Cara Tuning Gain Servo Motor: Panduan Setting Kv, Tvi & Kp

Pendahuluan

Servo yang sudah di-sizing dengan benar bisa tetap tidak stabil, getar, atau error posisi jika gain-nya salah. Artikel ini menjelaskan cara mendapatkan nilai gain awal (starting point) yang benar berdasarkan data motor dan beban — bukan trial-and-error manual.

Metode yang dipakai adalah teori kontrol cascade P-PI (posisi → kecepatan → arus), standar mayoritas servo drive modern: Mitsubishi, Yaskawa, Delta, Panasonic, Omron, dan lainnya.

Arsitektur Cascade P-PI

Setiap drive servo modern mengontrol tiga loop berlapis:

Loop Posisi (Kp)  →  Loop Kecepatan (Kv, Tvi)  →  Loop Arus (fixed)
  bandwidth paling rendah            bandwidth lebih tinggi

Data yang Dibutuhkan

Sebelum menghitung gain, siapkan tiga data ini:

1. Inersia motor (JM) — dari datasheet/katalog motor (kg·m²)
2. Inersia beban (JL) — hasil sizing mekanisme, sudah direfleksikan ke sisi motor
3. Torque constant (Kt) — dari datasheet (N·m/A)

Lalu hitung:

Jtotal = JM + JL          (total inersia)
Rasio inersia = JL / JM

Rasio inersia adalah faktor #1 yang menentukan seberapa agresif gain boleh di-set. Rasio > 15 wajib tuning lebih hati-hati; rasio > 30 sebaiknya diredam dulu dengan gear reduction.

Langkah 1: Pilih Bandwidth Kecepatan (ωv)

Bandwidth loop kecepatan ωv (rad/s) menentukan respons sistem. Pilih berdasar rasio inersia:

Langkah 2: Hitung Speed Loop Gain (Kv)

Kv = ωv × Jtotal / Kt

- Kv dalam rad/s (atau 1/s — keduanya ekuivalen secara dimensi)
- Kt = torque constant motor (N·m/A)

Kv yang terlalu tinggi menyebabkan getar/oscillation di frekuensi tinggi. Kv yang terlalu rendah membuat respons lemot dan error posisi besar.

Langkah 3: Hitung Speed Integral Time (Tvi)

Tvi = k × Jtotal / (Kv × Kt)

k = konstanta damping, umumnya 2–4 untuk damping ratio ~0.7–1.0. Nilai k = 3 adalah titik tengah yang moderat.

Satuan hasilnya dalam detik, konversi ke ms untuk parameter drive.

Catatan: beberapa brand menyebut parameter ini sebagai Tn (Baumüller) atau integral time/compensation (Mitsubishi, Yaskawa). Maknanya sama — semakin kecil Tvi, semakin agresif koreksi steady-state error, tapi semakin mudah oscillasi.

Langkah 4: Hitung Position Loop Gain (Kp)

Kp = ωv / 4  sampai  ωv / 6

Ambil tengahnya ωv / 5 sebagai starting point. Syarat stabilitas: Kp harus lebih kecil dari Kv (bandwidth posisi < bandwidth kecepatan).

Contoh Perhitungan

Motor: inersia JM = 0.5 × 10⁻⁴ kg·m², Kt = 0.34 N·m/A. Beban JL = 15 × 10⁻⁴ kg·m².

Rasio inersia = 15e-4 / 0.5e-4 = 30  → pilih ωv = 30 rad/s (sangat berat)
Jtotal = 0.5e-4 + 15e-4 = 15.5e-4 kg·m²
Kv  = 30 × 15.5e-4 / 0.34      ≈ 136.8 rad/s
Tvi = 3 × 15.5e-4 / (136.8 × 0.34) × 1000 ≈ 10.0 ms
Kp  = 30 / 5                    ≈ 6.0 1/s

Dengan rasio 30, sistem akan memberi peringatan: gain mungkin perlu tuning lebih hati-hati, pertimbangkan gear reduction.

Konversi ke Parameter per Brand

Setiap brand punya "dialek" parameter sendiri untuk tiga parameter yang sama:

- Delta memakai satuan Hz — konversi dari rad/s: nilai_Hz = rad/s / 2π
- Mitsubishi/INVT memakai skala level (mis. 1–30) yang non-linear dan proprietary — hanya bisa diberi perkiraan kasar dari tabel referensi manual, bukan konversi eksak
- Yaskawa/Omron memakai satuan 1/s, langsung setara rad/s

Verifikasi di Lapangan

Gain hasil hitungan hanyalah starting point. Setelah di-set, verifikasi dengan langkah berikut:

1. Uji step response — beri perintah posisi kecil, amankan overshoot dan settling time. Overshoot ideal < 25%.
2. Dengarkan motor — dengung/whining berarti Kv terlalu tinggi atau ada resonansi.
3. Cek steady-state error — masih ada error statis → kurangi Tvi (lebih agresif).
4. Uji di kecepatan penuh — pastikan tidak ada oscillation saat accel/decel.

Urutan tuning yang aman: naikkan Kv bertahap → atur Tvi untuk meredam overshoot → set Kp terakhir.

Yang TIDAK Bisa Dihitung di Awal

Beberapa hal butuh pengukuran langsung di lapangan:

- Notch filter untuk resonansi mekanis — butuh FFT/oscilloscope untuk mengukuru frekuensi resonansi aktual
- Feedforward gain — butuh profil gerak (velocity/acceleration profile) per aplikasi
- Auto-tuning — butuh koneksi live ke drive

Jika sistem getar pada kecepatan tertentu meski gain sudah sesuai hitungan, itu indikasi resonansi mekanis — bukan masalah gain. Tambahkan notch filter pada frekuensi yang terukur.

Cara Cek di MotorMatch

Masukkan parameter motor dan beban di MotorMatch, lalu lihat bagian Gain Calculator. Sistem akan menghitung Kv, Tvi, Kp dari Jtotal dan Kt motor terpilih, dan menampilkan hasilnya dalam dialek parameter sesuai brand (Mitsubishi, Yaskawa, Delta, Panasonic, Omron, Baumüller).

FAQ

Apakah gain hasil hitungan langsung final?

Kenapa servo saya bergetar setelah gain dinaikkan?

Berapa rasio inersia maksimum yang aman untuk tuning?

Apakah semua brand memakai cascade P-PI?

Apa bedanya Kv dan Kp?

Coba hitung gain awal servo Anda di MotorMatch — gratis, tidak perlu daftar.