Motor Servo DC : Konstruksi, Kerja, Antarmuka dengan Arduino & Aplikasinya

SEBUAH motor servo atau servo adalah salah satu jenis motor listrik yang digunakan untuk memutar bagian-bagian mesin dengan presisi tinggi. Motor ini mencakup rangkaian kontrol yang memberikan umpan balik pada lokasi poros motor saat ini sehingga umpan balik ini memungkinkan motor ini berputar dengan presisi tinggi. Motor Servo bermanfaat dalam memutar objek pada jarak atau sudut tertentu. Motor ini diklasifikasikan menjadi dua jenis motor servo AC dan motor servo DC. Jika motor servo menggunakan daya DC untuk bekerja maka motor tersebut disebut motor servo DC sedangkan jika bekerja dengan daya AC maka dikenal dengan motor servo AC. Tutorial ini memberikan informasi singkat tentang motor servo DC – bekerja dengan aplikasi.

Apa itu Motor Servo DC?

Motor servo yang menggunakan input listrik DC untuk menghasilkan output mekanis seperti posisi, kecepatan, atau akselerasi disebut motor servo DC Umumnya, jenis motor ini digunakan sebagai penggerak utama dalam mesin yang dikontrol secara numerik, komputer, dan banyak lagi di mana pun mulai & berhenti dibuat tepat & sangat cepat.

Konstruksi dan Cara Kerja Motor Servo DC

Motor servo DC dibangun dengan berbagai komponen yang diberikan dalam diagram blok berikut. Dalam diagram ini, masing-masing komponen dan fungsinya dibahas di bawah ini.

Motor yang digunakan adalah motor DC tipikal termasuk belitan medannya yang dieksitasi secara terpisah. Jadi tergantung pada sifat eksitasi, selanjutnya dapat dikategorikan sebagai motor servo yang dikendalikan oleh angker & dikendalikan medan.

Beban yang digunakan dalam hal ini adalah kipas sederhana atau beban industri yang hanya dihubungkan ke poros mekanik motor.

Gearbox dalam konstruksi ini bekerja seperti transduser mekanis untuk mengubah output motor seperti akselerasi, posisi, atau kecepatan tergantung pada aplikasinya.

Fungsi utama sensor posisi adalah untuk mendapatkan sinyal umpan balik yang setara dengan posisi beban saat ini. Umumnya, ini adalah potensiometer yang digunakan untuk memberikan tegangan yang sebanding dengan sudut absolut poros motor melalui mekanisme roda gigi.

Fungsi komparator adalah membandingkan output daya dari sensor posisi & titik referensi untuk menghasilkan sinyal kesalahan dan memberikannya ke amplifier. Jika motor DC bekerja dengan kontrol yang tepat, maka tidak ada kesalahan. Sensor posisi, gearbox & komparator akan membuat sistem menjadi loop tertutup.

Fungsi penguat adalah untuk memperkuat kesalahan dari komparator & mengumpankannya ke motor DC. Jadi, ini berfungsi seperti pengontrol proporsional di mana pun gain diperkuat untuk kesalahan keadaan tunak nol.

Sinyal yang dikontrol memberikan input ke PWM (modulator lebar pulsa) tergantung pada sinyal umpan balik sehingga memodulasi input motor untuk kontrol yang presisi jika tidak, kesalahan keadaan tunak nol. Selanjutnya, modulator lebar pulsa ini menggunakan bentuk gelombang referensi & pembanding untuk menghasilkan pulsa.

Dengan membuat sistem loop tertutup, percepatan, kecepatan, atau posisi yang tepat diperoleh. Seperti namanya, motor servo adalah motor yang dikendalikan yang memberikan output pilihan karena efek umpan balik & pengontrol. Sinyal kesalahan hanya diperkuat & digunakan untuk menggerakkan motor servo. Bergantung pada sinyal kontrol & sifat penghasil modulator lebar pulsa, motor ini memiliki metode kontrol yang unggul dengan chip FPGA atau prosesor sinyal digital.

Cara kerja motor servo DC adalah; setiap kali sinyal input diterapkan ke motor dc kemudian memutar poros & roda gigi. Jadi pada dasarnya, putaran keluaran roda gigi diumpankan kembali ke sensor posisi (potensiometer) yang kenopnya berputar & mengubah resistansinya. Setiap kali resistansi diubah maka tegangan diubah yang merupakan sinyal kesalahan yang dimasukkan ke pengontrol & akibatnya dihasilkan PWM.

Untuk mengetahui lebih lanjut tentang jenis-jenis motor servo DC, silakan merujuk ke tautan ini: Berbagai Jenis Motor Servo .

Fungsi Transfer Motor Servo DC

Fungsi transfer dapat didefinisikan sebagai rasio transformasi Laplace (LT) dari variabel output daya ke LT ( Transformasi Laplace ) dari variabel input daya. Umumnya, motor DC mengubah energi dari listrik menjadi mekanik. Energi listrik yang disediakan di terminal jangkar diubah menjadi energi mekanik yang dikendalikan.

Fungsi transfer motor servo DC yang dikontrol jangkar ditunjukkan di bawah ini.

θ(s)/Va(s) = (K1/(Js2 + Bs)*(Las + Ra)) /1 + (K1KbKs)/(Js2 + Bs)*(Las+Ra)

Fungsi transfer servomotor dc yang dikontrol medan ditunjukkan di bawah ini.

θ(s)/Vf (s) = Kf / (sLf + Rf) * (s2J + Bs)

Motor servo dc yang dikontrol jangkar memberikan kinerja yang unggul karena sistem loop tertutup jika dibandingkan dengan motor servo dc yang dikontrol medan yang merupakan sistem loop terbuka. Selain itu, kecepatan respons lambat dalam sistem kontrol lapangan. Dalam kasus kontrol angker, induktansi angker dapat diabaikan, sedangkan dalam kasus kontrol medan, induktansinya tidak sama. Namun, pada kontrol Infield, redaman yang lebih baik tidak dapat dicapai, sedangkan pada kontrol jangkar, hal itu dapat dicapai.

Spesifikasi

Motor servo DC memberikan spesifikasi kinerja yang meliputi berikut ini. Spesifikasi ini harus disesuaikan berdasarkan kebutuhan beban aplikasi untuk mengukur motor dengan benar.

• Kecepatan poros hanya menentukan kecepatan di mana poros berputar, dinyatakan dalam RPM (rotasi per menit).
• Biasanya, kecepatan yang ditawarkan oleh pabrikan adalah kecepatan tanpa beban dari poros output daya atau kecepatan di mana torsi keluaran motor adalah nol.
• Tegangan terminal adalah tegangan desain motor yang menentukan kecepatan motor. Kecepatan ini hanya dikontrol dengan menambah atau mengurangi tegangan yang disuplai ke motor.
• Gaya rotasi seperti torsi dihasilkan oleh poros motor servo dc. Jadi, torsi yang dibutuhkan untuk motor ini hanya ditentukan oleh karakteristik kecepatan-torsi dari berbagai beban yang dialami dalam aplikasi target. Torsi ini adalah dua jenis torsi awal dan torsi kontinu.
• Torsi awal adalah torsi yang diperlukan saat memulai motor servo. Torsi ini biasanya lebih tinggi dibandingkan dengan torsi kontinu.
• Torsi kontinu adalah torsi keluaran yang merupakan kapasitas motor dalam kondisi berjalan konstan.
• Motor ini harus memiliki kapasitas kecepatan & torsi yang memadai untuk aplikasi termasuk margin 20 hingga 30% antara kebutuhan beban dan peringkat motor untuk memastikan keandalan. Ketika margin ini melebihi terlalu banyak maka efektivitas biaya akan berkurang spesifikasi Motor Servo DC Tanpa Biji 12V DC dari Faulhaber adalah:
• Rasio Gearbox adalah 64: l Planetary Three Stage Gear Box.
• Arus Beban adalah Daya 1400 mA.
• Kekuatannya 17W.
• Kecepatannya 120RPM.
• Tanpa Beban Saat Ini adalah 75mA.
• Jenis Encoder adalah Optik.
• Resolusi Encoder adalah 768CPR dari O/P Shaft.
• Diameternya 30mm.
• Panjangnya 42mm.
• Panjang total adalah 85mm.
• Diameter Poros adalah 6mm.
• Panjang poros adalah 35mm.
• Torsi warung adalah 52kgcm.

Karakteristik

Itu karakteristik motor DC servo termasuk berikut ini.

• Desain motor Servo DC mirip dengan Magnet Permanen atau Motor DC yang digerakkan secara terpisah.
• Pengaturan kecepatan motor ini dilakukan dengan mengatur tegangan jangkar.
• Motor servo dirancang dengan ketahanan jangkar yang tinggi.
• Ini memberikan respons torsi cepat.
• Perubahan langkah dalam tegangan jangkar menghasilkan perubahan cepat pada kecepatan motor.

Motor Servo AC Vs Motor Servo DC

Perbedaan antara motor servo DC dan motor servo AC adalah sebagai berikut.

Antarmuka Motor Servo DC dengan Arduino

Untuk mengontrol motor servo DC pada sudut yang tepat dan diperlukan, papan Arduino/mikrokontroler lainnya dapat digunakan. Papan ini memiliki output daya analog yang menghasilkan sinyal PWM untuk memutar motor servo pada sudut yang tepat. Anda juga dapat memindahkan posisi sudut motor servo dengan potensiometer atau menekan tombol menggunakan Arduino.

Motor servo juga dapat dikontrol dengan remote IR yang tersedia dengan mudah. Remote ini sangat membantu dalam menggerakkan motor servo dc ke sudut tertentu atau menambah atau mengurangi sudut motor secara linier dengan remote IR.

Di sini kita akan membahas tentang cara menggerakkan motor servo menggunakan remote IR menggunakan Arduino pada sudut tertentu dan juga menambah atau mengurangi sudut motor servo dengan remote searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam. Diagram antarmuka motor servo DC dengan Arduino dan remote IR ditunjukkan di bawah ini. Sambungan dari interfacing ini adalah sebagai berikut;

Antarmuka ini terutama menggunakan tiga komponen penting seperti motor servo dc, papan Arduino, dan sensor IR TSOP1738. Sensor ini memiliki tiga terminal seperti Vcc, GND & output. Terminal Vcc sensor ini terhubung ke 5V papan Arduino Uno, terminal GND sensor ini terhubung ke terminal GND papan Arduino & terminal output terhubung ke pin 12 (input digital) papan Arduino.

Pin output digital 5 hanya dihubungkan ke pin input sinyal motor servo untuk menggerakkan motor
Motor servo dc + ve pin diberikan ke suplai 5V eksternal dan pin GND dari motor servo diberikan ke pin GND Arduino.

Bekerja

Remote IR digunakan untuk melakukan dua tindakan 30 derajat, 60 derajat, dan 90 derajat, dan juga untuk Menaikkan/mengurangi sudut motor dari 0 hingga 180 derajat.

Remote memiliki banyak tombol seperti tombol angka (0-9), tombol untuk kontrol sudut, tombol panah, tombol atas/bawah, dll. Begitu tombol angka dari 1 – 5 ditekan, maka motor servo dc akan bergerak ke sana. sudut yang tepat dan ketika tombol sudut atas/bawah ditekan maka sudut motor dapat diatur dengan tepat ±5 derajat.

Setelah tombol diputuskan, kode tombol ini perlu didekode. Setelah tombol apa pun dari remote ditekan, maka itu akan mengirimkan satu kode untuk melakukan tindakan yang diperlukan. Untuk memecahkan kode kode jarak jauh ini, pustaka jarak jauh IR digunakan dari internet.

Unggah program berikut ke Arduino & sambungkan sensor IR. Sekarang tempatkan remote ke arah sensor IR & tekan tombol. Setelah itu, buka serial monitor & monitor kode tombol yang ditekan berupa angka.

Kode Arduino

#include // tambahkan pustaka jarak jauh IR
#include // tambahkan pustaka motor servo
layanan layanan1;
int IRpin = 12; // pin untuk sensor IR
int sudut_motor=0;
IRrecv irecv(IRpin);
hasil decode_results;
pengaturan batal()
{
Serial.mulai(9600); // menginisialisasi komunikasi serial
Serial.println(“Motor servo kendali jarak jauh IR”); // menampilkan pesan
irrecv.enableIRIn(); // Mulai penerima
servo1.attach(5); // mendeklarasikan pin motor servo
servo1.write(motor_angle); // gerakkan motor ke 0 deg
Serial.println(“Sudut motor servo 0 derajat”);
penundaan (2000);
}
lingkaran kosong()
{
while(!(irrecv.decode(&hasil))); // tunggu sampai tidak ada tombol yang ditekan
if (irrecv.decode(&results)) // saat tombol ditekan dan kode diterima
{
if(results.value==2210) // periksa apakah tombol digit 1 ditekan
{
Serial.println(“sudut motor servo 30 derajat”);
sudut_motor = 30;
servo1.write(motor_angle); // pindahkan motor ke 30 derajat
}
else if(results.value==6308) // jika tombol angka 2 ditekan
{
Serial.println(“sudut motor servo 60 derajat”);
sudut_motor = 60;
servo1.write(motor_angle); // pindahkan motor ke 60 derajat
}
lain jika(hasil.nilai==2215) // seperti bijaksana untuk semua tombol digit
{
Serial.println(“sudut motor servo 90 derajat”);
sudut_motor = 90;
servo1.write(motor_angle);
}
lain jika(hasil.nilai==6312)
{
Serial.println(“sudut motor servo 120 derajat”);
sudut_motor = 120;
servo1.write(motor_angle);
}
lain jika(hasil.nilai==2219)
{
Serial.println(“sudut motor servo 150 derajat”);
sudut_motor = 150;
servo1.write(motor_angle);
}
else if(results.value==6338) // jika tombol volume UP ditekan
{
if(sudut_motor<150) sudut_motor+=5; // tingkatkan sudut motor
Serial.print(“Sudut motor adalah “);
Serial.println(motor_angle);
servo1.write(motor_angle); // dan gerakkan motor ke sudut itu
}
else if(results.value==6292) // jika tombol volume turun ditekan
{
if(sudut_motor>0) sudut_motor-=5; // kurangi sudut motor
Serial.print(“Sudut motor adalah “);
Serial.println(motor_angle);
servo1.write(motor_angle); // dan gerakkan motor ke sudut itu
}
penundaan (200); // tunggu selama 0,2 detik
irrecv.resume(); // sekali lagi bersiaplah untuk menerima kode selanjutnya
}
}

Suplai ke motor servo DC diberikan dari 5V eksternal & suplai ke sensor IR & papan Arduino diberikan dari USB. Setelah daya diberikan ke motor servo kemudian bergerak ke 0 derajat. Setelah itu akan muncul pesan “servo motor angle is 0 deg” pada serial monitor.

Nah pada remote, setelah tombol 1 ditekan maka motor servo dc akan bergerak 30 derajat. Demikian pula, sekali tombol seperti 2, 3, 4, atau 5 ditekan maka motor akan bergerak dengan sudut yang diinginkan seperti 60 derajat, 90 derajat, 120 derajat, atau 150 derajat. Sekarang, serial monitor akan menampilkan posisi sudut motor servo sebagai “sudut motor servo xx derajat”

Begitu tombol volume up ditekan maka sudut motor akan bertambah 5 derajat yang artinya jika 60 derajat maka akan berpindah menjadi 65 derajat. Sehingga posisi sudut baru akan ditampilkan pada serial monitor.

Begitu juga saat tombol sudut turun ditekan, maka sudut motor akan berkurang 5 derajat yang artinya, jika sudutnya 90 derajat, maka akan bergerak menjadi 85 derajat. Sinyal dari remote IR dirasakan oleh sensor IR. Untuk mengetahui bagaimana indera dan cara kerja sensor IR, klik di sini

Sehingga posisi sudut baru akan ditampilkan pada serial monitor. Oleh karena itu, kita dapat dengan mudah mengontrol sudut motor servo dc dengan remote Arduino & IR.

Untuk mengetahui cara interface Motor DC dengan mikrokontroler 8051 klik di sini

Keuntungan Motor Servo DC

Itu keuntungan dari motor DC servo termasuk berikut ini.

• Pengoperasian motor servo DC stabil.
• Motor ini memiliki daya keluaran yang jauh lebih tinggi daripada ukuran & berat motor.
• Ketika motor ini berjalan dengan kecepatan tinggi maka mereka tidak menimbulkan suara apapun.
• Pengoperasian motor ini bebas getaran & resonansi.
• Jenis motor ini memiliki rasio torsi dan inersia yang tinggi & dapat mengambil beban dengan sangat cepat.
• Mereka memiliki efisiensi tinggi.
• Mereka memberikan tanggapan cepat.
• Ini portabel & ringan.
• Pengoperasian Empat Kuadran dimungkinkan.
• Pada kecepatan tinggi, ini terdengar senyap.

Itu kerugian dari motor DC servo termasuk berikut ini.

• Mekanisme pendinginan motor servo DC tidak efisien. Jadi motor ini cepat tercemar setelah berventilasi.
• Motor ini menghasilkan daya keluaran maksimum pada kecepatan torsi yang lebih tinggi & memerlukan persneling reguler.
• Motor ini bisa rusak karena kelebihan beban.
• Mereka memiliki desain yang kompleks & membutuhkan encoder.
• Motor ini membutuhkan penyetelan untuk menstabilkan loop umpan balik.
• Itu membutuhkan perawatan.

Aplikasi Motor Servo DC

Itu aplikasi motor DC servo termasuk berikut ini.

• Motor servo DC digunakan dalam peralatan mesin untuk memotong dan membentuk logam.
• Ini digunakan untuk penentuan posisi antena, pencetakan, pengemasan, pengerjaan kayu, tekstil, pembuatan benang atau tali, CMM (Mesin pengukur koordinat), menangani bahan, memoles lantai, membuka pintu, meja X-Y, peralatan medis, dan pemintalan wafer.
• Motor ini digunakan dalam sistem kontrol pesawat di mana keterbatasan ruang & berat membutuhkan motor untuk menghasilkan daya tinggi untuk setiap unit volume.
• Ini berlaku di mana torsi awal yang tinggi diperlukan seperti penggerak & kipas blower.
• Ini juga digunakan terutama untuk robotika, perangkat pemrograman, aktuator elektromekanis, peralatan mesin, pengontrol proses, dll.

Jadi, ini adalah gambaran dari dc motor servo - bekerja dengan aplikasi. Motor servo ini digunakan di berbagai industri untuk memberikan solusi bagi banyak gerakan mekanis. Fitur motor ini akan membuatnya sangat efisien & bertenaga. Ini pertanyaan untuk Anda, apa itu AC Servo Motor?