Motor stepper | Penjelasan, Cara Kerja, Jenis, Kelebihan Kekurangan Dan Penemu Motor Stepper

Coba Anda menjangkau dan menyentuh ujung jari Anda ke ujung hidung Anda. Tidak masalah! Coba lagi dengan mata tertutup dan itu masih sederhana: Anda tidak pernah ketinggalan. Bahkan pada orang canggung seperti saya, otak kebanyakan memiliki kendali atas tubuh.

Dalam atlet, artis, penari balet, dan ahli bedah, "kontrol" berarti ketepatan mutlak. Sekarang bayangkan mencoba membangun robot dengan tingkat keunggulan mekanis yang sama, menggunakan roda gigi, roda, dan tuas untuk mencapai apa yang dilakukan tubuh dengan otot dan tulang.

Ini adalah urutan yang jauh lebih tinggi, yang membuat tubuh manusia tampak lebih mengesankan. Salah satu kesulitan besar untuk membuat robot berperilaku baik adalah bahwa motor listrik sederhana tidak mungkin bergerak dengan tepat. Itulah sebabnya banyak robot menukar motor biasa dengan apa yang disebut motor stepper (atau, kadang-kadang, motor stepping), yang dapat berubah melalui "langkah-langkah" sudut yang didefinisikan dengan baik di bawah kontrol elektronik yang tepat. Apa yang mereka bagaimana mereka bekerja? Mari kita lihat lebih dekat!

Apa yang salah dengan motor listrik biasa?
Motor listrik biasa didasarkan pada ilmu magnet sederhana yang kita semua pelajari di sekolah: tidak seperti kutub yang menarik, seperti kutub yang diusir. Begini cara motor dasar bekerja.

Anda mengambil magnet berbentuk cincin, meletakkan gulungan kawat di dalamnya, dan memberi makan listrik melalui kawat.

 Kawat menjadi magnet sementara yang ditenagai oleh listrik — elektromagnet, dengan kata lain dan medan magnet yang diciptakannya mengusir medan dari magnet permanen yang mengelilinginya. Dengan menghidupkan dan mematikan arus dengan perangkat kecil pintar yang disebut komutator, dan beberapa kontak listrik yang disebut sikat, Anda dapat membuat kawat berputar ke arah yang sama tanpa batas.

Beri tenaga listrik (energi listrik) ke dalamnya dan Anda mendapatkan gerak (energi mekanik) kembali. Itulah esensi motor biasa yang menggunakan listrik DC (arus searah). Jika Anda kurang yakin bagaimana motor seperti ini bekerja, Anda mungkin ingin memeriksa artikel pengantar kami tentang Jenis Jenis Motor Listrik

Kita juga bisa membuat motor yang bekerja menggunakan AC (arus bolak-balik), bukan DC. Meskipun mereka direkayasa dengan cara yang sangat berbeda, mereka masih didasarkan pada "kutub seperti mengusir, tidak seperti kutub menarik": listrik yang menggerakkan motor menciptakan daya tarik dan tolakan magnetik, dan kekuatan yang membuat motor berputar. Anda akan menemukan lebih banyak tentang motor AC yang juga disebut motor induksi dalam artikel kami tentang Penjelasan Motor Induksi

Entah itu ditenagai oleh DC atau AC, motor biasa adalah otot listrik tersembunyi yang memberi daya kehidupan modern: Anda akan menemukannya di semua jenis gadget dan alat di dunia sekitar Anda, mulai dari blender makanan dan kulkas hingga penyedot debu dan listrik. kereta api. Tetapi di semua mesin ini, rotor motor mereka berputar terus menerus. Ketika Anda menyedot debu karpet atau pergi bekerja dengan kereta bawah tanah, motor yang bekerja untuk Anda berputar beberapa kali secara sewenang-wenang: tidak ada kontrol yang tepat tentang berapa kali mereka berputar dan sudut apa yang mereka putar dan itu sebenarnya tidak masalah.

Sekarang anggaplah Anda ingin membuat lengan robot bertenaga listrik yang berputar melalui sudut yang tepat (jumlah derajat yang tepat) sehingga dapat berhasil mengambil secangkir kopi dari meja Anda. Anda dapat memasukkan motor listrik ke tuas kayu atau plastik untuk menghidupkannya ketika Anda menghidupkan daya, dan Anda dapat menjentikkan daya dengan sangat singkat sehingga lengan menyapu melalui sudut tertentu dan kemudian berhenti.

Masalahnya adalah, tidak ada cara untuk mengetahui seberapa besar sudut motor (atau lengan) akan bergerak: itu tergantung pada segala sesuatu dari kekuatan motor dan arus listrik yang menggerakkannya hingga berat lengan dan bahkan ke arah mana angin bertiup.

Motor yang bergerak dengan cara sewenang-wenang seperti itu tidak ada gunanya dalam robotika: kopi Anda pasti akan berakhir di lantai! Di situlah motor stepper masuk: ini adalah jenis motor DC khusus yang dirancang sehingga Anda dapat membuatnya berputar melalui sudut yang tepat, bukan berputar putaran dengan jumlah acak.
Apa sebenarnya motor stepper?
Motor stepper adalah motor yang berbeda dari motor DC biasa dalam setidaknya ada empat perbedaan penting yaitu.

1. Perbedaan pertama yang Anda perhatikan adalah bahwa mereka tidak memiliki sikat atau komutator (bagian-bagian dari motor DC yang membalikkan arus listrik dan menjaga rotor bagian yang berputar dari motor terus-menerus berputar ke arah yang sama). Dengan kata lain, motor stepper adalah contoh dari apa yang kita sebut motor brushless. (Anda juga akan menemukan motor tanpa sikat di banyak kendaraan listrik, tersembunyi di hub roda; digunakan dengan cara itu, mereka disebut motor hub.) Anda akan menemukan lebih banyak tentang motor Brushless dalam artikel kami tentang Motor DC Brushless kelebihan dan Aplikasi
2. Perbedaan utama kedua adalah apa yang berputar. Ingatlah bahwa pada motor DC dasar, ada magnet permanen luar atau magnet yang tetap statis, yang dikenal sebagai stator, dan gulungan dalam atau gulungan kawat yang berputar di dalamnya, yang merupakan rotor. Pada motor hub tanpa sikat, gulungan kawat statis di tengah dan magnet permanen berputar di luar. Motor stepper berbeda lagi. Kali ini, magnet permanen ada di bagian dalam dan memutar (membuat rotor), sedangkan kumparan berada di luar dan tetap statis (membuat stator).
3. Perbedaan besar ketiga antara motor DC biasa dan motor stepper adalah pada desain stator dan rotor. Alih-alih satu magnet besar di bagian luar (stator) dan satu gulungan besar yang berputar di dalamnya (rotor), motor stepper memiliki magnet bagian dalam secara efektif dibagi menjadi banyak bagian yang terpisah, yang terlihat seperti gigi pada roda gigi. Gulungan luar memiliki gigi yang sesuai yang memberikan impuls magnetik, menarik, memukul mundur, dan membuat gigi roda bagian dalam berputar dengan langkah-langkah kecil. Ini akan menjadi jelas ketika kita melihat beberapa gambar.
4. Perbedaan terakhir adalah bahwa motor stepper dapat tetap diam, dalam posisi tertentu, setelah diputar melalui sudut tertentu. Itu jelas sangat penting jika Anda ingin motor memberi daya sesuatu seperti lengan robot, yang mungkin harus memutar jumlah tertentu dan kemudian tetap berada di tempat itu sementara bagian lain dari robot melakukan sesuatu yang lain. Fitur ini kadang-kadang disebut memegang torsi (torsi adalah gaya putar yang dimiliki sesuatu, jadi "memegang torsi" berarti kemampuan motor stepping untuk tetap diam).

Bagaimana cara kerja motor stepper?

Konstruksi dasar
Saya akan menyederhanakan motor stepper di sini sebagai beberapa konstruksi motor stepper untuk mengilustrasikan ide sentral yang sederhana: rotor (di dalam) dari motor stepper berbelok dengan jumlah (langkah) kecil, karena stator (luar) menggunakan impuls magnetik yang menarik dan mendorongnya berkeliling .

Rotor
Rotor itu sendiri terbuat dari dua cakram, sedikit mirip roda gigi, salah satunya adalah kutub utara magnet (merah) dan yang lainnya adalah kutub selatan (biru). Ketika kami meletakkan kedua disc kembali ke belakang, kami mendapatkan gigi kutub utara dan selatan bergantian di sekitar tepi. Jika Anda merasa sulit untuk membayangkan, bayangkan tangan kiri Anda adalah kutub utara magnet dan berwarna merah, sedangkan tangan kanan Anda adalah kutub selatan magnetik dan berwarna biru. Jika Anda meletakkan satu tangan di atas yang lain sehingga jari-jari dari satu tangan bergantian dengan jari-jari yang lain, kemudian melihat ke bawah, Anda akan melihat "gigi" kutub utara dan selatan (jari-jari) di sekitar tepi. Itulah yang secara efektif kita miliki di rotor motor stepper.

Stator
Di sekitar tepi rotor, kita memiliki stator: dalam contoh ini, empat elektromagnet yang dapat dinyalakan dan dimatikan secara terpisah. Secara umum elektromagnet dalam motor stepper bekerja berpasangan, dengan masing-masing pasangan magnet yang saling berlawanan hidup bersama untuk membuat kutub utara pada saat yang sama, diikuti oleh magnet pada sudut kanan, yang juga bekerja bersama.

Saya lebih suka menggambarnya dengan cara yang sedikit berbeda, yang menurut saya lebih sederhana dan lebih mudah dipahami. Apa yang dinyalakan ketika tergantung pada berapa banyak gigi rotor (langkah) yang ada dan berapa banyak gulungan elektromagnet yang mengelilinginya: geometri dan penjajaran motor stepper harus tepat untuk membuat putaran rotor.

Bagaimana rotasinya

1. Elektromagnet kanan diberi energi dan menjadi kutub utara (merah) dan elektromagnet kiri menjadi kutub selatan (biru). Ini menarik rotor sekitar satu langkah sehingga gigi biru pada rotor terkunci ke arah elektromagnet kanan dan gigi merah terkunci ke arah elektromagnet kiri.
   
2. Sekarang elektromagnet bawah menjadi kutub utara, magnet atas menjadi kutub selatan, dan dua magnet horisontal dimatikan. Sekali lagi, gigi rotor ditarik sekitar dengan satu langkah.
   
3. Magnet vertikal sekarang dimatikan dan magnet horisontal dinyalakan kembali, tetapi dengan polaritas yang berlawanan (pola magnetisme) yang mereka miliki sebelumnya. Gigi rotor maju selangkah lagi.
   
4. Akhirnya, magnet vertikal dinyalakan kembali, dalam polaritas yang berlawanan dengan sebelumnya, dan magnet horisontal dimatikan. Rotor mengitari satu langkah lagi. Seluruh siklus kemudian diulang.
   

Ingat bahwa penggunaan motor stepper tidak benar-benar dirancang untuk terus berputar-putar: dengan mengirimkan sebanyak atau sesedikit impuls ke elektromagnet luar seperlunya, kita dapat membuat rotor berputar melalui sejumlah langkah tertentu (dan, oleh karena itu, dengan sudut yang tepat). Kita dapat membuatnya memutar dengan cara yang berlawanan dengan membalikkan arus listrik.

Jenis motor stepper

Ini hanya gambaran sederhana dari motor stepper dan saya tidak akan menjelaskan lebih lanjut tentang berbagai varietas yang akan Anda temukan. Beberapa istilah teknis yang perlu diketahui sering muncul dalam literatur (dan di halaman web) tentang motor stepper, seringkali tanpa penjelasan apa pun.

Poles
Motor yang saya ilustrasikan di sini memiliki magnet rotor yang terbagi menjadi banyak kutub utara dan selatan, sehingga desain ini dikenal sebagai motor multi-kutub. Semakin banyak kutub, semakin pendek jarak putaran motor pada setiap langkah dan semakin tepat dapat dikendalikan.

Fase
Dalam sebuah motor, "fase" biasanya berarti satu atau dua elektromagnet yang berlawanan yang beroperasi secara bergantian (tidak sinkron satu sama lain atau keluar dari fase, jika Anda mau). Motor yang saya ilustrasikan di atas memiliki dua fase (dua pasang elektromagnet, sehingga total empat elektromagnet, diatur pada 90 derajat).

Pada motor stepper tiga fase, Anda mungkin memiliki tiga elektromagnet yang diatur pada sudut 120 derajat (jadi tiga elektromagnet individu, meskipun motor tiga fase juga bisa memiliki tiga pasang diatur terpisah 60 derajat). Motor empat fase memiliki delapan elektromagnet yang tersusun dalam empat pasang, dengan masing-masing terpisah dari yang berikutnya sebesar 45 derajat.

Keuntungan dan kerugian motor stepper
Alasan untuk menggunakan motor stepper adalah untuk mencapai kontrol yang tepat: Anda dapat membuatnya bergerak melalui sudut yang ditentukan. Tapi ada juga kekurangannya. Motor stepper kadang-kadang bisa sangat tersentak-sentak, karena mereka memulai dan menghentikan setiap langkah dengan dorongan tiba-tiba, yang tidak selalu seperti yang Anda inginkan jika Anda mencoba membuat mesin presisi.

Alternatif untuk menggunakan motor stepper adalah menggunakan motor servo: motor dengan mekanisme umpan balik bawaan. Biasanya, motor servo memiliki apa yang disebut encoder optik yang terpasang pada rotornya. Dalam bahasa Inggris biasa, itu adalah disk bermotif hitam-putih yang bergerak di depan sesuatu seperti sel fotoelektrik. Saat cakram berputar, sel mendeteksi pola hitam dan putih dan sirkuit elektronik keluar dari angka ini persis berapa banyak cakram telah diputar. Menggunakan umpan balik ini, motor dapat dikontrol lebih lancar (dan biasanya jauh lebih tepat) daripada motor stepper sederhana.

Motor servo jauh lebih canggih dalam desain daripada motor stepper dan cenderung lebih mahal, itulah sebabnya stepper sering digunakan sebagai gantinya. Untuk membaca lebih lanjut mengenai Motor Servo silahkan baca Motor Servo Penjelasan

Siapa yang menemukan motor stepper?
Motor stepper menurut para ahli sangat membantu keperluan industri Makadari itu, Kita bahas siapa yang menemukan Motor Stepper??? yang menemukan Motor Stepper adalah Frank W. Wood dalam beberapa Hak paten yang diajukan antara tahun 1912 dan 1918.

Inilah desain yang diajukan tahun 1918 (secara resmi dipatenkan pada 7 Maret 1922), berjudul "Seni memproduksi gerakan langkah-demi-langkah," yang menggunakan cincin luar dari lima magnet (diberi energi dalam berbagai kombinasi) untuk membuat sepasang magnet dalam dan poros berputar. Dalam kata-kata Wood sendiri, gadgetnya menghasilkan "gerakan selangkah demi selangkah ke elemen yang dapat diputar yang disediakan oleh aksi yang dihasilkan dari sejumlah sirkuit magnetik."

Ajif Tutorial

Seorang dari kampung memiliki impian yang tinggi

Bagikan Artikel ini