Aktuator

Sebelumnya kita sudah mempelajari sensor, sekarang kita akan mempelajar aktuator.

Apa itu aktuator? Apa perbedaannya dengan sensor? Bagaimana menggunakan aktuator dengan Arduino? Kita akan menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut di sini.

Secara garis besar, di sini kita akan mempelajari:

  1. actuator;
  2. motor, setidaknya ada 3 jenis motor yang dapat digunakan dengan Arduino, yaitu motor DC (direct current), servo, dan stepper;
  3. dari ketiga jenis motor tersebut, kita hanya akan mencoba dua di simulasi, yaitu motor DC dan servo.

Pendahuluan #

Perangkat Keras Sistem #

Secara umum, perangkat keras dari suatu sistem (system hardware) terdiri atas 4 hal:

  1. Plant (Physical World)
  2. Sensor
  3. Controller (Digital World)
  4. Actuator

Kita mulai dari Plant (Physical World). Seiring berjalannya waktu, akan selalu ada banyak perubahan fenomena di alam. Dari sini, kita mencoba mengamati salah satu perubahan fenomena tersebut menggunakan Sensor. Hal tersebut kemudian menjadi informasi yang dapat digunakan sebagai input dari Controller (Digital World) atau sistem yang kita buat. Informasi tersebut diolah sedemikian rupa yang kemudian output dari sistem yang kita buat disalurkan melalui Actuator. Actuator merepresentasikan output sistem yang akan diamati/diterima oleh kita di Plant (Physical World).

Sebagai contoh, kita (atau tubuh kita) merupakan salah satu dari sekian banyak fenomena alam yang ada. Dari tubuh kita, ada beberapa hal yang dapat diamati, salah satunya yang paling gampang adalah suhu tubuh. Di sini, kita mencoba mengamati suhu tubuh sebagai informasi yang akan dikumpulkan melalui sensor. Kemudian, informasi tersebut diolah sedemikian rupa di sistem kita, lalu sistem memberikan feedback. Misalnya, sistemnya adalah berupa screening kesehatan di pintu masuk mall. Pintu akan terbuka jika suhu tubuh kita normal, sebaliknya pintu tidak akan terbuka jika suhu tubuh kita tidak normal.

Aktuator #

Dari gambar sebelumnya, dapat dilihat bahwa Actuator menerima informasi (input) dari Controller (Digital World), kemudian mengubah informasi tersebut menjadi informasi (output) yang diterima oleh kita di Plant (Physical World). Jadi, aktuator adalah perangkat yang mengubah sinyal listrik menjadi peristiwa atau karakteristik fisik.

Misalnya, motor dan pemanas adalah beberapa aktuator yang umum digunakan.

Motor #

Ada tiga jenis motor yang dapat digunakan dengan Arduino.

  1. DC Motor
  2. Servo Motor
  3. Stepper Motor

DC Motor (Brushed) #

Motor DC terdiri atas 2 jenis:

  1. pakai sikat (brushed)
  2. tanpa sikat (brushless)

Di sini, kita hanya akan membahas motor DC yang brushed. Untuk brushless kita akan membahasnya pada kesempatan lain.

Motor DC merupakan perangkat yang mengubah energi listrik menjadi energi kinetik atau gerakan (motion). Motor DC umumnya memiliki dua terminal/kabel, yaitu power dan ground. Sesuai namanya, motor ini memerlukan tegangan DC untuk dapat bergerak. Motor ini biasanya digunakan pada perangkat-perangkat elektronik yang menggunakan sumber listrik DC, seperti kipas pendingin komputer, mobil remote control, dll.

Motor DC menghasilkan sejumlah putaran per menit atau biasanya dikenal dengan istilah RPM (revolutions per minute) dan dapat dibuat berputar searah jarum jam maupun berlawanan arah jarum jam, tergantung polaritas listrik yang diberikan. Motor DC tersedia dalam berbagai ukuran rpm dan bentuk.

Kebanyakan motor DC memberikan kecepatan rotasi sekitar 3000-8000rpm dengan tegangan operasional dari 1.5-24V. Jika tegangan yang diberikan lebih rendah dari tegangan operasional, maka akan memperlambat rotasi motor, sedangkan tegangan yang lebih tinggi dari tegangan operasional akan membuat rotasi motor menjadi lebih cepat. Namun, ketika tegangan yang diberikan ke motor turun menjadi <50% tegangan operasional, maka motor tidak dapat berputar atau terhenti. Sebaliknya, jika tegangan yang diberikan lebih tinggi ~30% dari tegangan operasional, maka motor akan menjadi sangat panas, dan akhirnya rusak.

Pada saat motor berputar tanpa beban, hanya sedikit arus listrik yang digunakan. Namun, saat diberikan beban, jumlah arus yang digunakan akan meningkat ratusan hingga ribuan persen (tergantung jenis beban yang diberikan). Oleh karena itu, produsen motor DC biasanya mencantumkan stall current. Apa itu stall current? Stall Current adalah arus pada saat poros motor berhenti karena mengalami beban maksimal.

Prinsip Kerja #

Terdapat dua bagian utama pada motor DC, yaitu stator dan rotor.

  1. Stator merupakan bagian yang diam yang juga berfungsi sebagai rumah (body) motor yang di dalamnya juga terdiri atas kumparan penguat medan magnet dan terminal motor.
  2. Rotor merupakan bagian yang berputar yang menghasilkan putaran mekanik.

Dua bagian utama ini dapat dibagi lagi menjadi beberapa komponen penting, yaitu:

  1. Kerangka magnet (yoke/housing), dibuat dari besi atau baja dan bentuknya merupakan bagian integrasi dari stator motor. Fungsi utamanya adalah melindungi dan menutupi bagian dalam stator serta menyangga jangkar. Kerangka juga berfungsi untuk melindungi sistem kutub medan magnet dan penguat medan magnet.
  2. Kutub motor (poles), kutub ini dibuat menempel pada dinding kerangka. Konstruksi dasar kutub ini terdiri dari dua bagian yaitu, inti kutub dan sepatu kutub. Keduanya ditumpuk bersama menggunakan tekanan hidrolik kemudian ditempelkan pada kerangka. Pada sepatu kutub tersedia slot untuk meletakkan kumparan penguat medan magnet.
  3. Kumparan medan magnet (field winding), kumparan penguat medan magnet dibuat dari kawat email tembaga yang digulung pada slot sepatu kutub. Kumparan ini bekerja dengan prinsip elektromagnetik, yang mana menghasilkan fluks magnet saat dialiri arus listrik.
  4. Kumparan jangkar (armature winding), kumparan jangkar motor DC diletakkan pada rotor. Kumparan jangkar ini dibuat dengan laminasi baja silikon yang rendah histeresis untuk mengurangi kehilangan magnetik seperti histeresis dan arus Eddy. Lembaran laminasi baja ini ditumpuk membentuk struktur silinder dari inti jangkar.
  5. Komutator (commutator), komutator dibuat dari kumpulan tumpukan segmen tembaga, di antara segmen tersebut di solasi mika. Fungsi utama komutator adalah media penghantar (yang bergerak) dari sikat arang menuju kumparan jangkar.
  6. Sikat arang (brushes), sikat arang dibuat dari karbon atau grafit, materi ini dapat membuat kontak berputar pada komutator. Sikat arang digunakan sebagai penghantar dari terminal suplai menuju komutator, lalu ke kumparan jangkar.

Pada prinsipnya motor DC menggunakan fenomena elektromagnet untuk bergerak, ketika arus listrik diberikan ke kumparan, permukaan kumparan yang bersifat utara akan bergerak menghadap ke magnet yang berkutub selatan dan kumparan yang bersifat selatan akan bergerak menghadap ke utara magnet. Saat ini, karena kutub utara kumparan bertemu dengan kutub selatan magnet ataupun kutub selatan kumparan bertemu dengan kutub utara magnet maka akan terjadi saling tarik menarik yang menyebabkan pergerakan kumparan berhenti.

Untuk menggerakannya lagi, tepat pada saat kutub kumparan berhadapan dengan kutub magnet, arah arus pada kumparan dibalik. Dengan demikian, kutub utara kumparan akan berubah menjadi kutub selatan dan kutub selatannya akan berubah menjadi kutub utara. Pada saat perubahan kutub tersebut terjadi, kutub selatan kumparan akan berhadap dengan kutub selatan magnet dan kutub utara kumparan akan berhadapan dengan kutub utara magnet. Karena kutubnya sama, maka akan terjadi tolak menolak sehingga kumparan bergerak memutar hingga utara kumparan berhadapan dengan selatan magnet dan selatan kumparan berhadapan dengan utara magnet. Pada saat ini, arus yang mengalir ke kumparan dibalik lagi dan kumparan akan berputar lagi karena adanya perubahan kutub. Siklus ini akan berulang-ulang hingga arus listrik pada kumparan diputuskan.

Penggunaan/kontrol kecepatan motor DC pada microcontroller umumnya menggunakan modulasi lebar pulsa atau pulse width modulation (PWM). Dengan menggunakan teknik ini, kita dapat dengan cepat menghidupkan/mematikan daya. Persentase waktu yang dihabiskan untuk putaran/siklus (cycling), rasio ON/OFF, menentukan kecepatan motor. Misalnya, jika daya siklus 50% (setengah ON dan setengah OFF), maka motor akan berputar dengan kecepatan setengah dari kecepatan maksimum. Setiap pulsa (pulse) sangat cepat sehingga motor tampak terus berputar tanpa tersendat-sendat.

Latihan 1 #

Desain Rangkaian #

Ini adalah desain rangkaian yang dipakai. Komponen yang digunakan adalah 1 buah board Arduino, 1 motor DC, 1 NPN transistor (BJT), dan 1 buzzer.

Buzzer adalah sebuah komponen elektronika yang dapat mengubah sinyal listrik menjadi getaran suara. Buzzer ini biasa dipakai pada sistem alarm. Juga bisa digunakan sebagai indikasi suara. Buzzer adalah komponen elektronika yang tergolong tranduser. Sederhananya buzzer mempunyai 2 buah kaki yaitu positive dan negative. Untuk menggunakannya secara sederhana kita bisa memberi tegangan positive dan negative 3 - 12V.

Cara Kerja Buzzer pada saat aliran listrik atau tegangan listrik yang mengalir ke rangkaian yang menggunakan piezoeletric tersebut. Piezo buzzer dapat bekerja dengan baik dalam menghasilkan frekwensi di kisaran 1 - 6 kHz hingga 100 kHz.

Yang sudah kita tau buzzer hanya bersuara satu saja. Dengan di program di arduino atau mikrokontroler lainnya kita bisa menggunakan buzzer dengan barbagai macam suara mono. Bisa dibuat lagu Do Re Mi Fa Sol La Si Do dan lain sebagainya.

Desain Program #

Kode #

Berikut adalah kode yang digunakan.

Simulasi #

Berikut adalah simulasi motor servo dengan Arduino pada Tinkercad.

Servo #

Motor servo merupakan perangkat/aktuator putar (motor) yang dirancang dengan sistem kontrol umpan-balik loop tertutup (close loop), sehingga dapat menentukan dan memastikan posisi sudut dari poros output motor. Motor jenis ini didesain untuk hal yang spesifik, di mana posisi gerak telah ditetapkan lebih dahulu. Misalnya, gerak tangan/kaki robot dengan range tertentu, mengarahkan kamera ke objek tertentu, dll. Walaupun begitu, motor ini tidak dapat berotasi dengan bebas seperti motor DC. Umumnya, sudut rotasi dibatasi hingga 180 derajat ke depan dan belakang. Motor servo menerima sinyal kontrol yang merepresentasiakn posisi output dan power DC hingga perubahan putaran sampai pada posisi yang ditentukan.

Prinsip Kerja #

Motor servo merupakan perangkat yang terdiri dari:

  1. Motor DC.
  2. Serangkaian gear (melekat pada poros motor DC), akan memperlambat putaran poros dan meningkatkan torsi motor servo.
  3. Rangkaian kontrol.
  4. Potensiometer, berfungsi sebagai penentu batas posisi putaran poros motor servo (dengan perubahan resistansinya saat motor berputar).

Penggunaan sistem kontrol loop tertutup pada motor servo berguna untuk mengontrol gerakan dan posisi akhir dari poros motor servo. Penjelasan sederhananya, posisi poros output akan dibaca sensor untuk mengetahui posisi poros sudah tepat seperti yang di inginkan atau belum. Jika belum, maka kontrol input akan mengirim sinyal kontrol untuk membuat posisi poros tersebut tepat pada posisi yang diinginkan.

Tidak seperti motor DC yang menggunakan sinyal PWM untuk mengatur gerak motor. Durasi pulsa positif yang menentukan posisi (bukan kecepatan) dari poros servo. Nilai pulsa netral yang bergantung pada servo (biasanya sekitar 1.5ms) menjaga poros servo di posisi tengah. Meningkatkan nilai pulsa akan membuat servo berputar searah jarum jam, dan pulsa yang lebih pendek akan memutar poros berlawanan arah jarum jam. Pulsa kendali servo biasanya diulang setiap 20ms (tergantung dari motor servo). Kita selalu harus memberi tahu servo ke mana ia harus bergerak (posisi).

Ada beberapa jenis motor servo, yang kita pakai di sini adalah positional micro servo.

Dibandingkan dengan motor DC, servo biasanya memiliki 3 kabel (power, ground, control). Kabel control pada servo berfungsi menarik arus untuk menggerakkan motor.

Latihan 2 #

Desain Rangkaian #

Ini adalah desain rangkaian yang dipakai. Komponen yang digunakan adalah 1 buah board Arduino, 1 motor servo, 1 LED, dan 1 resistor.

Desain Program #

Kode #

Berikut adalah kode yang digunakan.

Simulasi #

Berikut adalah simulasi motor servo dengan Arduino pada Tinkercad.

Kesimpulan #

Catatan #

Penjelasan materi ini juga tersedia dalam bentuk video dan slide presentasi.

Since you've made it this far, sharing this article on your favorite social media network would be highly appreciated 💖! For feedback, please ping me on Twitter.

Published