BAB 2 LANDASAN TEORI

BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1

PID PID (Proportional Integral Derivative) Controller merupakan kontroler untuk menentukan kepresisian suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik / feed back pada sistem tersebut. Komponen PID terdiri dari 3 jenis, yaitu Proportional, Integratif, dan Derivatif. Ketiganya dapat dipakai bersamaan maupun sendiri-sendiri, tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plant.

Gambar 2.1 Blok Diagram PID Controller

Ada 3 macam control PID yaitu control PI, PD, dan PID. PI adalah kontrol yang menggunakan komponen proportional dan integratif. PD adalah kontrol yang menggunakan komponen proportional dan derivatif. Dan PID adalah kontrol yang menggunakan komponen proportional, integratif, dan derivatif.

6

7

2.1.1

Kontrol PI

2.1.1.1 Kontrol Proportional Kontroller merupakan sebuah penguat input sehingga hasil pada output tidak semakin menjadi kecil pada sebuah sistem. Output proportional adalah hasil pekalian antara konstata proposional dengan nilai error nya. Perubahan yang terjadi pada sinyal input akan menyebabkan sistem secara langsung mengubah output sebesar konstata pengalinya. U(t) = Kp e(t)

Gambar 2.2 Blok diagram Kp

Jika nilai Kp kecil, controller proporsional hanya mampu melakukan koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang lambat.

Gambar 2.3 Nilai Kp kecil

8

Jika nilai Kp besar, respon sistem menunjukan semakin cepat mencapai keadaan yang stabil, tetapi juga memungkinkan motor berputar diatas set point.

Gambar 2.4 Nilai Kp besar

2.1.1.2 Kontrol Integratif Kontroller proporsional tidak akan mampu menjamin output dari sistem akan menuju ke keadaan yang diinginkan kalau sebuah plant tidak memiliki unsur integrator. Pada controller integral, respon kepada sistem akan meningkat secara kontinu terus-menerus kecuali nilai error yang diintegralkan dengan batasan atas t dan batasan bawah 0 (nol). U(t) = Ki ∫

e(t) dt

Pada diagram blok controller integral, menunjukan hubungan antara nilai error dengan output. Kontorller integral membantu menaikan respon sehingga menghasilkan output yang diinginkan.

Gambar 2.5 Blok diagram control Integral

9

Gambar 2.6 Penggunaan Kp dan Ki

2.1.2

Parameter Kontrol PI Ada beberapa parameter dalam menentukan suatu sistem close loop, yaitu rise time, overshoot, settling time, dan steady state error. Rise time adalah waktu yang dibutuhkan

oleh output plant yang melebihi 90% dari tingkat yang

diinginkan saat pertama kali sisem dijalankan. Overshoot adalah seberapa besar peak level lebih tinggi dari steady state, untuk membuat normal lagi steady state. Settling time adalah waktu yang dibutuhkan sistem untuk meng-konvergenkan steady state. Steady state error adalah perbedaan antara steady state ouput dengan output yang diinginkan. Respon

Rise Time

Overshoot

Settling Time

S-S Error

Kp

Turun

Naik

-

Turun

Ki

Turun

Naik

Naik

Hilang

Tabel 2.1 tabel pengaruh Kp dan Ki

10

Kp berguna untuk mengurangi rise time. Sedangkan Ki berguna untuk menghapuskan steady state error.

Gambar 2.7 Respon sistem

2.2

Motor DC Motor DC (direct current) merupakan salah satu jenis motor yang paling banyak digunakan dalam dunia eketronika maupun robotika. Umumnya motor banyak digunakan untuk aplikasi peralatan yang memerlukan gerak memutar secara konstan, misalnya kipas angin, bor listrik, mesin gerinda, pompa air, mixer, dan lain sebagainya. Untuk memutar motor DC cukup diberi tegangan DC saja, sedangkan untuk mengatur arah perputaran, tinggal membalik polaritas tegangan nya saja. Ada beberapa jenis motor DC yang terdapat saat ini, yaitu motor stepper, motor servo., dan motor DC biasa.

11

2.2.1

Motor Stepper Motor stepper adalah motor DC yang gerakannya bertahap (step per step) dan memiliki tingkat akurasi yang tinggi tergnatung pada spesifikasinya. Motor stepper mampu berputar untuk setiap step nya dalam satuan sudut. Makin kecil sudut step nya, maka pergeakan motor tersebut semakin presisi. Motor stepper biasa digunakan untuk aplikasi alat yang cukup menggunakan torsi kecil, seperti motor untuk penggerak piringan CD, motor untuk printer karena alat-alattersebut membutuhkan tingkat kepresisian yang tinggi. Secara umum, ada 2 jenis motor stepper, yaitu bipolar dan unipolar. Motor stepper unipolar terdiri dari dua buah motor yang masing-masing mempunyai du abuah kumparan sedangkan motor stepper bipolar terdiri dari sebuah motor dengan dua buah kumparan. Motor stepper memiliki beberapa keuntungan, antara lain : 

Stabil. Dapat menjalankan beban gesekan dan inersia.



Tidak membutuhkan umpan balik.



Harga nya murah dan mudah untuk mengontrol nya.



Mudah untuk mensetting dan menggunakannya.



Cukup aman apabila ada beban yang menahannya, maka motor akan berhenti.



Tahan lama.



Memiliki torsi yang baik saat kecepatan rendah, dapat mengerakan apa saja tanpa perlu gear.



Sangat akurat pergerakannya.

Tetapi motor stepper juga memiliki beberapa kelemahan, antara lain :

12



Efisiensi yang rendah. Motor akan tetap bergerak dengan torsi yang besar walaupun beban yang dibawa nya tidak kecil.



Torsi berbanding lurus dengan kecepatannya. Semain pelan motor berputar, maka torsi nya akan semakin kecil juga.



Tidak ada report apabila ada error pada pergerakan motor.



Motor akan cepat panas apabila diputar secara cepat.



Motor akan menimbulkan suara yang berisik saat dipaksa berputar dengan cepat.

Gambar 2.8 Motor Stepper Sumber : http://roohmadi.wordpress.com/2011/03/19/interfacing-motor-stepperdengan-vb-6-0/

2.2.2

Motor Servo Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem closed feedback dimana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian control yang ada di dalam motor servo. Motor ini terdiri dari sebuah motor, serangkian gear,

13

potensiometer, dan rangkaian kontrol. Motor servo biasa bergerak mencapai sudut tertentu saja dan tidak kontinu seperti motor DC. Motor servo mempunyai torsi yang cukup besar, biasa digunakan untuk aplikasi pada pergerakan lengan robot, pada mainan mobil remote kontrol, dan lain sebagainya. Motor servo memilik beberapa keunggulan, antara lain : 

Output yang besar walaupun bentuk nya kecil.



Memiliki encoder untuk member tahu apabila ada error.



Efisiensi yang tinggi.



Memiliki torsi yang besar.

Selain itu motor servo juga memiliki beberapa kelemahan, antara lain : 

Membutuhkan proses tuning untuk menstabilkan feedback nya.



Motor akan terus bergerak walaupun ada sesuatu yang menahannya.



Lebih kompleks dalam menggunakannya karena membutuhkan encoder.



Brush nya mempunya umur pakai 2000jam, sehingga dibutuhkan service.



Apabila membawa beban berlebihan, motor akan rusak.

14

Gambar 2.9 Motor Servo Sumber : https://electrocontrol.wordpress.com/tag/motor-servo/

2.2.3

Motor DC Biasa Motor DC biasa adalah motor DC yang paling banyak digunakan pada mainan-mainan anak, karena mudah untuk menjalankannya. Motor DC memiliki daya putar yang tinggi dan torsi yang besar, sehingga biasa digunakan juga untuk pengerak robot. Untuk memutar motor DC hanya tinggal menghubungkan kedua kutub nya ke catu daya. Kecepatan putar motor DC dihitung dengan satuan rpm (rotation per minute).

Gambar 2.10 Motor DC Sumber : http://www.tokomini4wd.com/index.php?do=detail&id=tm15256hyperdash2motor&mtd=

15

2.3

Mesin CNC CNC (Computer Numerical Controlled) adalah sebuah komputer yang deprogram untuk mengerjakan tugas tertentu sesuai dengan yang diperintahkan atau di desain oleh komputer. Mesin CNC sangat berhubungan dengan CAD (Computer Aided Design), dimana biasanya program CAD digunakan untuk mendesain dan mesin CNC digunakan untuk mengimplementasikan hasilnya menjadi bentuk nyata. Mesin CNC dibangun untuk menjawab tantangan di dunia manufaktur modern dimana dunia membutuhkan mesin untuk proses manufaktur yang mampu menghasilkan produk secara teliti, akurat dan presisi sertac epat. Mesin CNC memiliki 3 buah motor untuk mengatur pergerakan dari outputnya. Motor ini bergerak untuk 3 arah yaitu sumbu X, sumbu Y, dan sumbu Z. Motor ini dikendalikan oleh sebuah driver untuk mengatur pergerakan motor agar presisi. Output dari mesin CNC ini dapat berupa spidol, mesin bor, mesin las, mesin grafir, dan lain sebagainya.

Gambar 2.11 Mesin CNC

16

2.4

Mikrokontroller AVR Mikrokontroller adalah sebuah prosesor yang berfungsi untuk mengontrol suatu benda supaya bisa bekerja sebagaimana mestinya. Mikrokontroller memiliki memory yang berguna untuk menyimpan program yang telah dibuat sebelumnya sesuai dengan keinginan programmer. Mikrokontroller menjadi otak dari alat-alat lainya. Mikrokontroller AVR memiliki arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computing) 8 bit, sehingga semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus instruksi clock. AVR dikelompokan kedalam 4 kelas, yaitu ATtiny, keluarga AT90sxx, keluarga ATMega, dan keluarga AT86RFxx. Dari semua kelas yang membeakan hanya ukuran on-board memori, on-board peripheral dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan mereka bisa dikatakan hamper sama.

Gambar 2.12 Blok Diagram AVR

17

2.4.1

ATMega 8 ATMega8 merupakan microcontroller low-power CMOS 8-bit yang berarsitektur AVR RISC. Dengan mengeksekusi instruksi dalam single-clock cycle, ATMega 8 mencapai kecepatan yang mendekati 1 MIPS per Mhz, yang memungkinkan desainer mendesain sistem yang bisa mengoptimalkan power consumtion dengan kecepatan pemrosesan data. Mikrokontroler ATMega 8 mempunyai beberapa fitur antara lain yaitu 130 instruksi, 32 register umum, High Endurance Non-Volatile Memory segments yang dimana data dan program akan tersimpan di memori walaupun mikrokontroler tidak diberi tegangan listrik dalam jangka waktu yang lama, 8 KBytes Flash memory yang dapat ditulis dan dihapus sebanyak 10.000 kali, 512Byte EEPROM (Electronic Eraseable Programable Read Only Memory) yang dapat ditulis dan dihapus sebanyak 100.000 kali, 1 K-Byte Internal SRAM, Penyimpanan data tahansampai 20 tahun dengan kondisi pada suhu 85oC atau 100 tahun pada suhu 25oC, Boot Code opsional dengan mode penguncian bits InSystem Programming mandiri oleh On-Chip Boot Program untuk operasi True read-While-Write, Program dapat dikunci dengan software security, memiliki two 8-Bit timer/counter, one 16-Bit Timer/Counter, Real time counter dengan oscillator terpisah, 3 jalur PWM, 8 kanal ADC dalampaket TQFP dan GFN/MLF, 6 kanal ADC dalam paket PDIP, byte oriented dengan 2 kabel serial interface, USART yang dapat di program, mode master/slave SPI Serial Interface, Watchdog Timer yang dapat di program dengan On-Chip Oscillator, On-Chip Analog komparator. ATMega8 juga memiliki special microcontroller features seperti Power-on Reset dan Programmable Brown-out Detection,

18

Internal calibrated RC Oscillator, Sumber interrupt external dan internal, dan 5 mode sleep yaitu Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, dan Standby.

Gambar 2.13 ATMega8

19

Gambar 2.14 Blok Diagram ATMega8

20

Gambar 2.15 Konfigurasi Pin ATMega8

Keterangan pin ATMega8 : 

VCC Merupakan pin input yang berfungsi untuk mengaktifkan mikrokontroller.



GND Merupakan pin Ground.



Reset

merupakan

pin

yang

digunakan

untuk

me-reset

mikrokontroller. 

Port B (PB7..PB0) XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2 Merupakan 8-bit-directional I/O port. Setiap pinnya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffers dari Port B memiliki symmetrical drive characteristics dengan high sink dan source capability. Sebagai input, pin dari port B adalah tri-stated dimana saat kondisi reset diaktifkan maupun saat clock tidak berjalan.

21

Tergantung saat seting clock selection fuse, PB6 dapat digunakan sebagai input untuk inverting oscillator amplifier dan input untuk internal clock operating circuit dan PB7 dapat digunakan sebagai output dari inverting oscillator amplifier. Apabila Internal calibrated RC Oscillator digunakan sebagai sumber chip clock, PB7..6 digunakan sebagai input dari TOSC2..1 untuk asynchronous timer/counter2 apabila AS2 bit didalam ASSR telah di seting. 

Port C (PC5..PC0) Port C adalah sebuah 7-bit bi-directional I/O port dengan internal pull-up resistor (di pilih untuk setiap bit). Output buffers dari port C memiliki symmetrical drive characteristics dengan high sink maupun source capability. Sebagai input, pin dari port C adalah externally pulled low yang membuat sumber arus apabila resistor pull-up aktif. Pin dari port C adalah tri-stated saat kondisi reset aktif maupun clock sedang tidak berjalan.



PC6/RESET Apabila RSTDIBL fuse telah diprogram, PC6 dapat digunakan sebagai pin I/O. Apabila RSTDIBL fuse tidak terprogram, PC6 digunakan sebagai pin reset.



Port D (PD7..PD0) Port D adalah 8-bit bi-directional I/O Port dengan resistor pull-up (dipilih untuk setiap bit). Output buffer dari port D

22

memiliki symmetrical drive characteristics dengan high sink maupun source capability. Sebagai input, pin port D adalah externally pulled low yang membuat sumber arus apabila resistor pull-up aktif. Pin dari port D adalah tri-stated dimana saat kondisi reset aktif maupun saat clock tidak berjalan.

2.5



AVCC merupakan pin untuk input tegangan ADC.



AREF merupakan pin input untuk tegangan referensi untuk ADC.

Transistor Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya. Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2 terminal lainnya. Transistor adalah komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern. Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaian digital, transistor digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan komponen-komponen lainnya. Ada 2 tipe transistor yang ada saat ini, yaitu Bipolar Junction Transistor (BJT) dan Field Effect Transistor (FET).

23

Gambar 2.16 Simbol Transistor 2.5.1

FET FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET, arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat diubah dengan perubahan tegangan yang diberikan, untuk mengubah ketebalan kanal konduksi tersebut. Lihat artikel untuk masing-masing tipe untuk penjelasan yang lebih lanjut. FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated Gate

FET (IGFET)

atau

juga

dikenal

sebagai Metal

Oxide

Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET). Berbeda dengan IGFET, terminal gate dalam JFET membentuk sebuah dioda dengan kanal (materi semikonduktor antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET menjadi sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk sebuah dioda antara grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung

24

vakum) bekerja di "depletion mode", keduanya memiliki impedansi input tinggi, dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan input. FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan depletion mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan source saat FET menghantarkan listrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai contoh: dalam depletion mode, gate adalah negatif dibandingkan dengan source, sedangkan dalam enhancement mode, gate adalah positif. Untuk kedua mode, jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara source dan drain akan meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semua dibalik. Sebagian besar IGFET adalah tipe enhancement mode, dan hampir semua JFET adalah tipe depletion mode.

2.6

Regulator tegangan DC Regulator adalah IC (Integrated Circuit) yang berfungsi untuk meregulasi besarnya tegangan DC sesuai dengan karakteristik regulator tersebut. IC Regulator terdiri dari 3 pin, yaitu input, output, dan ground. Regulator digunakan untuk menurunkan tegangan DC. Bentuk fisik dari regulator adalah seperti gambar berikut.

25

Gambar 2.17 Regulator 2.6.1

Regulator 7805

Gambar 2.18 Regulator 7805 7805 adalah sebuah regulator yang berfungsi menurunkan tegangan DC menjadi +5 Volt. 2.6.2

Regulator 7812

Gambar 2.19 Regulator 7812

26

7812 adalah sebuah regulator yang berfungsi menurunkan tegangan DC menjadi +12 Volt.

2.7

H-Bridge

Gambar 2.20 H-Bridge IC IR2184 merupakan sebuah half-bridge driver. Half-bridge driver merupakan sebuah H-bridge yang hanya menggunakan dua buah transistor.

2.8

PWM ( Pulse Width Modulation ) Pulse Width Modulation adalah sebuah perangkat

yang dapat

mengendalikan cepat lambatnya perputaran motor atau mengontrol sebuah lampu. Sebagai contoh sebuah motor DC diberi tegangan sebesar 20 volt, maka motor tersebut akan berputar sebesar 200 RPM. Namun saat kita menginginkan berputar sebesar 100 RPM kita tidak bisa memberikan tegangan sebesar 10 volt, karena cepat lambatnya perputaran motor tidak berbanding lurus dengan tegangan input. Maka dari itu diperlukan PWM untuk mengatur perputaran motor.

27

2.9

Schmitt Trigger Schmitt trigger merupakan suatu rangkaian yang dapat mendeteksi tegangan input yang melintasi suatu peringkat tertentu. Selain itu schmitt trigger sangat berguna untuk pengkondisi sinyal segitiga ataupun bentuk gelombang lainnya, maka output schmitt trigger akan menghasilkan suatu keluaran gelombang segi empat dengan pinggiran naik dan pinggiran turun yang tajam. IC 74LS14 merupakan salah satu jenis IC yang memiliki 6 buah inverter dengan schmitt trigger. Fungsi dari IC ini adalah sebagai pembalik dan pemantap atau untuk mendeteksi taraf dan membentuk kembali pulsa-pulsa yang buruk pada bagian tepinya (membentuk sinyal kotak). Adapun konfigurasi pena IC 74LS14 ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 2.21 Schmitt Trigger Sumber : http://2.bp.blogspot.com/_8TwySHINLow/SateaSGPm7I/AAAAAAAAANM/yQCvu6eIFZ 8/s1600-h/7414.bmp