Bagaimana Memilih DC Motor , Baterai dan Motor Driver/Controller yang Sesuai pada Robot

Dalam pembuatan robot setidaknya ada 6 hal yang menjadi perhatian :

1. Dimensi dan berat keseluruhan robot

2. Diameter roda ( jika jenisnya mobile robot )

3. Jenis pergerakan , Jumlah Degree of Freedom ( DOF ).

4. Motor Driver / DC Motor Controller yang dipakai

5. Jenis Aktuator / Motor yang akan digunakan

6. Jenis baterai yang akan dipilih.

Saya akan fokuskan pada pemilihan jenis Brushed DC Motor , baterai dan DC Motor driver.

Sebelum membuat sebuah robot , tentu kita menginginkan spesifikasi atau standar tertentu buat robot kita , misal saja mampu membawa beban atau mampu bergerak cepat .Setelah itu barulah kita dapat memilih , komponen apa yang kiranya cocok dan saling mendukung dengan fungsi yang diharapkan tadi.

Dalam proses penentuan jenis komponen robot , kita akan berurusan dengan pelajaran Fisika saat dulu masih duduk di bangku sekolah .

1. Timbang berapa bobot / berat total robot mulai dari PCB , chassis , motor , baterai .

2. Tentukan berapa kecepatan robot yang dikehendaki .

3. Pada Motor Driver perhatikan pada manual atau " Datasheet " nya.

    yaitu keterangan lengkap perihal modul motor driver yang diterbitkan oleh produsennya.

   ( Jika tak ada manualnya , tinggal Googling saja ).

   -  Lihat Vmax atau Tegangan maksimum yang dapat disupply ke DC Motor.

   -  Lihat  Continous current per channel atau arus yang mampu disupply ke DC Motor.

   -  Lihat Peak Max output current per channel artinya Arus maximum yang mampu disupply

       saat sumbu motor ditahan atau saat motor terhenti perputaranya namun daya listrik masih mengalir ke   

       motor ( istilahnya : saat terjadi stall pada motor ).

  -  Lihat apakah modul telah dilengkapi dioda pengaman arus secara internal atau harus dipasang sendiri.

4. Pada DC Motornya perhatikan :

   - Amp per phase atau continous current , yakni arus yang mampu diterima DC motor tanpa overheating

      atau No Load current.

   - Resistance per phase yakni nilai hambatan yang diukur diantara dua terminal DCmotor menggunakan

      Ohm meter ( Multimeter ).

    -Voltage rating , atau kisaran tegangan biasanya tertera di label yang menempel pada casing DC motor.

      misal : tertera 3V - 12V artinya motor dapat dijalankan pada tegangan 4V , 7.2V , 8V , 9.6v .

    - No load current , arus yang diukur saat poros motor bergerak bebas.( tidak menyentuh lantai/dibebani)

      misal  : 50 mA artinya nilai minimum arus yang diperlukan agar motor dapat berputar bebas.

    - Stall current , arus yang diukur saat poros motor berhenti bergerak karena mengalami beban maks.

       misal porosnya dipegang/ditahan tangan kita.

       misal : 300 mA , menyatakan arus max yang dibutuhkan saat mengalami stall.

    - Rasio geartrain / gearboks / Perbandingan roda gigi ( jika motornya dilengkapi gearboks ).

       menyatakan perbandingan putaran antara gear input dari sumbu motor ( drive gear ) dan gear output

       yakni gear yang berhubungan langsung dengan roda. ( output gear ).

       misal : Gear ratio 120 : 1 , artinya saat gear pada sumbu motor berputar 120 kali maka pada output

       gear yang terhubung langsung pada roda hanya akan berputar satu kali. atau direduksi/dikurangi dari

       putaran gear asalnya ( Input gear ).

     














     
Rumusnya :

       N1 x Z1 = N2 x Z2

       Dimana :

       N1 = Jumlah putaran gear Input

       Z1 = Jumlah gigi pada gear Input

       N2 = Jumlah putaran gear Output

       Z2 = Jumlah gigi pada gear Output
    ( rumus diatas tak berlaku untuk jenis planetary gear )
       Gear Reduction digunakan untuk mendapatkan peningkatan torsi dari sebuah motor
       Namun peningkatan torsi ini akan mengurangi kecepatan maksimum motor tadi.

  -  Start up torque ( Torsi awal ) yakni maksimum torsi dari motor hingga terjadi stall.

       Torsi menyatakan berat yang mampu diangkat motor pada jarak tertentu.

       misal : 1 Kgcm artinya motor mampu mengangkat 1 Kg beban yang berjarak 1 cm dari sumbu motor.

    - Rated torque / nominal torque yakni maksimum torsi yang dapat dicapai secara kontinyu dgn lancar.

    - Power , yakni daya yang dapat tersalurkan.

       misal : motor diberi tegangan 5V dengan arus 100mA maka dayanya jadi 0.5 Watt

      Rumusnya :

      P= V x I

      P = 5V x 100mA

      P = 500 mW dikonversikan jadi = 0.5 W

      dari sisi hambatan ini merupakan daya yang hilang sebagai panas ( dissipated heat ).

5. Pada Baterai perhatikan :

    - Voltage rating yakni tegangan sebuah sel baterai yang diharapkan saat mengeluarkan jumlah maks.

       arusnya selama 1 jam.

       misal : 1.5V pada sebuah baterai Alkaline ukuran AA

    - Current rating , Jika sebuah baterai mengeluarkan arus dengan kec 150mA/jam dalam 10 jam

      maka dikatakan memiliki rating sebesar 150mA x 10 jam = 1500 mAh.

      Current rating mengindikasikan berapa banyak arus yang mampu disimpan dalam baterai.

    -Discharge rate , 1 C artinya baterai mampu mengosongkan dalam kapasitas x 1

      misal : 1000 mAh 20C artinya baterai dapat mengosongkan diri dengan arus sampai 20.000 mA

     1000 mAh x 20C = 20.000 mAh.

   - Jumlah baterai dalam 1 package ( misal pada baterai Lipo dan baterai NiMH ).

      misal : 3S2P artinya 2 rangkaian pararel baterai yang masing masing terdiri dari 3 buah baterai

      jadi dalam 1 package ( bungkusan ) baterai tersebut berisi 6 buah sel baterai.

      Jika pada baterai Lipo satu selnya memiliki tegangan 3.7v

      Jika pada baterai NiMH satu selnya memiliki tegangan 1.2v

   - Berat baterai , misal 120 gr biasa tertera hanya pada baterai Lipo.

INTINYA MOTOR , DRIVER DAN BATERAI HARUS SESUAI BAIK BATAS TEGANGAN
MAUPUN ARUS YANG DIBUTUHKAN .

MODUL DRIVER HARUS MAMPU MENYUPLAI ARUS MAKSIMUM SAAT MOTOR STALL
TEGANGAN BATERAI ,  MAKSIMAL SAMA DENGAN RATING TEGANGAN MOTOR

BATERAI AKAN EFISIEN JIKA MENGGUNAKAN REGULATOR SWITCHING (UBEC)
BUKAN REGULATOR LINIER ( IC 7805 )

BEBAN/BERAT ROBOT , JENIS PERGERAKAN , MEDAN YANG DILALUI AKAN MENGURANGI TORSI MOTOR , MAKIN BERAT ARTINYA MOTOR HARUS LEBIH KUAT

MOTOR BERUKURAN BESAR LEBIH EFISIEN DIBANDING MOTOR KECIL
MOTOR KECIL AKAN MENARIK ARUS LEBIH BESAR TERUTAMA SAAT STALL

MOTOR BISA SAJA DIBERIKAN TEGANGAN MELAMPAUI BATAS RATINGNYA
TAPI AKAN MENGURANGI USIA PAKAINYA.

CONTOH :
Berapa Torsi motor yang diperlukan jika :
Berat robot 2 Kg
Roda dua buah dengan Jari-jari 4 cm
Kecepatan yang diinginkan 0.5 m/s^2 

RUMUS :
C/r = m x a + Fattr
Fattr = m x a
Maka rumusnya jadi
C/r = 2 x m x a
karena memakai 2 roda kita hanya gunakan 1/2 torsi saja
C = m x a x r

Keterangan :
C = Rating torsi motor
r = Jari-jari roda
m = massa
a = Percepatan
Fattr = Gaya gesek antara roda dan permukaan lantai

Maka diperoleh nilai :
C = 2 x 0.5 x 4 = 4 Ncm
Atau dikonversikan dalam Kgcm jadi 0.4 KgCm
Hasil tersebut adalah Rated torque
Untuk mencari Start Up torque , Rated torque = Start Up torque / 2
Maka Start Up torque nya adalah = 0.8 Kgcm


CONTOH DC MOTOR CONTROLLER/DRIVER

1. TB6612FNG Dual Motor Driver

   














Modul TB6612FNG yang komponen utamanya dari Toshiba
memiliki data sbb :

Vcc / Logic supply :
( 2.7 - 5.5 Volt )
VM / Tegangan supply untuk motor sebesar max 15 Volt
Rating Keluaran Arus :
Continous Current 1.5 A ,  Peak Current 3.2 A
Memiliki Dioda pelindung.
Dapat disetting :
CW/CCW/Short Brake/Stop motor control mode


Aplikasi pada Arduino :


















Motor yang digunakan sebaiknya 6V
Bisa digunakan bersama Tamiya gearbox hanya saja
kurang pas rating voltasenya buat motor 3V , jadi
selalu disarankan DC motornya diganti tipenya dengan
tipe 6 V :





Yang dibawah ini , motor size 130 , 6V , 800 mA :

2. DRV8833 DC Dual Motor Controller

Modul DRV8833 komponen utamanya dari Texas Instruments
Dengan karakteristik :
Operating voltage :
2.7 - 10.8 Volt
Arus keluaran :
1.2 A ( Continous ) , 2 A ( Peak )
Output dapat dipararel untuk satu DC Motor
menghasilkan 2.4 A ( continous ) , 4 A ( Peak ).
Memiliki Dioda pelindung .
Over voltage , Over current & thermal shutdown.

 :





Aplikasi pada Arduino :

Jenis DC Motor yang sesuai , yang punya voltase kecil ( 3V )
tetapi memakan arus besar ketika stall , seperti motor Tamiya 3V
Berbeda dengan motor untuk DVD player , meski voltase kecil
tapi hanya memakan arus yang kecil juga , harga modul ini cukup
mahal dan agak sulit didapat di sini dibandingkan yang lain.
Sebenarnya lebih mudah menggantikan motor pada Tamiya Gearbox
dengan motor 6V , daripada membeli modul yang lebih mahal.
karena banyak pilihan IC Driver untuk motor 6V.

Tamiya Dual Gearbox ( Motor :Mabuchi FA-130 )

3. L293D Adafruit Arduino Shield














Adafruit DC Motor Shield digunakan bersama Arduino menggunakan
Library khusus ( AF_motor library ) . Konon karena adanya penggunaan
IC shift register dalam modul ini.
Banyak di clone / ditiru dan dijual di pasaran.
Ada yang menumpuk ( istilahnya : piggyback ) IC L293D dengan
menyolder diatasnya begitu saja secara pararel /sejajar agar menaikkan
rating arus , jika sebelumnya hanya 600 mA menjadi sedikit dibawah 1200 mA
gambar dibawah contoh IC L293D yang ditumpuk tapi posisinya salah ( terbalik )
Seharusnya pin 1 dengan pin 1 , pin 2 dgn 2 dst , ditumpuk sejajar.
Jadi cekungan tanda IC itu seharusnya disejajarkan.
hanya saja ada kehilangan tegangan ( Voltage drop ) yang cukup besar dalam
internal IC ini , baik ditumpuk maupun tidak , jadi kurang efisien.

  
 IC SN754410NE










IC sejenis dengan konfigurasi kaki pin yang sama adalah IC SN754410NE
Perbedaan antara IC L293D dengan SN754410NE adalah :
L293D memiliki Dioda internal ( " D " Berarti Diode ) , sedangkan
SN754410NE tidak memiliki Diode internal.


Jenis DC Motor yang sesuai :

4. L298N Module

Modul L298N komponen utamanya produksi dari STMicroelectronics
Karakteristik :
VS Power supply 50 Volt
VSS Logic supply 7 Volt
V1 VInput & Enable voltage -0.3 Volt to 7 Volt
Konon sebenarnya ditujukan untuk aplikasi Stepper motor
Kurang bagus jika digunakan untuk DC motor berukuran kecil.
Memiliki banyak varian board di pasaran.

Contoh aplikasi pada Arduino :

Jenis DC Motor yang sesuai :

5. TIP120 TRANSISTOR DRIVER



Link terkait :
http://www.mcmanis.com/chuck/robotics/tutorial/h-bridge/bjt-circuit.html
Andre Goncalves

Dijelaskan bahwa TIP120 , TIP125 , TIP102 dll bisa dipakai asalkan yang dua tipenya NPN dan dua lainnya tipe PNP , komponen lain yakni quad optocoupler yg seperti IC 16 kaki di samping transistor TIP ini.
4 buah Optocoupler yang terkemas dalam satu IC . Fungsinya mencegah interaksi langsung antara  DC Motor yang diberi tegangan besar dengan transistor TIP dan microcontroler.

 Jenis motor yang sesuai misal motor DC bekas komponen mobilan aki.

6. Dual H- BRIDGE MOSFET DRIVER

 

    Sabertooth 2 x 5 Mosfet Driver
Spesifikasi :


19g / 0.7oz

Input Voltage: 6V to 18V,
6-12 cell NiMH or NiCd,
2s-4s LiPo,
6V or 12V lead acid (not 18+V lead acid!)

5A continuous per channel, 10A peak

Synchronous regenerative drive
Ultra-sonic switching frequency
Thermal and overcurrent protection
Lithium protection mode

Input modes: Analog, R/C, simplified serial, packetized serial

Size: 1.8” x 1.6 ” x .5”
45 x 40 x 13 mm

Jenis motor yang dipakai : motor ukuran kecil
























   Sabertooth 2 X 60 Mosfet Driver
       Spesifikasi :

• 60A continuous, 120A peak per channel,
  6-30V nominal, 33.6V absolute maximum
• Synchronous regenerative drive
• Ultra-sonic switching frequency
• Thermal and overcurrent protection
• Lithium protection mode 
• Input modes: Analog, R/C, simplified serial, packetized serial
• Size: 3” x 3.5” x 1.8”, 76 x 89 x 46 mm
  Jenis motor yang dipakai ukuran besar , seperti motor
  untuk electric wheelchair dan otopet listrik  :

7. L9110S / HG7881 Dual Motor Driver

   Spesifikasi :

Motor Driver Features   
Motor Driver    HG7881 (L9110)
Motor Voltage    2.5-12 V
Motor Channels    2
Continuous Current per Channel    800 mA
Motor Connectors    Screw Terminals
Power Supply and Consumption   
Operating Voltage    2.5-12 V
Dimensions   
Size    31 x 22 x 12 mm (1.22 x 0.87 x 0.47 in)
Weight    7g (0.25oz)

HG7881 konon adalah versi buatan China dari modul
L9110S , disarankan tidak melebihi 0.5 A dalam pengoperasiannya
Perubahan arah putar motor secara mendadak dan intens juga berakibat
rusaknya modul ini. Mode stop tidak berfungsi menurut review pengguna.
Tapi harga yang ditawarkan sangat murah dibanding modul driver lainnya.

Gb contoh aplikasi diatas dari www. sysmagazine.com