Konsep robot sudah sangat luas. Artikel ini berfokus pada motor servo untuk sambungan robotik yang digunakan di sektor otomasi industri dan tidak mencakup motor servo terintegrasi untuk robot servis.
Robot industri secara luas diklasifikasikan menjadi robot linier (juga dikenal sebagai robot Cartesian), robot multi-derajat-of-kebebasan (juga dikenal sebagai robot multi-sendi), robot paralel (juga dikenal sebagai robot Delta), dan robot multi-sendi horizontal (juga dikenal sebagai robot SCARA). Sebuah "sel otomasi" terdiri dari berbagai jenis lengan robot yang diartikulasikan dan peralatan pengangkut otomatis. Sel otomasi dengan fungsi berbeda dihubungkan untuk membentuk jalur produksi otomatis, dan beberapa jalur produksi otomatis digabungkan untuk membuat bengkel otomatis.
Di antara robot industri dan unit otomatis ini, motor servo memainkan peran penting dalam memposisikan struktur mekanis secara akurat, cepat, dan andal sesuai dengan perintah kontrol; oleh karena itu, mereka dianggap sebagai komponen inti.
Konsep Dasar Motor Servo Magnet Permanen
"Servo" mengacu pada kemampuan untuk menjalankan perintah dari sistem komputer kontrol tanpa penyimpangan. Konsep ini tidak terbatas pada motor listrik atau hidrolik; itu mencakup sistem pneumatik juga, dan komponen apa pun yang mampu melakukan tugas ini dianggap sebagai komponen servo.
Motor listrik merupakan komponen elektromekanis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Motor servo adalah motor listrik yang dirancang untuk digunakan dalam sistem kontrol gerak, yang parameter keluarannya-seperti posisi, kecepatan, akselerasi, atau torsi-dapat dikontrol.
Motor servo dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa jenis berdasarkan spesifikasi kendalinya. Berdasarkan jenis catu daya, mereka dibagi menjadi motor servo AC dan motor servo DC; berdasarkan mode operasi, mereka dikategorikan menjadi motor servo linier dan motor servo putar. Motor linier secara langsung menghasilkan gaya Newton, sedangkan motor putar menghasilkan torsi rotasi. Untuk menggerakkan beban linier, motor putar memerlukan mekanisme mekanis seperti sekrup timah untuk mengubah gerak rotasi menjadi gerak linier.
Motor servo AC putar diklasifikasikan menjadi motor servo asinkron AC dan motor servo sinkron AC berdasarkan struktur rotornya. Rotor motor servo asinkron AC terdiri dari sangkar aluminium atau tembaga, dan kecepatan putaran sangkar selalu mempertahankan perbedaan kecepatan tertentu relatif terhadap medan magnet putar sinkron. Di bawah teknologi kendali vektor, motor jenis ini dapat mencapai karakteristik kendali torsi setepat motor DC. Namun, rotor memiliki inersia yang tinggi, karakteristik daya-konstan yang baik, dan rentang kecepatan yang luas, sehingga cocok untuk berbagai beban inersia-variabel seperti pemotongan peralatan mesin dan aplikasi penggulungan/pelepasan mesin cetak. Kerugiannya adalah torsi awal yang rendah, dan kecepatan respons elektromagnetiknya lebih rendah dibandingkan motor servo magnet permanen. Konstanta waktu elektromagnetik kira-kira 10 kali lipat dari motor magnet permanen yang terbuat dari bahan magnet permanen. Selain itu, karena kepadatan daya yang rendah dan dimensi rotor yang besar, keduanya tidak cocok untuk aplikasi servo dinamis tinggi.
Motor servo sinkron AC putar menggunakan bahan magnet permanen untuk rotornya, yang secara langsung menghasilkan medan magnet eksitasi. Tidak diperlukan arus eksitasi untuk membentuk medan magnet motor, sehingga menghasilkan respons elektromagnetik yang cepat. Selain itu, kepadatan energi yang tinggi dari bahan magnet permanen tanah jarang saat ini memungkinkan kepadatan daya yang tinggi pada motor ini, sehingga membuka kemungkinan untuk merancang motor servo dengan berbagai karakteristik kinerja. Respons dinamis yang tinggi dapat dicapai melalui desain ramping dengan inersia rotor rendah atau desain kompak dan kokoh dengan inersia rotor tinggi. Penggunaan bahan magnet permanen tanah jarang telah menjadikan motor magnet permanen sebagai pilihan utama untuk aplikasi servo. Namun, bahan magnet permanen tanah jarang-tetap menjadi komponen paling mahal di antara semua bahan yang digunakan dalam motor servo. Perbedaan bahan yang digunakan oleh berbagai produsen mengakibatkan tingkat kualitas produk yang berbeda-beda. Bahan magnet permanen berkualitas tinggi mungkin tidak mengalami kerusakan magnetik bahkan pada suhu pengoperasian di atas 150 derajat, sedangkan bahan dengan kualitas lebih rendah dapat mengalami kerusakan magnetik ketika suhu pengoperasian motor di bawah 120 derajat. Kualitas bahan magnet permanen secara langsung menentukan berbagai karakteristik motor servo.
Motor servo linier secara langsung menghasilkan gaya Newton-meter tanpa memerlukan konversi mekanis, sehingga memungkinkan akselerasi yang sangat tinggi. Dalam beberapa tahun terakhir, kemajuan teknologi yang pesat telah menyebabkan penggunaannya secara luas pada sumbu umpan peralatan mesin-berperforma tinggi. Namun dalam robot industri, penerapannya terbatas pada lengan robot linier tertentu dan bukan fokus artikel ini. Artikel ini berfokus pada motor servo magnet permanen putar dan aplikasinya pada robot industri.
Struktur Motor Magnet Permanen yang Berputar
Gambar 1 menunjukkan diagram struktur khas motor servo magnet permanen. Untuk memberikan gambaran menyeluruh, diagram tunggal ini dimaksudkan untuk menggambarkan dengan jelas seluruh struktur motor servo magnet permanen. Faktanya, motor servo magnet permanen berdaya rendah dengan daya 15 kW atau kurang dapat mengandalkan konveksi alami untuk pendinginan, sehingga menghilangkan kebutuhan akan kipas pendingin. Motor ini kompak dan tidak memerlukan kaki pemasangan; cincin pemasangan juga tidak diperlukan. Mengganti kotak terminal dengan konektor penerbangan untuk kabel timah menghasilkan desain yang lebih bersih. Akibatnya tampilan motor menjadi seperti terlihat pada Gambar 2(a). Jika motornya sangat kecil-di bawah 1 kW-bahkan konektor penerbangan untuk kabel utama tidak diperlukan; sebagai gantinya, kabel dapat langsung disambungkan dari motor, sehingga menghasilkan konfigurasi yang ditunjukkan pada Gambar 2(b).
Gambar 1: Diagram skema motor servo magnet permanen
Gambar 2: Diagram skema motor servo magnet permanen berdaya rendah
Bagian ini mengasumsikan bahwa pembaca memahami prinsip-prinsip motor listrik dan hanya berfokus pada penjelasan perbedaan struktural antara motor servo magnet permanen dan jenis motor lainnya berdasarkan karakteristik motor robot.
Bantalan: Masa pakai motor servo terkait erat dengan bantalannya. Mengingat persyaratan keandalan dan daya tahan robot yang tinggi, bantalan harus menjamin masa pakai minimal 30.000 jam. Berdasarkan hari kerja 8 jam, ini berarti masa pakai robot minimal 10 tahun. Bantalan harus mampu beroperasi secara intermiten pada 6.000 rpm.
Laminasi dan belitan stator: Karena motor robot memerlukan kepadatan daya yang tinggi, dan untuk meminimalkan ukuran serta mengurangi kehilangan besi yang dihasilkan panas, material laminasi harus berupa baja silikon canai dingin-dengan ketebalan 0,35 mm atau kurang. Gulungan harus tahan terhadap paparan jangka panjang terhadap pulsa pembawa frekuensi variabel 16 kHz. Untuk mencegah kerusakan dan menahan lonjakan dv/dt yang intens, tingkat ketahanan tegangan harus tidak kurang dari 2,500 V.
Bahan Magnet Permanen Rotor: Bahan magnet permanen merupakan komponen termahal pada motor servo magnet permanen. Bahan dengan kandungan unsur tanah jarang yang rendah memiliki titik Curie yang rendah dan stabilitas bahan yang buruk. Jika magnet neodymium-besi-boron (NdFeB) yang digunakan, sebaiknya magnet tersebut memiliki kualitas UH42 atau lebih tinggi. Selain itu, kandungan unsur tanah jarang seperti disprosium juga harus diperhatikan. Untuk memastikan ketahanan-demagnetisasi suhu tinggi, magnet samarium-kobalt (SmCo) juga banyak digunakan pada motor servo-berukuran kecil dan menengah. Singkatnya, penting untuk memastikan bahwa motor servo tetap benar-benar tahan terhadap demagnetisasi-dalam kondisi pengoperasian normal. Jika tidak, stabilitas-robot dalam jangka panjang tidak dapat dijamin.
Segel Poros: Untuk mencegah oli dan kotoran masuk ke motor sekaligus memastikan kelancaran pengoperasian, memasang segel poros di ujung poros motor adalah praktik desain standar. Pada robot, roda gigi kecil sering kali dipasang pada poros motor servo untuk menghubungkan motor langsung ke peredam. Karena suhu tinggi dan oli dapat masuk ke motor, diperlukan segel poros multi-bibir-suhu tinggi. Misalnya, segel poros karet fluorokarbon berbibir ganda lebih dapat diandalkan dibandingkan segel poros karet nitril bibir tunggal, meskipun perbedaan biayanya signifikan.
Rem: Rem adalah fitur standar untuk motor robot. Hampir 95% motor servo memerlukan rem. Untuk memastikan rem aktif setiap saat-terutama saat berhenti darurat-rem harus beroperasi dengan andal. Rem harus mempunyai faktor keamanan yang memadai, dengan torsi statis kira-kira 1,5 kali torsi pengenal motor. Untuk motor robot-tugas berat, faktor keamanan rem harus mencapai 2,0 atau bahkan 2,5 kali torsi terukur. Penting untuk diperhatikan bahwa rem pada motor robot adalah rem pengaman, bukan rem servis. Sistem kontrol harus memastikan bahwa, selama penghentian darurat, sirkuit pengereman penggerak servo diaktifkan melalui resistor pengereman, dan rem diaktifkan ketika kecepatan motor mendekati nol. Untuk meningkatkan kecepatan respons, rem magnet permanen lebih unggul daripada rem pegas elektromagnetik.
Encoder: Encoder dipasang di bagian belakang motor dan berfungsi sebagai sensor kecepatan motor dan posisi rotor. Ini mengukur posisi rotor untuk memberikan komputer kontrol data tentang posisi dan kecepatan aktual rotor untuk kontrol servo, penentuan posisi medan magnet, dan perhitungan lintasan gerak. Meskipun encoder motor robot umumnya tidak menawarkan presisi tinggi, encoder tersebut harus mendukung pengukuran posisi absolut multi-putaran untuk memastikan bahwa motor dapat melanjutkan pengoperasian dari posisi sebelum listrik mati. Saat ini, ada tiga pendekatan umum untuk memenuhi kebutuhan encoder motor robot. Metode pertama menggunakan encoder optik atau magnetik kode Gray untuk pengukuran-putaran tunggal dan roda gigi mekanis untuk pengukuran multi-putaran. Keuntungan dari pendekatan ini adalah akurasi pengukuran yang tinggi; setelah listrik padam, posisi pengoperasian motor dipertahankan melalui posisi mekanis encoder dan dapat langsung dibaca saat daya-dinyalakan. Namun kekurangannya adalah encodernya terlalu tebal sehingga terlalu panjang untuk ruang pemasangan yang terbatas. Metode kedua menggunakan encoder kode Gray optik atau magnetik untuk menyimpan data-satu putaran, sedangkan data-beberapa putaran disimpan melalui memori elektronik-bertenaga baterai. Hal ini memungkinkan encoder dibuat sangat pendek, sehingga ideal untuk motor servo kecil dengan diameter luar kurang dari 60 mm. Kekurangannya adalah masa pakai baterai relatif singkat-biasanya paling lama 2–3 tahun, dan dalam beberapa kasus, baterai perlu diganti setelah satu tahun saja. Metode ketiga menggunakan transformator putar untuk mengukur posisi putaran tunggal untuk aplikasi dengan persyaratan presisi rendah, sedangkan informasi multi putaran ditangani oleh papan sirkuit bertenaga baterai di dalam kotak kontrol.
Perpanjangan Poros Rotor: Karena seringnya operasi maju dan mundur, motor terkena gaya geser; oleh karena itu, material poros sebaiknya berupa baja temper 42CrMo. Jika motor dipasang dengan kunci, kunci harus terpasang sepenuhnya untuk mengurangi keseimbangan dinamis dan runout motor secara efektif. Pada kecepatan tinggi, perbedaan runout antara motor servo berkunci dan poros kosong dalam-operasi tanpa beban bisa mencapai sembilan kali lebih besar-sebuah faktor yang tidak boleh dianggap remeh.
Parameter Transmisi Utama Motor Servo Magnet Permanen
Zona Operasi: Wilayah di mana motor dapat beroperasi terus menerus tanpa melebihi kenaikan suhu yang diijinkan disebut zona operasi berkelanjutan; wilayah di luar zona operasi berkelanjutan yang-operasi jangka pendek diizinkan disebut zona operasi intermiten. Zona operasi diwakili oleh bidang koordinat torsi dan kecepatan dua-dimensi.
Nilai Daya PN: Daya maksimum yang dapat dihasilkan motor dalam zona pengoperasian berkelanjutan.
Torsi Terukur MN: Torsi saat motor menyalurkan daya terukurnya dalam zona pengoperasian berkelanjutan. Definisi torsi terukur sangat bervariasi antar produsen. Kondisi pembuangan panas yang sesuai umumnya ditentukan. Secara internasional, merupakan praktik umum untuk menetapkan bahwa peringkat ini diukur dengan motor yang dipasang pada flensa aluminium dengan luas dan ketebalan tertentu, dengan suhu flensa dipertahankan pada 20 derajat atau di bawah suhu yang ditentukan. Oleh karena itu, dalam pengoperasian sebenarnya, motor sering kali dipasang pada komponen besi tuang, dan suhu musim panas mungkin melebihi standar pengujian. Jika tidak ada margin yang diperbolehkan selama pengoperasian, hal ini dapat menyebabkan panas berlebih dan demagnetisasi. Kondisi standar suhu lingkungan 40 derajat yang ditentukan oleh standar nasional Tiongkok relatif masuk akal untuk lingkungan Tiongkok. Pabrikan yang bereputasi baik akan memasukkan margin desain tertentu di bawah nilai pengenal yang ditentukan menurut standar saat mempublikasikan torsi pengenal, yang lebih aman.
Nilai Arus IN: Arus yang sesuai dengan torsi terukur.
Kecepatan Terukur nn: Kecepatan maksimum yang memungkinkan motor beroperasi berdasarkan torsi terukur dalam siklus kerja berkelanjutan.
Terkunci Berkelanjutan-Torsi Rotor MO: Torsi maksimum yang dapat dihasilkan motor saat terkunci dalam siklus kerja berkelanjutan. Secara umum, kecepatan di bawah 100 rpm dianggap termasuk dalam rentang pengoperasian rotor yang terkunci.
Terkunci Kontinu-Arus Rotor I0: Arus yang sesuai dengan torsi rotor-terkunci terus menerus.
Torsi Puncak Mmax: Torsi maksimum yang diizinkan dihasilkan oleh motor. Kondisi nominal sangat bervariasi antar produsen. Beberapa menentukan torsi yang sesuai dengan arus demagnetisasi; spesifikasi tersebut tidak boleh digunakan sebagai torsi puncak. Perancang mekanis harus memberikan margin yang cukup untuk mencegah motor mengalami kerusakan magnet dan kegagalan akibat torsi pengoperasian yang berlebihan. Jika torsi maksimum ditentukan berdasarkan siklus kerja, maka torsi tersebut mempunyai nilai referensi teknik. Torsi puncak yang ditentukan menurut S3-10% memiliki nilai referensi teknik terbesar; ini dapat dipahami sebagai torsi pengoperasian maksimum yang diperbolehkan untuk waktu pengoperasian terus menerus selama 3 detik, yang cukup untuk robot. Kelebihan beban berulang untuk robot multi-sendi umumnya sekitar 2,0 kali lipat.
Arus puncak Imax: Arus pengoperasian yang sesuai dengan torsi puncak.
Konstanta waktu listrik Te: Konstanta karakteristik yang mewakili kecepatan respons arus terhadap tegangan yang diberikan. Ini didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan arus untuk mencapai 1 - e^(-1) (kira-kira 63,2%) dari arus akhir setelah tegangan tetap diterapkan pada terminal motor. Konstanta waktu listrik motor servo umumnya ditentukan sebagai rasio induktansi belitan stator terhadap resistansinya (Te=L/R). Hal ini terkait dengan waktu respons langkah sistem servo saat ini tetapi belum tentu setara dengannya.
Konstanta waktu mekanis Tm: Konstanta waktu mekanis motor servo didefinisikan sebagai: tm=R*J/Ke*Kt, yaitu terkait dengan resistansi belitan, momen inersia rotor, koefisien EMF balik motor, dan koefisien torsi motor. Konstanta waktu mekanis motor penggerak kira-kira setara dengan waktu yang dibutuhkan motor untuk berakselerasi dari kecepatan nol hingga 63,2% kecepatan-keadaan tunak dalam kondisi-tanpa beban. Dalam sistem servo, konstanta ini mungkin setara secara numerik dengan waktu respons langkah putaran kecepatan-sistem.
Kembali-Konstanta EMF Ke: Nilai EMF-tanpa beban balik-yang diinduksi oleh motor pada satuan kecepatan. Biasanya mengacu pada-tanpa beban balik-EMF yang setara dengan 1000 rpm, dengan satuan V/krpm.
Konstanta torsi Kt: Torsi keluaran motor sesuai dengan satuan arus. Hubungan antara koefisien EMF bagian belakang motor Ke dan koefisien torsi Kt umumnya diberikan oleh Kt=9.55 * Ke * 1,732, dengan Kt dalam Nm/A, Ke dalam V/rpm, dan Ke=Kt. Di sini, Ke mengacu pada garis belakang-EMF.
Jika spesifikasi motor tidak menyediakan parameter Kt dan Ke, Kt dapat diturunkan dari torsi pengenal dan arus pengenal. Kemudian dengan menggunakan hubungan Kt=9.55 * Ke * 1.732, maka garis balik-koefisien EMF Ke dapat diturunkan secara tidak langsung sebagai berikut: Ke=0.1047 * Kt / 1.732, dengan satuan V/rpm; Alternatifnya: Ke=104.7 × Kt / 1,732, dengan satuan V/krpm atau mV/rpm.
Karena keterbatasan tegangan catu daya, EMF belakang motor biasanya dirancang relatif rendah untuk memastikan respons yang tinggi, menjamin penurunan tegangan yang cukup pada kecepatan tinggi untuk memperoleh arus yang memadai. Namun, arus yang tinggi meningkatkan beban termal motor. Akibatnya, motor robot memerlukan kepadatan daya yang tinggi untuk mencapai ukuran yang kompak, torsi tinggi, dan pembangkitan panas yang rendah.
Momen Inersia Rotor J : Momen inersia rotor motor. Momen inersia motor robot sangatlah penting karena secara langsung mempengaruhi kestabilan operasi robot. Hal ini karena robot sering kali melibatkan koordinasi multi-sumbu. Misalnya, sumbu kedua robot artikulasi memerlukan motor dengan inersia yang signifikan untuk mengakomodasi perubahan substansial dalam inersia beban yang terjadi saat lengan direntangkan dan ditarik.
Torsi-slot gigi: Ketika belitan motor magnet permanen dirangkai terbuka-, torsi periodik dihasilkan selama satu putaran motor karena slot pada inti jangkar, yang cenderung sejajar dengan posisi resistansi magnet minimum.
Kapasitas Kelebihan Beban: Kemampuan motor untuk menghasilkan daya atau torsi tertentu untuk jangka waktu tertentu dalam kondisi tertentu tanpa melebihi arus puncak yang ditentukan. Biasanya, rasio arus puncak terhadap arus pengenal disebut sebagai faktor beban berlebih saat ini, sedangkan rasio torsi puncak terhadap torsi pengenal disebut sebagai faktor beban berlebih torsi. Umumnya motor robot harus memastikan kapasitas kelebihan torsi kurang lebih 3 kali lipat.
Kecepatan Maksimum nn: Kecepatan tertinggi yang dapat dicapai motor selama pengoperasian terputus-putus. Definisi kecepatan maksimum sangat bervariasi antar produsen motor; untuk motor robot, nilai yang diberikan biasanya mewakili kecepatan tertinggi yang memungkinkan pengoperasian berulang selama penggunaan sebenarnya. Pada kecepatan maksimum, torsi maksimum yang sesuai dapat melebihi dua kali lipat torsi terukur, sehingga memastikan respons akselerasi di seluruh rentang kecepatan.