TUGAS AKHIR Perancangan PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR BRUSHLESS MENGGUNAKAN PULSE WIDTH MODULATION Disusun oleh : Dedi Martanto Gunawan (07010002) ABSTRAK Pengontrolan motor listrik sangat dibutuhkan dan hampir setiap penggemar elektronika terlibat di dalamnya dengan mendisain sistem tersebut sesuai dengan apa yang mereka butuhkan. Setiap disain memiliki spesifikasi kebutuhan dari motor yang akan gunakan seperti, tenaga, kecepatan, kapan motor harus mulai berjalan dan kapan harus berhenti, dan tentu saja dengan mempertimbangkan efisiensi dari daya yang digunakan. Pulse Width Modulation atau sering di sebut dengan PWM adalah sebuah teknik yang sering digunakan di dalam sistem pengontrolan kecepatan motor dan bisa mengatasi masalah pada starting motor yang jelek. Dengan memanfaatkan ADC dari mikrokontoler, maka penulis menggunakan potensio sebagai pengendali PWM. Selain itu penulis juga membuat alat ukur sebagai alat peraga untuk mengetahui kecepatan motor brushless. Sensor yang digunakan adalah sensor inframerah dan pothodiode. Sensor berfungsi untuk mengetahui seberapa banyak putaran yang dihasilkan oleh motor brushless. Kata kunci : Pulse Width Modulation, Mikrokontroler, RPM meter.
I 1.1
PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Pengontrolan motor listrik sangat dibutuhkan dan hampir setiap penggemar elektronika terlibat di dalamnya dengan mendisain sistem tersebut sesuai dengan apa yang mereka butuhkan. Setiap disain memiliki spesifikasi kebutuhan dari motor yang akan gunakan seperti, tenaga, kecepatan, kapan motor harus mulai berjalan dan kapan harus berhenti, dan tentu saja dengan mempertimbangkan efisiensi dari daya yang digunakan.
Kadang metode simpel di dalam pengontrolan sudah cukup memadai untuk mengatasi masalah tersebut. Sebagai contoh dengan menggunakan regulated power supply dan saklar on/off yang simpel untuk membalik putaran motor. Untuk kecepatan juga bisa di kontrol dengan potensiometer yang di rangkai dengan rangkaian darlington. Dalam praktek, metode ini kadang menghasilkan performa kontrol yang kurang baik. Masalah utama adalah kualitas start motor yang jelek, dan motor berpindah
1
ssecara meendadak dari d kondisi s stasioner yaang berada dalam d kondisi s setengah kecepatan maksimaal. P Penyebab utamanya u addalah karenna “ “starting chharacteristic” dari motoor i sendiri yang itu y bila teerbebani akaan b berat untuk melakukan putaran awaal “ “starting P widtth speed”. Pulse M Modulation atau sering g di singkaat d dengan PW WM adalahh salah sattu t teknik yangg di gunakan di dalam m s sistem konntrol. Samppai saat inni, P PWM di gunakan g dallam aplikasi s sistem kontrrol yang luuas meliputi : k kontol keceepatan, konntrol tenaga, p pengukuran dan komuniikasi. 1 1.2
Rum musan Masaalah Perm masalahan yang dihadappi d dalam meerancang pengendaliaan k kecepatan brushlesss motor m menggunaka an pulsse widtth m modulation yaitu bagaimanna m merancang program agar keluaraan d dari mikrrokontroller berbentuuk g gelombang kotak, k dimanna nilai PWM M ( (Pulse Widdth Modulation) dapaat dalam LC d ditampilkan CD. Rumusaan p permasalaha an dalam perancangaan m meliputi: b bentuk/wuju ud 1. Bagaaimana p pengendalian n motor brushlesss m menggunaka an pushhe widtth m modulation. 2 2. Bagaaimana pulse widtth m modulation yang digunakaan m mengatur mo otor brushless. 3 3. Bagaaimana hasiil uji putaraan m motor brushhless dengann lebar pulssa y yang berbedda. 1 1.3 Tuju uan Peneelitian
inii
pengendali pulse width modulationn yang di tampilkan dalam LCD D. 2. Membuat program pembangkit p pulse widthh modulationn. 3. Mewujudkaan prototype pengendalin kecepataan motor brushless menggunakkan pulse width moduulation. II
LANDA ASAN TEO ORI
Sesuai dengan tu ujuan dari pennelitian seperti yanng telah dikkemukakan sebelumny ya, maka lan ndasan teori yang digunaakan dalam pennelitian ini meliputi: Puulse Width Moodulation (P PWM), Mikrrokontroler AT TMega8535, Bahasa C, Tim mer/Counterr 1, dan Tampilan Meenu (LCD). 2.11 Pulse (PW WM)
Width
M Modulation
Pulse Width W Moduulation atau serring di sebutt dengan PW WM adalah sebbuah teknik yang sering digunakan diddalam sistem peengontrolan keccepatan mottor dan bisa mengatasi maasalah pada starting motor m yang jeleek. M Pulse Width Modulation (PW WM) di dappatkan dari gelombang g kottak atau “ssquare wave” dengan dutty cycle yanng di ubah-uubah untuk meendapatkan variasi darii tegangan kelluaran sebaggai hasil darii nilai ratarataa gelombangg pada PWM M tersebut. Pennjelasan ssecara maatematisnya adaalah sebagai berikut.
bertujuaan
u untuk: 1. Menggunnakan miikrokontrolleer sebagai pembangkitt pulse widtth modulatiion dan poteensio sebagaai 2
Gambar 2.1 Gelombang Kotak Dari gelombang kotak yang bisa di lihat pada gambar diatas maka. Ton adalah waktu dimana keluaran bernilai tinggi “high” dan Toff adalah waktu dimana keluaran bernilai rendah “low”. Sedangkan Ttotal adalah waktu total atau periode dari gelombang kotak tersebut. Ttotal = Ton + Toff
Duty cycle dari gelombang kotak didefinisikan dalam persamaan D=
Ton Ton = (Ton + Toff ) Ttotal
Sedangkan tegangan keluaran bervariasi sebanding dengan duty cycle
Vout = DxVin Ton xVin Vout = Ttotal Jadi bisa dilihat bahwa hasil akhir persamaan dari keluaran tegangan bisa di variasi dengan merubah nilai dari Ton. 2.2 Mikrokontroler ATMega8535 2.2.1
Gambar 2.3 Konfigurasi Pin ATMega8535
2.3 ADC (ANALOG TO DIGITAL CONVERTER) Inisialisasi ADC Proses inisialisasi ADC meliputi proses penentuan clock, tegangan referensi, format output data, dan mode pembacaan. Register yang perlu diset nilainya adalah ADMUX (ADC Mulitiplexer Selection Register), ADCSRA (ADC Control and Status Register A), dan SFIOR (Special Function IO Regiter). ADMUX merupakan regisre 8 bit yang berfungsi menentukan tegangan referensi ADC, format data output, dan saluran ADC yang digunakan. Konfigurasinya seperti di bawah ini.
Konfigurasi
Tabel 2.7 Mode Tegangan
Konfigurasi Pin ATMega8535 ATmega8535 terdiri dari 40 pin, 32 pin diantaranya merupakan pin yang berfungsi sebagai port paralel.
2.4
Elekronic Speed Control
3
input PWM yang lebar pulsa bervariasi dari 1 ms hingga 2 ms.
Gambar 2.18 Elektronik Speed Control Seri Hobbyking SS dilengkapi dengan berbagai fungsi pemrograman terbatas dan dirancang untuk plug-n-play. Sebuah ESC yang sempurna bagi mereka yang mencari sesuatu yang mudah digunakan dan ekonomi. MOSFET rating ESC ini adalah sekitar 34A, namun di sarankan untuk tetap tidak lebih dari 30A. Spec. Berat: 22g Ukuran: 24x52x6mm Sel: 2-3S (Auto Detect) Max saat ini: 25A Burst: 30A BEC: 3A ESC sebuah Modul Rangkaian Electronic yang fungsinya mengatur putaran pada motor sesuai ampere yang dibutuhkan oleh motor digunakan untuk motor jenis AC (3 fasa connector) sedang untuk dinamo DC bisa tanpa menggunakan ESC dan bisa juga dengan ESC 2 fasa dan cukup 2 kutub catu daya positif dan negative ( 2 fasa connector). Kuat arus (Ampere) untuk di berikan motor untuk mengontrol Speed Ampere ESC harus lebih besar dari pada motor/minimal arus ESC sama dengan arus motor. ESC DC dalam arti luas adalah pengendali PWM untuk motor listrik. ESC umumnya menerima 50 Hz nominal sinyal
Gambar 2.19 Skematik ESC
2.5
Motor Brushless
Gambar 2.20 Motor Brushless Motor brushless 2409-12T Spesifikasi: Berat = 2,3 ons (65 gram) Diameter = 1.2 inch (31mm) Total Panjang = 2,4 inci (62mm) Shaft Panjang = 0,4 inci (11mm) Shaft Diameter = 3mm Voltage = 7,2-13 volt Motor Brushless berfungsi mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanis dimana gerak tersebut berupa putaran dari motor. Motor Brushless pada saat ini digunakan pada industri yang memerlukan gerakan dengan kepresisisan yang tinggi untuk pengaturan kecepatan pada torsi yang konstan. Prinsip Kerja Motor Brushless Motor Brushless berfungsi mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanis dimana gerak tersebut berupa putaran dari motor. Prinsip dasar dari motor arus searah
4
adalah bila sebuah kawat berarus diletakkan diantara kutub magnet (US), maka pada kawat itu akan bekerja suatu gaya yang menggerakan kawat itu.
Gambar 2.21. Prinsip kerja motor Brushless Pada motor arus searah medan magnet akan dihasilkan oleh medan dengan kerapatan fluks sebesar B. bila kumparan jangkar yang dilingkupi medan magnet dari kumparan medan dialiri arus sebesar I, maka akan menghasilkan suatu gaya F dengan besarnya gaya tersebut adalah: F=BIL
(elektromagnetik) atau magnet permanen. Bagian stator terdiri dari bodi motor yang memiliki magnet yang melekat padanya. Untuk motor kecil, magnet tersebut adalah magnet permanen sedangkan untuk motor besar menggunakan elektromagnetik. Kumparan yang dililitkan pada lempenglempeng magnet disebut kumparan medan. 2) Bagian berputar (Rotor) Rotor ini berupa sebuah koil dimana arus listrik mengalir. Suatu kumparan motor akan berfungsi apabila mempunyai Kumparan medan,berfungsi sebagai pengahsil medan magnet.Kumparan jangkar, berfungsi sebagai pembangkit GGL pada konduktor yang terletak pada laur-alur jangkar.Celah udara yang memungkinkan berputarnya jangkar dalam medan magnet.
( 2.4 )
Dimana : F = gaya pada penghantar (Newton) B = kepadatan fluks magnet (Tesla) I = arus listrik yang mengalir (Ampere) L = panjang penghantar (meter)
2.5.1 Bagian-bagian Brushless
motor
Motor Brushless mempunyai dua bagian dasar yaitu : 1) Bagian diam/tidak berputar (Stator) Stator ini menghasilkan medan magnet, baik yang dibangkitkan dari sebuah koil
Gambar 2.22 Bagian-bagian motor Brushless
2.6
Potensiometer
Potensiometer adalah resistor tiga terminal dengan sambungan geser yang membentuk pembagi tegangan dapat disetel. Jika hanya dua terminal yang digunakan (salah satu terminal tetap dan terminal geser), potensiometer berperan sebagai resistor variabel atau Rheostat. Potensiometer biasanya digunakan untuk mengendalikan peranti elektronik seperti pengendali suara pada penguat. Potensiometer
5
yang dioperasikan oleh suatu mekanisme dapat digunakan sebagai transduser, misalnya sebagai sensor joystick.
Gambar 2.23 potensio
PERANCANGAN DAN PRINSIP KERJA ALAT 3.1
Diagram Blok Sistem Mikrokontroler pada perancangan ini digunakan untuk memproses data masukan dan kemudian mengatur kecepatan motor brushless menggunakan PWM. Sedangkan PWM dikendalikan melalui potensio. Hasil dari pengendalia tersebut di tampilkan dalam LCD. Sedangkan untuk pembacaan RPM menggunakan mikrokontroller ATMega8 dan di tampilkan dalam LCD. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar blok diagram pada gambar 3.1.
3.2
Perancangan Hardware dan Cara Kerja
Dalam pembuatan rangkaian minimalis ATmega8535 diperlukan rangkaian penunjang untuk mendukung kerja dari sistem minimum tersebut . Rangkaian penunjang yang dibutuhkan diantaranya adalah : 1. 2. 3.
Clock Generator CPU Batterai Interfacing rangkaian minimalis 3.2.1 Perancangan Input/Output
Rangkaian Input/ Pegendali Rangkaian pengendali digunakan sebagai kendali pergerakan motor brushless yang dilakukan secara manual dengan potensiometer yang berupa setir. Pada rangkaian ini potensiometer digabungkan dengan menggunakan ADC internal yang dimilki oleh Mikrokontroller ATMega8535 dengan fitur PWM yang juga dimiliki oleh mikrokontroler. Konversi_ADC = (vin/vref)*256 Vin = Tegangan input Vref =Tegangan Refernsi(VCC)
Gambar 3.4 Rangkaian Kendali Motor Gambar 3.1 (A) Kendali kecepatan motor brushless, (B) Penghitung kecepatan putaran motor brushless.
1.2.5 Diagram Alir Kecepatan Motor Untuk perancangan
Program
mempermudah perangkat lunak, 6
terlebih dahulu dibuat flow chart perintah-perintah yang harus dikerjakan oleh mikrokontroler, seperti pada gambar 3.12.
Gambar 3.14 Diagram Alir Perhitungan RPM
Gambar 3.12 Diagram Alir Perancangan Pengendalian Kecepatan Motor Brshless
1.2.6
Subrutin RPM Meter
Ketika sensor inframerah terhalang oleh benda, maka INT0 pada ATmega8 akan Higt dan data tersebut akan di tampilkan dalam LCD. Data sama dengan jumlah sensor infra merah terhalang benda, selanjutnya data di jumlahkan. Sedangkan RPS (putaran per detik) sama dengan data. Untuk bagian RPM diperlukan perkalian, di mana setiap satu menit = 60 detik, sehingga RPM = RPS x 60 detik. Setiap propeller menutupi sensor, maka RPS mendeteksi 1 detik, dan 1 kali putaran sensor mengenai propeller 2 kali, maka RPS di bagi 2 lalu dikalikan 60 detik untuk mendapatkan RPM.
IV PENGUJIAN ALAT DAN PEMBAHASAN 4.1
Seting ADC
Untuk menentukan tegangan yang digunakan ADC maka mulamula harus menseting register ADMUX. Register ADMUX merupakan register 8 bit yang berfungsi menentukan tegangan refrensi ADC. Karena menggunakan tegangan refrensi berasail dari pin AREF maka REFS1=0 dan REFS0=0 Masukan analog ADC tegangan harus lebih besar dari 0 volt dan lebih kecil daripada tegangan refrensi, tegangan refrensi sama dengan tegangan AVCC sebesar 5 volt. Masukan ADC dihubungkan denagn AVCC dan GND untuk memperoleh rentang masukan analog ADC dari 0 volt sampai 5 volt. Tabel 4.1 Hubungan nilai potensio dengan tegangan masukan
7
potensio
Dengan timer 16 bit AVR ATMega8535 dapt menghasilkan waktu tunda maksimum sebesar 6,068055555 detik pada frekuensi 11,059200MHz. denagn nilai maksimum FFFFh maka akan dihasilkan waktu timer selama. ⎛ Ttimer × 11059200 ⎞ FFFFh = ⎜ ⎟ 1024 ⎝ ⎠
65535 = (TTimer × 10800) TTimer = 6,068 s 4.2 Pengujian masukan PWM menggunakan potensio.
Perhitungan waktu timer ⎛ Ttimer × f CLK ⎞ TCNT = (1 = FFFFh) − ⎜ ⎟ N ⎝ ⎠
Diamana :
Jika potensio di putar searah jarum jam, maka nilai PWM akan naik. Semakin tinggi nilai PWM maka kecepatan motor brushless semakin cepat. Ketika potensio di putar berlawanan jarum jam, maka nilai PWM semakin menurun dan kecepatan motor brushless semakin pelan.
TCNT : Nilai timer (Hex) f CLK
:Frekuensi clock (crystal) yang diunakan (Hz)
TTimer
:Waktu timer yang digunakan (detik)
N
:Prescaler(1,8,64,256,1024)
1+FFFFh :Nilai maksimum timer adalah FFFFh dan overflow saat FFFFh ke 0000h.
Gambar 4.4 Posisi Potensio Dengan Nilai 50
⎛ 1 × 11059200 ⎞ TCNT = (1 + FFFFh ) − ⎜ ⎟ 1024 ⎝ ⎠
TCNT = 10000h − 10800d TCNT = 10000h − 2 A30h TCNT = D5D0h Maksimum Waktu Timer
Gambar 4.5 Output Pengujian PWM Menggunakan Osiloskop Dengan nilai Potensio 50
8
Perhitungan tegangan rata-rata dengan persamaan 4.3 3,298 Vrata − rata = 5,20 × 5,900 Vrata − rata = 5,20 × 0,56 Vrata − rata = 2,9 Volt
Tabel 4.2 Pengamatan Pada Osiloskop 1
4.3 Pengujian Kecepatan Motor Menggunakan Sensor inframerah Pengontrolan dilakukan dengan membandingkan kecepatan input dari user dengan kecepatan yang dibaca dari sensor motor. Penyesuaian kecepatan dilakukan dengan menggunakan Pulse Width Modulation (PWM).
Perhitungan tegangan rata-rata THight Vrata − rata = Vpp × Periode 1,198 Vrata − rata = 5,20 × 5,900 Vrata − rata = 5,20 × 0,20 Vrata −rata = 1,04 Volt
a.
Diagram Blok Sistem
Gambar 4.6 Posisi Potensio Dengan Nilai 140
Gambar 4.11 Blok Diagram Sistem Keseluruhan
Gambar 4.7 Output Pengujian PWM Menggunakan Osiloskop Dengan nilai Potensio 140 Tabel 4.3 Pengamatan Pada Osiloskop 2
9
Gambar 4.12 Grafik hubungan antara nilai potensio dengan RPM Tabel 4.8 Pengamatan Sensor Pada Osiloskop Dengan Nilai Potensio 50
Gambar 4.13 Pengamatan Sensor Pada Osiloskop Dengan Nilai Potensio 50 V 5.1
KESIMPULAN Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Agar motor brushless dapat bergerak, maka nilai potensio harus diatas 50. 2. Untuk penghitung kecepatan motor, jika mengunakan propeller untuk penghalang sensor, gunakan sensor TCRT 5000 dan jika menggunakan menggunakan optocopler gunakan rotary encoder. 3. Ketika power di matikan dan tidak mengubah potensio lalu di nyalakan kembali nilai potensio tidak akan berubah. 5.2 Saran Berdasarkan perancangan, pembahasan dan analisa data, masih mendapatkan kendala untuk mendapatkan hasil yang optimal.
Dalam aplikasi peralatan ini dapat dilakukan pengembangan lebih lanjut, dengan mengoptimalkan kekurangan yang terjadi, seperti: 1. Pengendalian kecepatan motor brushless menggunakan keypad maupun joystek. 2. Prototype ini dapat di kembangkan menjadi pesawt tanpa awak degan menambahkan RF data Transceiver sehingga kendali dapat lebih jauh. 3. Untuk bagian penghitung dapat di kembangkan menjadi Tako meter dengan sensor yang tepat. DAFTAR PUSTAKA Wardhana, Lingga., 2006, Belajar Sendiri Mikrokontroler AVR Seri ATMega8535 Simulasi, Hardware, dan Aplikasi, Penerbit ANDI, Yogyakarta. Soebakti, Hendrawan., 2007, Basic AVR Microcontroller Tutorial, Politeknik Batam, Batam.
Winoto, Ardi., 2008, Mikrokontroler AVR ATmega8/16/32/8535 dan Pemogramannya dengan Bahasa C pada Win AVR, Informatika, Yogyakarta Andrianto, Heri., 2008, Pemograman Mikrokontroler AVR ATMEGA16 Menggunakan Bahasa C ( Code Vision AVR ), Penerbit INFORMATIKA, Bandung.
10
