Artikel Reguler _____________________________________________________________________________
Metode Six Step Comutation pada Perancangan Rangkian Kendali Sensored Motor Brushless Direct Current Rendy Aditya Wijaya Putra1, Eka Firmansyah2, F Danang Wijaya3 Abstract— Brushless direct current (BLDC) motor has been widely used in many applications as well as automotive, aerospace, medical, industry, and instrumentation. Rotor position has to be known to drive BLDC motor. Normally, it is detected by 3 halleffect sensors, separated by 600, those are mounted in the stator. In this research, design and testing of a 3phase inverter to drive a BLDC motor based on halleffect sensors is conducted. The full-bridge topology was chosen and implemented with pulse width modulation based on 16-bit microcontroller. The results showed that BLDC motor can be driven well. The increase of duty-cycle is proportional to the speed of motor. Intisari— Motor brushless direct current semakin luas digunakan seiring dengan perkembangan teknologi di bidang automotive, aerospace, medical, industri, dan instrumentasi. Informasi tentang posisi rotor diperlukan dalam pengendalian motor brushless direct current. Posisi rotor dideteksi dengan sensor hall-effect yang terpasang pada stator. Umumnya terdapat tiga buah sensor yang terpisah sejauh 600 mengelilingi bagian stator. Pada penelitian ini dilakukan perancangan dan pengujian inverter tiga fase dengan metode sensored menggunakan sensor halleffect sebagai penentu posisi rotor untuk mengendalikan motor brushless direct current. Topologi inverter full-bridge diaplikasikan dengan MOSFET kanal N IRFZ44. Rangkaian pengendali motor brushless direct current diuji dan dianalisis unjuk kerjanya. Hasil pengujian menunjukkan pengaruh kenaikan duty-cycle terhadap kecepatan motor. Makin besar nilai duty-cycle yang diatur maka makin besar pula kecepatan motor.
1Mahasiswa,
Universitas Gadjah Mada, Pogung Dalangan, sleman Yogyakarta 57127 Indonesia (tlp: 081393373391; e-mail :
[email protected]) 2, 3 Dosen, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jl. Kaliurang, Bulaksumur, Yogyakarta 55281 INDONESIA (telp: (0274) 562011; fax: (0274) 565223)
Kata kunci: motor brushless direct current, metode sensored menggunakan sensor hall-effect, inverter tiga fase, topologi full-bridge. I. PENDAHULUAN Penggunaan motor listrik dalam berbagai aplikasi sehari-hari semakin meningkat. Aplikasi motor listrik tidak hanya ditemui pada alat-alat rumah tangga yang berdaya rendah tetapi juga pada mesin-mesin industri. Motor universal dan motor direct current (DC) banyak digunakan dalam aplikasi tersebut. Akan tetapi penggunaan motor DC konvensional menimbulkan masalah diakibatkan oleh penggunaan sikat. Penggantian sikat secara periodik untuk menjaga kinerja serta busur api adalah masalah yang umum disoroti pada motor DC. Motor Brushless Direct Current (BLDC) adalah alternatif pengganti motor DC. Motor ini adalah salah satu jenis motor yang popularitasnya mulai naik. Seiring berkembangnya teknologi power semiconductor, adjustable speed drives dan magnet permanen, motor BLDC semakin mudah diproduksi dan dikendalikan. Motor BLDC cocok digunakan pada aplikasi yang membutuhkan efisiensi tinggi, handal dan rentang kecepatan yang lebar. Dibandingkan dengan motor DC konvensional, motor BLDC memiliki kelebihan antara lain, karakteristik kecepatan dan torsi yang lebih baik, tanggapan dinamis yang tinggi, efisiensi tinggi, tahan lama dan rendahnya tingkat noise dibanding dengan motor induksi dan motor dc konvensional [1]. Dalam pengendalian motor BLDC, posisi rotor perlu diketahui untuk menentukan urutan eksitasi arus. Umumnya, posisi rotor diketahui dari tiga sensor hall yang masing-masing terpisah sejauh 60o. Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan dan pengujian karakteristik rangkaian kendali motor BLDC dengan metode sensored rotor position menggunakan dsPIC30F4012 berbasis MOSFET kanal N IRFZ44.
46 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________
Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi _______________________________________________________________________________
Gambar 2 Topologi VSI tiga fase [4]. Gambar 1 Urutan arus pada motor brushless direct current II. MOTOR BRUSHLESS DIRECT CURRENT Sesuai namanya, motor BLDC tidak menggunakan sikat pada bagian komutator. Motor BLDC melakukan komutasi secara elektris [2]. Pengubahan arah arus dilakukan dengan pengendalian saklar pada inverter. Kebanyakan motor BLDC menggunakan belitan 3 fase dengan topologi Y (star). Motor dengan topologi ini digerakkan dengan meng-energize dua fase pada saat yang bersamaan [3]. Satu putaran motor terdiri dari enam tahap aliran arus. Dengan mengalirkan arus listrik dari terminal A menuju terminal B(urutan 1), motor akan menuju posisi tertentu dan diam pada posisi tersebut. Ketika fase yang dialiri arus diubah dari terminal C ke A maka motor akan berputar sejauh 60o elektris. Satu putaran elektris dapat dilakukan dengan mengalirkan arus sesuai dengan urutan arus pada Gambar 1. Arah putaran motor BLDC dapat dirubah dengan membalik urutan arus tanpa harus menukar kedua fasenya secara fisik. Inti dari komutasi motor BLDC adalah mengetahui posisi rotor lalu meng-energize fase sehingga menghasilkan torsi sebagai penggerak motor. Pada penelitian ini posisi rotor diketahui dengan tiga sensor hall-effect yang terpasang pada bagian stator. Ketika magnet pada rotor melewati sensor hall-effect, sensor akan mengeluarkan sinyal berupa logika high atau low. Dengan mengetahui ketiga kombinasi sensor hall-effect ini dapat ditentukan urutan komutasi yang tepat. III. INVERTER TIGA FASE Inverter termasuk peralatan konversi daya. Daya yang dikonversi berasal dari bentuk DC ke bentuk AC. Topologi yang digunakan dapat berupa voltage source inverter (VSI) dan current source inverter (CSI). Topologi VSI lebih populer digunakan dalam industri karena secara alami sebagai sumber tegangan. Inverter tiga fase memiliki beberapa topologi dasar yaitu half bridge, full bridge dan push-pull. Inverter tiga fase dapat disusun dari tiga buah inverter satu fase yang keluarannya tergeser sebesar 120o satu sama lain [5]. Hal ini jarang digunakan secara praktis karena membutuhkan tiga trafo satu fase yang terpisah dan membutuhkan 12 saklar. Inverter tiga fase umumnya memiliki tiga pasang saklar.
Inverter tiga fase memiliki 6 saklar yang dapat diatur. Saklar pada gambar disimbolkan S1-S6. Saklar yang digunakan dapat berupa bijunction transistor (BJT), metal-on-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), insulated gate bipolar transistor (IGBT), dan metal-on-silicon controlled thyristor (MCT). Pada tiap saklar terdapat dioda anti-paralel yang berguna untuk memberi jalan arus induktif yang terjadi saat saklar baru saja off. Vi adalah tegangan catu daya inverter dan arus yang mengalir dari catu daya ke konverter dilambangkan Ii. Ioa adalah arus yang mengalir pada fase a. Vab adalah tegangan antara fase a dan b. Kapasitor disisi masukan inverter memiliki fungsi untuk mengurangi riak jika terjadi ketidakstabilan catu daya. IV. PERANCANGAN SISTEM Secara umum, sistem dibagi dalam beberapa bagian seperti yang tertampil pada Gambar 3, antara lain: main control berbasis dsPIC30F4012, MOSFET gate driver circuit, inverter tiga fase, dan sensor hall-effect yang terpasang pada motor BLDC. Main control ini berbasis dsPIC30F4012 yang dilengkapi dengan alphanumeric liquid cristal display (LCD) 2x16. dsPIC30F4012 dipilih karena memiliki ruang sebesar 48 kilobytes pada on-chip flash program, dapat diopersikan hingga 30 MIPS (mega instruction per second), dan memiliki fitur modul pulse width modulation(PWM) kendali motor. Fitur modul pwm yang ada dalam dsPIC30F4012 antara lain, 1. 6 kanal PWM keluaran dengan mode yang dapat dipilih: a. Mode komplementer dan independent. b. Mode edge dan center-aligned. 2. 3 duty cycle generator. 3. Dead-time control untuk mode komplementer. 4. Manual output control. 5. Trigger untuk analog to digital converter(ADC). Fitur ADC digunakan untuk konversi nilai potensio sebagai masukan duty-cycle dan pemroses masukan sensor hall-effect. Pin analog mikrokontroler hanya dapat mengukur tegangan dalam rentang 0-5V sehingga masukan sensor hall-effect harus di pull-up agar dapat dibaca oleh mikrokontroler.
47 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________
Artikel Reguler _____________________________________________________________________________ 1024, oleh karena itu perlu pembatasan yang dilakukan pada bagian program.
Gambar 3 Blok diagram secara umum. Gate driver merupakan rangkaian yang digunakan untuk menggerakkan saklar. Saklar yang digunakan dalam rangkaian full-bridge adalah MOSFET kanal N IRFZ44. Baik sisi bawah dan atas rangkaian full-bridge menggunakan MOSFET kanal N. Pengendalian MOSFET sisi bawah mudah dilakukan karena tegangan gate memiliki referensi ground. Sedangkan untuk sisi atas referensi tegangan gate adalah pin source MOSFET yang tidak terhubung dengan ground. Untuk mengatasinya digunakan teknik bootsrap menggunakan IR2110. Keluaran sensor hall-effect membutuhkan pengkondisi sinyal. Pengkondisi sinyal dilakukan dengan melakukan pull-up pada keluaran sinyal sensor. Proses pull-up dilakukan dengan menghubungkan keluaran sensor dengan resistor 2200 Ω dan 3300 Ω. Agar sistem dapat mengendalikan motor BLDC, dsPIC30F4012 harus diisi dengan program yang menggunakan algoritma pengendalian motor BLDC. Program dirancang dengan bahasa C. Diagram alir program ditunjukkan pada Gambar 4. Pada bagian awal program terdapat inisialisasi. Inisialisasi yang dilakukan pada program yang dirancang berupa pemanggilan fungsi-fungsi pengaturan PWM, ADC, dan pin I/O. Sebelum PWM diaktifkan, kapasitor bootstrap harus diisi muatannya terlebih dahulu. Hal ini dilakukan untuk menghindari adanya cacat pada gelombang PWM keluaran sisi atas gate driver. Pengisian ini dilakukan dengan memberikan logika high pada pin PWM sisi bawah sehingga kaki sisi bawah muncul tegangan yang dapat mengisi kapasitor bootstrap. Sebelum melakukan komutasi, posisi rotor awal perlu diketahui. Posisi rotor dapat diketahui dari masukan sensor hall-effect yang telah dibaca oleh mikrokontroler. Pin PWM yang digunakan dalam penelitian ini berjumlah enam buah, untuk mengendalikan motor BLDC tiga fase. Mode PWM yang dipilih adalah mode independent artinya sepasang PWM dikendalikan sendiri-sendiri. PWMxL dan PWMxH tidak saling berkaitan karena penyaklaran dilakukan dengan fasilitas override PWM. Saat PWMxH aktif PWM sisi bawah yang berkaitan tidak aktif sama sekali. Pin ADC yang digunakan dalam penelitian ini sebanyak 4 buah, yaitu: pin AN0, AN1, AN2, dan AN4. Pin AN0, AN1, dan AN2 digunakan sebagai masukan sensor hall-effect sedangkan pin AN4 digunakan sebagai masukan potensio. Potensio digunakan untuk pengaturan duty-cycle. Duty-cycle pada penelitian ini memiliki rentang dari 0 hingga 800. Sedangkan potensio memiliki rentang dari 0 hingga
Gambar 4 Diagram alir program utama.
Gambar 5 Perbandingan sinyal keluaran mikrokontroler dan gate driver V. HASIL DAN PEMBAHASAN Sinyal PWM yang dihasilkan pada penelitian ini adalah tiga pasang sinyal PWM dengan frekuensi sebesar 20 kHz. Pengujian sinyal PWM dilakukan dengan mengamati gelombang PWM pada osiloskop. Metode yang dirancang diaplikasikan pada motor BLDC tiga fase. Sumber DC yang digunakan adalah 4 buah baterai 12 V yang dirangkai secara seri. Gate driver merupakan rangkaian yang digunakan untuk menguatkan sinyal PWM mikrokontroler sehingga bisa digunakan untuk mengendalikan MOSFET. Gate driver juga berfungsi sebagai floating suply karena MOSFET sisi atas dan sisi bawah adalah MOSFET kanal N. Gambar 5 menunjukkan sinyal keluaran dari mikrokontroler dan sinyal keluaran gate driver IR 2110. Sinyal PWM yang dibentuk oleh gate driver memiliki puncak sebesar 10 volt.
48 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________
Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi _______________________________________________________________________________ dengan menggunakan metode round-robin. Roundrobin adalah metode yang dilakukan oleh penjadwal kepada suatu proses. Urutan fase yang akan dialiri arus tidak mungkin melompat dari urutan yang telah dibuat. Gambar 8 menunjukkan sinyal keluaran gate driver antara saklar sisi atas dan sisi bawah. Saklar sisi atas tidak boleh menyala bersamaan dengan saklar sisi bawah karena dapat mengakibatkan hubung singkat. Dari gambar dapat dilihat bahwa antar saklar sisi atas dan sisi bawah tidak menyala secara bersamaan. Gambar 6 Sinyal PWM pada saat pengisian kapasitor bootstrap.
Gambar 8 Sinyal PWM saklar sisi atas dan sisi bawah
Gambar 7 Diagram pewaktuan sinyal PWM mikrokontroler Pada saat awal rangkaian gate driver pertama diaktifkan, kapasitor bootstrap perlu diisi muatan agar tidak terjadi transien pada saat awal PWM diaktifkan. Gambar 6 menunjukkan sinyal PWM sisi bawah yang diberi logika high selama 40 ms. Setelah saklar sisi bawah selesai digunakan untuk mengisi kapasitor maka saklar sisi bawah akan dimatikan selama 8 ms. Dengan menghidupkan saklar sisi bawah terlebih dahulu, kaki negatif kapasitor boostrap akan terhubung ke rel negatif sehingga kapasitor boostrap akan terisi oleh tegangan. Dengan demikian kapasitor siap memberikan tegangan mengambang pada saklar sisi atas. Gambar 7 menunjukkan diagram pewaktuan sinyal PWM. Pada gambar (a) merupakan keluaran sinyal PWM sisi bawah L1, dapat dilihat bahwa sinyal PWM ini dipengaruhi oleh sensor C. Saat sensor C berubah dari kondisi high menuju low maka sinyal PWM L1 akan aktif. Sedangkan untuk bagian (b), sinyal PWM yang terbentuk dipengaruhi oleh sensor B. Saat sensor B berubah dari kondisi high menuju low maka sinyal PWM L2 akan aktif. Untuk bagian (c), sinyal PWM dipengaruhi oleh masukan sensor A. Saat sensor berubah ke kondisi low maka sinyal PWM L3 akan aktif. Pada Gambar 7 untuk bagian sensor terlihat adanya noise. Noise ini jika tidak ditanggulangi dapat menyebabkan kesalahan pembacaan sensor. Untuk mengatasi kesalahan pembacaan sensor hall-effect pada penelitian ini dilakukan dengan dua cara. Pertama, dengan menambahkan filter yang dipasang pada sisi keluaran sensor hall-effect. Penanganan kedua adalah
Pengaturan kecepatan motor BLDC dilakukan dengan mengatur nilai duty-cycle. Pengaturan dutycycle dilakukan dngan mengatur potensiometer. Kecepatan motor BLDC naik seiring kenaikan dutycycle. Dengan mengetahui hubungan antara kecepatan motor dan nilai duty-cycle, kecepatan motor BLDC dapat dikendalikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Dari grafik perbandingan antara kecepatan dan besar duty-cycle yang terbentuk akan dilakukan analisis secara regresi linear, sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut:
Gambar 9 Grafik kecepatan motor terhadap dutycycle. VI. KESIMPULAN Sistem kendali metode sensored dapat diimplementasikan pada motor BLDC. Metode sensored dilakukan dengan mengetahui posisi rotor oleh sensor hall-effect. Kombinasi tiga bit sensor akan
49 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________
Artikel Reguler _____________________________________________________________________________ membentuk enam urutan fase yang dialiri arus keluaran inverter tiga fase. Pembangkitan sinyal PWM untuk inverter tiga fase yang menggerakkan motor BLDC diatur oleh mikrokontroler dsPIC30F4012. Kanal PWM yang dibangkitkan disesuaikan dengan urutan arus yang mengalir pada belitan motor BLDC. Hasil pengujian menunjukkan pengaruh kenaikan duty-cycle terhadap kecepatan motor. Makin besar nilai duty-cycle yang diatur maka makin besar pula kecepatan motor yang terbentuk. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih disampaikan kepada Tim JPTETI yang telah meluangkan waktu untuk membuat template ini. REFERENSI [1] P. Yedamale, "Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals," Microchip Technology, 2003. [2] W. Brown, "Brushless DC Motor Made Easy," Microchip Technology Inc., 2002. [3] M. H. Rashid, Ed., Power Electronics Handbook, California: Academic Press, 2007. [4] N. Mohan, T. M. Undeland and W. P. Robbins, Power electronics : converters, applications, and design, New Jersey: John Wiley & Sons, 2003. [5] V. Barkhordarian, "Power MOSFET Basics," 1997.
50 Volume 1 Nomor 1, April 2014 _______________________________________________________________________________
