22

BAB III

DESAIN DAN IMPLEMENTASI

3. 1. Pendahuluan

Pada tugas akhir ini dibahas mengenai pengendalian motor stepper yang

kemudian diaplikasikan pada model crane. Motor stepper dikendalikan dengan

menggunakan L298 driver motor yang merupakan rangkaian inverter dan dikontrol

dengan mikrokontroler dsPIC30F6014A. Dengan mengendalikan pulsa-pulsa

digital secara sekuensial, maka akan didapat putaran motor yang diinginkan.

Sehingga sistem yang akan dibuat seperti pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Diagram Blok Hardware

Pada Gambar 3.1 menjelaskan catu daya digunakan untuk mensuplai

tegangan ke mikrokontroler dan L298 driver motor. Konfigurasi pensaklaran yang

telah tersimpan pada mikrokontroler akan menyampaikan informasi pada L298

Driver Motor untuk mengatur saklar mana yang on atau off, sehingga motor stepper

dapat berputar sesuai dengan konfigurasi pensaklaran yang telah dibuat. Setelah

motor sudah beroperasi dengan baik, motor tersebut diimplementasikan pada

23

konstruksi model crane yang digunakan untuk mengangkat dan atau memindahkan

barang ke lokasi yang telah ditentukan secara otomatis.

3.2. Motor Stepper Hybrid Bipolar 2 Fasa

Stator dan rotor merupakan bagian utama yang terdapat pada konstruksi

motor stepper. Pada tugas akhir ini motor stepper yang digunakan adalah motor

stepper jenis hybrid bipolar 2 fasa. Berikut merupakan konstruksi motor yang

ditunjukkan pada Gambar 3.2 dan spesifikasi motor yang ditunjukkan pada Tabel

3.1.

Gambar 3.2. Konstruksi Motor Stepper Hybrid

Tabel 3.1. Spesifikasi Motor Stepper Parameter Keterangan

Jumlah Lilitan Stator 8 Jumlah Gigi Stator 48

Jumlah Gigi Rotor 50 gigi kutub utara 50 gigi kutub selatan

Sudut Per Step 1.8 Sudut Poros 1.35 Jumlah Fasa 2 fasa Rating Tegangan 12 V Rating Arus 2 A

24

3.2.1. Stator Motor Stepper

Stator merupakan bagian pada motor berupa lilitan yang tidak bergerak.

Terdapat delapan buah lilitan stator di mana masing-masing lilitan melingkar pada

inti besi. Empat buah lilitan stator dihubung seri, demikian juga dengan empat

lilitan stator lainnya juga dihubung seri, sehingga ada empat kabel keluaran.

Dengan demikian motor tersebut memiliki jumlah fasa sebanyak dua fasa. Pada

setiap lilitan stator terdapat enam buah gigi stator, sehingga jumlah gigi pada stator

terdapat 48 buah. Gambar 3.3 menunjukkan konstruksi stator pada motor.

Gambar 3.3. Stator Motor Stepper Hybrid

3.2.2. Rotor Motor Stepper

Rotor merupakan bagian pada motor yang berputar. Karena jenis motor

yang digunakan adalah motor stepper hybrid, maka rotornya terbuat dari bahan

magnet permanen. Pada rotor terdapat dua kutub yang berlawanan yaitu utara dan

selatan. Dengan menggunakan rotor yang terbuat dari magnet permanen, maka

torka yang dihasilkan lebih besar dibandingkan dengan rotor terbuat dari besi lunak.

25

Gambar 3.4 merupakan bentuk rotor yang terdapat pada motor stepper hybrid 2

fasa.

Gambar 3.4. Rotor Motor Stepper Hybrid (a) Sisi Samping (b) Sisi Atas

3.3. Rangkaian Driver Motor

Rangkaian driver motor merupakan rangkaian penghubung antara kontroler

dengan sistem penggerak yaitu motor stepper hybrid. Driver ini prinsip kerjanya

untuk mengendalikan TTL sesuai dengan perintah dari kontroler apakah TTL harus

on atau off.

Gambar 3.5. Rangkaian L298 Driver Motor

26

Pada Gambar 3.5 dapat dilihat bahwa rangkaian tersebut merupakan

rangkaian inverter 1 fasa. IC L298 sendiri terdapat dua rangkaian iverter 1 fasa,

sehingga pada L298 driver motor terdapat empat pin output untuk motor. Output

dari mikrokontroler dsPIC30F6014A dihubungkan ke bagian input IC L298. Ketika

logika pemrograman dijalankan, maka akan mengatur pensaklaran pada driver

tersebut sehingga motor stepper dapat beroperasi. Logika “1” untuk mengaktifkan

saklar, sedangkan logika “0’ maka saklar non aktif. Gambar 3.6 merupakan dua

rangkaian inverter 1 fasa yang digunakan untuk mengendalikan motor stepper.

Gambar 3.6. Dua Rangkaian Inverter 1 Fasa

3.4. Rangkaian Kontrol

Kontrol yang digunakan merupakan kontrol digital dengan menggunakan

mikrokontroler dsPIC30F6014A. Dalam sistem minimum, IC dsPIC30F6014A

27

dihubungkan dengan kristal 10 MHz yang berfungsi sebagai oscillator. Program

dibuat dengan menggunakan software mikroC PRO for dsPIC dimana bahasa

pemrogramannya menggunakan bahasa C.

Gambar 3.7. Skema Sistem Minimum dsPIC30F6014A

Gambar 3.7 merupakan rangkaian yang dibuat untuk mengendalikan satu

motor stepper dengan beberapa metode. Metode yang digunakan yaitu metode full

step, half step, micro step ¼, micro step 1/8, dan micro step 1/16. Pengendalian ini

dilakukan untuk menentukan posisi rotor pada sudut terterntu. Teknik ini juga

menentukan berapa jumlah step yang dilakukan untuk menempuh satu putaran

penuh.

3.4.1. Full Step

Metode ini merupakan metode yang paling sederhana. Namun dikarenakan

besar sudut per stepnya besar, maka torka yang dihasilkan rendah, dan dikarenakan

28

kecepatannya yang tinggi, memungkinkan terjadinya pergeseran pada saat

pergantian step, sehingga dapat dikatakan pengaturan posisi kurang presisi. Pada

metode full step, untuk mendapatkan satu putaran penuh maka diperlukan empat

step. Sehingga satu stepnya akan berputar 90. Maka program akan dibuat

berdasarkan dari konfigurasi pensaklaran yang telah dirancang.

Tabel 3.2. Pensaklaran Full Step Step Input 1 Input 2 Input 3 Input 4

1 0 0 0 1 2 0 1 0 0 3 0 0 1 0 4 1 0 0 0

3.4.2. Half Step

Pengendalian motor stepper dengan metode half step dibutuhkan delapan

step untuk mendapatkan satu putaran penuh. Besar sudut yang dibutuhkan untuk

setiap stepnya adalah setengah kali dari besar sudut pada metode full step, sehingga

besar sudutnya yaitu 45 untuk setiap step. Metode ini menghasilkan torka yang

lebih tinggi dibanding metode full step. Konfigurasi pensaklaran untuk

mendapatkan putaran half step ditunjukkan pada Tabel 3.3.

Tabel 3.3. Pensaklaran Half Step Step Input 1 Input 2 Input 3 Input 4

1 0 0 0 1 2 0 1 0 1 3 0 1 0 0 4 0 1 1 0 5 0 0 1 0 6 1 0 1 0 7 1 0 0 0 8 1 0 0 1

29

3.4.3. Micro Step ¼

Metode ini memiliki besar sudut yang lebih kecil dibanding metode

sebelum-sebelumnya. Metode ini memiliki besar sudut 22.5 per step, sehingga

membutuhkan 16 step untuk satu putaran penuh. Torka yang dihasilkan pun lebih

tinggi dibanding metode full step dan half step. Selain itu sinyal pensaklarannya

membentuk Pulse Width Modulation (PWM).

Tabel 3.4. Pensaklaran Micro Step 1/4 Step Sudut Sumbu X Sumbu Y

1 0 1 0 2 22.5 0.92 0.38 3 45 0.71 0.71 4 67.5 0.38 0.92 5 90 1 0 6 112.5 -0.38 0.92 7 135 -0.71 0.71 8 157.5 -0.92 0.38 9 180 -1 0

10 202.5 -0.92 -0.38 11 225 -0.71 -0.71 12 247.5 -0.38 -0.92 13 270 0 -1 14 292.5 0.38 -0.92 15 315 0.71 -0.71 16 337.5 0.92 -0.38

3.4.4. Micro Step 1/8

Metode ini membutuhkan 32 step untuk menempuh satu putaran penuh

dengan besar sudut 11.25 setiap stepnya. PWM yang dihasilkan dari

pensaklarannya terlihat lebih rapat. Pada umumnya, kecepatan motor untuk metode

ini menurun. Semakin kecil besar sudut setiap stepnya, semakin menurun pula

kecepatan motor tersebut. Namun tingkat kepresisiannya untuk mencapai sudut

30

tertentu lebih maksimal. Sehingga tidak terjadi pergeseran pada saat pergantian step

ketika motor dibebani.

Tabel 3.5. Pensaklaran Micro Step 1/8 Step Sudut Sumbu X Sumbu Y

1 0 1 0 2 11.25 0.98 0.19 3 22.5 0.92 0.38 4 33.75 0.83 0.55 5 45 0.71 0.71 6 56.25 0.55 0.83 7 67.5 0.38 0.92 8 78.75 0.19 0.98 9 90 1 0

10 101.25 -0.19 0.98 11 112.5 -0.38 0.92 12 123.75 -0.55 0.83 13 135 -0.71 0.71 14 146.25 -0.83 0.55 15 157.5 -0.92 0.38 16 157.5 -0.92 0.19 17 180 -1 0 18 191.25 -0.98 -0.19 19 202.5 -0.92 -0.38 20 213.75 -0.83 -0.55 21 225 -0.71 -0.71 22 236.25 -0.55 -0.83 23 247.5 -0.38 -0.92 24 258.75 -0.19 -0.98 25 270 0 -1 26 281.25 0.19 -0.98 27 292.5 0.38 -0.92 28 303.75 0.55 -0.83 29 315 0.71 -0.71 30 326.25 0.83 -0.55 31 337.5 0.92 -0.38 32 348.75 0.98 -0.19

31

3.4.5. Micro Step 1/16

Konfigurasi pensaklaran metode micro step ini dianggap rumit, karena

diperlukan pengaturan posisi untuk besar sudut yang lebih kecil, sehingga

memerlukan jumlah step yang banyak untuk menempuh satu putaran penuh. Jumlah

step yang dibutuhkan sebanyak 64 step dan besar sudut setiap stepnya sebesar

5.625.

Tabel 3.6. Pensaklaran Micro Step 1/16 Step Sudut Sumbu X Sumbu Y

1 0 1 0 2 5.625 0.99 0.10 3 11.25 0.98 0.19 4 16.875 0.94 0.29 5 22.5 0.92 0.38 6 28.125 0.88 0.47 7 33.75 0.83 0.55 8 39.375 0.77 0.63 9 45 0.71 0.71

10 50.625 0.63 0.77 11 56.25 0.55 0.83 12 61.875 0.47 0.88 13 67.5 0.38 0.92 14 73.125 0.29 0.94 15 78.75 0.19 0.98 16 84.375 0.10 0.99 17 90 1 0 18 95.625 -0.10 0.99 19 101.25 -0.19 0.98 20 106.875 -0.29 0.94 21 112.5 -0.38 0.92 22 118.125 -0.47 0.88 23 123.75 -0.55 0.83 24 129.375 -0.63 0.77 25 135 -0.71 0.71 26 140.625 -0.77 0.63 27 146.25 -0.83 0.55 28 151.875 -0.88 0.47 29 157.5 -0.92 0.38 30 163.125 -0.94 0.29 31 157.5 -0.98 0.19

32

32 174.375 -0.99 0.10 33 180 -1 0 34 185.625 -0.99 -0.10 35 191.25 -0.98 -0.19 36 196.875 -0.94 -0.29 37 202.5 -0.92 -0.38 38 208.125 -0.88 -0.47 39 213.75 -0.83 -0.55 40 219.375 -0.77 -0.63 41 225 -0.71 -0.71 42 230.625 -0.63 -0.77 43 236.25 -0.55 -0.83 44 241.875 -0.47 -0.88 45 247.5 -0.38 -0.92 46 253.125 -0.29 -0.94 47 258.75 -0.19 -0.98 48 264.375 -0.10 -0.99 49 270 0 -1 50 275.625 0.10 -0.99 51 281.25 0.19 -0.98 52 286.875 0.29 -0.94 53 292.5 0.38 -0.92 54 298.125 0.47 -0.88 55 303.75 0.55 -0.83 56 309.375 0.63 -0.77 57 315 0.71 -0.71 58 320.625 0.77 -0.63 59 326.25 0.83 -0.55 60 331.875 0.88 -0.47 61 337.5 0.92 -0.38 62 343.125 0.94 -0.29 63 348.75 0.98 -0.19 64 354.375 0.99 -0.10

Jika melihat Tabel 3.2 hingga Tabel 3.6, maka akan terlihat perbedaan pada

konfigurasi pensaklarannya. Pada metode micro step mulai terdapat perbedaan pada

konfigurasi pensaklarannya. Di mana untuk metode full step dan half step langsung

mengaktifkan fasanya, namun untuk metode micro step diperlukan perbedaan kuat

medan antar fasanya. Dapat dilihat pada Tabel 3.4, Tabel 3.5, dan Tabel 3.6 terdapat

33

nilai X dan Y. Nilai X dan Y digunakan untuk mengatur kuat medan antar fasa

untuk memperoleh posisi sudut yang diinginkan. Perhitungan fungsi sinusoidal dan

cosinusoidal diperlukan untuk mendapatkan nilai X dan Y, dengan begitu

didapatkan putaran motor sesuai dengan metode yang telah dirancang.

3.4.6. Algoritma Pemrograman dsPIC30F6014A

Mikrokontroler dsPIC30F6014A memiliki lebar data 16 bit yang berfungsi

sebagai kontroler. Perangkat tersebut digunakan untuk mengolah sinyal digital

maupun analog. Program yang telah dibuat dan disimpan pada IC dsPIC30F6014A

akan memberikan data berupa pulsa untuk mengendalikan sistem penggerak.

Gambar 3.8 merupakan alur pemrograman yang dibuat untuk mengendalikan motor

stepper.

Gambar 3.8. Flowchart Pemrograman

34

3.5. Rangkaian Relay

Relay yang digunakan membutuhkan suplai tegangan 12 Volt. Relay ini

digunakan untuk mengaktifkan lilitan yang memanfaatkan medan magnetnya untuk

menarik atau melepas suatu benda. Terdapat komponen tambahan yaitu

optocoupler yang digunakan sebagai sensor untuk mengaktifkan dan

menonaktifkan relay.

Gambar 3.9. Rangkaian Relay

Pada Gambar 3.9 merupakan rangkaian relay yang dihubungkan dengan IC

optocoupler. Cara kerja dari rangkaian tersebut yaitu memberikan logika “1” atau

“0”, jika diberi logika “1” maka LED akan memancarkan cahaya yang kemudian

diserap oleh phototransistor. Dengan begitu transistor akan aktif untuk

mengendalikan pensaklaran pada relay.

3.6. Konstruksi Model Crane

Konstruksi model crane dibuat untuk pengaplikasian motor stepper. Model

crane dibuat menjadi tiga sumbu yaitu sumbu X, Y, dan Z. Dalam perancangan ini,

35

sumbu X dapat bergerak dari kanan ke kiri atau sebaliknya, sumbu Y dapat bergerak

dari atas ke bawah atau sebaliknya, sedangkan sumbu Z dapat bergerak maju

kemudian mundur atau sebaliknya. Pada sumbu Y dan Z dibutuhkan dua buah

motor stepper yang digunakan sebagai penggeraknya, sedangkan pada sumbu X

hanya digunakan satu buah motor stepper. Konstruksi ini juga dilengkapi dengan

elektromagnetik yang terletak di bagian tengah sumbu X.

Gambar 3.10. Desain Konstruksi Model Crane