Motor servo

Servomotor adalah servo mekanisme loop tertutup yang menggunakan umpan balik posisi untuk mengontrol gerakan dan posisi akhirnya. Input ke kontrolnya adalah sinyal (baik analog atau digital) yang mewakili posisi yang diperintahkan untuk poros output.

servomotor industriSilinder abu-abu/hijau adalah motor DC tipe sikat. Bagian hitam di bagian bawah berisi roda gigi reduksi planetary, dan objek hitam di atas motor adalah encoder putar optik untuk umpan balik posisi. Ini adalah aktuator kemudi kendaraan robot besar.

Motor dipasangkan dengan beberapa jenis posisi encoder untuk memberikan umpan balik posisi dan kecepatan. Dalam kasus yang paling sederhana, hanya posisi yang diukur. Posisi terukur dari output dibandingkan dengan posisi perintah, input eksternal ke controller. Jika posisi output berbeda dari yang diperlukan, sinyal kesalahan dihasilkan yang kemudian menyebabkan motor berputar ke arah mana pun, sesuai kebutuhan untuk membawa poros output ke posisi yang sesuai. Saat posisi mendekati, sinyal kesalahan berkurang ke nol dan motor berhenti.

Servomotors yang paling sederhana menggunakan penginderaan posisi-hanya melalui potensiometer dan kontrol bang-bang motor mereka; motor selalu berputar dengan kecepatan penuh (atau berhenti). Jenis servomotor ini tidak banyak digunakan dalam kontrol gerakan industri, tetapi membentuk dasar servos sederhana dan murah yang digunakan untuk model yang dikendalikan radio.

Servo yang lebih canggih menggunakan encoder rotary optik untuk mengukur kecepatan poros output [2] dan drive berkecepatan variabel untuk mengontrol kecepatan motor. Kedua perangkat tambahan ini, biasanya dalam kombinasi dengan algoritma kontrol PID, memungkinkan servomotor dibawa ke posisi yang diperintahkan lebih cepat dan lebih tepat, dengan sedikit overshooting.

Mekanisme

Servomotor adalah servomekanisme loop tertutup yang menggunakan umpan balik posisi untuk mengontrol gerakan dan posisi akhirnya. Input ke kontrolnya adalah sinyal (baik analog atau digital) yang mewakili posisi yang diperintahkan untuk poros output.

Motor dipasangkan dengan beberapa jenis encoder posisi untuk memberikan umpan balik posisi dan kecepatan. Dalam kasus yang paling sederhana, hanya posisi yang diukur. Posisi output yang diukur dibandingkan dengan posisi perintah, input eksternal ke pengontrol. Jika posisi keluaran berbeda dari yang diperlukan, sinyal kesalahan dihasilkan yang kemudian menyebabkan motor berputar ke kedua arah, sesuai kebutuhan untuk membawa poros keluaran ke posisi yang sesuai. Saat posisi mendekat, sinyal kesalahan berkurang menjadi nol dan motor berhenti.

Servomotor yang paling sederhana menggunakan penginderaan hanya posisi melalui potensiometer dan kontrol bang-bang motor mereka; motor selalu berputar dengan kecepatan penuh (atau berhenti). Jenis servomotor ini tidak banyak digunakan dalam kontrol gerak industri, tetapi merupakan dasar dari servo sederhana dan murah yang digunakan untuk model yang dikendalikan radio.

Servomotor yang lebih canggih menggunakan encoder putar optik untuk mengukur kecepatan poros keluaran ^[1] dan penggerak kecepatan variabel untuk mengontrol kecepatan motor.^[2] Kedua peningkatan ini, biasanya dalam kombinasi dengan algoritma kontrol PID, memungkinkan servomotor dibawa ke posisi yang diperintahkan dengan lebih cepat dan lebih tepat, dengan lebih sedikit overshoot.^[3]

Servomotor dan gearbox industri, dengan pemasangan flensa standar untuk kemudahan pertukaran

Motor servo vs. motor stepper

Motor servo umumnya digunakan sebagai alternatif performa tinggi untuk motor stepper. Motor stepper memiliki beberapa kemampuan bawaan untuk mengontrol posisi, karena mereka memiliki langkah-langkah keluaran bawaan. Hal ini sering memungkinkan mereka untuk digunakan sebagai kontrol posisi loop terbuka, tanpa encoder umpan balik, karena sinyal drive mereka menentukan jumlah langkah gerakan untuk memutar, tetapi untuk ini pengontrol perlu 'mengetahui' posisi motor stepper pada power up. Oleh karena itu, pada power up pertama, pengontrol harus mengaktifkan motor stepper dan memutarnya ke posisi yang diketahui, mis. sampai mengaktifkan saklar batas akhir. Ini dapat diamati saat menyalakan printer inkjet; pengontrol akan memindahkan pembawa ink jet ke kiri dan kanan ekstrem untuk menetapkan posisi akhir. Sebuah servomotor akan segera berbelok ke sudut mana pun yang diinstruksikan oleh pengontrol, terlepas dari posisi awal saat dihidupkan.

Kurangnya umpan balik motor stepper membatasi kinerjanya, karena motor stepper hanya dapat menggerakkan beban yang sesuai dengan kapasitasnya, jika tidak, langkah yang terlewat di bawah beban dapat menyebabkan kesalahan pemosisian dan sistem mungkin harus dihidupkan ulang atau dikalibrasi ulang. Encoder dan pengontrol servomotor adalah biaya tambahan, tetapi mereka mengoptimalkan kinerja sistem secara keseluruhan (untuk semua kecepatan, daya, dan akurasi) relatif terhadap kapasitas motor dasar. Dengan sistem yang lebih besar, di mana motor yang kuat mewakili proporsi biaya sistem yang meningkat, motor servo memiliki keunggulan.

Ada peningkatan popularitas di motor stepper loop tertutup dalam beberapa tahun terakhir Mereka bertindak seperti servomotors tetapi memiliki beberapa perbedaan dalam kontrol perangkat lunak mereka untuk mendapatkan gerakan halus. Keuntungan utama dari motor stepper loop tertutup adalah biayanya yang relatif rendah. Juga tidak perlu menyetel pengontrol PID pada sistem stepper loop tertutup.^[4]

Banyak aplikasi, seperti mesin pemotong laser, dapat ditawarkan dalam dua rentang, rentang harga rendah menggunakan motor stepper dan rentang kinerja tinggi menggunakan servomotors.^[5]

Pembuat enkode

Servomotor pertama dikembangkan dengan sinkronisasi sebagai encodernya.^[6] Banyak pekerjaan yang dilakukan dengan sistem ini dalam pengembangan radar dan artileri anti-pesawat selama Perang Dunia II.

Servomotor sederhana dapat menggunakan potensiometer resistif sebagai encoder posisinya. Ini hanya digunakan pada tingkat yang paling sederhana dan termurah, dan bersaing ketat dengan motor stepper. Mereka menderita keausan dan kebisingan listrik di jalur potensiometer. Meskipun dimungkinkan untuk membedakan sinyal posisi mereka secara elektrik untuk mendapatkan sinyal kecepatan, pengontrol PID yang dapat menggunakan sinyal kecepatan seperti itu umumnya memerlukan enkoder yang lebih presisi.

Servomotor modern menggunakan encoder putar, baik absolut maupun inkremental. Encoder absolut dapat menentukan posisinya saat dihidupkan, tetapi lebih rumit dan mahal. Encoder tambahan lebih sederhana, lebih murah, dan bekerja dengan kecepatan lebih cepat. Sistem tambahan, seperti motor stepper, sering menggabungkan kemampuan bawaannya untuk mengukur interval rotasi dengan sensor posisi nol sederhana untuk mengatur posisinya saat start-up.

Alih-alih servomotor, kadang-kadang digunakan motor dengan encoder linier eksternal yang terpisah.^[7] Sistem encoder motor + linier ini menghindari ketidakakuratan dalam drivetrain antara motor dan carriage linier, tetapi desainnya dibuat lebih rumit karena tidak lagi merupakan sistem pra-paket buatan pabrik.

Motor

Jenis motor tidak penting untuk servomotor dan jenis yang berbeda dapat digunakan. Paling sederhana, motor DC magnet permanen yang disikat digunakan, karena kesederhanaannya dan biayanya yang rendah. Servomotors industri kecil biasanya motor brushless komutasi elektronik. Untuk servomotor industri besar, motor induksi AC biasanya digunakan, seringkali dengan penggerak frekuensi variabel untuk memungkinkan kontrol kecepatannya. Untuk kinerja terbaik dalam paket yang ringkas, motor AC brushless dengan medan magnet permanen digunakan, versi besar motor listrik DC Brushless secara efektif.^[8]

Modul penggerak untuk servomotor adalah komponen industri standar. Desain mereka adalah cabang dari elektronika daya, biasanya didasarkan pada MOSFET tiga fase atau jembatan IGBT H. Modul standar ini menerima satu arah dan jumlah pulsa (jarak rotasi) sebagai input. Mereka juga dapat mencakup pemantauan suhu berlebih, torsi berlebih, dan fitur deteksi kios.^[9] Karena jenis encoder, rasio gearhead, dan dinamika sistem keseluruhan adalah aplikasi khusus, lebih sulit untuk menghasilkan pengontrol keseluruhan sebagai modul yang siap pakai dan karenanya ini sering diimplementasikan sebagai bagian dari pengontrol utama.

Kontrol

Kebanyakan servomotor modern dirancang dan dipasok di sekitar modul pengontrol khusus dari pabrikan yang sama. Kontroler juga dapat dikembangkan di sekitar mikrokontroler untuk mengurangi biaya untuk aplikasi volume besar.^[10]

Servomotor terintegrasi

Servomotor terintegrasi dirancang untuk memasukkan motor, driver, encoder, dan elektronik terkait ke dalam satu paket.^[11]

^ Theory and design of CNC systems. Suk-Hwan Suh. London: Springer. 2008. ISBN 978-1-84800-336-1. OCLC 288440319.
^ Gieras, Jacek F. (2010). Permanent magnet motor technology : design and applications (edisi ke-3rd ed). Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-1-4200-6441-4. OCLC 641702383. Pemeliharaan CS1: Teks tambahan (link)
^ Der, R. (2012). The playful machine : theoretical foundation and practical realization of self-organizing robots. Georg Martius. Berlin. ISBN 978-3-642-20253-7. OCLC 773697444.
^ "The FASTECH integrated packaging system". Microelectronics Reliability. 27 (4): 789. 1987-01. doi:10.1016/0026-2714(87)90101-6. ISSN 0026-2714.
^ Firoozian, Riazollah (2009). Stepping Servo Motors. Boston, MA: Springer US. hlm. 81–89. ISBN 978-0-387-85458-8.
^ Ltd., Muirhead and Co (1957-02). ""Synchro" test equipment". Journal of Scientific Instruments. 34 (2): 78–78. doi:10.1088/0950-7671/34/2/419. ISSN 0950-7671.
^ Encoders. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc. hlm. 151–161.
^ GLUMINEAU, A.; HAMY, M.; LANIER, C.; MOOG, C. H. (1993-11). "Robust control of a brushless servo motor via sliding mode techniques". International Journal of Control. 58 (5): 979–990. doi:10.1080/00207179308923039. ISSN 0020-7179.
^ "Original PDF". dx.doi.org. Diakses tanggal 2022-04-24.
^ Aziz, Md. Abdul; Imteaz, Monzur A.; Rasel, H.M.; Phillips, Donald (2015). "Development and performance testing of 'Comb Separator', a novel sewer overflow screening device". International Journal of Environment and Waste Management. 16 (3): 248. doi:10.1504/ijewm.2015.073033. ISSN 1478-9876.
^ Frontiers in robotics research. Max A. Denket. New York: Nova Science Publishers. 2006. ISBN 1-60021-097-X. OCLC 65301724.

[1] Theory and design of CNC systems. Suk-Hwan Suh. London: Springer. 2008. ISBN 978-1-84800-336-1. OCLC 288440319.

[2] Gieras, Jacek F. (2010). Permanent magnet motor technology : design and applications (edisi ke-3rd ed). Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-1-4200-6441-4. OCLC 641702383. Pemeliharaan CS1: Teks tambahan (link)

[3] Der, R. (2012). The playful machine : theoretical foundation and practical realization of self-organizing robots. Georg Martius. Berlin. ISBN 978-3-642-20253-7. OCLC 773697444.

[4] "The FASTECH integrated packaging system". Microelectronics Reliability. 27 (4): 789. 1987-01. doi:10.1016/0026-2714(87)90101-6. ISSN 0026-2714.

[5] Firoozian, Riazollah (2009). Stepping Servo Motors. Boston, MA: Springer US. hlm. 81–89. ISBN 978-0-387-85458-8.

[6] Ltd., Muirhead and Co (1957-02). ""Synchro" test equipment". Journal of Scientific Instruments. 34 (2): 78–78. doi:10.1088/0950-7671/34/2/419. ISSN 0950-7671.

[7] Encoders. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc. hlm. 151–161.

[8] GLUMINEAU, A.; HAMY, M.; LANIER, C.; MOOG, C. H. (1993-11). "Robust control of a brushless servo motor via sliding mode techniques". International Journal of Control. 58 (5): 979–990. doi:10.1080/00207179308923039. ISSN 0020-7179.

[9] "Original PDF". dx.doi.org. Diakses tanggal 2022-04-24.

[10] Aziz, Md. Abdul; Imteaz, Monzur A.; Rasel, H.M.; Phillips, Donald (2015). "Development and performance testing of 'Comb Separator', a novel sewer overflow screening device". International Journal of Environment and Waste Management. 16 (3): 248. doi:10.1504/ijewm.2015.073033. ISSN 1478-9876.

[11] Frontiers in robotics research. Max A. Denket. New York: Nova Science Publishers. 2006. ISBN 1-60021-097-X. OCLC 65301724.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]