motor stepper

Subyek:

Inleiding
Motor stepper magnet permanen (tipe PM)
Motor stepper keengganan variabel (VR)
Motor stepper hibrida

Perkenalan:
Motor stepper, seperti namanya, dapat diatur dalam beberapa langkah. Jumlah langkah mungkin berbeda. Tergantung pada aplikasinya, motor stepper dapat menyesuaikan dari 4 hingga 200 langkah per putaran, yang dapat menghasilkan putaran terkontrol sebesar putaran rotor 0,8°.
Putaran sudut motor stepper dapat ditentukan dengan sangat akurat. Motor stepper pada dasarnya adalah satu motor listrik DC sinkron tanpa sikat karbon karena bagian-bagian dan cara pengendaliannya sangat mirip, namun tetap dibedakan dari motor DC ini berdasarkan sifat-sifat berikut:

Motor stepper mempunyai torsi yang relatif besar pada kecepatan rendah dan oleh karena itu dapat dihidupkan dengan sangat cepat dari posisi diam;
Pergerakan motor stepper lambat dan sangat presisi. Motor DC digunakan untuk bekerja dengan cepat dalam waktu yang lama;
Kecepatan putaran dan posisi motor stepper dikendalikan oleh sinyal kendali dari unit kendali. Artinya, tidak diperlukan sensor posisi atau bentuk umpan balik lainnya;
Motor stepper menghasilkan lebih banyak kebisingan dan menyebabkan lebih banyak getaran dibandingkan dengan motor DC tanpa sikat.

Motor stepper digunakan di banyak tempat di dalam mobil untuk membuat bagian-bagian mobil melakukan gerakan listrik yang terkendali. Di bawah ini ada tiga kegunaan motor stepper, yaitu: untuk kontrol idle, tangan di panel instrumen, dan katup pemanas untuk kontrol ventilasi.

Motor stepper untuk kontrol idle:
Katup throttle pada mesin bensin tertutup pada keadaan diam. Lubang kecil diperlukan agar mesin dapat menyala dalam keadaan idle. Salurannya juga harus disesuaikan, karena suhu dan beban (misalnya saat konsumen seperti pompa AC dihidupkan) mempengaruhi jumlah udara yang dihisap.
Pada mesin modern, posisi katup throttle dikontrol dengan tepat. Kami juga menemukan sistem di mana katup throttle tertutup sepenuhnya dan udara diarahkan mengelilingi katup throttle melalui kontrol bypass. Sirkulasi udara dapat dilakukan melalui motor DC yang dikontrol PWM atau melalui motor stepper. Lihat halaman tentang mencekik.

Tiga gambar di bawah ini adalah motor stepper yang berfungsi sebagai pengontrol kecepatan idle. Pembukaan bypass dikendalikan oleh poros dengan ujung berbentuk kerucut. Memutar armature pada motor stepper mengakibatkan terjadinya putaran pada worm gear.

Putar berlawanan arah jarum jam: roda gigi cacing berputar ke dalam (bukaan besar di bypass);
Rotasi searah jarum jam: worm gear berputar ke luar (bukaan kecil di bypass).

Panel instrumen:
Panel instrumen sering kali dilengkapi dengan beberapa motor stepper untuk pengukur level tangki, speedometer, takometer, suhu mesin dan pada contoh di bawah juga pengukur konsumsi di bawah takometer. Panel instrumen BMW ditunjukkan di bawah ini.

Di bagian belakang (dalam) panel instrumen kita menemukan lima motor stepper dengan housing berwarna hitam. Di sebelah kanan kita melihat motor stepper yang dimaksud tanpa rumah. Di sini Anda dapat dengan jelas melihat dua kumparan dan empat sambungan (dua kiri, dua kanan) yang dengannya kita dapat mengenali motor stepper bipolar. Motor stepper dapat mengatur jarum penunjuk dalam langkah kecil. Perintah untuk menyetel berasal dari ECU di instrument cluster.

Diagram berikut menunjukkan input dan output dari driver motor stepper. Ini adalah IC di cluster instrumen yang menerjemahkan informasi masuk menjadi output untuk motor stepper:

ketinggian bahan bakar di dalam tangki (tank float);
kecepatan kendaraan (generator pulsa di gearbox atau sensor ABS);
kecepatan mesin (sensor posisi poros engkol);
suhu (sensor suhu cairan pendingin).

Pada diagram blok, panah merah dan hijau menunjukkan hubungan (A ke D) pada kumparan pada motor stepper.

Katup pemandu udara di rumah kompor:
Kita sering menemukan motor stepper pada katup ventilasi udara yang dioperasikan secara elektronik di dalam ruangan rumah kompor. Gambar di bawah menunjukkan foto katup suhu udara (kiri) dan ilustrasi posisi pemasangan (kanan). Motor stepper mengoperasikan katup melalui mekanisme, dimana angka 4 pada ilustrasi menunjukkan titik pivot. Jika motor stepper tidak berfungsi dengan benar, atau setelah penggantian, posisi awal dan akhir harus diketahui di ECU. Dengan alat diagnostik kita dapat mempelajari penghentian katup, sehingga ECU mengetahui kapan katup terbuka atau tertutup penuh, sehingga juga dapat menentukan berapa lama waktu yang harus dikendarai motor stepper untuk membuka sebagian katup.

Motor stepper magnet permanen (tipe PM):
Motor stepper jenis ini mempunyai rotor dengan magnet permanen. Keunggulan motor stepper ini adalah konstruksinya yang sederhana sehingga harganya murah. Di bawah ini adalah informasi mengenai pengoperasian motor stepper ini.

Rotor motor stepper dapat melakukan putaran penuh dengan beberapa langkah perantara. Dalam contoh empat gambar di bawah, empat langkah perantara ditampilkan per rotasi. Oleh karena itu, rotor dapat dihentikan setiap 90 derajat. Motor stepper kiri berada pada posisi 1, dengan kutub utara rotor di atas dan kutub selatan di bawah. Untuk menggerakkan rotor 90 derajat searah jarum jam, arus ke kumparan dengan terminal C dan D diputus dan kumparan lainnya diberi energi. Hal ini terlihat pada motor stepper kedua. Sepatu kutub kiri berubah menjadi merah (kutub utara) dan sepatu kutub kanan menjadi hitam (kutub selatan). Ini akan menempatkan rotor pada posisi 2.

Ini juga berfungsi dengan pengaturan 3 dan 4; kumparan antara C dan D diberi energi untuk posisi 3, tetapi arus mengalir berlawanan arah seperti pada posisi 1. Sepatu kutub atas sekarang menjadi kutub utara dan yang lebih rendah menjadi kutub selatan. Rotor sekarang akan berada di posisi 3. Untuk posisi 4, kumparan bawah diberi energi kembali dan rotor akan berputar ke posisi 4.

Motor stepper empat kecepatan dapat dihentikan setiap 90 derajat. Jika ini tidak mencukupi untuk aplikasi yang menggunakan motor stepper, maka dapat juga diatur dalam delapan langkah. Hal ini dimungkinkan dengan motor stepper yang sama, namun selama langkah peralihan ini kedua kumparan akan diberi energi secara bersamaan.

Gambar di bawah menunjukkan langkah-langkah peralihan ini. Ini adalah langkah 5 hingga 8. Seperti yang Anda lihat, pengaturan 5 berada di antara langkah 1 dan 2. Hal yang sama berlaku untuk langkah 6 (antara langkah 2 dan 3), dan seterusnya. Selama langkah perantara ini, arus mengalir melalui kedua kumparan.
Ketika rotor harus diputar ke langkah 5, arus mengalir pada kumparan bawah dari A ke B dan kumparan atas dari C ke D. Jadi sekarang terdapat dua kutub utara (kutub sepatu merah) dan dua kutub selatan (kutub sepatu hitam). Rotor akan berada di posisi 5.

Untuk memutar rotor 45 derajat lebih jauh (ke posisi 2), berlaku kembali diagram motor stepper dengan empat posisi. Kumparan bawah akan diberi energi kembali sehingga arus dapat mengalir dari A ke B.
Jika motor stepper kemudian diputar 45 derajat lebih jauh (ke posisi 6), gambar di atas akan berlaku lagi, dengan kedua kumparan diberi energi.

Motor stepper selalu dikendalikan oleh perangkat kontrol. Transistor di IC driver perangkat kontrol menyediakan suplai dan pelepasan arus ke dan dari sepatu kutub. Unit kontrol berisi delapan transistor. Dengan mengendalikan delapan transistor ini dengan benar, motor stepper akan melakukan satu putaran penuh dalam empat atau delapan langkah. Rotasinya bisa dua arah; kiri dan kanan. Perangkat kontrol memastikan bahwa transistor yang benar dibuat konduktif.

Pada gambar kita melihat motor stepper yang dikendalikan oleh perangkat kontrol. Transistor 1 dan 4 dihidupkan. Untuk memperjelas pengendaliannya, transistor dan kabel diberi warna merah dan coklat. Transistor 1 (merah) menghubungkan terminal A ke positif dan transistor 4 (coklat) menghubungkan terminal B ke ground.

Karena transistor 2 dan 3 tidak dihidupkan, maka tidak ada arus yang mengalir melaluinya. Jika hal ini terjadi maka akan terjadi korsleting.
Pada gambar motor stepper diputar sedikit lebih jauh. Untuk tujuan ini, transistor 6 dan 7 juga harus dibuat konduktif.

Untuk memungkinkan motor stepper berputar sedikit lebih jauh, konduksi pada transistor 1 dan 4 dihentikan.Hanya transistor 6 dan 7 yang masih konduksi, menyebabkan motor stepper mengambil posisi 3.

Untuk langkah selanjutnya transistor 2 dan 3 harus dihidupkan.

Motor stepper keengganan variabel (VR):
Seperti halnya motor stepper magnet permanen, motor stepper keengganan variabel berisi kutub stator dengan kumparan. Berbeda dengan motor stepper yang telah dibahas sebelumnya dengan rotor bergeriginya yang terbuat dari logam feromagnetik, seperti nikel atau besi. Artinya rotor tidak bersifat magnetis. Motor stepper jenis ini sudah jarang digunakan saat ini.

Kumparan stator pada satu sisi (A) dililit berlawanan dengan kumparan pada sisi yang lain (A'). Hal yang sama tentu saja berlaku untuk B dan B' dan seterusnya. Gigi rotor tertarik oleh fluks magnet yang dihasilkan oleh pemberian energi pada kumparan stator.

Kelebihan motor stepper VR dibandingkan versi dengan magnet permanen adalah:

Karena tidak adanya magnet permanen, produksi motor stepper VR tidak terlalu berbahaya bagi lingkungan;
Polaritas kumparan stator tidak perlu dibalik. Hal ini memungkinkan kontrol yang lebih sederhana;

Kerugiannya adalah:

Torsi rendah;
Akurasi rendah;
Produksi kebisingan lebih tinggi. Oleh karena itu, jumlah penerapannya, termasuk otomotif, terbatas;
Karena tidak adanya magnet permanen, tidak ada torsi penahan saat diam.

Motor stepper hibrida:
Motor stepper hybrid memiliki rotor bergigi dengan magnet permanen dan stator bergigi dengan delapan kumparan dengan celah udara kecil antara rotor dan stator. Rotor terdiri dari dua roda gigi yang diimbangi 3,6° satu sama lain. Ada magnet besar di bagian dalam rotor. Dua roda gigi baja ditekan di atas magnet. Roda gigi juga menjadi bersifat magnetis karena adanya magnet. Satu roda gigi dimagnetisasi sebagai kutub utara dan roda gigi lainnya dimagnetisasi sebagai kutub selatan. Setiap gigi pada rotor menjadi kutub magnet. Oleh karena itu kita berbicara tentang “rotor Kutub Utara” dan “rotor Kutub Selatan”. Akibat perpindahan gigi, kutub utara dan selatan akan bergantian selama rotasi. Setiap gigi memiliki 50 gigi.

Saat penggerak motor stepper menghantarkan arus melalui kumparan stator, kumparan tersebut menjadi bersifat magnetis. Kutub utara kumparan akan menarik kutub selatan rotor sehingga menyebabkan rotor berputar.

Tiga gambar di bawah menunjukkan pengendalian dua fase (merah dan oranye) motor stepper hybrid.

A. Rotor motor stepper telah berputar ke posisinya saat ini (lihat gambar) karena kumparan yang ditunjukkan telah dibuat bersifat magnetis.

Roda gigi hijau adalah kutub selatan, yang tertarik ke kutub utara stator;
Gigi antara rotor dan stator sejajar satu sama lain pada tempat rotor ditarik. Untuk kejelasan, poin-poin ini ditandai dengan tanda hitam di ketiga situasi;
Roda gigi merah berada di belakang roda gigi hijau. Karena roda gigi diputar relatif satu sama lain, gigi merah akan terlihat. Kutub utara pada rotor tertarik ke kutub selatan pada stator.

B. Pengendalian telah berubah tahapan. Medan magnet antara kumparan oranye dan rotor telah menghilang. Sekarang kumparan fase “merah” dikendalikan, menyebabkan terbentuknya medan magnet antara kumparan merah dan rotor.

Akibat perubahan medan magnet dari kumparan oranye ke merah, rotor berputar 1,8° searah jarum jam;
Untuk memutar rotor berlawanan arah jarum jam, bukan searah jarum jam, polaritas (arah arus) harus dibalik melalui sambungan merah. Bagaimanapun, arah arus yang melalui kumparan menentukan arah medan magnet, dan karenanya "posisi" kutub utara dan selatan.

C. Kontrol telah mengubah fase lagi dan rotor kembali berputar searah jarum jam sebesar 1,8°.

Kumparan yang sama seperti pada situasi A diberi energi, tetapi polaritas pada kabel oranye telah dibalik;
Rotor dapat diputar kembali berlawanan arah jarum jam dengan mengendalikan kumparan seperti yang ditunjukkan pada situasi B;
Untuk membuat rotor berputar searah jarum jam, kumparan merah juga diberi energi, namun polaritasnya terbalik dibandingkan dengan situasi B.

Pada contoh di atas terlihat bahwa rotor kutub utara tertarik pada kumparan kutub selatan dan pada saat yang sama rotor kutub selatan tertarik pada kumparan kutub utara. Hal ini memastikan motor stepper hybrid menghasilkan gerakan yang sangat presisi dan juga memiliki torsi yang tinggi.

Motor stepper hibrida dapat dilengkapi dengan lebih banyak pasangan kutub dan lebih banyak gigi pada rotor, memungkinkan langkah hingga 0,728° dan 500 langkah per putaran.

Halaman terkait: