SERVO amplifier
Servo amplifier merupakan salah satu bagian dari sebuah sistim rangkaian tertutup yang mengontrol sistim penempatan posisi dengan ketepatan yang tinggi. Sebuah servo driver yang ideal memiliki karakteristik sebagai berikut:
1. Memiliki kecepatan yang konstan
Kemampuan sebuah servo driver dalam mengoreksi kecepatan dipengaruhi oleh perintah / input untuk kecepatan. Sebuah tachometer berfungsi untuk membangkitkan signal yang disebut "proportional error signal" atau sinyal eror proporsional yang besarnya didapat dari selisih antara tegangan masukan pengatur kecepatan dan tegangan yang dihasilkan dari kecepatan motor yang sebenarnya. penambahan beban pada poros motor servo akan mengakibatkan sebuah kesalahan atau "error". Signal error ini dibangkitkan oleh rangkaian tachometer dengan cara mengurangkan signal masukan untuk pengatur kecepatan dengan signal kecepatan motor yang sebenarnya. Setelah signal error dibangkitkan oleh rangkaian tachometer, maka sinyal ini akan dijumlahkan dengan signal masukan pengatur kecepatan untuk memperbaiki kesalahan kecepatan motor. Ini bisa dibuktikan ketika motor pada kondisi moderate speed atau kecepatan konstan, kemudian pada motor tersebut ditambahkan sebuah beban, maka motor akan memperbaiki kecepatanya ketika mulai ada penurunan putaran.
2. Percepatan tak terbatas
Secara teori, servo amplifier harus memiliki kemampuan menghasilkan percepatan yang tak terbatas, hal ini dapat kita lihat ketika motor memulai putaran dan ketika motor tepat akan berhenti. Pada kenyataanya servo system memiliki respon kritis.
3. Tanggapan linear
Servo amplifier akan memberikan tanggapan secara proporsional terhadap perubahan pada input pengatur kecepatan. Servo amplifier (analog) memanfaatkan tegangan analog sebagai signal masukan pengatur kecepatan guna mengatur kecepatan baik ketika motor berputar searah jarum jam maupun ketika motor berputar berlawanan arah jarum jam. Servo amplifier mengendalikan motor dengan menghasilkan modulasi yang bervariasi dengan menggunakan transistor sebagai pengaturnya, Signal hasil pengaturan transistor tersebut disebut PWM atau pulse width modulation.
4. kemampuan mempertahankan posisi
Servo amplifier harus dapat mengendalikan motor servo seperti yang telah dikemukakan diatas, selain itu servo system harus mampu mempertahankan posisi baik ketika menerima pengaruh momen inersia dari pergerakan sebelumnya maupun dari pengaruh gaya dari luar yang memungkinkan terjadinya pergerakan meja pada axis yang bersangkutan. Sebenarnya ketika tegangan masukan pengatur kecepatan bernilai 0V , pada motor terjadi osilasi juga, namun osilasi ini lebih bersifat mempertahankan posisi daripada menghasilkan perputaran.
5. perlindungan beban berlebih
Arus yang mengalir pada motor dapat dideteksi menggunakan resistor kecil 0.1 ohm yang dirangkaikan pada rangkaian pengubah arus ke tegangan. ketika arus yang terdeteksi terlalu tinggi maka signal tersebuat akan mengaktifkan rangkaian solenoid pemutus arus sebagai rangkaian pengamanya.
6. pengaman pergerakan meja
Limit switch pada batas-batas maksimum maupun minimum akan tertekan jika meja bergerak terlalu jauh. Limmit switch dihubungkan pada servo amplifier, ketika aktif maka servo driver akan dinon aktifkan. limit switch ini terletak pada ujung-ujung setiap sumbu mesin. Servo Amplifier juga akan mengaktifkan output e-stop pada controller untuk sinyal mesin error.
SISTIM RANGKAIAN TERTUTUP PADA SERVO
1.Pengaturan posisi secara analog
Kontroller mesin mengeluarkan perintah kecepatan digital ke rangkaian DAC berdasarkan
program koordinat.Output sinyal DAC berupa sinyal kecepatan yang berbentuk tegangan analog dan akan diumpankan ke penguat input kecepatan servo amplifier. Kemudian Amplifier membandingkan perintah kecepatan ini dengan umpan balik tachometer dari motor. Ketika terjadi kesalahan (perbedaan) sinyal servo drive akan memberikan pulsa (via PWM) pada motor servo. Motor servo mulai bergerak dan menghasilkan tegangan tachometer lagi. Kemudian tegangan dijumlahkan dengan perintah kecepatan untuk menghasilkan sinyal error baru.Motor akan terus mempercepat putaran sampai kecepatan motor dan umpan balik yang dihasilkan tachometer bernilai sama dengan kecepatan sinyal analog (analog command) yang asli. Kecepatan motor akan mencapai stabil ketika kedua sinyal tersebut cocok.
2.Pengaturan posisi secara digital
Encoder menghasilkan pulsa feedback yang dimasukan ke rangkaian DAC yang telah dilengkapi dengan up down counter. Kemudian perangkat lunak pengendali akan membandingkan posisi pada program dengan posisi sebenarnya pada sumbu dengan membaca up down register counter pada rangkaian DAC. Kontroler akan menghasilkan informasi kecepatan yang sesuai berupa perintah digital untuk meningkatkan kecepatan dan menurunkan kecepatan ketika sumbu melakukan pergerakan. Setelah posisi tercapai, controller akan memberikan informasi keluaran berupa kecepatan nol dan sistem rangkaian tertutup servo akan berusaha untuk mempertahankan posisi itu.
3.seting posisi nol
Tujuan dari seting nol pada mesin adalah agar semua sumbu ke posisi nol (ke atas / bawah)serta posisi nol pada counter rangkaian DAC masing-masing sumbu. Setiap sumbu akan bergerak untuk memicu sensor yang dipasang dalam rentang yang telah ditentukan sebagai posisi homing sumbu. Setelah beralih pada rentang tersebut, kemudian servo menunggu pulsa homing dari encoder atau yang biasa disebut zero mark untuk mengenolkan konter. Ketika encoder menghasilkan satu pulsa homing(zero mark),maka konter akan berada pada posisi nol. Keadaan ini harus terjadi sebelum limmit switch homing tertekan. Jika limmit switch dibuat dalam rentang ini, maka sumbu akan mengalami error sebelum menyelesaikan zeroing. kemudian sumbu akan terus bergerak sampai menyentuh limmit switch. Setelah sumbu mencapai posisi homing(limmit switch), controller umumnya akan memerintahkan servo driver agar menggerakkan sumbu ke "posisi parkir" yang terletak di lokasi yang diinginkan agar memungkinkan meja untuk diberi beban.
PENALAAN MOTOR SERVO
Setiap sistem servo dengan pengendali tertutup, baik itu analog maupun digital, akan membutuhkan sebuah penalaan. Penalaan merupakan suatu proses penyetelan untuk membentuk karakteristik pada servo sehingga dapat menghasilkan keluaran sedekat mungkin dengan parameter input yang dimasukkan.
Pada kenyataanya servo driver adalah sebuah driver yang selalu memiliki kesalahan(selalu eror). Hal ini normal dan memang harus demikian adanya agar antara masukan dan keluaran memiliki selisih. Namun bersamaan dengan itu, dia juga berusaha selalu mendekatkan keluaranya dengan sinyal masukanya untuk menghasilkan kesalahan yang sekecil mungkin. Faktor penguatan atau Gain, merupakan seberapa besar usaha servo driver dalam mengurangi kesalahan/eror. penguatan yang besar dapat menghasilkan torsi yang besar meskipun eror yang terjadi kecil sekali. pengiatan yang besar dibutuhkan apabila antara masukan dan keluaran memerlukan ketepatan yang sangat tinggi. Namun pada motor dan beban itu sendiri memiliki sebuah momen inersia, dan servo arus mempercepat dan memperlambat putaranya mengikuti input. Inersia tersebut menyebabkan terjadinya koreksi berlebih sehingga kesalahan justru semakin besar. Sebenarnya hal ini bisa diredam, tetapi redaman yang terlalu besar dapat menurunkan respon. Ketika melakukan penalaan, kita mencoba membuat servo memiliki respon yang secepat mungkin dengan sedikit mungkin hentakan (pergerakan berlebih).
Penalaan servo driver biasanya dengan melakukan penyetelan potensiometer pada servo driver analog atau nengubah nilai parameter pada sistem digital. Agar dapat lebih memahami mengenai penalaan pada sistem servo, maka marilah kita mempelajari beberapa teori mengenai servo system. saya akan mencoba menjelaskan sederhana mengenai penalaan pada servo analog.
Servo merupakan suatu sistem pengendali tertutup dengan umpan balik negatif. Jika kita memasukan umpan balik positif,maka rangkaian ini akan menjadi oscillator. Agar servo dapat bekerja dengan baik maka umpan balik yang diberikan harus selalu negatif, jika tidak servo akan menjadi tidak stabil. Didalam prakteknya servo dapat pula menjadi oscillator,jika terjadi overshoots biasanya ketika masukan berubah dengan cepat.
Jadi apa yang menyebabkan umpan balik tidak selalu pada kondisi negatif? untuk menjawab pertanyaan tersebut saya akan mengklarifikasi apa yang disebut dengan umpan balik negatif. Dalam pembahasan ini , umpan balik negatif berarti bahwa sinyal masukan dan sinyal umpan balik saling berlawanan fasa. Jika pada sinyal masukan diberi tegangan negatip pada sinus (lembah gelombang) maka sinyal umpan baliknya terbalik 180° dari masukanya. Sinyal umpan balik yang terbalik 180° dengan sinyal masukan tersebut merupakan hasil keluaran rangkaian amplifier inverting pada rangkaian umpan balik. Dalam prakteknya, hal ini bisa dibuat lebih sederhana dengan membalik polaritas keluaran tachometer.
Pada kondisi kerja, servo mendapatkan sinyal masukan dengan frekuensi yang beragam, dan dalam frekuensi tersebut terkandung juga karakteristik fasanya. Oleh sebab itu, umpan balik negatif yang terjadi pada frekuensi rendah dapat saja menjadi umpan balik positip jika tiba-tiba frekuensinya berubah lebih tinggi. Hal tersebut menyebabkan pergerakan berlebih, getaran servo atau bahkan servo akan berosilasi terus menerus.
seperti yang telah saya utarakan didepan bahwa penalaan pada servo dilakukan untuk menghasilkan performa terbaik yang masih mungkin dicapai pada sistem servo. Lalu bagaimana kita bisa menentukan bahwa sebuah servo sudah stabil atau belum?
sangat sulit untuk menganalisa sebuah rangkaian tertutup karena seluruh bagian sistem saling berinteraksi. Bagian keluaran memberi umpan balik pada bagian masukan dengan fasa yang terbalik dan kedua signal tersebut dijumlahkan. Anda dapat membatangkan dua buah sinyal yang saling berkebalikan fasa namun memiliki level yang sama, jika dujumlahkan maka tidak ada lagi yang bisa diukur (dalam analogi ini tidak terjadi eror,tetapi kenyataanya servo hampir selalu memiliki eror setiap saat). Cara terbaik untuk menentukan kesetabilan servo adalah dengan membuat rangkaian menjadi terbuka/open loop dan melihat apa yang akan terjadi.
Pengukuran pada rangkaian terbuka menunjukan bahwa sinyal keluaran,(yang berarti juga sinyal umpan balik) akan merespon setiap perubahan pada masukan. Kita perlu mengukur besarnya penguatan ( Gain) dan juga pergeseran fasa pada setiap perubahan frekuensi, dan kita dapat menggambarkan grafik hasil pengukuranya kurang lebuh seperti berikut.
Penguatan diukur dalam skala decibel (dB). Desibel merupakan skala logaritmis. Sebagai perbandingan, setiap 6dB penurunan penguatan setara dengan pengurangan sinyal sebesar 50%. Penguatan sebesar )dB terjadi ketika sinyal masukan dan sinyal keluaran memiliki amplitudo yang sama.
PID
Pengontrol PID (Proportional Integral Derivative) merupakan salah satu jenis pengontrol yang paling banyak digunakan di industri sekarang ini. Pengontrol PID terdiri dari tiga komponen, yaitu komponen Proporsional (P), komponen Integral (I) dan komponen Derivatif (D). Ketiga komponen ini saling melengkapi satu sama lain, sehingga kelemahan-kelemahan pada salah satu komponen dapat ditutupi oleh komponen yang lain. Komponen I dan D tidak dapat berdiri sendiri dan selalu dikombinasikan dengan komponen P, menjadi pengontrol PI atau PID. Pengontrol PID akan mengeluarkan aksi kontrol dengan membandingkan kesalahan atau error yang merupakan selisih dari process variable dan setpoint, yang akan digunakan sebagai masukan pengontrol untuk mengeluarkan sinyal kontrol (u(t)).
Komponen Proporsional
Komponen P (Proporsional) mengeluarkan sinyal kontrol yang besarnya proporsional atau sebanding terhadap besarnya error. Secara matematis, pengontrol P dapat dinyatakan sebagai berikut
u(t) = (2.2)
Kp merupakan suatu bilangan yang menyatakan penguatan proporsional dari pengontrol P. Istilah yang lazim digunakan adalah Proportional Band (PB). Sedangkan e(t) merupakan besarnya kesalahan yang terjadi pada waktu t. Sinyal kesalahan tersebut diakibatkan oleh selisih antara setpoint (besaran yang diinginkan) dengan keluaran aktual proses. Sinyal kesalahan tersebut akan mempengaruhi aksi pengontrol dalam mengeluarkan sinyal kontrol untuk menggerakan aktuator.
Pengaruh komponen Kp adalah memperkecil konstanta waktu sehingga sistem menjadi lebih sensitif dan mempunyai respons yang lebih cepat. Dengan mengubah-ubah besaran Kp, maka akan mempengaruhi offset atau steady state error. Harga Kp yang besar akan menyebabkan offset semakin kecil. Akan tetapi disisi lain, pengontrol P tidak akan melakukan aksi kontrolnya apabila tidak ada sinyal kesalahan e(t). Hal ini dapat terlihat dari persamaan 2.2, yang menunjukkan bahwa pengontrol P akan selalu memerlukan sinyal kesalahan untuk menghasilkan sinyal kontrol u(t).
Komponen Integral
Komponen integral berfungsi untuk menghilangkan offset untuk kondisi beban atau gangguan yang berubah. Aksi integral lazim juga disebut automatic reset (automatic bias setting). Seperti telah dibahas sebelumnya bahwa pengontrol P akan memberikan aksi kontrolnya apabila ada masukan sinyal kesalahan. Aksi integral akan menyebabkan akan menyebabkan pengontrol untuk mengeluarkan sinyal kontrol yang sebanding dengan besarnya error. Pengontrol akan terus mengeluarkan sinyal, walaupun error telah mencapai nol. Komponen intergral dinyatakan dengan suku yang mengandung integral error terhadap waktu dan mengandung komponen Ti (integral time). Ti menunjukkan lamanya waktu yang diperlukan agar output (u(t)) sama dengan input (e(t)).
Komponen Derivatif
Pada dasarnya, pengontrol PI saja tidaklah cukup untuk menghasilkan respons pengontrol yang lebih cepat. Oleh karena itu, masih diperlukan skema pengontrolan yang dapat memberikan respons pengontrol yang lebih cepat. Pengontrol PI lebih lambat karena komponen I harus menunggu dalam selang waktu tertentu agar dapat mengeluarkan output. Penggunaan komponen D, yang dinyatakan dengan besaran Td (derivative time) berbanding lurus dengan besarnya output pengontrol. Komponen D tidak dapat berdiri sendiri, karena komponen D memerlukan input agar dapat mengeluarkan output. Untuk itu komponen D biasanya dikombinasikan dengan P dan PI. Akan tetapi, komponen D, tidak dapat dipakai untuk Process Variable yang beriak (mengandung banyak noise). Sehingga didalam aplikasinya, pengontrol PD atau PID tidak sebanyak pengontrol P atau PI[11].
Penalaan
Didalam operasinya, parameter-parameter pengontrol PID harus terlebih dulu diatur untuk mendapatkan respons pengontrol sesuai dengan yang diinginkan. Proses pemilihan parameter-parameter pengontrol PID (Kp, Ti dan Td) dikenal dengan istilah penalaan atau tuning.
Kegiatan menala dilakukan berulangkali, apabila terjadi perubahan beban yang mengakibatkan perubahan gain dari lup pengontrolan. Sehingga operator tidak dapat begitu saja mengasumsikan bahwa sekali ditala maka performansi pengontrol akan baik untuk setiap kondisi operasi. Oleh karena itu, teknik penalaan yang baik sangatlah penting.
Komponen Proporsional
Komponen P (Proporsional) mengeluarkan sinyal kontrol yang besarnya proporsional atau sebanding terhadap besarnya error. Secara matematis, pengontrol P dapat dinyatakan sebagai berikut
u(t) = (2.2)
Kp merupakan suatu bilangan yang menyatakan penguatan proporsional dari pengontrol P. Istilah yang lazim digunakan adalah Proportional Band (PB). Sedangkan e(t) merupakan besarnya kesalahan yang terjadi pada waktu t. Sinyal kesalahan tersebut diakibatkan oleh selisih antara setpoint (besaran yang diinginkan) dengan keluaran aktual proses. Sinyal kesalahan tersebut akan mempengaruhi aksi pengontrol dalam mengeluarkan sinyal kontrol untuk menggerakan aktuator.
Pengaruh komponen Kp adalah memperkecil konstanta waktu sehingga sistem menjadi lebih sensitif dan mempunyai respons yang lebih cepat. Dengan mengubah-ubah besaran Kp, maka akan mempengaruhi offset atau steady state error. Harga Kp yang besar akan menyebabkan offset semakin kecil. Akan tetapi disisi lain, pengontrol P tidak akan melakukan aksi kontrolnya apabila tidak ada sinyal kesalahan e(t). Hal ini dapat terlihat dari persamaan 2.2, yang menunjukkan bahwa pengontrol P akan selalu memerlukan sinyal kesalahan untuk menghasilkan sinyal kontrol u(t).
Komponen Integral
Komponen integral berfungsi untuk menghilangkan offset untuk kondisi beban atau gangguan yang berubah. Aksi integral lazim juga disebut automatic reset (automatic bias setting). Seperti telah dibahas sebelumnya bahwa pengontrol P akan memberikan aksi kontrolnya apabila ada masukan sinyal kesalahan. Aksi integral akan menyebabkan akan menyebabkan pengontrol untuk mengeluarkan sinyal kontrol yang sebanding dengan besarnya error. Pengontrol akan terus mengeluarkan sinyal, walaupun error telah mencapai nol. Komponen intergral dinyatakan dengan suku yang mengandung integral error terhadap waktu dan mengandung komponen Ti (integral time). Ti menunjukkan lamanya waktu yang diperlukan agar output (u(t)) sama dengan input (e(t)).
Komponen Derivatif
Pada dasarnya, pengontrol PI saja tidaklah cukup untuk menghasilkan respons pengontrol yang lebih cepat. Oleh karena itu, masih diperlukan skema pengontrolan yang dapat memberikan respons pengontrol yang lebih cepat. Pengontrol PI lebih lambat karena komponen I harus menunggu dalam selang waktu tertentu agar dapat mengeluarkan output. Penggunaan komponen D, yang dinyatakan dengan besaran Td (derivative time) berbanding lurus dengan besarnya output pengontrol. Komponen D tidak dapat berdiri sendiri, karena komponen D memerlukan input agar dapat mengeluarkan output. Untuk itu komponen D biasanya dikombinasikan dengan P dan PI. Akan tetapi, komponen D, tidak dapat dipakai untuk Process Variable yang beriak (mengandung banyak noise). Sehingga didalam aplikasinya, pengontrol PD atau PID tidak sebanyak pengontrol P atau PI[11].
Penalaan
Didalam operasinya, parameter-parameter pengontrol PID harus terlebih dulu diatur untuk mendapatkan respons pengontrol sesuai dengan yang diinginkan. Proses pemilihan parameter-parameter pengontrol PID (Kp, Ti dan Td) dikenal dengan istilah penalaan atau tuning.
Kegiatan menala dilakukan berulangkali, apabila terjadi perubahan beban yang mengakibatkan perubahan gain dari lup pengontrolan. Sehingga operator tidak dapat begitu saja mengasumsikan bahwa sekali ditala maka performansi pengontrol akan baik untuk setiap kondisi operasi. Oleh karena itu, teknik penalaan yang baik sangatlah penting.
