TAJUK KEMAHIRAN DAN TAHAP

ELEKTRONIK INDUSTRI – TAHAP 2 (SEMESTER 2)

No. DAN TAJUK MODUL M06 ELECTRIC MACHINE

No. DAN TAJUK PENGALAMAN PEMBELAJARAN

LE1 MAINTAIN DC MOTORLE2 MAINTAIN AC MOTORLE3 CHECK FUNCTION OF SERVO MOTOR

OBJEKTIF PRESTASI AKHIRAN / TERMINAL PERFORMANCE OBJECTIVE

MAINTAIN AC/DC MOTOR AND CHECK OPERATING CONDITION OF SERVO SYSTEM USING SPECIFIED EQUIPMENT AND HAND TOOLS SO THAT OPERATING CONDITION AS PER SPECIFICATION.

239

INSTITUT LATIHAN JABATAN TENAGA MANUSIAKEMENTERIAN SUMBER MANUSIA

MALAYSIA

KERTAS PENERANGAN

(B05-02-06-LE3-IS3)

ISI KANDUNGAN

LE3 – CHECK FUNCTION OF SERVO MOTOR

TASK 06.01 Check Function Of Servo Motor

240

No. & TAJUKPENGALAMAN PEMBELAJARAN

LE3 Check Function Of Servo Motor

No. & TAJUK TUGASAN TASK 06.01 Check Function Of Servo Motor

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 1 drp. 10

TAJUK : SISTEM SERVO

TUJUAN : Kertas penerangan ini adalah bertujuan untuk menerangkan tentang perbandingan dengan kawalan isyarat yang lemah/sedikit.dan juga menerangkan tentang Open-Loop Control System Closed-Loop Control System bagi motor servo.

PENERANGAN :

DEFINASI MOTOR SERVO

Ia merupakan suatu sistem di mana untuk menggerakkan beban yang besar/berat dikawal berbanding dengan kawalan isyarat yang lemah/sedikit.

Terdapat 2 sistem kawalan Motor Servo iaitu - Open-Loop Control System- Closed-Loop Control System

Perbezaan yang ketara antara kawalan Open-loop dan Closed-loop ialah Feedback atau SuapBalik.

Istilah servo motor merujuk kepada mana-mana motor yang mana menggunakan satu isyarat closed-loop feedback untuk mengawal kelajuan dan kedudukannya atau yang menggunakan peralatan open-loop digital yang memberikan isyarat masukan yang tepat. Servo motor yang dibincangkan dalam nota ini adalah alatan berkedudukan bidirectional (2 hala) yang biasanya beroperasi di dalam sederhana bagi memperbaharui julat kuasa.

Dalam kebanyakan kegunaan yang di dalamnya kelajuan malar diperlukan sistem kawalan gelung terbuka tidak dapat memberikan prestasi yang memuaskan. Sebagai contoh, dalam sistem gelung terbuka jika tork beban berubah, kelajuannya juga akan berubah dan tidak malar lagi. Sebaliknya dalam sistem kawalan tertutup yang melibatkan suapbalik, kelajuannya boleh dikekalkan pada nilai yang tetap dengan cara menyelaraskan voltan pangkalan (atau voltan bekalan) melintangi angker motor apabila tork berubah.

Terdapat beberapa banyak kegunaan dalam industri yang memerlukan motor khas yang kadaran kuasanya agak lebih rendah daripada kadaran kuasa motor terus dan arus ulang alik. Sebagai contoh di dalam sistem robot, kita memerlukan motor servo untuk menggerakkan lengan robot bagi melakukan sesuatu operasi. Motor servo dalam kes ini menghasilkan kawalan kedudukan.

241

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 2 drp. 10

MOTOR SERVO ARUS TERUS.

Rajah 1 Motor servo arus terus ujaan berasingan.

Motor servo arus terus ialah motor arus terus ujaan berasingan. Di dalam motor arus terus ujaan berasingan, lilitan medannya diuja secara berasingan oleh sebuah penjana arus terus yang lain, ataupun diuja oleh bateri atau penerus. Rajah 1 menunjukkan sebuah motor servo arus terus ujaan berasingan. Prinsip operasinya sama seperti motor servo ini dikawal oleh voltan angker. Angkernya direka khas supaya rintangan angker Ra adalah lebih tinggi daripada lazim ditemui di dalam motor arus terus yang biasa. Ini adalah untuk menjamin bahawa ciri tork-kelajuannya adalah linear dan mempunyai kecerunan (negatif) yang tinggi seperti rajah 2.

Rajah 2

Kecerunan negatif yang tinggi di dalam di atas akan memastikan redaman yang cukup diperolehi oleh sistem motor servo ini bagi menjamin operasinya stabil dan tidak mudah terayun. Rajah 2 juga menunjukkan bahawa sebarang perubahan voltan (atau arus) melintangi angker (walaupun perubahan mendadak) akan menghasilkan perubahan kelajuan (atau kedudukan) di dalam motor. Kadaran kuasa motor servo arus terus adalah dalam lingkungan beberapa watt hingga beratus-ratus watt.

242

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 3 drp. 10

MOTOR SERVO ARUS ULANG ALIK.

Kebanyakan motor servo kuasa tinggi ialah motor jenis arus terus. Motor servo au digunakan untuk kegunaan kuasa rendah kerana walaupun motor au lebih murah dan tahan lasak tetapi torknya rendah dan ciri-cirinya tidak linear. Motor servo au yang digunakan dalam sistem kawalan ialah jenis motor aruhan sangkar tupai dua fasa seperti dalam rajah 3

Rajah 3 dan Rajah 4

Frekuensi kadarannya ialah 60Hz atau 400Hz. Frekuensi 400Hz dikhaskan untuk kegunaan sistem kawalan di dalam kapalterbang. Pemegunnya terdiri daripada 2 lilitan yang berbeza fasa sebanyak 90° antara satu dengan lain seperti yang ditunjukkan dalam rajah 3. Fasa rujukan dibekalkan oleh voltan malar Vm 0° sementara fasa kawalan dibekalkan oleh voltan berubah-ubah Va 90° tetapi frekuensinya sama dengan frekuensi Vm kecuali ia berbeza fasa dengan Vm sebanyak 90°.

Untuk voltan 2 fasa seimbang, Va = Vm, ciri-ciri tork lawan kelajuannya sama untuk motor aruhan 3 fasa. Untuk menjamin tork-kelajuan yang linear, rintangan pemutar mestilah ditingkatkan seperti yang ditunjukkan dalam rajah 4.

Untuk sistem kawalan ciri-ciri yang linear sentiasa dipentingkan dan di dalam rajah 4 kelihatn ciri-ciri tork kelajuan yang linear (bagi pemutar rintangan tinggi) meliputi julat kelajuan yang luas. Va mewakili voltan kadaran bagi fasa kawalan dan Va1, Va2, Va3 kesemuanya lebih rendah daripada Va.

243

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 4 drp. 10

Dalam motor satu fasa, dua lilitan stator yang berasingan akan dienergizekan oleh dua voltan arus ulang alik 90° terkeluar dari fasa. Satu fasa dipanggil fasa utama, disalurkan terus dari bekalan arus terus. Fasa yang satu lagi dipanggil fasa auxiallary adalah bahagian paip yang berkeadaan tertutup pada bekalan dan beralih 90° dari kapasitor atau induktor. Kesemua jenis motor ini ada kalanya disalurkan kepada split-phase motor. Tujuan bagi 2 fasa adalah untuk menghasilkan medan magnet yang menyebabkan sekitar rotor berputar. Oleh kerana medan berputar, voltan disalurkan kepada rotor dan menyebabkan ia berputar sama dengan tindak balas magnet dengan rotor dan stator.

Operasi motor servo arus ulangalik ini adalah sama seperti motor satu fasa. Kedua-dua jenis motor ini mempunyai sangkar tupai rotor dan dua set belitan stator yang ditenagakan oleh 2 voltan arus ulangalik dimana ia 90° terkeluar dari fasa. Sebaliknya dengan menjalankan fasa auxiallary, motor servo arus ulangalik menggunakan litar elektronik untuk melaksanakan tugas ini. Dalam litar

seperti rajah 5, ia adalah merujuk kepada motor servo arus terus yang dijalankan oleh penguat (amplifier). Punca bekalan kuasa AC kepada belitan utama. Ia juga membekalkan kuasa kepada amplifier servo motor. Isyarat suap balik dari tranducer juga digunakan untuk menunjukkan kedudukan yang menunjukkan kedudukan yang sebenar. Satu lagi masukan bagi amplifier adalah isyarat arahan yang menunjukkan kedudukan yang diingini. Perbezaan diantara pengukuran suapbalik dan isyarat arah terbina dari isyarat yang salah.

Isyarat salah (Ve) ini digunakan untuk mengawal sudut firing bagi litar fasa beralih, seperti kuasa dari triac. Dari firing triac pada titik perbezaan pada setiap perubahan, nilai RMS yang dibekalkan kepada keluaran amplifier, Vw boleh berubah-ubah..

Apabila perbezaan diantara kedudukan sebenar dan kedudukan yang diingini adalah baik, keluaran Va

akan membesar. Kekuatan medan magnet bertambah kepada belitan auxialary akan menyebabkan kedudukan servo akan berkurangan dan Ve juga berkurangan. Oleh itu, medan magnet pada belitan auxialary lemah membuatkan motor berputar perlahan. Apabila objek berada di dalam kedudukan yang diingini, Va menjadi 0, tiada medan magnet berputar mengikut keadaan satu fasa. Adalah mustahil bagi sesetengah motor split-phase untuk terus berputar bila satu fasa. Untuk mengelakkan putaran dari keadaan dibawah, rotor bagi motor servo harus mempunyai inductor bar galangan yang tinggi.

Rajah 5: Motor servo arus ulang alik tanpa berus.

244

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 5 drp. 10

Sistem servo dikenali sebagai mekanisma atau ringkasnya ialah servo dan mempunyai kebolehan yang tidak terkira dalam operasi dari elektrikal dan peralatan elektronik. Sistem servo beroperasi dengan radar dan alat pemancar, pengawalan, perhubungan, kawasan pendaratan pesawat udara dan banyak lagi. Untuk memperolehi operasi yang tidak bising dan berterusan biasanya beban dikawal sepenuhnya oleh pelaras iaitu berlaku serentak seperti yang diketahui masaalah yang sukar kini dalam operasi yang berlaku serentak dan lemah untuk beroperasi pada sebarang beban.

Sistem servo digunakan sebagai alat kawalan isyarat yang bergerak dalam keadaan yang luas dimana jumlah kuasa elektrik yang dibekalkan dari penjana kuasa penuh yang bergerak dengan mantap dalam kuasa elektrik yang dibekalkan oleh penjana dan kawasan yang terperinci. Sistem servo juga adalah satu penggunaan elektromekanikal, elektrohiduralik atau pneumatik. Walau bagaimanapun, satu perbandingan dengan isyarat yang lemah menjelaskan satu keinginan pergerakan kuasa elektrik yang dibekalkan oleh penjana dengan mantap.

Servo motor mempunyai satu pengkodan elektronik (aci) pada motor DC, di mana ia menerima arahan yang mentakrifkan keputusan kehendak dan menghantarnya ke satu bahagaian pengawal yang mana mengatur pemicu arus motor bagi membandingkan keputusan kehendak dengan isyarat yang diberikan.

Dalam industri, penggunaan servo motor menunjukkan satu ketepatan atau kajian yang tinggi, perlaksanaan motor yang tinggi. Pengeseran posisi yang tepat dan kawalan litar yang lengkap.

Servo motor jenis ringkas yang digunakan dengan kawalan jauh seperti stepper motor direka untuk mengeratkan bahagian penjuru (angular posisi), servo motor ini adalah berdasarkan satu motor DC ringkas yang digunakan dalam bebrapa pengkodan eleltronik.

Servo motor menggunakan isyarat masukan yang lemah untuk mengubah perisian yang besar mengikut kedudukan yang dikehendaki. Ia memberi satu isyarat AC pada frekuensi yang nyata.

Siatem servo juga mempunyai isyarat kawalan tinggi, ia mempunyai perisian pergerakan yang kuat dan peranti synchro yang mempunyai alat kawalan yang tepat.

SISTEM OPEN LOOP SERVO MOTOR

Sistem kawalan “open-loop” dikawal secara langsung dan hanya menggunakan isyarat masukan. Unit asas jenis ini terdiri daripada penguat sahaja dan motor. Penguat menerima level isyarat masukan yang rendah dan menguatkan isyarat tersebut sehingga mencukupi untuk memutarkan motor untuk menjalankan kerja yang diingini.

Sistem kawalan “open-loop: ditunjukkan dalam bentuk blok diagram dalam rajah 2-1. Dengan sistem ini masukan adalah isyarat yang dibekalkan kepada penguat. Keluaran bagi penguat adalah seimbang dengan jumlah isyarat masukan. Fasa (sistem AC) dan peranti (sistem DC) terhadap isyarat masukan menentukan arah dimana aci motor berputar. Selepas penguat, isyarat masukan yang dibekalkan pada motor, dimana ia menggerakkan aci keluaran (beban) dalam arah yang sesuai dengan isyarat masukan. Motor tidak akan berhenti memutarkan aci keluaran sehingga isyarat masukan kepada kosong atau dipindahkan.

Sistem ini biasanya memerlukan operator iaitu yang mengawal kelajuan dan arah pergerakan keluaran dengan mengubah masukan. Operator boleh mengawal masukan samada dengan sambungan mekanikal atau elektrikal.

Rajah 2-1

245

Amplifier Motor

Isyarat

Masukan

Isyarat yang di kuatkan

Aci

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 6 drp. 10

SISTEM CLOSED-LOOP SERVO MOTOR.

Sistem “closed-loop”adalah nama lain bagi servo untuk pengelasan seperti servo, sistem kawalan harus:-

1. Menerima aturan tersebut untuk mentakrifkan hasil yang dikehendaki.

2. Menentukan isyarat yang ditunjukkan oleh beberapa kaedah tindak balas.

3. Membandingkan hasil yang dikehendaki dengan isyarat yang ditunjukkan dan memperolehi kelainan atau isyarat yang salah.

4. Mengeluarkan pembetulan aturan (kesalahan isyarat) dimana sewajarnya wujud penukaran isyarat kepada hasil yang dikehendaki.

5. Mematuhi pembetulan isyarat:-

Sistem kawalan “open-loop” dan “closed-loop”, mentaksirkan sistem servo sebagai sistem kawalan “closed-loop”. Walaupun ketepatan teknikal tidak ditakrifkan, sistem kawalan “open-loop” sering ditunjukkan didalam navy dan banyak penerbitan seperti sistem servo meskipun tidak mempunyai satu daripada 5 keperluan asas iaitu maklumbalas.

Sistem Kawalan Servo Servo amplifier

Feedback (Response)

CIRI-CIRI SERVO

Ciri-ciri servo berbeza terutamanya dengan kerja servo yang telah direka untuk dilakukan. Banyak jenis servo sepertimana banyak kerja yang dilakukan oleh servo. Semua servo biasanya mempunyai tujuan asas untuk mengawal aliran keluar di mana telah diarahkan oleh aliran masuk. Secara dasarnya pergerakan dan posisi keluaran shaft mesti di’duakan’ laluannya oleh kemasukan shaft. Walaubagaimanapun perlaksanaannya tidak pernah tercapai.

Oleh kerana berbanding dengan kemasukan isyarat bersama maklumbalas, selalunya terdapat TIME LAG di antara isyarat masuk dan pergerakan sebenar pada beban. Juga, berat pada beban boleh diperkenalkan pada masa tambahan bagi LAG lambat (time lag). Time Lag bagi servo boleh dikurangkan dengan menambahkan gain bagi servo amplifier. Jika gain telah ditetapkan terlalu tinggi, walaubagaimanapun, keluaran servo akan di O ……dan berada dalam keadaan tidak stabil. Daripada sini, kita dapat lihat dimana gain daripada servo sangat terhad oleh pertimbangan kestabilannya.

246

Kawalan Transformer

Kawalan Synchro Transmitter

CX

0°

CT

0°

SM

Beban

0°

Servo Motor

SA

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 7 drp. 10

KOMPONEN DAN LITAR SERVO

Sesi ini kita akan membincangkan tentang komponen dan litar yang dapat dibuat daripada pelbagai jenis sistem servo.

POSITION SENSORS

Position sensor ialah suatu alat yang menukarkan posisi mekanikal kepada voltan yang hadir di posisi itu. Keluaran position sensor boleh didapati sama ada voltan ac atau dc. Terdapat banyak jenis position sensors. Dalam bab yang lepas, kita belajar tentang CX, alat Synchro yang hadir diposisi rotornya oleh voltan di atas statorsnya. Kita melihat CX digunakan sebagai position sensors dalam sistem servo diawal bab. Alat lain adalah salah satu daripadanya.

Potentiometers

Potentiometers position sensors selalunya digunakan hanya apabila aliran masuk dan keluar makenisma servo mempunyai pergerakan yang terbatas. Ia boleh dikatogarikan oleh tingginya ketepatan dan kecilnya saiz dan boleh mempunyai keluaran voltan dc atau ac. Keburukannya termasuk terhadnya pergerakan dan keputusan masaalah daripada pemakaian berus diatas wayar potentiometer. Juga keluaran voltan sambungan mekanikal yang disertakan pada servo juga menggerakkan rotor pada CT. Tindakbalas ini disebabkan oleh keluasan pada kesalahan isyarat-isyarat menurun dan kelajuannya diperlahankan dimana beban itu bergerak.

Dalam pandangan D, servo motor telah dibawa kedua-dua beban dan juga rotor ex. Sebagai hasilnya, kesalahan isyarat adalah dikurangkan pada ‘o’. Beban itu kemudiannya berhenti pada posisi yang baru. Nota: Dalam servo system ini, kita mengalihkan beban yang berat untuk menentukan posisi melalui pusingan mudah pada handcrank. Dalam tindakbalas pada handcrank, servo sistem ini menjalankan asas positioning function/fungsi posisi. Dua perkara penting yang mesti diingat iaitu operasi sistem servo litar tertutup ialah:

Kesalahan yang asal (pergerakan pada rotor cx) telah dikesan oleh CT. Untuk alasan iniCT adalah dipanggil sebagai ERROR DETECTOR/PENGESAN KESALAHAN. Servo motor, jika untuk menggerakkan beban juga menyediakan tindakbalas mechanical pada CT untuk mengurangkan ERROR REDUCER/PENGURANG KESALAHAN.

Untuk perbincangan sistem servo, rujuk gambarajah 2.2 (A), (B), (C) dan (D). Litar tertutup sistem servo ini ialah jenis yang paling biasa digunakan di dalam ketenteraan pada hari ini. Ianya selalunya dibuat daripada bahagian elektromekanikal dan biasanya terdapat pada sistem pengawalan syncho, pembesar servo dan sedikit bentuk tindakbalas.

Sistem pengawalan syncro menyediakan tentang makna pengawalan peralihan sesuatu beban dimana ia diletakkan di dalam ruang kawalan jauh. Servo amplifier dan servo motor ialah beberapa bahagian di dalam sistem dimana sebenarnya kuasa dibangunkan untuk menggerakkan sesuatu beban

Seperti yang anda ingat, pengawalan isyarat daripada CT ialah berbanding dengan lemah, ia terlalu lemah untuk memandu secara terus motor elektrik. Dalam pandangan A, menerusi D pada gambarajah 2-2, andaikan pengawalan isyarat akan dimulakan oleh handcrank penyambungan masuk kepada alat pemancar synchro (cx). Bulatan terletak di atas cx dan ct menunjukkan posisi synchro’s rotors, manakala bulatan di atas beban pula menunjukkan posisi sesuatu beban.

Dalam pandangan A, pusingan pada kedua-dua cx dan beban menunjukkan di mana beban adalah diposisi yeng dikehendaki. Ini kerana beban dimana ia patut berada, tidak akan ada kesalahan isyarat pada servo amplifier dan tidak ada kuasa pada servo motor.

247

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 8 drp. 10

Dalam pandangan B, motor pada cx telah diubah oleh handcrank kepada 90°. (Ini menunjukkan ia telah diarahkan untuk beban bergerak pada 90° ). Nota: rotor pada CT masih pada O°. Sekarang CT menghasilkan isyarat, yang dipanggil ERROR SIGNAL/KESALAHAN ISYARAT, di mana ia keadaan keluasan pada jumlah CT rotor adalah diluar pada persamaan dengan cx rotor. Fasa bagi kesalahan isyarat menunjukkan arah rotor ct yang mesti digerakkan untuk mengurungkan kesalahan isyarat kepada ‘o’ atau ‘null out’. Kesalahan isyarat adalah dihantar pada servo amplifier. Dalam pandangan C, kesalahan isyarat telah dibesarkan oleh servo amplifier dan dihantar pada servo motor. Motor itu mula dipandu/drive pada arah yang akan mengurangkan kesalahan isyarat dan membawa rotor ct kembali semula pada titik kesamaan. Di dalam kes ini, motor, berpusing ikut arah jarum jam

Figure 2-2A –A Basic servo system (closed-loop)

Figure 2-2B- A Basic servo System (closed-loop)

Figure 2-2C.-A Basic servo system (closed-loop)

248

CONTROL TRANSFOMER

SYNCHRO CONTROL TRANSMITTER

CX

0°

CT

0°

SM

LOAD

0°

FEEDBACK(RESPONSE)

SERVOMOTOR

SA

A

SYNCHRO CONTROL SYSTEM

CX

90°

CT

0°

SM

LOAD

0°

SA

BERROR

ERROR

SIGNAL

LOAD

<90°

CT

<90°

CX

90°SM

SA

CERROR

ERROR

SIGNAL

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 9 drp. 10

Figure 2-2D.- A Basic servo system (closed-loop)

Mekanisma servo juga dipanggil sistem servo atau nama pendeknya SERVOS mempunyai terlalu banyak kegunaanya dalam operasi peralatan elektrik dan elektronik. Dalam menggunakan radar dan antennas, komputer, komunikasi dalam perkapalan, pengawalan aircraft dan banyak lagi peralatan lain, ia selalunya diperlukan untuk mengendalikan beban mekanikal yang dikawal jauh daripada punca kawalan. Untuk memperolehi kelicinan sambungan dan operasi yang tepat, beban ini selalunya bagus dikawal oleh synchros seperti yang telah anda tahu. Maaalah besar yang terdapat disini ialah synchros tidak mempunyai kuasa yang cukup untuk membuat sebarang kerja yang melibatkan jumlah yang besar.

Sistem servo menggunakan pengawalan isyarat lemah untuk memindahkan beban yang besar ke tempat yang telah ditetapkan dengan ketepatan yang besar . Kunci perkataan bagi definisi ini ialah move/alih/pindah dan great accuracy /ketepatan yang besar. Servo boleh dijumpai dalam banyak kegunaan seperti memindahkan kemudi dan lif pada model kapalterbang dalam mengawal radio penerangan untuk mengawal kapal selam dan mengemudi kapal selam nuclear.

Servo sangat berkuasa. Ia boleh mengalihkan beban yang berat dan boleh dikawal jauh dengan ketepatan yang besar dengan menggunakan alat synchro.

Ia mempunyai banyak bentuk. Servo systems ialah antara elektromekanikal, elektrohydraulic, hydraulic atau pneumatic.

Walau apa jua bentuk berbanding dengan isyarat yang lemah bagi akan menghasilkan pergerakan beban yang dikehendaki ialah pengawalan, penjana, pembesar (amplifier)dan juga Feed (memberi) kepada servo motor yang membuat kerja memindahkan beban yang berat.

249

LOAD

90°

CT

90°

CX

90°SM

SA

D

Code No. : B05-02-06-LE3-IS3 Muka : 10 drp. 10

SOALAN :

1. Nyatakan apa itu system Servo?

2. Nyatakan dua system kawalan servo motor.

RUJUKAN:1. “Electrical And Electronics Engineering Studies”. Kementerian Pendidikan Malaysia; 2006;.

Dewan Bahasa dan Pustaka .

250