Mengenal Motor Servo dan Sistem Servo

Sebelum kita membahas tentang motor servo (servo motor), kita perlu berbicara tentang sistem servo (servo system). Sistem servo adalah sistem kontrol yang menggunakan sistem umpan balik negatif (negative feedback system), dalam rangka untuk memberikan kompensasi pada sistem yang dikontrol agar menghasilkan output sesuai dengan yang kita inginkan.

Meskipun sistem dengan umpan balik kecepatan saja sudah bisa dikatakan sebagai sistem servo, namun biasanya sistem servo ditujukan pada sistem yang memiliki umpan balik posisi maupun kecepatan sekaligus.

Nah, motor yang digunakan pada suatu sistem servo kemudian disebut sebagai motor servo. Dengan demikian, motor servo adalah motor yang bekerja dengan disertai sensor yang mampu memberikan umpan balik kepada controller. Dengan definisi ini, motor servo bisa berupa motor AC maupun motor DC. Demikian pula, bisa berupa “brushed motor” maupun “brushless motor”. Yang penting, ada umpan baliknya alias digunakan dalam sistem “closed-loop”. Dalam implementasinya, motor servo bisa berupa motor servo analog ataupun motor servo digital. Adapun sensor yang digunakan bisa berupa potentiometer, encoder, maupun resolver.

Dengan definisi ini, motor yang posisinya bisa dikontrol secara “open-loop”, yaitu motor stepper, bukanlah motor servo. Karena motor servo hanya bisa digunakan bersama-sama dengan sensor posisi untuk umpan balik maka penggunaan motor servo membutuhkan biaya yang lebih besar daripada penggunaan motor stepper.

Motor servo juga bisa dibedakan antara yang “limited motion” dan yang “continuous”. Motor servo yang “limited motion” memiliki batas sudut putar kurang dari 360 derajat. Biasanya sampain 180 derajat saja. Sedangkan motor servo yang “continuous” tidak memiliki batas putaran. Mana yang kita pilih tergantung pada aplikasi yang kita butuhkan. Jika motor servo hendak digunakan untuk memutar lead screw atau ball screw, maka kita perlu motor servo yang “continuous”. Namun jika kita memerlukan gerakan dengan sudut maksimal yang terbatas dan kurang dari 360 derajat, maka motor servo yang “limited motion” lebih cocok untuk kita pakai.

Antara Motor Servo dan Motor Stepper

Jika kita bandingkan antara motor servo dan motor stepper, diantara perbandingannya dari berbagai segi adalah sebagai berikut:

• Dari segi biaya, motor servo lebih mahal daripada motor stepper.
• Dari segi torsi yang dihasilkan, motor stepper menghasilkan torsi yang lebih besar pada kecepatan rendah. Ketika kecepatan ditingkatkan, torsi yang dihasilkan akan turun secara drastis. Adapun torsi yang dihasilkan oleh motor servo tetap bagus meskipun pada kecepatan tinggi.
• Dari segi berat, motor servo memiliki rasio torsi/berat yang lebih besar daripada motor stepper. Artinya, dengan berat yang sama, motor servo bisa menghasilkan torsi yang lebih besar.
• Dari segi akurasi, akurasi motor stepper biasanya terbatas sampai 1.8 derajat atau 0.9 derajat per step saja. Hanya saja, dengan menggunakan microstepping driver, besaran sudut per step bisa diturunkan menjadi sangat kecil. Adapun akurasi motor servo tergantung pada akurasi sensor posisi yang digunakan.
• Motor servo tidak bisa slip karena senantiasa dikontrol secara “closed-loop”. Setiap error akan langsung dikompensasi secara real-time. Adapun motor stepper bisa slip jika melebihi “rated speed”-nya atau kelebihan beban tanpa bisa dikompensasi. Hanya saja belakangan cukup banyak orang yang menggunakan motor stepper secara “closed-loop”.
• Motor stepper memiliki holding torque yang lebih besar daripada motor servo. Yang dimaksud dengan holding torque disini adalah torsi yang dihasilkan oleh motor ketika power on tetapi rotor dalam kondisi diam.
• Motor stepper tetap holding (locking) ketika power dimatikan. Inilah yang disebut sebagai “detent torque” atau “residual torque”. Adapun motor servo pada umumnya tidak lagi holding (locking) ketika power dimatikan. Namun belakangan muncul beberapa motor DC yang bisa self-locking, yakni tetap locking ketika power dimatikan.
• Motor stepper biasa digunakan secara “direct drive”, sedangkan motor servo lazimnya digunakan bersama-sama dengan sistem transmisi (gear box).
• Motor servo harus digunakan dengan sistem kontrol tertentu, paling tidak kontrol PID. Dan ini membutuhkan tuning. Adapun motor stepper, ketika digunakan secara “open-loop”, tentu saja tidak membutuhkan kontrol PID dan karenanya tidak perlu tuning, alias bisa langsung “plug-and-play”.
• Motor stepper sangat mudah didapatkan di pasaran, bahkan di pasar lokal. Motor servo relatif lebih sulit didapatkan di pasaran, bahkan seringkali hanya bisa didapatkan dengan cara impor.

Perbandingan diatas bisa digunakan sebagai patokan atau konsideran ketika akan memilih antara motor servo atau motor stepper. Kita tidak bisa mengatakan mana yang lebih baik antara motor servo dan motor stepper karena keduanya adalah teknologi yang berbeda. Masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing.

Antara Analog dan Digital

Dalam sebuah sistem kontrol “closed-loop”, terdapat controller yang mengirim sinyal ke drive, kemudian drive mengirim sinyal ke motor servo. Sinyal yang dikirimkan oleh controller kepada drive bisa berupa sinyal digital dan bisa pula berupa sinyal analog. Sinyal digital biasanya berupa PWM, yang bisa dipandang sebagai sinyal ON dan OFF, dengan “pulse width” dan frekuensi tertentu. ON jika voltasenya HIGH, dan OFF jika voltasenya LOW. Contohnya adalah sinyal kontrol yang keluar dari Arduino, yaitu yang berasal dari pin digital bertanda ~. Adapun sinyal analog biasanya adalah +- 10VDC, dimana +10V menunjukkan angka maksimal dengan arah positif sedangkan -10V menunjukkan angka maksimal dengan arah negatif. Contoh controller yang mengeluarkan sinyal kontrol analog adalah Galil Controller.

Controller yang memberikan output digital hanya bisa langsung disambungkan dengan drive yang bisa menerima sinyal tersebut (yang juga disebut disebut sebagai drive digital). Demikian pula controller yang memberikan output analog (+- 10VDC) juga hanya bisa langsung disambungkan dengan drive yang bisa menerima sinyal analog tersebut (yang juga disebut disebut sebagai drive analog). Ada juga drive yang memiliki kompatibilitas untuk menerima sinyal masukan analog dan juga digital.

Meski fungsi drive yang paling mendasar adalah sebagai amplifier, namun dengan berkembangnya teknologi drive, seringkali batas antara drive dan controller menjadi tidak jelas. Artinya, beberapa drive juga memiliki kemampuan sebagai controller. Yang jelas, “PID tuning” untuk setiap motor biasanya dilakukan pada level drive. Tidak jarang drive memiliki kapabilitas “PID tuning” dengan software, bahkan “PID auto-tuning”. Hanya saja, tidak jarang drive memiliki kemampuan lebih dari itu.

Sebagian drive analog memiliki kemampuan kontrol PID, misalnya Metronix Servo Drive. Kapabilitas kontrol PID pada drive seperti ini seringkali hanya bisa digunakan untuk satu axis saja. Namun tidak jarang pula yang memungkinkan untuk dioperasikan dalam mode “master and slave”.

Adapun drive digital, dengan kemajuan teknologinya yang makin pesat, malah tidak sedikit yang bukan hanya memiliki kontrol PID, namun juga “programmable”, sehingga seolah-olah sampai level tertentu memiliki kemampuan sebagai controller juga. Pada akhirnya, beberapa drive digital memiliki fungsi ganda: sebagai controller dan juga sebagai drive. Drive digital biasanya juga bisa dioperasikan dalam sebuah skema “distributed control (network control)”.

Motor servo yang dikontrol dengan PWM bisa dibagi lagi menjadi motor servo analog dan digital. Keduanya berbeda dalam hal sinyal PWM yang dipakai untuk mengontrol motor. Perbedaan antara sinyal PWM untuk motor servo analog dan digital ditunjukkan dalam gambar berikut:

Kita bisa melihat pada gambar diatas bahwa “pulse” pada motor servo digital dikirimkan dengan frekuensi yang lebih tinggi. Jika “pulse” pada motor servo analog biasanya dikirimkan dengan frekuensi 50 Hz, maka “pulse” pada motor servo digital bisa dikirimkan sampai dengan frekuensi 300 Hz. Akibatnya, kecepatan motor lebih tinggi, respons lebih cepat (kemampuan akselerasi lebih tinggi), gerakan lebih halus, dan torsi lebih konstan.

Motor servo digital dilengkapi dengan mikroprosesor sehingga bisa memproses dan mengirimkan sinyal PWM digital. Ini membuat motor servo digital biasanya lebih mahal. Salah satu contoh motor servo digital adalah Dynamixel. Hanya saja motor Dynamixel ini banyak yang dijual satu paket dengan potentiometer sebagai sensor umpan baliknya, yang mana potentiometer ini bukanlah sensor posisi dengan akurasi yang tinggi. Namun ada beberapa seri motor Dynamixel yang menggunakan encoder, bukan potentiometer.