Sistem dasar untuk mengendalikan motor stepper memiliki tiga bagian atau tiga element dasar. Yaitu indexer (kontroler / pengontrol), driver, dan motor stepper (gambar 1)

Gambar 1 sistem kendali motor stepper.

Dari gambar 1 terdapat 4 element dimana mikrokontroler diatur oleh komputer antarmuka. Bagian user interface sebagai bagian tambahan jika menginginkan pengontrolan melalui komputer. Pada dasarnya hanya dengan mikrokontroler, driver dan motror stepper saja sudah cukup untuk mengontrol motor stepper.

mikrokontroler adalah bagian yang berfungsi sebagai pemberi perintah untuk mengatur kecepatan dan mode gerak motor stepper. Sinyal dari mikrokontroler akan dikirimkan ke driver. Dari mikrokontroler dapat dikeluarkan sinyal perintah kepada driver dapat dengan empat sinyal atau hanya dua sinyal. Jika mengeluarkan empat sinyal maka driver hanya berfungsi untuk menguatkan sinyal tersebut. Jika dengan dua sinyal yang dikeluarkan maka pada bagian driver diperlukan translator (penerjemah) untuk merubah dua sinyal perintah menjadi empat sinyal yang sesuai untuk menggerakan motor stepper.

Di bawah ini diuraikan teori tentang: (1) motor stepper, (2) driver motor stepper, (3) miktro kontroker ATmega8, dan (4) interface (komputer antar muka /KAM).

A. MOTOR STEPPER
Motor stepper merupakan motor yang mengubah pulsa listrik yang diberikan menjadi gerakan rotor yang diskrit disebut step. Misalnya jika satu derajat per langkah (step) maka motor tersebut memerlukan 360 pulsa untuk bergerak sebanyak satu putaran (pada intinya stepper motor mengubah pulsa listrik menjadi suatu perpindahan gerak yang tertentu secara rotasi) . Ukuran kerja dari stepper biasanya diberikan dalam jumlah langkah per putaran per detik.

Gambar 2. Konsep Dasar Motor Stepper

Dari gambar diatas terdapat istiah sbb: – stator stator core merupakan struktur bagian terluar dan memiliki enam poles/teeth. – rotor merupakan bagian dalam (inner device) yang terdiri dari empat poles. Baik stator maupun rotor dibuat dari soft steel. Pada gambar nampak bahwa stator memiliki tiga set windings (dict: “an electrical conductor that is wound around a magnetic material, esp. one encircling part of the stator or rotor of an electric motor or generator or forming part of a transformer”). Satu set dari windings dikatakan sebagai satu phase, dengan demikian gambar diatas merupakan motor tiga fase. Arus disuplai darisumber tegangan DC melalui switch I, II, dan III.

Motor stepper banyak digunakan dalam bidang industri terutama dipakai pada suatu mesin atau peralatan kontrol digital yang membutuhkan ketepatan posisi. Keunggulan motor stepper lainnya adalah frekuensi pulsa input-nya tidak tergantung pada beban. Perputaran motor stepper adalah perputaran yang diskrit dan arah perputarannya dapat searah ataupun berlawanan dengan arah jarum jam. Stuktur sederhana dari motor stepper tampak pada Gambar 3 dalam penampang melintang :

Gambar 3. Struktur Motor Stepper Sederhana

Jika dilihat dari prinsipnya motor stepper terbagi menjadi tiga jenis motor, dimana 3 jenis motor stepper memiliki karakteristik yang berbeda-beda. Sedangkan jika dilihat dari lilitan yang ada didalamnya motor stepper dapat dibagi menjadi 2 jenis.

Berdasarkan prisnsip kerjanya ketiga jenis motor stepper tersebut adalah :
Permanent Magnet (PM)
Motor stepper berjenis PM adalah motor stepper yang rotornya merupakan magnet yang permanen, stator memperoleh medan magnet dari lilitan yang melingkari stator tersebut sehingga stator menghasilkan kutub – kutub magnet. Dengan adanya interaksi antara fluks rotor dengan gaya magnet stator maka motor stepper ini akan bergerak atau beroperasi. Terjadinya fluks dikarenakan pembiasan dari magnet rotor. Ciri – ciri dari motor stepper bejenis PM adalah pada saat keadaan tidak ada aliran arus (biasa disebut keadaan tanpa eksitasi) maka jika motor ini diputar terdapat torsi yang menahan atau melawan.

Gambar 4. Konstruksi Motor Stepper Magnet Permanent

Gambar 4 tersebut merupakan magnet permanent sederhana 90 derajat motor magnet permanent dengan empat phase (A-D).

Variable Reluctance (VR)
Motor stepper jenis ini memiliki bentuk rotor yang unik yaitu berbentuk silinder dan pada semua unitnya memiliki gerigi yang memiliki hubungan dengan kutub-kutub stator. Rotor pada magnet tipe ini tidak menggunakan magnet permanent. Stator terlilit oleh lilitan sehingga pada saat teraliri arus, stator akan menghasilkan kutub magnet. Jumlah gerigi pada rotor akan menentukan langkah atau step motor. Perbedaan motor stepper berjenis PM dengan VR yaitu motor berjenis VR memiliki torsi yang relatif lebih kecil dibanding dengan motor stepper berjenis PM. Hal lain yang dapat dilihat adalah sisa kemagnetan sangat kecil sehingga pada saat motor stepper tidak dialiri arus maka ketika diputar tidak ada torsi yang melawan. Sudut langkah motor stepper berjenis VR ini bervariasi yaitu sekitar sampai dengan 30o. Motor stepper berjenis VR ini memiliki torsi yang kecil. Sering ditemukan pada printer dan instrumen-instrumen pabrik yang ringan yang tidak membutuhkan torsi yang besar.

Gambar 5. Konstruksi Motor Stepper Variable Reluctance

Seperti pada gambar 5 motor mempunyai 3 pasang kutub stator (A, B, C) yang diset terpisah 15 derajat. Arus dialirkan ke kutub A melalui lilitan motor yang menyebabkan tarikan magnetic yang menyejajarkan gigi rotor kekutub A. jika kita memberi energi kekutub B maka akan menyebabkan rotor berputar 15 derajat sejajar kutub B. proses ini akan berlanjut kekutub C dan kembali kekutub A searah dengan jarum jam.

Permanent Magnet – Hybrid (PM-H)
Permanent magnet hybrid merupakan penyempurnaan motor stepper di mana motor stepper ini memiliki kecepatan 1000step/detik namun juga memiliki torsi yang cukup besar sehingga dapat dikatakan bahwa PM-H merupakan motor stepper kombinasi antara PM dan VR motor stepper. Motor hybrid mengkombinasikan karakteristik terbaik dari motor variable reluktansi dan motor magnet permanent. Motor ini dibangun dengan kutub stator yang banyak-gigi dan rotor magnet permanent. Motor hybrid standar mempunyai 200 gigi rotor dan berputar pada 1,8 derajat sudut step. Karena memperlihatkan torsi tinggi dan dinamis serta berputar dengan kecepatan yang tinggi maka motor ini digunkan pada aplikasi yang sangat luas.

Gambar 6. Konstruksi Motor Stepper Jenis PM-hybrid

Dilihat dari lilitannya motor stepper terbagi menjadi 2 jenis yaitu :
Motor Stepper Unipolar
Motor stepper unipolar terdiri dari dua lilitan yang memiliki center tap. Center tap dari masing masing lilitan ada yang berupa kabel terpisah ada juga yang sudah terhubung didalamnya sehingga center tap yang keluar hanya satu kabel. Untuk motor stepper yang center tapnya ada pada masing – masing lilitan kabel inputnya ada 6 kabel. Namun jika center tapnya sudah terhubung di dalam kabel inputannya hanya 5 kabel. Center tap dari motor stepper dapat dihubungkan ke pentanahan atau ada juga yang menghubungkannya ke +VCC hal ini sangat dipengaruhi oleh driver yang digunakan. Sebagai gambaran dapat dilihat konstruksi motor stepper unipolar pada gambar 7.

Gambar 7. Kostruksi Motor Stepper Unipolar

Motor Stepper Bipolar
Motor stepper bipolar memiliki dua lilitan perbedaaan dari tipe unipolar adalah bahwa pada tipe bipolar lilitannya tidak memiliki center tap. Keunggulan tipe bipolar yaitu memiliki torsi yang lebih besar jika dibandingkan dengan tipe unipolar untuk ukuran yang sama. Pada motor stepper tipe ini hanya memiliki empat kabel masukan. Namun untuk menggerakan motor stepper tipe ini lebih rumit jika dibandingkan dengan menggerakan motor stepper tipe unipolar. Sebagai gambaran dapat dilihat konstruksi motor stepper bipolar pada gambar 8.

Gambar 8. Konstruksi Motor Stepper Bipolar

Bentuk asli dan susunan motor stepper dapat dilihat pada gambar 9.

Gambar 9. Bentuk Motor Stepper

Gambar 10. Bagian Motor Stepper.

Dari gambar 10 dapat dilihat bagian-bagian dari motor stepper yaitu tersusun atas rotor, stator, bearing, casing dan sumbu. sumbu merupakan pegangan dari rotor dimana sumbu merupakan bagian tengah dari rotor, sehingga ketika rotor berputar sumbu ikut berputar. Stator memiliki dua bagian yaitu pelat inti dan lilitan. Plat inti dari motor stepper ini biasanya menyatu dengan casing. Casing motor stepper terbuat dari aluminium dan ini berfungsi sebagai dudukan bearing dan stator pemegangnya adalah baud sebanyak empat buah. Di dalam motor stapper memiliki dua buah bearing yaitu bearing bagian atas dab bearing bagian bawah.

Gambar 11. Bagian Stator Motor stepper

Gambar 12. Bagian Rotor Motor stepper

Gambar 13. Kabel Masukan Dari Motor Stepper


B. DRIVER
Untuk menggerakan motor stepper berbeda dengan menggerakan motor dc, dimana untuk menggerakan motor stepper diperlukan rangkaian driver yang fungsinya untuk memberikan catu ke motor stepper. Driver tidak hanya mengeluarkan tegangan, namun tegangan yang dikeluarkan juga harus dalam bentuk pulsa. Karena motor stepper bergerak step by step sesuai dengan pulsa. Bentuk pulsa yang dikeluarkan oleh driver dapat dilihat pada Gambar 14 dan gambar 15.

Gambar 14. Pulsa Driver Bipolar mode Full Step

Gambar 15. Pulsa Driver Unipolar mode Full Step

Bentuk pulsa seperti gambar 14 dan 15 harus dapat dikeluarkan oleh driver sebagai syarat untuk dapat menggerakan motor stepper. tinggi pulsa yang dikeluarkan juga harus sesuai dengan spesifikasi tegangan motor stepper yaitu kisaran 5 sampai 36 volt. Pada gambar 14 dan 15 sebenarnya memiliki bentuk yang sama hanya saja susunannya berbeda. pada gambar 14 adalah susunan pulsa untuk menggerakan motor stepper tipe bipolar, sedangkan pada gambar 15 adalah susunan pulsa untuk menggerakan motor stepper tipe unipolar.

Driver untuk motor stepper unipolar lebih sederhana dari driver tipe bipolar karena untuk motor stepper tipe unipolar driver cukup dengan dilalui arus satu arah saja sedangkan untuk tipe bipolar driver harus dapat dilalui oleh arus dengan dua arah. Dari alasan ini motor stepper tipe unipolar lebih banyak digunakan karena untuk menggerakannya lebih sederhana. Driver untuk motor stepper unipolar data menggunakan IC ULN2003, ULN2004 atau dapat juga dengan menggunakan transistor. Jika menggunakan transistor, maka transistor difungsikan sebagai saklar untuk menghubungkan motor stepper ke Vcc atau ke ground tergantung dari hubungan common motor stepper. Untuk menggerakan motor stepper tipe bipolar dapat menggunakan IC L293, L297+L298, PBL3717 atau menggunakan transistor yang dibuat rangkaian push pull.

Driver dapat menggunakan empat masukan langsung atau hanya dengan dua masukan saja. Jika menggunakan empat masukan secara langsung maka driver berfungsi untuk menguatkan sinyal tersebut. Namun jika menggunakan dua masukan saja maka masih diperlukan Translator (penerjemah) yang fungsinya



C. MIKROKONTROLER AT MEGA8
Mikrokontroler At Mega8 merupakan mikrokontroler keluaran dari Atmel Corporation. Mikrokontrol tipe ini termasuk dalam jenis AVR (Alf and Vegard’s Risc processor). Mikrokontroler AVR memiliki arsitektur RISC 8 bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock berbeda dengan instruksi MCS51 yang membutuhkan 12 siklus clock untuk mengeksekusi satu perintah. Perbedaan ini terjadi karena kedua jenis mikrokontroler tersebut memiliki arsitektur yang berbeda AVR sudah menggunakan teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing) sedangkan MCS51 menggunakan tipe CISC (Complex Instruction Set Computing)

Mikrokontroler AVR keluaran dari atmel terbagi menjadi tiga kelompok yaitu: AT90S, ATTiny, dan ATMega. Yang penulis pakai disini adalah termasuk dalam kelompok ATMega, dengan seri ATMega8.

Keunggulan dari mikrokontroler ATMega8 ini adalah memiliki kecepatan yang tinggi yaitu muklai dari 1 Mhz sampai dengan 16Mhz. Keunggulan yang lain dimana mikrokontroler ini sudah memiliki oscilator internal sehingga dapat digunakan tanpa harus menambah kristal oscilator.

Arsitektur CPU AVR At Mega 8
Gambar 16. Arsitektur At Mega8

Fitur
Saluran I/O sebanyak 23 buah terbagi menjadi 3 port.
ADC sebanyak 6 saluran dengan 4 sluaran 10 bit dan 2 saluran 8 bit.
Tiga buah timer counter, dua diantaranya memiliki fasilitas pembanding.
CPU dengan 32 buah register.
Watchdog timer dan oscilator internal.
SRAM sebesar 1K byte
Memori flash sebesar 8K Bytes system Self-programable Flash.
Unit interupsi internal dan eksternal
Port antarmuka SPI
EEPROM sebesr 512 byte.
Port USART (Universal Syncronous and Asyncronous serial Receiver and Transmiter) untuk komunikasi serial.
Konfigurasi Pin
Gambar 17. Konfigurasi Pena At Mega8

Vcc merupakan pin yang berfungsi sebagai suply catu daya.
GND merupakan pin ground.
Port B (PB0 – PB7) merupakan I/O dua arah dan dapat difungsikan sebagai XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2.
Port C (PC0 – PC5) merupakan I/O dua arah dapat juga difungsiksn sebagai ADC0 – ADC5
Port C 6 / RESET pin untuk mereset mikrokontroler.
Port D (PD0 – PD7) merupakan pin I/O dua arah dan juga memiliki fungsi khusus yang dapat digunakan jika parameternya diset.
AVCCmerupakan pin masukan tegangan untuk ADC
AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.
Register
Dalam mikrokontroler ini terdapat 32 general purpose register yaitu : R0 – R31. R0 – R15 merupakan regiter khusus untuk perpindahan data antar register atau dari memori. R16 – R31 merupakan register perpindahan data namun dapat juga menerima data kontstanta dari program. Seluruh instruksi untuk mengakses register memiliki waktu eksekusi satu siklus clock.

Dalam register ATMega8 juga terdapat register yang merupakan penunjuk ruang alamat untuk menjangkau data yang disimpan dalam memori. Register tersebut merupakan register 16 bit yang merupakan pasangan register yaitu : register X (R26 dan R27), register Y (R28 dan R29) dan register Z(R30 dan R31).

Interupt
Mikrokontroler ATMega8 ini memiliki 19 interupsi yang dapat diaktifkan dengan program. Terdapat interupsi eksternal dan interupsi internal. Interupsi eksternal yaitu merupakan interupsi yang diterima dari luar mikrokontroler melalui port I/O saat diseting sebagai fungsi khusus. Interupsi internal merupakan interupsi yang terprogram, misalnya interupsi timer counter. Dalam timer dan counter juga masih memiliki beberapa fitur interupsi misalnya : timer overflow, timer mode compare, dan input capture.

I/O
Didalam mikrokontroler AVR ATMega8 memiliki 23 saluran data yang terbagi menjadi tiga buah port yaitu : port B, port C dan port D. Port B dan port D masing – masing memiliki delapan saluran, sedangkan port C hanya memiliki 7 saluran. Dari setiap saluran I/O memiliki fungsi khusus yang dapat diaktifkan dengan program. Untuk port C memiliki fungsi lain yaitu sebagai masukan ADC (Analog to digital Converter)

D. KOMPUTER ANTARMUKA
Komputer antar muka ialah komunikasi piranti komputer dengan piranti lain. Pada isitem pengontrol kecepatan motor stepper antar muka komputer ini digunakan sebagai pembaeri perintah sekaligus untuk memonitor kerja sistem. Melalui komunikasi antara PC dengan mikrokontroler, PC akan memberikan perintah sekaligus menerima data dari mikrrokontroler. Data yang dikirimkan oleh PC merupakan perintah untuk arah berputar, kecepatan putaran, variable kecepatan pada saat percepatan dan perlambatan serta perintah untuk berhenti. Data yang dikirimakan oleh PC akan diproses oleh mikrokontroler guna mengubah perintah dari PC menjadi sinyal clock dan arah untuk mengendalikan motor stepper.

E. CATU DAYA
Catu daya dalah merupakan bagian yang digunakan sebagai sumber tegangan dari sistem. Catu daya akan disesuaikan dengan bagian atau komponen yang dicatu. Pada sistem ini catu daya memberikan tegangan kepada motor stepper, driver dan mikrokontroler. Mikrokontroler umumbnya menggunakan tegangan antara 4.5volt sampai 5.5volt. untuk driver tergantung pada kemampuan driver. Sedangkan untuk motor stepper antara 5 – 36Volt.

Catu daya sebenarnya merupakan piranti yang penting karena tanpa catu daya sistem tak akan bisa berjalan, namun catu daya kebanyakan kurang diperhatikan. Catu daya baiknbya dibuat sesuai dengan spek komponen yang akan diberi tegangan sehingga tidak terjadi kekurangan tegangan atau kelebihan tegangan pada komponen yang dicatu tersebut. Umunnya catu daya terdiri transformator sebagai penurun tegangan, dioda sebagai penyearah arus dan elektrolit kondensator sebagai penstabil tegangan. Pada catu daya untuk mikrokontroler biasanya akan menambahkan IC regulator untuk memastikan kestabilan tegangan yang diberikan ke mikrokontroler.