Perbedaan Motor Stepper dengan Servo Motor untuk Mesin CNC dan Robotika

Dalam dunia industri khususnya untuk mesin otomasi, CNC dan Robotika memilih motor penggerak harus mempertimbangkan banyak hal. Baik itu dari sisi akurasi, biaya, dan efisiensi.

Motor stepper dan servo keduanya merupakan pilihan populer untuk berbagai aplikasi di industri seperti robotika, otomasi, dan manufaktur. Motor-motor ini bekerja sangat berbeda dan menawarkan kelebihan dan kekurangan yang berbeda.

Memahami perbedaannya sangat penting untuk memilih motor yang tepat untuk proyek spesifik Anda. Pada artikel ini, kita akan mempelajari prinsip dasar motor stepper dan servo, mendiskusikan komponen masing-masing, dan mempelajari karakteristik uniknya. 

1. Prinsip Dasar Motor Stepper

1.1 Apa itu Motor Stepper?

Motor stepper adalah jenis motor listrik DC tanpa sikat yang membagi putaran penuh menjadi beberapa langkah atau kenaikan yang sama. Posisi motor dapat dikontrol secara tepat tanpa memerlukan mekanisme umpan balik karena motor bergerak dalam langkah-langkah diskrit berdasarkan pulsa masukan yang diberikan oleh pengontrol. 

Motor stepper umumnya digunakan dalam aplikasi yang memerlukan kontrol rotasi dan posisi yang tepat, seperti mesin CNC, printer 3D, dan robotika.

1.2 Jenis Motor Stepper

Ada tiga jenis utama motor stepper: motor stepper magnet permanen (PM), motor stepper keengganan variabel (VR), dan motor stepper hybrid. 

Motor stepper magnet permanen   terdiri dari rotor yang berisi magnet permanen dan stator dengan kumparan elektromagnetik. Ketika kumparan diberi energi dalam urutan tertentu, medan magnet yang dihasilkan oleh stator berinteraksi dengan medan magnet rotor. Interaksi tersebut menghasilkan rotor yang berputar secara bertahap. 

Motor stepper keengganan variabel memiliki rotor yang terbuat dari bahan magnet lunak tanpa magnet permanen. Kumparan stator menghasilkan medan magnet yang menarik gigi rotor, menyebabkan rotor bergerak secara bertahap. 

Motor stepper hibrida menggabungkan fitur motor stepper PM dan VR, menawarkan torsi lebih tinggi dan karakteristik kinerja lebih baik dibandingkan motor stepper lainnya.

1.3 Komponen Motor Stepper

Motor stepper terdiri dari beberapa komponen utama yang bekerja sama untuk mengubah energi listrik menjadi gerak mekanis. Komponen utamanya meliputi belitan rotor, stator, dan motor.

Rotor adalah bagian berputar dari motor stepper, yang biasanya terdiri dari poros dan magnet permanen atau bahan magnet lunak. Komposisinya tergantung pada jenis motor stepper. 

Pada motor stepper magnet permanen, rotornya mengandung satu atau lebih magnet permanen yang menciptakan medan magnet. Pada motor stepper keengganan variabel, rotor terbuat dari bahan magnet lunak dengan gigi yang sejajar dengan gigi stator ketika medan magnet dihasilkan.

Stator adalah bagian diam dari motor, yang terdiri dari serangkaian kumparan elektromagnetik yang disusun mengelilingi keliling motor. 

Kumparan ini, juga dikenal sebagai belitan motor, bertanggung jawab untuk menghasilkan medan magnet yang berinteraksi dengan medan magnet rotor. Interaksi medan magnet menyebabkan rotor berputar dalam langkah-langkah diskrit.

1.4 Klasifikasi Motor Stepper

Motor stepper dapat diklasifikasikan menjadi bipolar atau unipolar berdasarkan konfigurasi belitan motornya. 

Motor stepper bipolar memiliki dua belitan per fasa, dengan masing-masing belitan dihubungkan ke sumber listrik terpisah. Konfigurasi ini memungkinkan motor menghasilkan torsi yang lebih tinggi, karena kedua belitan dapat diberi energi secara bersamaan. Namun, motor stepper bipolar memerlukan sirkuit kontrol yang lebih kompleks dan dapat menghasilkan lebih banyak panas karena arus yang lebih tinggi yang mengalir melalui belitan. 

Motor stepper unipolar mempunyai belitan tunggal per fasa dengan tap tengah. Konfigurasi ini menyederhanakan sirkuit kontrol tetapi dapat menghasilkan keluaran torsi yang lebih rendah dibandingkan dengan motor stepper bipolar.

2. Prinsip Dasar Motor Servo

2.1 Apa itu Motor Servo?

Motor servo adalah jenis sistem kontrol loop tertutup (umpan balik posisi) yang terdiri dari motor, unit kontrol, dan mekanisme umpan balik, biasanya encoder atau solver. Motor ini memiliki gearbox untuk menghasilkan torsi berkecepatan tinggi. Motor servo dirancang untuk mengontrol posisi, kecepatan, dan percepatan sistem mekanis secara tepat, sehingga cocok untuk beberapa aplikasi. Semua aplikasi motor servo memerlukan akurasi tinggi, daya tanggap, algoritma kompleks, dan efisiensi termasuk robotika, mesin CNC, dan sistem manufaktur otomatis.

Bacaan yang Disarankan:  Motor di Dalam Robot Otonom

2.2 Jenis Motor Servo

Ada dua jenis utama motor servo: motor servo AC (arus bolak-balik) dan motor servo DC (arus searah). 

Motor servo AC biasanya digunakan dalam aplikasi industri karena keluaran daya, kecepatan, dan efisiensinya yang tinggi. 

Motor servo DC lebih umum ditemukan pada perangkat kecil yang dioperasikan dengan baterai karena kebutuhan dayanya yang lebih rendah dan kemudahan pengendaliannya.

Motor servo AC selanjutnya diklasifikasikan menjadi sinkron atau asinkron, bergantung pada hubungan antara medan magnet rotor dan stator. 

Motor servo AC sinkron mempertahankan kecepatan konstan pada beban yang bervariasi dan memiliki rotor yang berputar selaras dengan medan magnet stator. 

Motor servo AC asinkron, disebut juga motor induksi, memiliki rotor yang berputar dengan kecepatan sedikit lebih lambat dibandingkan medan magnet stator. Hal ini memungkinkan motor menghasilkan torsi melalui interaksi medan magnet rotor dan stator.

Motor servo DC dapat diklasifikasikan sebagai motor brushed atau brushless, tergantung pada metode pergantian yang digunakan untuk mengontrol arus motor. Motor servo DC yang disikat menggunakan sikat mekanis untuk mengalihkan arus pada belitan motor. Motor servo DC tanpa sikat menggunakan pergantian elektronik, memberikan efisiensi, keandalan, dan masa pakai yang lebih lama dibandingkan dengan motor servo yang disikat.

2.3 Komponen Motor Servo

Motor servo terdiri dari beberapa komponen penting yang bekerja sama untuk mencapai kontrol gerakan yang presisi. Komponen-komponen ini meliputi motor, unit kendali, dan mekanisme umpan balik.

Motor, yang dapat berupa motor AC atau DC, bertugas mengubah energi listrik menjadi gerak mekanis. Motor servo AC biasanya menawarkan keluaran daya, kecepatan, dan efisiensi yang lebih tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi industri. Motor servo DC biasanya digunakan pada perangkat yang lebih kecil karena kebutuhan daya yang lebih rendah dan kemudahan pengendalian.

Unit kontrol, juga dikenal sebagai penggerak servo atau penguat servo, bertanggung jawab untuk memproses sinyal masukan dari pengontrol, seperti perintah posisi, kecepatan, atau torsi, dan menghasilkan sinyal keluaran yang sesuai untuk menggerakkan motor. Unit kontrol menggunakan modulasi lebar pulsa (PWM) untuk mengatur tegangan dan arus motor, memungkinkan kontrol kecepatan dan torsi motor secara tepat. Ini juga mencakup fitur keselamatan seperti perlindungan suhu berlebih, tegangan berlebih, dan arus berlebih untuk memastikan motor beroperasi dalam batas yang ditentukan.

Mekanisme umpan balik merupakan komponen penting dari sistem motor servo, yang memberikan informasi real-time mengenai posisi motor, kecepatan, dan torsi. Informasi ini dikirim kembali ke unit kontrol, yang membandingkan kinerja motor sebenarnya dengan kinerja yang diinginkan dan membuat penyesuaian untuk meminimalkan kesalahan. Perangkat umpan balik yang umum digunakan pada motor servo meliputi encoder dan solver. 

Encoder, yang dapat berupa inkremental atau absolut, menghasilkan  sinyal digital  yang sesuai dengan posisi dan kecepatan motor. Resolver menghasilkan sinyal analog berdasarkan posisi motor dan dikenal karena kekokohan dan ketahanannya terhadap faktor lingkungan, sehingga cocok untuk lingkungan industri yang keras.

3. Membandingkan Motor Stepper dan Motor Servo

3.1 Kecepatan dan Torsi

Saat membandingkan motor stepper dan servo, penting untuk mempertimbangkan kecepatan dan kemampuan torsinya. Hal ini karena faktor-faktor ini berdampak langsung pada kinerjanya dalam berbagai aplikasi.

• Motor stepper menunjukkan keluaran torsi yang relatif konstan pada kecepatan rendah hingga sedang, sehingga cocok untuk aplikasi yang memerlukan pemosisian presisi dan pengoperasian kecepatan rendah. Motor ini mampu menahan torsi pada kecepatan nol. Namun, seiring dengan meningkatnya kecepatan motor stepper, keluaran torsinya cenderung menurun, sehingga membatasi efektivitasnya dalam aplikasi kecepatan tinggi. 

Kurva torsi motor stepper umumnya ditandai dengan torsi puncak pada kecepatan rendah, diikuti penurunan yang stabil seiring bertambahnya kecepatan. Motor stepper tipikal dapat beroperasi pada kecepatan hingga 1.000 hingga 2.000 RPM (putaran per menit), dengan nilai torsi berkisar dari beberapa ons-inci hingga beberapa ratus ons-inci, bergantung pada ukuran dan desain motor.

• Motor servo mampu menghasilkan kecepatan dan keluaran torsi yang lebih tinggi dibandingkan motor stepper. Motor kontrol servo mempertahankan kurva torsi yang relatif datar pada berbagai kecepatan, memungkinkannya memberikan kinerja yang konsisten pada kecepatan rendah dan tinggi. Kecepatan maksimum motor servo bervariasi tergantung pada desainnya, dengan beberapa model mampu mencapai kecepatan hingga 5.000 RPM atau lebih tinggi. Nilai torsi untuk motor servo dapat berkisar dari beberapa ons-inci hingga ribuan ons-inci, bergantung pada ukuran dan jenis motor.

Selain kemampuan kecepatan dan torsinya yang lebih tinggi, motor servo juga menawarkan keunggulan kontrol torsi berkelanjutan. Hal ini memungkinkan mereka untuk secara dinamis menyesuaikan keluaran torsi berdasarkan kebutuhan beban aplikasi. Fitur ini memungkinkan motor servo beroperasi lebih efisien dan akurat dibandingkan motor stepper, khususnya dalam aplikasi yang melibatkan perubahan beban atau kecepatan yang cepat.

3.2 Akurasi dan Resolusi

Akurasi dan resolusi merupakan faktor penting untuk dipertimbangkan ketika membandingkan motor stepper dan servo, karena keduanya secara langsung mempengaruhi kemampuan motor untuk melakukan gerakan yang tepat dan tugas penentuan posisi.

• Motor stepper secara inheren menawarkan akurasi dan resolusi tinggi karena sudut langkahnya yang tetap dan sistem kontrol loop terbuka. Sudut langkah, yang menentukan resolusi motor, adalah sudut putaran yang dicapai motor untuk setiap pulsa listrik yang diterima. Sudut langkah tipikal untuk motor stepper berkisar antara 0,9 hingga 1,8 derajat per langkah, yang berarti 200 hingga 400 langkah per putaran. 

Ini berarti bahwa motor stepper dengan sudut langkah 1,8 derajat dapat mencapai resolusi 200 langkah per putaran, memungkinkan penentuan posisi yang tepat tanpa memerlukan mekanisme umpan balik terpisah. Namun, penting untuk dicatat bahwa keakuratan sebenarnya dari motor stepper bergantung pada faktor-faktor seperti toleransi mekanik dan listrik, serta kualitas komponen motor dan sistem penggerak.

• Motor servo  mengandalkan sistem kontrol loop tertutup dan mekanisme umpan balik untuk mencapai penentuan posisi dan kontrol gerak yang akurat. Keakuratan motor servo ditentukan oleh resolusi perangkat umpan baliknya, yang dapat berupa encoder atau solver. Encoder resolusi tinggi dapat menghasilkan ribuan, atau bahkan jutaan, hitungan per putaran, memungkinkan motor servo mencapai penentuan posisi dan kontrol gerakan yang sangat presisi. Misalnya, motor servo dengan encoder 1.000.000 hitungan dapat mencapai resolusi 0,0018 derajat per hitungan, yang jauh lebih tinggi dibandingkan motor stepper pada umumnya.

Dalam hal akurasi, motor servo umumnya mengungguli motor stepper karena sistem kontrol loop tertutup dan perangkat umpan balik resolusi tinggi. Fitur-fitur ini memungkinkan motor servo untuk terus memantau dan memperbaiki posisinya, memastikan bahwa motor tetap akurat dan stabil bahkan dalam kondisi beban dan kecepatan yang bervariasi. Selain itu, motor servo tidak terlalu rentan terhadap masalah seperti langkah terlewat dan terhenti, yang dapat berdampak negatif terhadap keakuratan motor stepper dalam aplikasi tertentu.

3.3 Mekanisme Kontrol dan Umpan Balik

Mekanisme kontrol dan umpan balik memainkan peran penting dalam kinerja motor stepper dan servo, karena keduanya menentukan bagaimana motor merespons sinyal input dan mempertahankan posisi dan keakuratan gerakannya. Memahami perbedaan antara mekanisme ini dapat membantu pengguna memilih motor yang tepat untuk aplikasi spesifik mereka.

Motor stepper beroperasi menggunakan sistem kontrol loop terbuka, yang berarti tidak memerlukan umpan balik untuk mengontrol posisi atau sistem geraknya. Posisi motor ditentukan semata-mata oleh jumlah pulsa masukan yang diterimanya dan sudut langkah tetapnya. Meskipun sistem kendali loop terbuka ini menyederhanakan desain motor dan mengurangi biayanya, sistem ini juga memiliki beberapa keterbatasan. Misalnya, jika motor stepper mengalami kehilangan sinkronisasi atau langkah yang terlewat karena kekuatan eksternal, motor tersebut tidak akan dapat mendeteksi atau memperbaiki kesalahan tersebut, yang berpotensi mengakibatkan berkurangnya akurasi dan kinerja.

Sebaliknya, motor servo menggunakan sistem kontrol loop tertutup, yang mengandalkan umpan balik dari perangkat eksternal, seperti encoder atau solver, untuk memantau dan mengontrol posisi dan gerakan motor. Perangkat umpan balik secara terus menerus mengukur posisi aktual motor dan membandingkannya dengan posisi yang diinginkan, sehingga sistem kontrol dapat melakukan penyesuaian sesuai kebutuhan. Sistem kontrol loop tertutup ini memungkinkan motor servo merespons secara dinamis terhadap perubahan beban, kecepatan, dan faktor eksternal lainnya, memastikan kinerja yang akurat dan stabil dalam berbagai kondisi.

Penggunaan mekanisme umpan balik pada motor servo juga memungkinkan strategi pengendalian yang lebih canggih, seperti pengendalian kecepatan dan torsi. Strategi ini memungkinkan pengguna mengoptimalkan kinerja motor untuk aplikasi spesifik, meningkatkan efisiensi dan presisi. Misalnya, kontrol torsi dapat digunakan untuk mempertahankan gaya konstan selama operasi seperti pemotongan atau pengepresan, sedangkan kontrol kecepatan dapat digunakan untuk mencapai gerakan yang halus dan presisi dalam aplikasi seperti robotika atau sistem konveyor.

Singkatnya, mekanisme kontrol dan umpan balik yang digunakan oleh motor stepper dan servo secara signifikan mempengaruhi kinerja dan kesesuaiannya untuk berbagai aplikasi. Motor stepper, dengan sistem kontrol loop terbuka, paling cocok untuk aplikasi yang memerlukan solusi penentuan posisi yang sederhana dan hemat biaya. Motor servo, sebaliknya, menawarkan akurasi, stabilitas, dan fleksibilitas yang lebih baik karena sistem kontrol loop tertutup dan mekanisme umpan baliknya, menjadikannya ideal untuk aplikasi yang lebih menuntut dan dinamis.

4. Aplikasi Motor Stepper dan Servo

Motor stepper dan servo keduanya banyak digunakan di berbagai industri karena karakteristik unik dan kemampuan kinerjanya. Dengan memahami kelebihan dan keterbatasan masing-masing jenis motor, pengguna dapat memilih motor yang sesuai untuk aplikasi spesifik mereka.

4.1 Aplikasi Ideal untuk Motor Stepper

Motor stepper sangat cocok untuk aplikasi yang memerlukan pemosisian presisi, kecepatan rendah hingga sedang, dan solusi hemat biaya. Beberapa aplikasi paling umum untuk motor stepper meliputi:

• Printer 3D : Motor stepper sering digunakan dalam  printer 3D  karena kemampuannya memberikan penentuan posisi dan kontrol yang tepat pada kecepatan rendah. Sistem kontrol loop terbuka menyederhanakan desain dan mengurangi biaya keseluruhan printer, sehingga lebih mudah diakses oleh lebih banyak pengguna.
• Mesin CNC : Mesin Kontrol Numerik Komputer (CNC), seperti mesin penggilingan, mesin bubut, dan router, menggunakan motor stepper untuk kemampuan penentuan posisi yang akurat. Torsi penahan yang melekat pada motor stepper memastikan bahwa alat berat mempertahankan posisinya meskipun dalam keadaan diam, sehingga memungkinkan pemotongan dan pergerakan yang presisi.
• Aktuator Linier : Dalam aplikasi yang memerlukan gerakan linier, motor stepper dapat digabungkan dengan sekrup utama atau sistem yang digerakkan oleh sabuk untuk menciptakan aktuator linier yang hemat biaya dan andal. Aktuator ini umumnya ditemukan pada peralatan otomasi, seperti mesin pick-and-place atau sistem pengemasan.
• Peralatan Medis : Motor stepper digunakan di berbagai perangkat medis termasuk pompa jarum suntik dan peralatan otomasi laboratorium, yang memerlukan pergerakan yang tepat dan terkontrol. Harganya yang rendah dan kinerjanya yang andal menjadikannya pilihan yang cocok bagi produsen di bidang medis.

Kamera Keamanan : Kamera keamanan Pan-tilt-zoom (PTZ) sering kali menggunakan motor stepper untuk mengontrol pergerakan dan posisi kamera. Kemampuan penentuan posisi yang tepat dan harga motor stepper yang rendah menjadikannya pilihan ideal untuk aplikasi ini.

Singkatnya, motor stepper adalah pilihan yang sangat baik untuk aplikasi yang memerlukan penentuan posisi dan kontrol yang tepat pada rentang kecepatan rendah hingga menengah, tanpa memerlukan umpan balik terus menerus atau torsi tingkat tinggi. Sifatnya yang hemat biaya dan kinerja yang andal menjadikannya pilihan populer di berbagai industri dan aplikasi.

4.2 Aplikasi Ideal untuk Motor Servo

Motor servo paling cocok untuk aplikasi yang memerlukan kecepatan tinggi, torsi tinggi, dan pemosisian presisi dengan umpan balik terus menerus. Mereka menawarkan sistem kontrol loop tertutup, memungkinkan penyesuaian waktu nyata dan peningkatan kinerja. Beberapa aplikasi umum untuk motor servo meliputi:

• Robotika : Motor servo banyak digunakan dalam sistem robot karena kecepatannya yang tinggi, penentuan posisi yang tepat, dan kemampuan umpan balik yang berkelanjutan. Sistem kontrol loop tertutup memungkinkan robot beradaptasi dengan perubahan kondisi dan melakukan penyesuaian secara real time, memastikan kinerja yang akurat dan andal. Contohnya termasuk senjata robot, kendaraan otonom, dan drone.
• Peralatan Mesin : Peralatan mesin presisi tinggi, seperti pusat permesinan CNC dan mesin bubut, mendapat manfaat dari penggunaan motor servo. Torsi tinggi dan waktu respons cepat yang ditawarkan oleh motor servo memungkinkan alat berat ini melakukan tugas pemesinan yang rumit dan rumit dengan akurasi dan kemampuan pengulangan yang luar biasa.
• Manufaktur Otomatis : Dalam proses manufaktur otomatis, seperti jalur perakitan dan sistem pengemasan, motor servo memberikan kecepatan dan presisi yang diperlukan untuk memastikan pengoperasian yang efisien dan konsisten. Sistem kontrol loop tertutup motor servo memungkinkan penyesuaian waktu nyata, memungkinkan sistem beradaptasi dan merespons perubahan kondisi dengan cepat.
• Sistem Kontrol Gerak : Motor servo adalah pilihan populer untuk sistem kontrol gerak berkinerja tinggi, yang mengutamakan penentuan posisi dan kontrol kecepatan yang tepat. Aplikasinya mencakup sistem stabilisasi kamera, sistem gimbal, dan sistem konveyor berkecepatan tinggi, di mana motor servo memastikan gerakan yang halus dan akurat.
• Dirgantara dan Pertahanan : Industri dirgantara dan pertahanan memerlukan tingkat presisi, keandalan, dan kinerja yang tinggi. Motor servo digunakan dalam aplikasi seperti sistem kontrol penerbangan, sistem penentuan posisi satelit, dan sistem panduan rudal, yang memerlukan kontrol loop tertutup dan kemampuan umpan balik real-time.

Singkatnya, motor servo adalah pilihan yang sangat baik untuk aplikasi yang menuntut kecepatan tinggi, torsi tinggi, dan pemosisian presisi dengan umpan balik berkelanjutan. Sistem kontrol loop tertutup dan kemampuan untuk melakukan penyesuaian secara real-time menjadikannya pilihan berharga untuk industri dan aplikasi yang mengutamakan akurasi dan kinerja.

Kesimpulan Motor Stepper VS Motor Servo

Memahami perbedaan antara motor stepper dan servo sangat penting untuk membuat keputusan yang tepat saat memilih motor yang tepat untuk proyek Anda. Dengan mempertimbangkan faktor-faktor seperti kecepatan dan torsi, akurasi dan resolusi, mekanisme kontrol dan umpan balik, serta biaya dan kompleksitas, Anda dapat memilih motor yang memenuhi persyaratan spesifik aplikasi Anda. Baik motor stepper maupun servo memiliki keunggulan unik dan aplikasi ideal, sehingga pemilihan motor yang tepat pada akhirnya bergantung pada tuntutan proyek Anda.