatat bahwa kurva torsi

statik untuk setiap fasa adalah periodik, dengan perioda pDq, di mana p jumlah fasa dan Dq sudut step

• Berdasarkan gambar diatasTL = -Tmaks sin[2 (-p qe)/pDq]qe=(pDq/2p) sin-1(TL/Tmaks)qe=(p/n) sin-1(TL/Tmaks)

17

Contoh:• Motor step tiga fasa dengan 72

step per putaran, jika beban torsi 10% dari torsi maksimum statik, tentukan posisi error statik

Solusi: TL/Tmaks=0.1, p= 3 & n = 72

qe=(p/n) sin-1(TL/Tmaks)qe=(3/72) sin-1(0.1)= 0.0042 radian =

0.24o.Lebih kecil dari sudut step yang = 5o

Damping pada motor step• Damping yang kecil pada motor

step tidak disukai, terutama untuk aplikasi yang memerlukan gerakan single step atau trayektori yang akurat dibawah keadaan transien.

• Osilasi amplitudo yang tinggi akan terjadi jika frekuensi resonansi dari kombinasi motor-as mendekati frekuensi step.

• Damping berperan pada penekan-an overshoot, menaikkan rate decay & rate osilasi, settling time <

• Tetapi damping yang besar merugikan karena respons lambat (rise time dan delay panjang)

• Pada umumnya keuntungan damping yang besar lebih dari kerugiannya.

• Beberapa teknik dapat dilakukan unyuk mengatur damping dari motor step:– Mekanik– Elektrik

• Damping elektrik: disipasi eddy current pada rotor, penggunaan histerisis magnetik dan efek saturasi, menaikkan disipasi resistif dengan penambahan lilitan pada stator motor..

• Damping mekanik adalah dengan menambah damping torsional yang dipasang pada as motor. Tetapi langkah ini merugikan karena adanya pembangkitan kalor disipasi, penurunan torsi output motor, mengurangi kecepatan motor.

18

Damping Mekanik

• Metoda praktis dari damping pada motor step adalah dengan pemasangan elemen inersia pada as motor melalui medium disipasi, seperti fluida viscous (misal : silikon) atau friksi permukaan (misal: brake lining).

• Contoh umum untuk damping torsional adalah damper Hougaille (viscous torsional damper) dan Lanchester damper (Coulomb-type friction).

Torsi T = - Km q• Persamaan H Newton:

Jm(dw/dt) = Cm w – Km q

• Solusi persamaan diff ordiner diperoleh dari syarat awal

• Konstanta a menyatakan fraksional overshoot, dimana amplitudonya setinggi 0.8

0 mmm KCJ

00 0

m

mn J

K

mm

m

JK

C 19

• Damper Houdaille yang dipasang pada motor:

• Persamaan gerak:

qd sudut rotasi inersia damper, Jd momen inersia damper, Jh momen inersia housing damper.

Gambar ini menunjukkan respons motor step dengan damper mekanik

dddd CJ ddmmnm CKCJJ

20

Damping Elektronik

• Keuntungan damping motor step dengan kontrol swiching elektronik adalah – metoda yang sangat baik untuk

mengurangi overshoot– Dengan switching time

sequence yang sesuai, respons dengan zero overshoot secara virtual dapat direalisasikan.

– Pengurangan torsi output tidak signifikan

• Teknik damping elektronik tergantung pada 2 hal:– Deselerasi final step respons

untuk menghindari overshoot– Energize fasa final (pemberian

pulsa final) jika respons motor mendekati posisi final (saat torsi sangat kecil)

• Kedua hal diatas dapat dicapai dengan:– Metoda men off kan pulsa:

akan men turn off motor dalam waktu singkat

– Metoda pulsa reversal, memberikan pulsa pada arah berlawanan selama perioda singkat

– Metoda memberikan delay: memantain fasa tertentu pada posisi detent untuk perioda yang singkat.

• Ketiga metoda dapat dijelaskan dengan menggunakan kurva respons torsi statik seperti pada gambar berikut. Pada semua gambar, kurva torsi statik terkait dengan pulsa terakhir dinyatakan sebagai 2 dan kurva statik terkait dengan pulsa yang hampir terakhir dinyatakan sebagai 1

21

Metoda pulse turn off• Pulsa pertama terjadi pada A, yang

me-energized fasa 2 dan mematikan fasa 1. Rotor menuju posisi detent akhir karena adanya torsi positif.

• Pada posisi B, yang cukup dekat dengan posisi final, fasa 2 shut off dan fasa C on.

• Dari B ke C, semua fasa motor tidak aktif, dan torsi statik = 0 Selama interval ini motor diperlambat dan memberikan respon puncak sangat dekat dengan posisi detent.

• Pada posisi C, fasa terakhir 2 on• Dengan memilih posisi B dan C yang

sesuai, overshoot dapat sangat kecil• Ini memerlukan pengetahuan tentang

respon motor aktual.• Besarnya overshoot final sangat

sensitif pada timing dari switching point B dan C

• Respon aktual tergantung pada damping mekanik

Metoda pulse reversal• Kurva torsi statik terkait dengan pulsa

2 sebelum terakhir dinyatakan sebagai 3. Fasa terakhir (fasa 2) energized pada A, motor dipercepat menuju posisi final detent

• Pada point B (terletak lebih kecil dari ½ step dari A), fasa 2 shut off dan fasa 3 on (sekuense pulsa: 1-2-3-1, dan sekuense pulsa kebalikan 1-3-2-1)

• Torsi statik terkait akan negatif pada ½ step dan positif sesudahnya

22

• Sehingga motor pertama diperlambat dan kemudian baru dipercepat. Efek perlambatan tidak sekuat pada metoda pertama.

• Pada point C torsi statik pada fasa 3 sama dengan fasa 2. untuk menghindari overshoot yang besar, fasa 3 di offkan, dan fasa terakhir di on kan lagi

• Ini akan memicu motor pada posisi detent final

• d

Metoda pulse delay

• Fasa terakhir tidak energized pada posisi detent dari step sebelumnya (titik A), tetapi fasa 1 dilanjutkan sampai melampaui titik ini.

• Torsi negatif yang dihasilkan akan memperlambat respons. Jika tidak ada damping yang dipasang, overshoot diatas A dapat mencapai 80% (jika damping tidak ada bisa sampai 100%)

23

• Pada semua teknik damping elektrik, respons aktualnya tergantung pada berbagai faktor, terutama sifat2 beban. Karena itu titik switching tidak bisa ditentukan secara kaku, kecuali jika respons pada waktu berikutnya telah diketahui (dengan tes atau simulasi).

• Pada umumnya, switching yang akurat memerlukan pengukuran respons aktual dan menggunakan informasi waktu nyata tersebut untuk menentukan pulsa switching.

Model Motor Step

• VR motor step mempunyai rotor soft iron non magnitized

• PM motor step mempunyai rootor magnetized

• HB motor step adalah tipe PM motor step yang spesial. Mempunyai dua stack rotor, yang dimagnitized dengan polaritas berlawanan (stack rotor satu N pole dan stack rotor lainnya S pole). Ada misalignment gigi antara 2 stack rotor.

• Analisis pada motor step pada keadaan steady tidak membedakan motor VR, PM atau HB. Tetapi pada transien, karakteristik torsi pada ketiga macam motor berbeda

24

• Pada operasi motor step steady state dan kecepatan rendah, torsi motor dapat didekati dengan fungsi sinusoida

T = - Tmaks sin nr q

atau

T = -Tmaks sin(2pq/pDq)

F

gf

• q adalah posisi sudut rotor diukur dari posisi detent saat fasa dieksitasi, dan nr jumlah gigi rotor Sehingga q = - Dq = -qr/p dari posisi detent sebelumnya, di mana fasa sekarang di switch on dan q = 0 pada posisi dekat dengan posisi detent. Koordinat frame q akan sampai pada posisi detent selanjutnya, jika fasa selanjutnya eksitasi jika mendekati posisi detent

• D

• d

Penyederhanaan model

25

• Persamaan dinamika sistem mekanik, dari H.Newton

• TL adalah torsi reaksi pada motor karena mendrive beban (torsi beban), Tb( ,q q) adalah torsi tahanan dispatif dari motor (torsi damping viscous, torsi friksi, dsb) dan J inersia motor-rotor.

• TL

• D• D

• c

Improved Model• Pada kecepatan tinggi dan

operasi transien motor step, – berbagai besaran tidak lagi

dianggap konstan, tetapi berubah terhadap waktu, seperti pada posisi rotor.

– Untuk suatu supply tegangan fasa vb, arus fasa ip tidak konstan. Induktansi rangkaian fasa L berubah tergantung posisi rotor.

– Vb menginduksi rangkaian fasa karena perubahan medan magnet yang dihasilkan karena rotasi rotor

• Sehingga perlu meng improved model dinamik untuk menyatakansifat motor step pada kecepatan tinggi dan pada saat transien

JTTT bL ,

26

Persamaan rangkaian fasa:

Vp tegangan supply pada fasa (dc)

Ip arus fasa

Vb back emf karena gerak rotor

R tahanan lilitan fasa

L induktansi diri lilitan fasa

• Vb sebanding dengan kecepatan rotor dan tergantung pada posisi rotor. Variasi vb periodik dengan perioda qr.

q negatif pada step konven-sional (q =-Dq q=0), maka vb positif untuk q positif

• Induktansi diri L juga bervariasi perioodik terhadap posisi rotor

• Persamaan2 ini berlaku untuk ketiga macam motor step (VR, PM dan HB), tetapi persamaan torsinya tergantung pada tipe motor step

Persamaan Torsi untuk motor PM dan HB

• Pada motor PM dan HB, medan magnet dibangkitkan oleh arus fasa ip dan rotor yang termagnetisasi. Fluks dari magnetik rotor konstan, tetapi linkage dengan lilitan fasa akan memodulasi posisi rotor q.

• Ip arus fasa dan km konstanta torsi pada motor PM dan HB

27

bp

pp vdt

diLRiv

rbb nkv sin

rao nLLL cos

rpm nikT sin

Persamaan Torsi pada Motor VR

• Pada motor step VR, rotor tidak termagnetisasi, sehingga tidak ada pembangkitan fluks magnetik pada rotor.

• Fluks dibangkitkan oleh arus fasa ip terkait dengan lilitan fasa. Fluks linkage kopel dengan rotor motor dan hasilnya gerak rotor motor adalah modulasi

kr konstanta torsi VR motor

• Torsi T pada motor VR lebih tidak linier dibandingkan motor PM dan HB

• Parameter R, Lo, La, kb , kr dan km diasumsikan diketahui (dari eksperimen atau dari data sheet pabrik)

Kontrol pada Motor Step

• Operasi openloop cukup baik untuk berbagai operasi motor step, terutama pada kecepatan rendah dan pada operasi steady state.

• Kontrol open loop terutama karena respons motor aktual tidak diukur, sehingga kemungkinan terjadi error, misal karena adanya pulsa yang hilang

28

rpr nikT sin2

Pulse Misiing• Ada dua alasan pulse missing:

– Pada saat kecepatan berubah, jika pulsa yang berurutan diterima pada frekuensi tinggi (rate stepping yang tinggi), translator fasa mungkin tidak merespons pulsa yang diterima, dan fasa terkait tidak energized sebelum pulsa berikutnya datang.

– Malfaunction dari sumber pulsa, karena pulsa tidak dibangkitkan, meskipun motor beroperasi dibawah kapasitasnya (torsi rendah, kecepatan rendah dan keadaan transien rendah)

• Jika pulsa hilang pada motor, menghasilkan respons yang salah, yang menyebabkan rotor berosilasi atau bahkan stall.

• Pada situasi yang tidak berat, terutama pada sudut step kecil, jika satu pulsa hilang, maka sistem akan lock in lagi dengan sekuence input. Pada kasus ini motor akan mengikuti trayektori yang benar terhadap sudut pitch rotor.

• Pada pulsa yang hilang motor mengalami perlambatan, karena torsi negatif dari fasa yang tidak switch off. Torsi negatif menyebabkan motor stall.

• Misal:• Pada motor 3 fasa yang satu fasa

setiap eksitasi. Pada kondisi normal, motor berjalan pada kecepatan konstan dan aktifasi fasa terjadi pada titik A, B, C dan D seperti terlihat pada gambar a.

29

• Sekuense pulsa ini mempunyai interval terhadap sudut rotasi q yang sama (bukan terhadap waktu), karena kecepatan yang konstan. Garis solid menyatakan operasi motor tanpa pulse missing. Phasa 1 dieksitasi pada titik A, fasa 2 pada titik B dan fasa 3 pada titik C dan terus berulang.

• Pada kasus pertama, pulsa hilang pada titik B, sehingga fasa 1 terus aktif dan menghasilkan torsi negatif yang memperlambat rotor. Pulsa berikutnya diterima saat rotor pada posisi B’ (bukan C) karena perlambatan rotor (pulsa dieksitasi pada interval waktu yang sama. Pada titik B, fasa 2 dieksitasi (bukan fasa 3) sehingga translator meninterpretasikan pulsa ini sebagai pulsa kedua (pulsa yang hilang). Pulsa berikutnya diterima pada C’, dst. Sehingga torsi sangat berkurang dibandingkan dengan jika pulsa tidak hilang . Motor dapat menjadi stahl

30

• Pada kasus kedua, pulsa B gagal mengenergize fasa 2, sehingga motor mengalami deselerasi karena adanya torsi negatif dengan bekerjanya fasa 1.

• Pulsa berikutnya diterima pada titik C’ (bukan C) karena motor slow down. Pulsa ini mengeksitasi fasa 3 (bukan fasa 2, seperti pada kasus sebelumnya), karena translator berasumsi bahwa fasa 2 telah dieksitasi oleh pulsa sebelumnya. Pulsa berikutnya pada titik D’ karena penurunan kecepatan motor.

• Pada kasus ini, torsi net akan jauh lebih rendah dari torsi yang dapat menyangga operasi normal motor, dan motor dapat stall.

• Untuk menghindari situasi semacam ini, pulse missing harus dapat dideteksi dengan respons sensing (misalnya menggunakan optical encoder) sehingga bisa dilakukan koreksi dengan mengatur switching berikutnya

31

Feedback control• Feedback control digunakan untuk mengkompensasi error gerakan motor

step.

• Respons dari step motor dideteksi dan dibandingkan dengan respons yang dikehendaki. Jika terdeteksi error, barisan pulsa untuk memicu sistem dimodifikasi secara tepat untuk mengurangi error.

• Pada umumnya digunakan optical incremental encoder sebagai transduser gerak. Perangkat ini mempunyai dua barisan pulsa yang quadrature fasa, yang memberikan arah dan besarnya rotasi dari motor step. Sudut pitch encoder harus dibuat sama dengan sudut step motor untuk memudahkan pembandingan dan deteksi error

32

• Prinsip operasi feedback encoder-driven motor step adalah:

– Pulsa start dibangkitkan secara eksternal pada posisi detent awal C, yang akan mengenergized fasa 1 dan memicu rotor pada posisi detent D1.

– Encoder diposisikan sehingga pulsa dari dibangkitkan pada E1. pulsa ini secara otomatis di fedbackkan sebagai pulsa kedua dan input pada translator yang akan mengenergized fasa 2 dan memicu rotor pada posisi detent D2.

– Selama step ini, pulsa kedua dari encoder dibangkitkan pada E2, yang secara otomatis akan di fedbackkan sebagai pulsa ketiga untuk input motor, mengenergized fasa 3 dan membawa rotor pada posisi detent D3,

– dst.

33

• Catatan: switching fasa terjadi (karena pulsa encoder) setiap saat rotor berpindah pada sudut Dqs, dari posisi detenst sebelumnya. Sudut ini disebut sudut switching (Dqs).

• Pulsa encoder mendahului posisi detent dengan sudut DqL, yang disebut sudut lead.

• Torsi rotor positif sepanjang gerak, sehingga motor akan aselerasi secara steady sampai terjadi kesetimbangan dengan torsi damping, torsi beban dan torsi resistif lainnya.

• Keadaan akhir steady state ini terkait dengan kecepatan operasi maksimum untuk sistem motor step dengan encoder ini

• Kecepatan maksimum akan berkurang jika sudut switching naik melebihi batas perpotongan antara 2 kurva torsi yang terdekat.

• Contoh: jika Dqs naik melebih harga Dq, muncul torsi negatif pada pasa yang ada (sebelum switching), yang akan memperlambat rotor. tetapi efek kombinasi dari torsi switching-sebelum dan switching-sesudah menghasilkan kenaikan kecepatan sampai batas kecepatan dicapai.

• Hal ini dapat dicapai jika DqL positif. DqL ini dapat diatur dengan dua cara:– memindahkan titik pick-off sinyal pada disk encoder (tidak praktis)– memberikan waktu delay pada jalur feedback sinyal encoder.

34

Pembandingan torsi motor pada advance switching dan konvensional switching

Torsi dinamik pada kecepatan tinggi

• Torsi rata2 yang lebih tinggi dapat dicapai dengan mendahulukan waktu switching sampai pada titik perpotongan antara 2 kurva torsi yang berdekatan.

• D0, D1, D2 dst menyatakan waktu switching standar dan D0’, D1’, D2’ dst menyatakan titik advance switching.

• Pada advance switching, torsi tetap lebih tinggi dari pada harga torsi pada titik interseksi

35

• Hal ini sesuai dengan perkiraan, torsi motor dapat dikontrol dengan mengatur titik switching. Besar torsi aktual tergantung pada keadaan dinamiknya.

• Untuk kecepatan rendah, torsi dinamik akan mendekati kurva torsi statik, sehingga analisis lebih sederhana.

• Untuk kecepatan tinggi deviasi dari kurva torsi statik semakin teramati, yang akan dibahas kemudian

• Model Based Feed Back Control• Model motor step sangat berguna dalam simulasi komputer,

misalnya untuk evaluasi performansi, analisis feedback based motor step, dsb.

• Strategi kontrol feedback sederhana dari motor step:– Jika motor istirahat, arus fasa = 0 q = -Dq dan q = 0. jika fasa on untuk

mendrive motor, persamaan ini diintegrasikan untuk memperoleh harga posisi, yang kemudian dibandingkan dengan posisi aktual

– Jika kedua harga berdekatan, maka tidak ada switching fasa. Tetapi jika harganya berbeda maka torsi motor dihitung dengan berbagai persamaan, yaitu:

36

bp

pp vdt

diLRiv

• Persamaan:

• Kemudisn komputasi diulang, diasumsikan jika switching terjadi pada kedua fasa yang jonin.

• Karena diinginkan aselerasi motor, maka switching fasa dilakukan pada point di mana torsi lebih besar dari torsi sebelumnya, dan sebaliknya.

• Waktu yang diperlukan oleh arus fasa untuk menghasilkan harga penuh adalah sekitar 4t, di mana t konstanta waktu elektrik untuk setiap fasa, t =Lo/R.

• Sehingga fasa di switch secara hipotetik, integrasi numerik perlu dilakukan pada perioda waktu 4t, sebelum torsi dibandingkan.

37

rbb nkv sin rao nLLL cos

rpm nikT sin rpr nikT sin2

Seleksi Motor Step dan Penggunaannya

• Pada pembahasan sebelumnya telah dibahas bahwa pemilihan motor step dengan menggunakan parameter geometrik (jumlah pole stator, jumlah gigi per pole, jumlah gigi rotor, dsb). Tetapi pemilihan motor step untuk penggunaan tertentu tidak bisa hanya berdasarkan parameter geometrik saja. Pertimbangan torsi-kecepatan seringkali lebih penting. Sebagai contoh: kecepatan respons motor dimungkinkan jika digunakan mootor dengan perbandingan torsi/inersia yang lebih besar.

• Pada konteks ini akan dibahas karakteristik torsi dari motor step.

Karakteristik Torsi dan terminologi

• Faktor lain yang berpengaruh pada torsi motor step:– Torsi lebih besar pada kondisi

steady (kecepatan konstan), karena pada kecepatan konstan tidak terdapat torsi inersial.

– Kecepatan rotor. • Pada kecepatan rendah (jika

perioda step lebih besar dari pada konstanta waktu elektrik), waktu untuk pembangkitan arus fasa tidak signifikan dibandingkan dengan waktu step, sehingga arus fasa dapat diasumsikan segiempat

• Pada kecepatan rate stepping yang tinggi, efek induksi dominan, sehingga fasa tidak mencapai harga arus dalam durasi waktu step, torsi akan degradasi

38

Karakteristik Torsi• Daya dicatu oleh power supply

yang terbatas, sehingga perkalian torsi x kecepatan dari motor terbatas. Jika kecepatan motor naik, maka torsi motor turun.– Torsi mempunyai harga torsi

maksimum pada kecepatan 0 – Torsi = 0 pada kecepatan motor

maksimum.

• Di Industri, pada kondisi operasi steady (di rata2 kan dan di interpolasikan),torsi dinyatakan sebagai torsi pull-out dan speed dinyatakan sebagai pull-out speed. Kurva torsi – speed dalam keadaan steady disebut kuva pull-out.

• Torsi penahan (holding) adalah torsi statik maksimum dan berbeda dengan torsi pull-out

T = - Tmaks sin nr q

• Holding torque adalah hampir sama besarnya dengan torsi start, dan lebih besar 40% dibandingkan dengan torsi pull-out

• Torsi statik akan lebih tinggi jika motor mempunyai lebih dari 1 pole stator per fasa dan jika semua pole dieksitasi dalam waktu yang sama

• Torsi residual adalah torsi statik maksimum yang terjadi jika fasa motor tidak dienergized

39

• Pada motor VR, torsi ini = 0, tetapi pada motor PM dan HB, ada harganya,

• Pada literatur di industri torsi detent mempunyai arti yang sama dengan torsi residual.

• Buku ini, mendefinisikan bahwa torsi detent adalah: – torsi pada keadaan power off.– Torsi statik pada posisi detent (posisi

kesetimbangan) dari motor, jika fasa berikutnya di energized. Menurut definisi ini:

torsi detent = Tmaks sin 2p/p,

dimana Tmaks = torsi holding dan p jumlah fasa

• Definisi lanjut karakteristik torsi-speed digambarkan sbb, yaitu dalam – kurva pull-out atau kurva slew rate, – kurva pull-in atau kurva start-stop

• Kurva pull-out berlaku jika motor dalam keadaan steady (kecepatan konstan), pada arus tertentu dan menggunakan rangkaian drive tertentu

• Tetapi motor tidak dapat dipercepat steady pada slew speed, mulai dari diam dan diberikan sekuense pulas pada rate konstan terkait dengan slew speed, tetapi pertama kali harus di aselerasi dengan sekuense pulsa terkait dengan kecepatan ini.

• Setelah mencapai daerah start-stop (daerah pull-in), motor dapat dipercepat ke pull-out speed.

40

• Hal yang sama harus dilakukan pada penghentian motor dari slew-speed.

• Pertama di deselerasi (dengan down ramping) ke kecepatan pada daerah start-stop, dan jika daerah ini telah dicapai dengan baik, sekuense step dapat di matikan.

• Drive sistem mempengaruhi kurva torsi-speed motor, yaitu: – arus dan sekuense switching dari

fasa motor– Rate switching pulsa

Pemilihan motor step

• Langkah1: buat daftar persyaratan utama untuk aplikasi tertentu, tergantung pada kondisi dan spesifikasi, yaitu: • persyaratan operasional:

kecepatan, aselerasi, akurasi dan resolusi,

– karakteristik beban: ukuran, inersia, frekuensi natural, dan resistansi torsi

• Langkah 2: hitung torsi operasi dan persyaratan stepping rate. Persamaam H.Newton diterapkan pada langkah ini. Terutama rating torsi yang dikehendaki dari persamaan:

• TR resistansi torsi motor,

• Jeq momen inersia ekivalen, termasuk rotor, gear, load, damper, dsb.

• Wmaks = kecepatan operasi maksimum

• Dt waktu yang diperlukan untuk aselerasi beban ke speed maksimum, mulai dari berhenti

41

tJTT makseqR

• Langkah 3. Dengan menggunakan kurva torsi vs rate stepping (yaitu kurva pull-out) untuk suatu grup motor step yang ada di pasaran, pilih motor step yang paling sesuai. Persyaratan torsi dan kecepatan diambil dari hasil Langkah 2, sedangkan persyaratan akurasi dan resolusi dari hasil Langkah 1

• Langkah 4. Jika motor step yang memenuhi persyaratan tidak tersedia, desain dasar sedikit diubah. Hal ini meliputi pengubahan persyaratan kecepatan dan torsi, dengan menambahkan perangkat seperti sistem gear (misal: harmonik drive) dan amplifier (amplifier hidraulik)

• Langkah 5. pilih sistem drive yang kompatibel dengan motor, dan memenuhi syarat2 dari langkah 1 42

Positioning x-y table

43

contoh

44

45