Bab IV Pengujian dan Analisis Setelah proses perancangan, dilakukan pengujian dan analisis untuk mengukur tingkat keberhasilan perancangan yang telah dilakukan. Pengujian dilakukan permodul, setelah modul-modul diuji, kemudian diintegrasikan dan dilakukan pengujian sistem secara keseluruhan. III.1 Pengujian pulsa encoder
Pengujian pulsa encoder digunakan untuk mengamati pulsa yang dihasilkan oleh encoder yang kemudian dihitung jumlahnya. Amplitudo pulsa encoder sebesar 2 volt. Semakin cepat putaran motor, maka frekuensi pulsa akan semakin tinggi. Pada saat pulsa encoder rising edge akan mengakibatkan register di TCNT0 bertambah, kemudian setelah selang 20 ms kecepatan dihitung dengan melihat jumlah pulsa yang nilainya sama dengan nilai yang ada di register TCNT0.
Gambar IV.1 Pengujian pulsa encoder Nilai TCNT0 inilah yang diambil sebagai kecepatan motor dan diambil sebagai nilai umpan balik ke sistem kendali. Encoder yang digunakan penulis sudah menyatu dengan motor sehingga penggunaanya lebih mudah dan praktis. Encoder akan memberikan 116 pulsa jika motor diputar 3600.
56
III.2 Pengujian pulsa PWM dari mikrokontroller
Pulsa PWM yang keluar dari mikrokontroller mendekati ideal, yakni berupa sinyal kotak yang prosentase sinyal high dengan keseluruhan sinyal merupakan besar duty cycle yang dihasilkan.
Gambar IV.2. Pengujian pulsa PWM dari mikrokontroller Gambar di atas merupakan bentuk sinyal PWM dengan duty cycle 75%, dari gambar terlihat perbandingan antara sinyal high dan sinyal low adalah 3:1 III.3 Pengujian pulsa PWM dari driver motor
Bentuk pulsa PWM yang keluar dari driver motor tidak semulus yang keluar dari mikrokontroller, hal ini karena pengaruh driver motor dan motor ketika kondisi high ke low tidak ideal. Tegangan rata-rata yang dihasilkan sebesar: (Duty cycle x Vreferensi ) – Drop tegangan.
Gambar IV.3. Pengujian pulsa PWM dari driver 57
Gambar di atas merupakan bentuk sinyal PWM dengan duty cycle 75%, dari gambar terlihat perbandingan antara sinyal high dan sinyal low adalah 3:1. Adanya sinyal negatif merupakah efek ketika kondisi on ke off. III.4 Pengujian masukan set point
Set point diberikan melalui potensiometer sebagai pembagi tegangan dalam rentang VCC (5 volt) dan GND (0 volt). Hasil pembacaan tegangan analog tersebut kemudian diubah kedalam format digital 8 bit sehingga range nilainya 0255. Hasil konversi tersebut dibagi 2 untuk meningkatkan ketelitian. Hasil pengujian
menunjukkan
bahwa
pemutaran
potensiometer
telah
mampu
memberikan masukan set point dengan ketelitian nilai 1. Selain melalui potensiometer, masukan set point juga dapat dilakukan melalui generator fungsi sehingga dapat diberikan berbagai bentuk sinyal referensi seperti sinyal segitiga dan sinyal kotak. Pengujian masukan sinyal referensi menunjukkan bahwa pembacaan sinyal analog telah berhasil dengan cara melihat nilai set point yang besarnya (Vreferensi/5 volt) x 127. III.5 Pengujian tegangan keluaran driver terhadap masukan PWM
Pengukuran tegangan keluaran driver sebagai catu daya motor dengan masukan berupa nilai PWM 8 bit dengan pre skalar 64 yang dikendalikan oleh mikrokontroller. Hasil pengukuran menghasilkan data sebagai berikut: Hubungan PWM - tegangan 12
Tegangan (volt) .
10 8 6 4 2 0 0
50
100
150
200
250
PWM 8 bit (desimal)
Gambar IV.4. Hubungan PWM dengan tegangan keluaran driver
58
Tampak dari grafik bahwa hubungan nilai PWM dengan tegangan keluaran: •
Tidak linier, hal ini karena karakteristik bahan IC L298N
•
Terjadi drop tegangan dimana tegangan referensi yang diberikan sebesar 12 V, akan tetapi dengan nilai PWM maksimal sebesar 255 hanya menghasilkan tegangan 10 V, hal ini karena karakteristik IC L298N sebagaimana disebutkan dalam datasheet bahwa akan terjadi drop tegangan sebesar 1,8 - 3,2 Volt
III.6 Pengujian kecepatan motor terhadap masukan PWM
Pengukuran kecepatan motor dengan masukan PWM 8 bit dengan pre skalar 64 pada sistem loop terbuka dengan waktu pencuplikan 20 ms menghasilkan data sebagai berikut
Hubungan PWM - kecepatan 90
Kecepatan (rpm)
80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
PWM 8 bit (desimal)
Gambar IV.5. Hubungan PWM dengan kecepatan motor Motor mulai berputar pada pemberian nilai PWM disekitar 100. Ketidaklinieran bahkan adanya dead zone ini akan berpengaruh terhadap sistem kendali yang akan dibangun sehingga perancangan fungsi keanggotaan keluaran berupa perubahan selisih PWM berada pada rentang 0-155 bukan 0-255. Data di atas dan data pengukuran-pengukuran selanjutnya dinyatakan dalam pencuplikan 20 ms dengan 116 pulsa/rotasi sehingga kecepatan dalam rpm adalah jumlah pulsa x 25.86 rpm. Untuk selanjutnya, pre skalar PWM yang digunakan dalam perancangan penelitian sebesar 64.
59
III.7 Pengujian respon step sisem loop terbuka
Pengujian sistem loop terbuka dengan memberikan nilai PWM yang setara dengan kecepatan yang diinginkan: kecepatan 50 pulsa/20 ms setara dengan 123, 60 pulsa/20ms setara dengan 146, 70 pulsa/20ms setara dengan 187 dan 80 pulsa/20 ms setara dengan 250. Pengamatan kecepatan dalam satuan pulsa/20 ms sehingga jika dikonversi ke dalam rpm maka perlu dikalikan dengan 25,86. Hasil pengukuran kecepatan motor pada transien dengan masukan step memberikan hasil sebagai berikut
Respon step kendali open loop 90
Kecepatan (rpm)
80 70 60 50 40 30 20 10 0
0
200
400
600
800
1000
Waktu (ms)
Gambar IV.6. Respon step pada kendali loop terbuka Dari grafik di atas, respon menunjukkan •
Nilai rise time berbeda-beda tergantung set pointnya, semakin besar set point semakin cepat rise timenya
•
Nilai settling time cenderung sama, yakni sekitar 200 ms.
•
Pada kecepatan rendah cenderung terjadi osilasi. Kecepatan motor pada kecepatan rendah cenderung tidak stabil, hal ini dikarenakan pada kecepatan rendah, gesekan konstruksi mekanik sistem motor DC lebih besar.
Sebagai
perbandingan
pengamatan
bentuk
respon
transient,
dilakukan
pengamatan tegangan DC analog yang dihasilkan dari generator. Pengamatan tegangan generator yang dihasilkan melalui osiloskop jika diberi masukan step sebagai berikut 60
Gambar IV.7. Respon step tegangan generator sistem loop terbuka
Dari gambar di atas terlihat respon sistem sebelum mencapai steadty state. Bentuk respon tegangan mirip dengan respon pengamatan kecepatan melaui encoder. IV.8 Pengujian set point sinyal kotak pada loop terbuka
Pengujian sistem loop terbuka dengan set point berupa sinyal kotak yang dihasilkan oleh generator sinyal, masukan set point sebagai berikut Input sinyal kotak kendali loop terbuka 200 175 PWM 8bit
150 125 100 75 50 25 0 0
5000
10000
15000
20000
Waktu (ms)
Gambar IV.8. Masukan set point berupa sinyal kotak pada loop terbuka
Adapun keluaran berupa kecepatan motor yang diukur melalui encoder menghasilkan data sebagai berikut
61
Respon kecepatan input sinyal kotak loop terbuka 80 70
PWM 8bit
60 50 40 30 20 10 0
0
5000
10000 Waktu (ms)
15000
20000
Gambar IV.9. Respon kecepatan dengan set point sinyal kotak pada loop terbuka Adapun pengamatan dengan osiloskop pada masukan set point dan tegangan generator yang dihasilkan sebagai berikut
Gambar IV.10. Respon tegangan generator set point sinyal kotak loop terbuka Dari grafik dan pengamatan osiloskop terlihat sisi transient sebelum sistem mencapai kondisi steady state. IV.9 Pengujian set point sinyal segitiga pada loop terbuka
Pengujian berikutnya berupa pemberian nilai set point berupa sinyal segitiga pada loop terbuka. Dari sini dapat diketahui kemampuan sistem untuk mengikuti (track) set point yang berubah-ubah pada sistem loop terbuka. Hasil pengukuran kecepatan menghasilkan data sebagai berikut
62
Seting point sinyal segitiga kendali open loop 175
PWM 8bit
150 125 100 75 50 25 0 0
5000
10000
15000
20000
Waktu (ms)
Gambar IV.11. Masukan set point berupa sinyal segitiga pada loop terbuka Respon kecepatan seting point sinyal kotak kendali loop terbuka
Kecepatan (rpm)
70 60 50 40 30 20 10 0 0
5000
10000 Waktu (ms)
15000
20000
Gambar IV.12 Pengamatan respon kecepatan dengan set point sinyal segitiga pada loop terbuka Pengamatan tegangan generator dengan osiloskop sebagai berikut
Gambar IV.13. Pengamatan respon tegangan generator dengan set point sinyal kotak pada sistem loop terbuka 63
IV.10 Pengujian respon step pada kendali fuzzy
Untuk
membuktikan
apakah
sistem
fuzzy
telah
berhasil
diimplementasikan pada sistem maka perlu dilakukan percobaan dengan menentukan set point, kemudian dianalisis apakah sistem secara otomatis dapat mengejar set point tersebut. Selain pengujian apakah sistem mampu mengejar set point pada respon step, sistem kendalian juga harus mampu menstabilkan kecepatan
ketika
sistem
terjadi
perubahan
beban.
Pengujian
dengan
menghubungkan generator dengan beban berupa LED. Untuk mengukur kinerja motor dilakukan pengujian dengan masukan step sehingga dapat diamati kemampuan sistem dalam mengejar set point. Pada sistem loop tertutup yang telah diimplementasikan kendali logika fuzzy menghasilkan data sebagai berikut Respon step kendali fuzzy 90
Kecepatan (rpm)
80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
200
400 600 Waktu (ms)
800
1000
Gambar IV.14. Respon step pada kendali fuzzy Dari hasil pengukuran di atas, hasil pengendali logika fuzzy lebih cepat mencapai rise time akan tetapi kemudian terjadi overshoot. Pengendali fuzzy seolah-olah terlalu berlebihan memberikan respon ketika mengkompensai error kecepatan, hal ini merupakan konsekuensi ketika respon ingin cepat mencapai set point akan tetapi waktu pencuplikan yang relativ lama (20 ms) sehingga memberikan efek respon yang berlebih. Akan tetapi jika waktu pencuplikan diperkecil menyebabkan sensor kecepatan menjadi kurang akurat, oleh karena itu jika diinginkan respon yang lebih baik perlu menggunakan sensor kecepatan yang
64
lebih tinggi resolusinya, tidak seperti yang digunakan dalam eksperimen ini yang hanya 116 pulsa/rotasi. Kemampuan sistem mengejar settling time pada kecepatan tinggi (80 pulsa/20ms) mengalami perbaikan, dimana pada loop terbuka dibutuhkan waktu 200 ms, akan tetapi setelah diimplementasikan kendali fuzzy hanya membutuhkan waktu sekitar 140 ms. Adapun pada kecepatan 70 atau dibawahnya, settling time menjadi lebih lama. Adapun pengamatan pada tegangan generator yang dihasilkan melalui osiloskop sebagai berikut. .
Gambar IV.15. Pengamatan respon step tegangan generator pada kendali fuzzy Dari sinyal tegangan generator terlihat overshooti pada awal-awal transient sebelum mencapai steady state. Pengamatan tegangan generator dan kecepatan motor melalui encoder secara umum memberikan respon yang hampir sama, akan tetapi dengan encoder lebih teliti. IV.11 Pengujian efek ketidaklinieran plant pada respon step
Seperti terlihat pada gambar IV.2 bahwa motor mulai bergerak pada pemberian nilai 100. Keadaan tidaklinier ini menyebabkan kalkulasi fuzzy tidak dapat memberikan respon yang baik karena menganggap bahwa rentang antar 0 sampai dengan 255 adalah linier. Pengaruh ketidaklinieran plant terlihat dari pengukuran kecepatan dalam gambar berikut ini.
65
Respon step sebelum dan sesudah kompensasi ketidaklinieran 90
Kecepatan (rpm)
80 70 60 50 40 30
SP=80 (Open)
20
SP=80 (Fuzzy L)
10
SP=80 (Fuzzy NL)
0 0
200
400
600
800
1000
Waktu (ms)
Gambar IV.16. Pengaruh ketidaklinieran plant terhadap respon step Untuk mengkompensasi plant yang tidak linier, didekati dengan pembatasan range pemberian PWM yakni bahwa rentang perubahan PWM adalah 0-155 bukan 0-255 dengan menganggap bahwa nilai PWM(n=0) sebesar 100. Efek ketidaklinieran plant dan rentang keluaran kalkulasi seperti terlihat dalam gambar di atas, secara umum kendali fuzzy tidak terlalu terpengaruh oleh kondisi ketidaklinieran. IV.12 Pengujian kendali fuzzy dengan set point sinyal kotak
Pengujian kendali fuzzy dengan set point berupa sinyal kotak menghasilkan data sebagai berikut.
Kecepatan (rpm)
Respon kecepatan input sinyal kotak pada kendali Fuzzy 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
5000
10000 Waktu (ms)
15000
20000
Gambar IV.17. Respon kendali fuzzy terhadap set point sinyal kotak
66
Gambar IV.18. Respon kendali fuzzy terhadap set point sinyal kotak IV.13 Pengujian kendali fuzzy dengan set point sinyal segitiga
Pengujian berikutnya dengan memberikan nilai set point yang berubah mengikuti pola segitiga. Hasil pengukuran mendapatkan data sebagai berikut:
Kecepatan (rpm)
Respon kecepatan seting point sinyal segitiga pada kendali fuzzy 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
5000
10000 Waktu (ms)
15000
20000
Gambar IV.19. Respon kendali fuzzy terhadap set point segitiga Dari hasil pengukuran tersebut, sistem kendali
yang dibangun telah mampu
mendekati nilai seting poin. Kecepatan yang naik secara tidak mulus pada awalawal motor bergerak atau pada set point kecil dikarenakan putaran motor tidak tentu ketika diberi tegangan kecil, hal ini karena ketelitian sensor kecepatan yang kurang teliti serta perakitan mekanik motor dan beban yang kurang bagus. Pada set point menengah ke atas, sistem mampu mengikuti set point dengan error yang relatif
kecil seperti pada pengamatan ketika sistem diberi respon step pada 67
kecepatan 70 pulsa/20 ms. Adapun pengamatan tegangan analog pada generator dilakukan melalui osilokop menghasilkan data sebagai berikut
Gambar IV.20. Pengamatan tegangan generator pada kendali fuzzy terhadap set point sinyal segitiga IV.14 Pengujian percobaan perubahan beban pada sistem kendali fuzzy
Untuk melihat efek kendali fuzzy ketika terjadi perubahan beban, terlebih dahulu diujicoba perubahan beban pada sistem loop terbuka. Perubahan beban diberikan dengan menghubungkan generator ke LED. Hasil pengujian pada sistem kendali loop terbuka menghasilkan data sebagai berikut. Pengujian perubahan beban pada open loop 100
Kecepatan (rpm)
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Waktu (ms)
Gambar IV.21. Pengujian beban sistem loop terbuka pada set point 70
68
Dalam sistem loop terbuka, ketika terjadi penambahan beban maka kecepatan menurun seperti terlihat dalam grafik di atas. Ketika beban dikembalikan ke kondisi semula
maka kecepatan kembali seperti pada saat sebelum terjadi
penambahan beban. Pengamatan ini dilakukan sebelum sistem kendali fuzzy diimplementasikan. Adapun setelah sistem fuzzy
diimplementasikan, maka hasil pengamatan
terhadap penambahan beban dengan catu daya 12 volt ditunjukkan dalam grafik berikut.
Pengujian perubahan beban pada SP 60 80
Kecepatan (rpm)
70 60 50 40 30 20 10 0 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Waktu (ms)
Gambar IV.22. Pengujian perubahan kendali fuzzy pada set point 60 Ketika terjadi perubahan beban, maka sistem memberikan kompensasi untuk menjaga kecepatan agar tetap pada nilai set point, perubahan duty cycle ditunjukkan dalam gambar berikut ini.
69
Perubahan duty cycle ketika perubahan beban pada SP 60 300
PWM 8 bit
250 200 150 100 50 0 0
500
1000
1500
2000 2500 Waktu (ms)
3000
3500
4000
Gambar IV.23. Perubahan duty cycle ketika perubahan beban pada SP 60 Dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa sistem yang telah dibangun mampu menjaga agar kecepatan berada pada nilai set point walaupun terjadi perubahan beban. Pengujian juga dilakukan dengan variasi nilai set point, pengujian perubahan beban pada set point 70 dengan catu daya 12 volt menghasilkan data sebagai berikut
Pengujian perubahan beban pada SP 70 90
Kecepatan (rpm)
80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
500
1000
1500 2000 Waktu (ms)
2500
3000
Gambar IV.24. Pengujian perubahan beban pada SP 70 Berikut sinyal kompensasi ketika terjadi perubahan beban, nilai duty cycle bertambah ketika terjadi perubahan beban.
70
Perubahan duty cycle ketika perubahan beban pada SP 70 300
PWM 8 bit
250 200 150 100 50 0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Waktu (ms)
Gambar IV.25. Perubahan duty cycle ketika terjadi perubahan beban SP 70 Pada set point 70 terlihat bahwa sistem sudah tidak mampu menjaga kecepatan sesuai set point, hal ini terjadi karena catu daya sudah tidak mampu mengkompensasi perubahan beban, walaupun sudah diberikan catu daya maksimal berupa duty cycle 100% tetapi karena bebannya terlalu berat, maka sistem tidak mampu menjaga nilai sesuai set point. Jadi, sistem mampu menjaga nilai sesuai set point ketika terjadi perubahan beban selama kompensasi mampu mengimbangi perubahan beban. Hal ini berkaitan erat dengan kemampuan catu daya yang diberikan pada tegangan referensi driver motor. IV.15 Pengujian perubahan catu daya
Pengujian berikutnya berupa perubahan catu daya, fenomena pengujian pada set point 70 dimana sistem tidak mampu mengembalikan kecepatan ke set point karena keterbatasan catu daya dapat diatasi dengan penyediaan catu daya yang lebih besar. Berikut pengujian dengan variasi catu daya: 12 volt, 20 volt dan 30 volt
71
Pengujian perubahan catu daya
Kecepatan (rpm)
180 160
SP
140
12V
120
20V
100
30V
80 60 40 20 0 0
200
400 600 Waktu (ms)
800
1000
Gambar IV.26. Respon step pada set point 70 dengan variasi catu daya Dari pengujian diatas dapat disimpulkan bahwa sistem mampu mengejar set point walaupun dengan catu daya berbeda-beda, hal ini dikarenakan sistem mampu menyesuaikan duty cycle yang diberikan ke motor. Berikut pengamatan duty cycle pada variasi catu daya. Perubahan duty cycle pada variasi catu daya 300 12V
250
PWM 8 bit
20V 30V
200 150 100 50 0 0
200
400
600
800
1000
Waktu (ms)
Gambar IV.27. Perubahan duty cycle pada variasi catu daya IV.16 Pengukuran waktu komputasi kendali fuzzy
Waktu yang dibutuhkan pada perhitungan fuzzy cukup cepat yakni hanya sebesar 3,2 ms, waktu ini diukur dengan mencetak nilai counter pada TCNT2 (timer) di awal dan di akhir perhitungan kendali fuzzy ke PC melalui port serial.
72
Gam mbar IV.28. D Diagram pew waktuan sistem
73
