BAB 2 Jenis-jenis

AKTUATOR

A.    Aktuator Elektrik

a)    Solenoid Linier

Solenoida Linier ini sering juga disebut sebagai LEMA atau Linier ElectroMechanical Actuator. Perangkat ini merupakan alat elektromagnetik. Cara kerjanya akan mengubah dari energi listrik menjadi bentuk lain yaitu energi gerak mekanis atau sinyal magnetik. Prinsip kerjanya dikendalikan memakai MOSFET, transistor dan perangkat lain. Secara prinsip hampir sama dengan Relay Elektromekanis.

Jenis-jenis solenoida ini gerakan aktuatornya secara linier sehingga disebut solenoida linier. Jenis solenoida linier terdiri dari dua jenis. Dua bentuk tersebut yaitu tipe tarik dan tipe dorong. Pada jenis yang tipe tarik ini apabila diberikan arus listrik maka akan menarik beban ke arahnya. Sedangkan jenis yang tipe dorong apabila diberikan arus listrik maka akan menjauhkan beban.

Arus listrik pada koil menghasilkan medan magnet yang menarik plunger. Sehingga koil masuk ke dalam dan mengkompres pegas di salah satu ujung plunger. Kekuatan fluks magnetik yang ada pada koil berkaitan dengan kecepatan dan gaya plunger. Apabila arus listrik kemudian dimatikan maka medan elektromagmetik akan hilang. Energi pada pegas mendorong plunger ke posisi awal.

Solenoida linier diaplikasikan di perangkat elektronik yang membutuhkan gerakan menutup membuka atau keluar masuk.

 Prinsip kerja dari solenoid valve bisa dilihat pada video di bawah ini:

b)    Solenoid Rotary

Solenoida rotasi, yaitu perangkat elektromagnetik yang dapat menghasilkan gerakan maju mundur secara linier. Jenis solenoida ini yang berbentuk rotasi gerakannya berupa gerak memutar dan menghasilkan gerakan sudut. Arahnya dapat sesuai dengan arah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam. Tetapi tergantung pada sudut tertentu yang ingin dihasilkan.

Jenis solenoida ini biasanya digunakan sebagai fungsi motor stepper atau motor DC yang gerakannya menghasilkan sudut kecil. Gerakan rotasi dapat dihasilkan apabila solenoida diberikan arus listrik atau energi sehingga terjadi perubahan energi elektromagnetik. Gulungan listrik yang melilit pada rangka baja terhubung ke poros output pada koil.

Berdasarkan sudut gerakannya, Solenoid Rotasi biasanya tersedia dalam sudut gerakan 25⁰, 35⁰, 45⁰, 60⁰ dan 90⁰. Ada juga yang tersedia dalam bentuk gerakan yang dapat menuju ke sudut tertentu kemudian kembali lagi ke posisi awal (posisi nol), contohnya dari posisi 0 ke 90⁰ kemudian kembali lagi ke posisi 0.

Medan elektromagnetik akan menghasilkan dua kutub yang berseberangan yaitu kutub selatan dan kutub utara. Kedua kutub ini akan terjadi penolakan kutub yang berdekatan secara permanen sehingga kondisi inilah yang menyebabkan terjadinya gerakan rotasi. Umumnya perangkat yang menggunakan solenoida rotasi adalah mesin otomotif, peralatan otomatis dan printer dot matriks.

Video penjelasan bisa di lihat di bawah ini

B.    Aktuator Mekanik

a)    Motor Stepper

Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Kenapa disebut diskrit? Karena sebenarnya motor stepper berputar secara bertahap, tidak kontinyu seperti berputarnya motor AC induksi. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik.

Pada penerapannya di industry, motor stepper dikendalikan dengan bantuan driver. Berikut ini adalah ilustrasi struktur motor stepper sederhana dengan jumlah 4 step untuk 1 putaran penuh dan pulsa yang dibutuhkan untuk menggerakkannya:

Gambar di atas sebelah kiri adalah arah putaran rotor motor stepper dan sebalah kanan adalah logic phase pada setiap step. contoh bentuk pulsa yang diberikan pada kumparan untuk menggerakkan motor stepper pada arah sesuai dengan jarum jam (clockwise). Jika diperhatikan, signal pulsa seolah – olah berjalan dari phase A ke phase B dan seterusnya. Sehingga bagian rotor yang diibaratkan seperti magnet akan berputar karena tertarik oleh gaya magnet yang dibangkitkan oleh setiap phase. Pemberian signal seperti di atas adalah metode full step, sehingga untuk 1 putaran penuh dibutuhkan 4 kali step.

Pada beberapa kasus, setiap pergerakan putaran motor dapat diubah menjadi setengahnya, sehingga untuk menghasilkan 1 putaran penuh diperlukan step dua kali lipat.  Dengan kata lain, yang semula hanya perlu 4 step, sekarang menjadi 8 step. Perhatikan gambar di bawah ini:

Untuk selanjutnya, perintah step untuk merubah kondisi logic phase dilakukan dengan memberi pulse atau clock pada driver motor stepper. Dengan demikian, pada metode full step, jika diberikan pulsa sebanyak 8 kali, maka motor akan berputar 2 putaran. Begitu juga jika diberikan pulsa sebanyak 16 kali, maka motor akan berputar 4 putaran. Berapa jumlah putaran jika hanya diberi 3 pulsa? Ya betul, hanya ¾ putaran saja atau 270 derajat. Dari sini dapat kita pahami bahwa untuk mengatur sudut putaran sebuah motor Stepper, maka yang harus diatur adalah jumlah pulsa yang diberikan pada drivernya.

Video penjelasan bisa dilihat di bawah ini

b)    Motor DC

Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Bagian utama motor DC adalah statos dan rotor dimana kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen. Catu tegangan dc dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada gambar di atas disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di antara medan magnet.

Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor. Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor. Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor dapat dilihat pada gambar berikut.

Aturan Genggaman Tangan Kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis fluks di sekitar konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol mengarah pada arah aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah garis fluks. Gambar diatas menunjukkan medan magnet yang terbentuk di sekitar konduktor berubah arah karena bentuk U. Medan magnet hanya terjadi di sekitar sebuah konduktor jika ada arus mengalir pada konduktor tersebut.

Jika konduktor berbentuk U (angker dinamo) diletakkan di antara kutub uatara dan selatan yang kuat medan magnet konduktor akan berinteraksi dengan medan magnet kutub.

Lingkaran bertanda A dan B merupakan ujung konduktor yang dilengkungkan (looped conductor). Arus mengalir masuk melalui ujung A dan keluar melalui ujung B. Medan konduktor A yang searah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di bawah konduktor. Konduktor akan berusaha bergerak ke atas untuk keluar dari medan kuat ini. Medan konduktor B yang berlawanan arah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di atas konduktor. Konduktor akan berusaha untuk bergerak turun agar keluar dari medan yang kuat tersebut. Gaya-gaya tersebut akan membuat angker dinamo berputar searah jarum jam.

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum:

·        Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.

·        Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran / loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.

·        Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar / torque untuk memutar kumparan.

·        Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.

Pada motor dc, daerah kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya berlangsung melalui medan magnet, dengan demikian medan magnet disini selain berfungsi sebagai tempat untuk menyimpan energi, sekaligus sebagai tempat berlangsungnya proses perubahan energi, daerah tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan sumber harus lebih besar daripada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan perputaran pada motor.

 Video penjelasan motor DC dapat dilihat pada video di bawah ini

c)    Motor Brushless

Ada perbedaan Motor DC Brushless motor DC sikat yaitu pada penggunaan sikat dan komutator, motor DC Sikat menggunakan sikat dan komutator sedangkan motor DC brushless menggunakan elektromagnetisme untuk memberikan torsi pada poros output. Motor DC Brushless melakukan ini dengan memanfaatkan magnet permanen pada rotor, yang secara magnetis tertarik ke gulungan kumparan bertenaga di stator. Dengan demikian, kecepatan putaran dapat diubah hanya dengan mengatur besar dan arah arus dalam kumparan stator, dan tidak perlu sikat atau komutator mekanis. Motor DC Brushless berputar dengan frekuensi yang sebanding dengan arus ini, yang berarti Motor DC Brushless adalah jenis motor sinkron dan memiliki kelebihan desain yang simpel dibandingkan desain asinkron seperti pada motor induksi.

Prinsip kerja Motor BLDC berbeda dari motor DC lainnya karena rotornya tidak menggunakan kumparan dan menggunakan magnet permanen pada rotornya. Kumparan Stator yang menginduksi medan magnet ketika arus melewati kumparan itu, Ketika kumparan stator atau "kutub" diberi energi, rotor akan menyelaraskan medan magnet konstannya; dalam istilah yang lebih sederhana, rotor akan tertarik ke kutub bertenaga di stator. Komutator elektronik yang menggerakkan kutub stator di sekitar rotor hidup dan mati secara berurutan, sehingga menggerakkan rotor berputar dan menyebabkan rotasi pada poros keluaran.

Prinsip kerja ini mirip dengan bagaimana arus AC menciptakan medan magnet yang berputar di motor AC, bedanya motor BLDC menggunakan arus DC dan secara elektronik mengalihkan arus bolak-balik di setiap kutub, mensimulasikan fase AC. Meskipun tidak menghasilkan medan magnet yang benar-benar berputar, pergantian elektronik memberikan kontrol yang tepat kepada operator atas kecepatan motor efektif, yang tidak dapat dilakukan oleh motor induksi. Dengan menyesuaikan besar dan arah aliran arus melalui stator, operator dapat menghasilkan berbagai kecepatan dan torsi, semuanya sinkron dengan frekuensi input. Motor DC Brushless mengandalkan pergantian elektronik agar berfungsi, Ini berarti menerapkan sensor seringkali sensor Efek Hall untuk mememtukan posisi poros pada waktu tertentu, dan modulasi lebar-pulsa (PWM) dan rangkaian pengontrol lainnya untuk mengalihkan arus ke setiap belitan pada waktu yang tepat. Ini adalah analogi listrik mengalir ke sikat/cincin komutator dari motor DC yang pakai sikat, yang digunakan untuk secara mekanis mengalihkan arus dari belitan ke belitan. Oleh karena itu, motor BLDC tidak memiliki rugi gesekan, tidak menghasilkan debu sikat, dan kebisingan suara lebih rendah daripada motor DC yang pakai sikat atau Motor Brushed.

 Video penjelasan Brushless DC Motor dapat dilihat di bawah ini

d)    Motor Servo

Motor servo merupakan motor listrik dengan sistem closed loop yang digunakan untuk mengendalikan kecepatan, akselerasi dan posisi akhir dari sebuah motor listrik dengan keakuratan yang tinggi. Motor servo terdiri dari tiga bagian utama, yaitu: motor, sistem kontrol dan potensiometer/encoder yang terhubung dengan satu set roda gigi ke poros output. Potentiometer atau encoder ini lah yang berfungsi sebagai sensor yang memberikan sinyal umpan balik (feedback) ke sistem kontrol apakah posisi targetnya sudah benar atau belum. Encoder biasanya digunakan pada motor servo industri. Sedangkan potentiometer biasanya digunakan pada aplikasi yang lebih sederhana seperti mobil remote kontrol. Potentiometer ini terdiri dari tiga kabel dengan 2 kabel untuk power dan 1 kabel untuk kabel sinyal.

Motor akan menggerakkan roda gigi untuk memutar potensiometer dan poros output secara bersamaan. Potensiometer lah yang akan mengendalikan posisi sudut motor servo dengan pemberian sinyal ke dalam sistem kontrol.  Jika posisi targetnya sudah benar, maka ia akan menghentikan motor servo. Sebaliknya, Jika sistem kontrol mendeteksi bahwa sudut belum tepat, maka ia akan mengubah motor servo ke arah yang benar sampai posisi sudutnya benar. Kelebihan inilah yang tidak ditemukan pada motor biasa. Motor servo biasanya digunakan untuk mengendalikan posisi sudut antara 0 dan 180 derajat.

Motor servo dikendalikan dengan sinyal PWM dari encoder/potentiometer. Lebar sinyal (pulsa) yang diberikan inilah yang akan menentukan posisi sudut putaran dari poros motor servo. Sebagai contoh, lebar sinyal dengan waktu 1,5 ms (mili second) akan memutar poros motor servo ke posisi sudut 90⁰. Bila sinyal lebih pendek dari 1,5 ms maka akan berputar ke arah posisi 0⁰ atau ke kiri (berlawanan dengan arah jarum jam), sedangkan bila sinyal yang diberikan lebih lama dari 1,5 ms maka poros motor servo akan berputar ke arah posisi 180⁰ atau ke kanan (searah jarum jam). Lebih jelasnya perhatikan gambar berikut ini:

Ketika sinyal PWM telah diberikan, maka poros motor servo akan bergerak ke posisi yang telah ditargetkan dan berhenti pada posisi tersebut serta akan tetap bertahan pada posisi tersebut. Jika ada kekuatan eksternal yang mencoba memutar atau mengubah posisi tersebut, maka sistem closed loop dari motor servo tersebut akan bekerja dengan mencoba menahan atau melawan kekuatan eksternal tersebut dengan kekuatan internal dari motor servo itu sendiri. Namun motor servo tidak akan mempertahankan posisinya untuk selamanya, sinyal PWM harus diulang setiap 20 ms (mili second) agar posisi poros motor servo tetap bertahan pada posisinya. Berikut ini adalah ilustrasi dari perbedaan open loop system vs closed loop system dimana motor servo mengandalkan closed loop system dengan sinyal umpan balik (feedback) sehingga posisi yang ditargetkan akan tergapai secara otomatis:

Motor servo ini memang biasanya terbagi dengan dua jenis utama, yaitu motor servo AC dan motor servo DC dimana motor servo AC ini lebih sering menangani arus yang tinggi atau beban berat yang biasa diaplikasikan pada mesin-mesin industri. Sedangkan motor servo DC biasanya lebih cocok untuk digunakan pada aplikasi-aplikasi yang lebih kecil. Disamping itu, ada juga jenis lain berdasarkan aplikasinya seperti brushless DC servo motor, positional rotation, continuous rotation and linear servo motor.

Positional rotation merupakan motor servo yang paling umum dengan poros output berputar setengah lingkaran (0 – 180 deg) yang bisa bergerak searah ataupun berlawanan dengan arah jarum jam. Pada tipe ini terdapat roda gigi tambahan sebagai mekanisme pencegahan putaran motor servo melebihi batas. Tipe ini biasanya digunakan pada aplikasi seperti mainan, remote control pesawat terbang, mobil, robot arm (lengan robot).

Continous Rotation merupakan tipe motor servo yang dapat berputar 360 derajat. Motor servo ini dapat berputar searah ataupun berlawanan arah jarum jam. Sesuai dengan namanya, motor servo ini tidak memiliki sudut defleksi putaran seperti motor servo yang lain melainkan berputar secara kontinyu. Motor servo continous rotation sering dipakai untuk Mobile Robot.

Linear servo motor merupakan tipe motor servo yang bergerak secara linear atau maju mundur sesuai namanya. Perbedaannya dengan motor servo lainnya adalah adanya roda gigi tambahan dengan mekanisme rack and pinion untuk mengubah gerakan rotasi menjadi gerakan linear.

Brushless DC servo motor merupakan tipe motor servo yang tidak menggunakan brush (sikat). Sebenarnya brushless servo motor ini sama seperti motor servo yang lain, perbedaan nya hanya pada pada proses komutasi yang sudah tidak menggunakan komutator mekanik dengan brush lagi, tetapi sudah menggunakan teknologi elektronik dalam proses komutasinya, yaitu sensor dan controller. Biasanya motor servo brushless ini diaplikasikan pada sepeda motor listrik, mobil listrik, DVD player, cooling fan computer dan pesawat/kapal tanpa awak. Aplikasi motor servo brushless ini semakin meningkat karena lebih efisien dengan daya motor kecil pun sudah bisa menghasilkan putaran yang tinggi dan torsi yang besar jika dibandingkan dengan motor AC ataupun motor DC biasa.

 Video penjelasan bisa dilihat di bawah ini

e)    Motor AC

Motor AC merupakan motor listrik yang digerakkan oleh arus bolak-balik yang dapat mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Terdapat dua jenis motor AC, tergantung pada tipe rotor yang digunakan:

·        Motor sinkron, yang tidak bergantung pada induksi. Sebagai hasilnya, dapat memutar tepat pada frekuensi suplai atau kelipatan frekuensi suplai.

Prinsip kerja motor listrik AC tipe sinkron adalah terletak pada sistem eksitasi pada rotornya. Rotor motor AC sinkron memiliki kutub magnet dengan posisi yang tetap. Kutub magnet tersebut terkunci dengan medan magnet yang terbangkitkan di stator. Sehingga pada saat medan magnet stator berputar akibat gelombang listrik AC, rotor motor akan ikut berputar dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan gelombang listrik AC.

·        Motor induksi (motor asinkron), medan magnet pada rotor motor ini diciptakan oleh arus induksi.

Jenis motor AC ini menggunakan induksi elektromagnetik untuk membuat kumparan berputar. Pada jenis ini rotor berputar lebih lambat daripada arus yang disediakan untuk memutarnya. Induksi electromagnet ini menyebabkan medan magnet yang menyelubungi rotor motor tersebut.