ANALISIS PENGENDALI KECEPATAN MOTOR DC MENGGUNAKAN METODA LOGIKA FUZZY DENGAN PENCATUDAYAAN PWM
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
PUJI HARTONO NIM : 23205027 Program Studi Teknik Elektro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008 1
ABSTRAK ANALISIS PENGENDALI KECEPATAN MOTOR DC MENGGUNAKAN METODA LOGIKA FUZZY DENGAN PENCATUDAYAAN PWM
Oleh:
Puji Hartono NIM: 23205027 Motor DC banyak digunakan di berbagai bidang, dari bidang industri, peralatan rumah tangga bahkan mainan anak. Kemampuan mengejar set point dan kemampuan menjaga kecepatan sesuai set point ketika motor mengalami perubahan beban menjadi parameter baik buruknya kendali kecepatan. Teknologi mikrokontroller dan pencatudayaan PWM memungkinkan kita membuat berbagai pengendali digital dengan kemampuan komputasi yang tinggi serta konsumsi daya yang rendah. Logika fuzzy merupakan salah satu metoda kecerdasan buatan yang menghubungkan bahasa dan kemampuan berfikir manusia. Logika fuzzy memungkinan pembuatan sistem kendali tanpa menggunakan pemodelan plant yang rumit akan tetapi menghasikan output yang baik Rancangan sistem kendali kecepatan motor DC diimplementasikan pada mikrokontroller ATMega 8535. Sensor kecepatan menggunakan magnetic encoder sedangkan pengaturan tegangan motor menggunakan PWM yang merupakan fitur ATMega 8535. Fungsi keanggotaan input berbentuk segitiga berupa E (selisih seting point dengan kecepatan) dan CE (perubahan selisih error
2
kecepatan) sedangkan outputnya berbentuk singleton berupa ∆PWM (perubahan nilai PWM). Analisa hasil implementasi menunjukkan bahwa sistem mampu mengkompensasi perubahan beban dan catu daya sehingga kecepatan sesuai set point dapat dipertahankan. Kata kunci: pengendali kecepatan, motor dc, mikrokontroller, logika fuzzy, pwm
3
ABSTRACT ANALYSIS OF DC MOTOR SPEED CONTROLLER USING FUZZY LOGIC METODH WITH PWM POWER SUPPLY Author:
Puji Hartono NIM: 23205027 The DC motor was often used in various fields, from the industrial field, domestic equipment even the child's toy. The capability pursued set point and the keep of the motor speed when the load is changed are the performance parameters of the control speed quality. Microcontroller technology and PWM enabled us to make various digital control with the large computation capacity but consumption of the power is low. Fuzzy logic was one of the artificial intelligence methods that connected the language and the capacity thought humankind. Fuzzy logic enable us to design of the control system without used plant modeling that was complicated but get good result. The plant of the motor DC speed controll implemented in ATMega 8535. The speed censor used magnetic encoder and to generate voltage using PWM thas was feature of ATMega 8535. Triangle input membership function are E (the difference seting point with the speed) and CE (the change in the difference error the speed) and singleton output membership function is ∆PWM (the change the PWM value) The analysis of implementation showed that the sistem capable to compensate when the load and power supply is changed and so the set point can be maintained. Key word: control speed, dc motor, microcontroller, fuzzy logic, pwm
4
5
ANALISIS PENGENDALI KECEPATAN MOTOR DC MENGGUNAKAN METODA LOGIKA FUZY DENGAN PENCATUDAYAAN PWM
Oleh: Puji Hartono NIM : 23205027
Program Studi Teknik Elektro Institut Teknologi Bandung
Menyetujui
Pembimbing, Tanggal: .....................................
Dr. Ir. Iyas Munawar, MSc
6
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di InstitutTeknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
7
“Bukanlah dikatakan ilmu kalau sekedar menumpuk di almari Akan tetapi ilmu adalah apa yang ada dalam sanubari”
Kupersembahkan karya sederhana ini untuk: Masyarakat perekayasa elektronika, Khususnya bidang kendali dan sistem cerdas
8
KATA PENGANTAR
ﺑﺴﻢ اﷲ اﻟﺮﺣﻤﻦ اﻟﺮﺣﻴﻢ Segala puji bagi Allah subhanahu wa ta’ala yang dengan rahmat dan pertolongan-Nya, penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Shalawat dan salam semoga senantiasa tercurahkan kepada Nabi Muhammad utusan-Nya yang terakhir, yang dengan pengajaran yang Beliau sampaikan, manusia dapat mengerti kebaikan untuk diikuti dan kejelekan untuk dijauhi. Tesis
ini
berjudul
“Analisis
Pengendali
Kecepatan
Motor
DC
Menggunakan Logika Fuzzy dengan Pencatudayaan PWM” dimana tesis ini merupakan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar magister teknik dari Institut Teknologi Bandung Dalam menyelesaikan tesis ini, penulis memperoleh bimbingan dan saran saran dari berbagai pihak, penulis menyampaikan terimakasih dan semoga Allah membalas dengan yang lebih baik kepada: 1. Bapak Dr. Ir. Iyas Munawar, MSc, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan ilmu dan meluangkan waktu untuk membimbing kepada penulis 2. Dosen STEI yang telah memberikan kuliah sehingga penulis dapat menimba ilmu kepada mereka 3. Rekan kuliah: Kumbara Zohar Taofik, Elli Ahmad Gojali dan Albertus dan juga rekan-rekan EL-ITB 96: Prasaja Wikanta dan Slamet Umar yang telah memberikan masukan dan bimbingan kepada penulis 4. Orang tua dan kakak-kakak penulis yang telah memberikan dukungan kepada penulis Penulis menyadari bahwa dalam tesis ini banyak kekurangan di sana-sini, akan tetapi mudah-mudahan karya kecil ini mempunyai andil dalam pengembangan keilmuan khususnya bidang kendali dan elektronika. Bandung, Juni 2008 Penulis
9
DAFTAR ISI ABSTRAK ............................................................................................................... i ABSTRACT ........................................................................................................... iii HALAMAN PENGESAHAN................................................................................ iv PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS .................................................................... v HALAMAN PERSEMBAHAN ............................................................................ vi KATA PENGANTAR .......................................................................................... vii DAFTAR ISI ........................................................................................................ viii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................x DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. xi DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiv DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG ........................................................xv Bab I. Pendahuluan ............................................................................................... 19 I.1
Latar belakang ....................................................................................... 19
I.2
Perumusan masalah ............................................................................... 20
I.3
Tujuan penelitian................................................................................... 20
I.4
Ruang lingkup penelitian ...................................................................... 20
I.5
Metode penelitan ................................................................................... 21
I.6
Sistematika penulisan ............................................................................ 21
Bab II. Landasan Teori.......................................................................................... 22 II.1
Dasar-dasar sistem kendali.................................................................... 23
II.1.1
Definisi dan pengertian sistem kendali ......................................... 23
II.1.2
Sistem kendali loop terbuka dan loop tertutup .............................. 24
II.1.3
Kinerja sistem kendali ................................................................... 25
II.2
Logika fuzzy ......................................................................................... 26
II.2.1
Himpunan crisp dan himpunan fuzzy ........................................... 26
II.2.2
Fungsi keanggotaan (membership function) ................................. 27
II.2.3
Langkah pengembangan kendali fuzzy ......................................... 29
II.2.4
Contoh aplikasi fuzzy dalam kehidupan sehari-hari ..................... 30
II.2.5
Kelebihan dan kekurangan kendali fuzzy ..................................... 31
II.3
PWM (Pulse width modulation) ........................................................... 32
II.3.1
PWM mode phase correct ............................................................ 33 10
II.3.2
PWM mode fast ............................................................................ 34
II.3.3
Pre skalar pada PWM .................................................................... 34
II.3.4
Analog vs PWM pada pengendali motor DC................................ 35
II.4
Motor DC .............................................................................................. 38
II.5
Kelinieran sistem................................................................................... 39
II.6
Mikrokontroller (ATMega 8535) .......................................................... 39
Bab III. Perancangan Sistem ................................................................................. 40 III.1
Analisis dan perancangan blok pengendali kecepatan motor DC ......... 41
III.2
Perancangan Hardware ......................................................................... 43
III.2.1
Perancangan sistem motor DC ...................................................... 43
III.2.2
Perancangan driver motor ............................................................. 43
III.2.3
Perancangan masukan kecepatan referensi (set point) .................. 44
III.2.4
Perancangan pengujian perubahan beban ..................................... 45
III.3
Perancangan Sofware ............................................................................ 45
III.3.1
Perancangan pembaca masukan set point melalui potensiometer. 46
III.3.2
Perancangan modul pencacah pulsa encoder ................................ 46
III.3.3
Perancangan timer ......................................................................... 47
III.3.4
Perancangan PWM sebagai penghasil tegangan ke motor ............ 48
III.3.5
Perancangan komunikasi serial dengan PC .................................. 49
III.3.6
Perancangan logika fuzzy ............................................................. 49
III.3.7
Kompensasi ketidaklinieran sistem ............................................... 54
Bab IV. Pengujian dan Analisis ............................................................................ 55 IV.1
Pengujian pulsa encoder ....................................................................... 56
IV.2
Pengujian pulsa PWM dari mikrokontroller ......................................... 57
IV.3
Pengujian pulsa PWM dari driver motor .............................................. 57
IV.4
Pengujian masukan set point ................................................................. 58
IV.5
Pengujian tegangan keluaran driver terhadap masukan PWM ............. 58
IV.6
Pengujian kecepatan motor terhadap masukan PWM........................... 59
IV.7
Pengujian respon step sisem loop terbuka ............................................ 60
IV.8
Pengujian set point sinyal kotak pada loop terbuka .............................. 61
IV.9
Pengujian set point sinyal segitiga pada loop terbuka .......................... 62
IV.10
Pengujian respon step pada kendali fuzzy ........................................ 64
11
IV.11
Pengujian efek ketidaklinieran plant pada respon step ..................... 65
IV.12
Pengujian kendali fuzzy dengan set point sinyal kotak .................... 66
IV.13
Pengujian kendali fuzzy dengan set point sinyal segitiga ................. 67
IV.14
Pengujian percobaan perubahan beban pada sistem kendali fuzzy ... 68
IV.15
Pengujian perubahan catu daya ......................................................... 71
IV.16
Pengukuran waktu komputasi kendali fuzzy..................................... 72
Bab V. Kesimpulan dan Saran .............................................................................. 73 V.1
Kesimpulan ........................................................................................... 74
V.2
Saran...................................................................................................... 75
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 77 LAMPIRAN .......................................................................................................... 78
12
DAFTAR GAMBAR Gambar II.1. Diagram blok sistem kendali secara umum ..................................... 23 Gambar II.2. Diagram blok sistem kendali kecepatan pada motor DC ................ 24 Gambar II.3. Diagram sistem kendali kecepatan secara loop terbuka .................. 24 Gambar II.4. Diagram sistem kendali kecepatan secara loop tertutup .................. 25 Gambar II.5. Kinerja sistem kendali dalam domain waktu ................................... 25 Gambar II.6. Klasifikasi umur dengan pendekatan crisp ...................................... 27 Gambar II.7. Klasifikasi umur dengan logika fuzzy ............................................ 27 Gambar II.8. Bentuk-bentuk umum fungsi keanggotaan ...................................... 27 Gambar II.9. Diagram blok pengembangan kendali fuzzy ................................... 29 Gambar II.10. Mesin cuci dengan teknologi kendali fuzzy .................................. 29 Gambar II.11. Mobil dengan transmisi otomatis menggunakan kendali fuzzy .... 29 Gambar II.12. Rice cooker dengan kendali fuzzy ................................................. 29 Gambar II.13. PWM dengan variasi duty cycle .................................................... 32 Gambar II.14. PWM mode phase correct ............................................................. 33 Gambar II.15. PWM mode fast ............................................................................. 34 Gambar II.16. Timer/counter dengan dan tanpa preskalar .................................... 35 Gambar II.17. Pengendalian motor secara analog dan PWM ............................... 35 Gambar II.18. Beberapa rangkaian pengendalian motor secara analog ................ 35 Gambar II.19. Transistor daya sebagai pengendali motor .................................... 37 Gambar II.20. Model motor DC............................................................................ 38 Gambar II.21. Konfigurasi pin ATMega 8535...................................................... 38 Gambar II.22. Arsitektur ATMega 8535............................................................... 40 Gambar III.1. Diagram blok sistem pengendali kecepatan motor DC .................. 41 Gambar III.2. Diagram blok sistem pengendali kecepatan motor DC dengan menggunakan ATMega8535 ................................................................................. 42 Gambar III.3. Sistem motor DC ............................................................................ 43 Gambar III.4. Diagram blok L298N .................................................................... 45 Gambar III.5. Skema rangkaian driver motor ...................................................... 45 Gambar III.6. Skema masukan set point melalui potensiometer .......................... 45 Gambar III.7. Register pada TCCR timer 0 .......................................................... 46
13
Gambar III.8. Register pada TCCR timer 2 .......................................................... 29 Gambar III.9. Bentuk fungsi keanggotaan E dan CE berupa segitiga .................. 50 Gambar III.10. Fungsi keanggotaan E dan CE .................................................... 50 Gambar III.11. Kinerja sistem kendali domain waktu dengan masukan step sebagai acuan pembuatan rule ............................................................................. 50 Gambar III.12. Fungsi keanggotaan keluaran berupa ∆PWM ............................ 50 Gambar III.13. Defuzzyfikasi dengan metoda COG ............................................ 50 Gambar III.14. Kompensasi ketidaklinieran plant ............................................... 50 Gambar IV.1 Pengujian pulsa encoder ................................................................ 56 Gambar IV.2. Pengujian pulsa PWM dari mikrokontroller .................................. 39 Gambar IV.3. Pengujian pulsa PWM dari driver .................................................. 39 Gambar IV.4. Hubungan PWM dengan tegangan keluaran driver ...................... 40 Gambar IV.5. Hubungan PWM dengan kecepatan motor .................................... 41 Gambar IV.6. Respon step pada kendali loop terbuka .......................................... 42 Gambar IV.7. Respon step tegangan generator sistem loop terbuka .................... 61 Gambar IV.8. Masukan set point berupa sinyal kotak pada loop terbuka ............ 61 Gambar IV.9. Respon tegangan generator set point sinyal kotak loop terbuka .... 62 Gambar IV.10. Respon tegangan generator set point sinyal kotak loop terbuka .. 62 Gambar IV.11. Masukan set point berupa sinyal segitiga pada loop terbuka ...... 62 Gambar IV.12. Pengamatan respon kecepatan dengan set point sinyal segitiga pada loop terbuka ................................................................................................. 62 Gambar IV.13. Pengamatan respon tegangan generator dengan set point sinyal kotak pada sistem loop terbuka ............................................................................ 62 Gambar IV.14. Respon step pada kendali fuzzy .................................................. 62 Gambar IV.15. Pengamatan respon step tegangan generator pada kendali fuzzy 62 Gambar IV.16. Pengaruh ketidaklinieran plant terhadap respon step .................. 62 Gambar IV.17. Respon kendali fuzzy terhadap set point sinyal kotak ................. 62 Gambar IV.18. Respon kendali fuzzy terhadap set point sinyal kotak ................ 62 Gambar IV.19. Respon kendali fuzzy terhadap set point segitiga ....................... 62 Gambar IV.20. Pengamatan tegangan generator pada kendali fuzzy terhadap set point sinyal segitiga ............................................................................................. 50 Gambar IV.21. Pengujian beban sistem loop terbuka pada set point 70 .............. 50
14
Gambar IV.22. Pengujian perubahan kendali fuzzy pada set point 60 ................ 51 Gambar IV.23. Perubahan duty cycle ketika perubahan beban pada SP 60 ......... 52 Gambar IV.24. Pengujian perubahan beban pada SP 70 ..................................... 52 Gambar IV.25. Perubahan duty cycle ketika terjadi perubahan beban SP 70 ...... 53 Gambar IV.26. Respon step pada set point 70 dengan variasi catu daya ............. 54 Gambar IV.27. Perubahan duty cycle pada variasi catu daya ............................. 54 Gambar IV.28. Diagram pewaktuan sistem ........................................................ 55
15
DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN 1. Foto implementasi sistem kendali motor DC ...............................61 LAMPIRAN 2. Diagram alir program ..................................................................62 LAMPIRAN 3. Kode program ..............................................................................63
16
DAFTAR TABEL Tabel III.1. Pengaruh time sampling terharap ketelitian set point .........................30 Tabel III.2. Rule utama sistem ..............................................................................33 Tabel III.3. Rule tambahan untuk memperhalus respon .......................................34 Tabel III.4. Rule pelengkap sistem ........................................................................34
17
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG SINGKATAN
Nama
DC PWM TTL COG
Direct Current Pulse Width Modulation Transistor Transistor Logic Center of Grafity
LAMBANG
Nama
Ts E CE ∆PWM
Settling Time Error Perubahan nilai error Perubahan nilai PWM
18
Pemakaian pertama kali pada halaman 1 2 25 35
Pemakaian pertama kali pada halaman 8 2 11 33
