KENDALI FUZI KECEPATAN MOTOR DC, DENGAN METODA CHOPPER, BERBASIS MIKROKONTROLER 89C51 1)
Bambang Sutopo1)dan Erwin2) Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik UGM 2). Mahasiswa S1 TE-UGM
ABSTRAK Pengendalian kecepatan putar motor DC dapat dilakukan dengan mengubah besar tegangan terminal motor. Sistem pencincang tegangan DC (chopper) adalah cara yang sederhana dan efisien dalam mengubah besar tegangan DC. Algoritma fuzi bisa digunakan sebagai algoritma untuk menentukan besarnya tegangan sesuai dengan kecepatan yang dikehendaki. Penggunaan mikrokontroler membuat sistem kendali menjadi fleksibel dalam pengubahan algoritma pengendalian tanpa mengubah sistem perangkat keras. Sistem mikrokontroler memberi fasilitas EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), sehingga mempercepat proses pengubahan program. Dalam penelitian ini dilakukan tiga cara penyusunan keanggotaan fuzi masukan dan diamati tanggapan kecepatan terhadap perubahan beban. Sistem penyusunan keanggotaan masukan menentukan besarnya deviasi kecepatan dan kecepatan tanggapan sistem. Penentuan keanggotaan ini sangat diperngaruhi pengetahuan perancang dalam sistem yang dikendalikan. Kata kunci : chopper, DC, fuzi, mikrokontroler
Pendahuluan Motor DC mempunyai keunggulan dalam kehalusan perubahan kecepatan, kemudahan pengendaliannya, dan tanggapan dinamis yang cepat terhadap perubahan torsi beban, sehingga masih digunakan dalam banyak aplikasi industri. Sistem Chopper banyak digunakan di industri karena serhana dalam konstruksi dan efiiensi yang tinggi, terlebih digunakan FET sebagai saklar pemutus tegangan. Sistem mikrokontrller merupakan alat batu kendali yang sangat tepat untuk mendapatkan sistem yang nyata, kompak, kecil, handal dan dapat diprogram. Sistem mikrokontror 89C51 diguanakan karena menggunakan sistem EEPROM sehingga dalam modifikasi program dapat dilakukan sangat cepat, hal ini dapat memperpendek waktu perancangan dan implementasi. Algoritma fuzi merupakan algoritma baru yang menggunakan logika manusiawi dalam cara menentukan besaran sinyal kendali. Walapun algoritma ini sudah banyak digunakan
dalam industri tetapi masih perlu banyak penelitian untuk menghasilkan algoritma pengendalian yang baik. Dasar Teori Motor DC dapat diatur berdasarkan persamaan sbb :
N=
V − I a Ra kφ
kecepatan
......................... (1)
N : kecepatan putar motor V : tegangan terminal motor Ia : arus jangkar Ra : hambatan jangkar k : konstanta φ : banyaknya fluksi Dalam kasus pengendalian kecepatan putar motor, tegangan terminal motor (V) merupakan variabel yang dapat diatur untuk menghasilkan putaran yang diinginkan. Dalam penelitian ini pengaturan besarnya dilakukan dengan proses Chopper. Proses chopper dapat digambarkan sbb :
T Vin
Catu daya DC
Vin
waktu
chopper
M
DC
Tegangan (V)
Tegangan (V)
Ton
frekuensi putar
Vout
waktu
Gambar 1. Proses pengubahan tegangan DC ke DC dengan metode Chopper.
d(k) = d(k+1) + δd(k)
Counter 8 bit
PWM
-
+
e(k)
Besarnya tegangan output dinyatakan sebagai :
Defuzzifikasi
Fuzzifikasi
ce(k) e(k-1)
Vout =
Ton × Vin T
error sebelulmnya
Pengambilan keputusan
(2)
Substitusi pers (1) ke pers (2) didapatkan :
Ton − I a Ra N= T kφ
Set kecepatan
(3)
Gambar DC.
2.
Sistem
kecepatan
motor
Gambar 3 menunjukkan diagram alir proses fuzifikasi dan defuzifikasi pengendalian. MULAI
INISIALISASI
Besaran T dibuat tetap, dan besaran Ton diatur sesuai kebutuhan kecepatan putaran N. Dalam mengendalikan kecepatan motor digunakan besaran masukan yang berupa selisih kecepatam motor dengan kecepatan yang diinginkan, biasa disebut dengan error, dan laju perubahan kecepatan itu sendiri, biasa disebut change of error. Terhadap kedua besaran ini dilakukan fuzifikasi. Algoritma fuzi digunakan untuk menentukan besarnya Ton berdasarkan hasil fuzifikasi masukan tadi. Sinyal kendali terbut dihasilkan setelah dilakukan defuzifikasi dengan menetapkan aturan keanggotaan keluaran tertentu.
TAMPILAN AWAL
Y
Tombol Stop Ditekan T
Y
Tombol Naik Ditekan
SP = SP + 1
T Y Tombol Turun Ditekan
SP = SP - 1
T T Tombol Jalan Ditekan Y Ukur Kecepatan Saat Ini
Tampilkan
Proses Fuzi
Kirim data serial
Y Ada Tombol ditekan
T
Gambar 3. Diagram alir proses pengendalian kecepatan motor DC
Implementasi Implementasi perangkat keras sistem chopper dan pengendali fuzi dapat dilihat pada gambar 2. Sistem mikrokontroler digunakan untuk mengolah algoritma fuzi. Sistem chopper digunakan transistor 2N3055.
Rancangan fuzifikasi masukan dirumuskan dengan coba-coba dalam gambar 4a, 4b dan 4c. 250 200 150
NEG
ZE
100
POS
50 0
0
16
32
48
64
80
96
112 128 144 160 176 192 208 224 240
Gambar 4a. Keanggotaan error dengan himpunan ZE sempit
250 200 150
ZE
NEG
100
POS
50 0
0
16
32
48
64
80
96
112 128 144
224 240
176 192 208
0
160
Gambar 4b. Keanggotaan error dengan himpunan ZE sedang
Defuzifikasi. Proses defuzifikasi adalah proses mengubah distribusi fuzi hasil inferensi menjadi besaran yang sebenarnya untuk sinyal kendali. Dalam penelitian ini dipilih keanggotaan keluaran berupa himpunan fuzi singleton di gambar 5, untuk menyederhanakan dalam perhitungan di dalam bahasa asembler.
250 200
ZE
150
NEG
POS
100 50
X 0
16
32
48
64
80
96
112
128
144
160
176
192
208
224
240
Gambar 4c. Keanggotaan error dengan himpunan ZE lebar
Inferensi Proses inferensi adalah mencari himpunan keluaran yang bersesuaian dengan kondisi masukan dalam suatu basis aturan. Dalam penelitian ini ditetapkan basis aturan sbb : 1. Jika kecepatan motor lebih besar dari set point maka tegangan terminal motor harus dikurangi agar kecepatan turun. Laju perubahan kecepatan tak berpengaruh. (Aturan A) 2. Jika kecepatan motor masuk himpunan kecepatan sama dengan kecepatan yang diinginkan maka laju perubahan diperhatikan dalam mengelurarkan tegangan kendali. (Aturan B,C,D) 3. Jika kecepatan motor lebih kecil dari set point maka tegangan motor harus dikurangi agar kecepatan naik. Laju perubahan kecepatan tak berpengaruh. (Aturan E) Kelima aturan tersebut bisa dijabarkan dalam tabel dibawah ini.
Gambar 5. Himpunan keanggotaan keluaran
Metode yang digunakan adalah Mean of Maximum dengan rumus sebagai berikut :
Hasil Penelitian dan Pembahasan
1. Tanggapan motor tanpa pengendalian terhadap pembebanan tiba-tiba. Bila motor dalam keadaan tanpa pengendalian kemudian secara tiba-tiba beban bertambah maka tanggapan kecepatan seperti tampak pada gambar 6. 1800
1500
kecepatan(rpm)
0
1200
900
P e m b e b a n a n 0 ,5 N 600
300
0 0 .0 0
1 .8 8
3 .7 5
5 .6 3
7 .5 0
9 .3 8
1 1 .2 5
1 3 .1 3
1 5 .0 0
1 6 .8 8
1 8 .7 5
2 0 .6 2
2 2 .5 0
2 4 .3 7
2 6 .2 5
2 8 .1 2
3 0 .0 0
3 1 .8 7
3 3 .7 5
3 5 .6 2
3 7 .5 0
w a k tu (d e t ik )
Tabel 1. Aturan logika fuzi Negatif Laju Error
Error ZE
Gambar 6. Tanggapan motor terhadap perubahan beban tanpa pengendalian Positif
Aturan B Aturan C Aturan D
Neg ZE Pos Aturan A
Aturan E
Dengan perubahan beban sebesar 0,5N maka kecepatan motor mengalami penurunan sekitar 600 RPM.
2. Tanggapan motor terhadap perubahan step.
terkendali
fuzi
2100
1800 F U N G SI K EAN G G O T AAN A 1500
1500 1200 900 600 300 0 0 .0
7 .5
1 1 .3
1 5 .0
1 8 .7
2 2 .5
2 6 .2
3 0 .0
3 7 .5
3 3 .7
Gambar 8b. Tanggapan motor terhadap perubahan set point untuk keanggotaan himpunan ZE sedang gambar 4b. Gambar
R is e tim e 0.7 s
3 .8
w a k t u ( d e t ik )
F U N G SI K EAN G G O T AAN C
8c.
Tanggapan
motor
terhadap
2400
900
2100 1800
600
kecepatan(rpm)
kecepatan(rpm)
F U N G S I KE AN G G O T AAN B
kecepatan(rpm)
1800
Dengan mengadakan pengendalian fuzi yang fungsi keanggotaan masukan seperti dalam gambar 4a, 4b dan 4c didapatkan hasil tanggapan kecepatan motor terhadap perubahan step set point dalam gambar 7.
1200
2400
300
1500 1200 900
0
600
0
1
2 300
w aktu (d etik)
0 0
3 .7 5
7 .5
1 1 .2 5
15
1 8 .7 5
2 2 .5
2 6 .2 5
30
3 3 .7 5
3 7 .5
w a k tu (d e tik )
Gambar 7. Tanggapan motor terhadap perubahan step.
perubahan set point untuk himpunan ZE lebar gambar 4c.
Tanggapan step motor menunjukkan bahwa untuk keanggotaan ZE sempit menghasilkan tanggapan dengan overshoot, keanggotaan ZE sedang mengakibatkan overshoot berkurang dan keanggotaan ZE lebar mengakibatkan tanpa uvvershoot. Tanggapan ini akan jelas terlihat mempengaruhi kecepatan untuk kembali stabil setelah ada perubahan beban, yang ada di gambar 9
4. Pengaruh perubahan beban
keanggotaan
Berdasarkan fungsi keanggotaan seperti dalam gambar 4a, 4b, dan 4c dan diadakan perubahan beban, didapatkan tanggapan kecepatan motor masing-masing ditunjukkan dalam gambar 9a, 9b, dan 9c. 2100
24 0 0
1800
1500
kecepatan(rpm)
3. Tanggapan motorterkendali fuzi terhadap perubahan berbagai set point.
1 .1 s
1200
1 ,5 s
900 Pem bebanan
B e b a n d ile p a s
600
21 0 0
300
kecepatan(rpm)
18 0 0
0
15 0 0
0 .0 12 0 0
3 .8
7 .5
1 1 .3
1 5 .0
1 8 .8
2 2 .5
2 6 .3
3 0 .0
3 3 .8
3 7 .5
w a k tu (d e tik )
9 0 0 6 0 0 3 0 0 0 0 .0
3 .8
7 .5
1 1 .3
1 5 .0
1 8 .8
2 2 .5
2 6 .3
3 0 .0
3 3 .8
3 7 .5
w a k tu (d e tik )
Gambar 8a. Tanggapan motor terhadap perubahan set point untuk keanggotaan himpunan ZE sempit gambar 4a.
Gambar 9a. Tanggapan motor terhadap perubahan beban dengan fungsi keanggotaan ZE sempit seperti gambar 4a.
2100
3.
1800
kecepatan(rpm)
1500 1200 1 ,7 s
1 ,9 s
900 600 300 0 0 .0
3 .8
7 .5
1 1 .3
1 5 .0
1 8 .7
2 2 .5
2 6 .2
3 0 .0
3 3 .7
3 7 .5
4.
w a k tu (d e tik )
Gambar 8b. Tanggapan motor terhadap perubahan beban dengan fungsi keanggotaan ZE sedang seperti gambar 4b. 5.
2100
kecepatan(rpm)
1800 1500
2.2s
1200
Daftar Pustaka
2s
900 600 300 0 0
3.75
7.5
11.25
15
18.75
22.5
26.25
30
33.75
37.5
waktu(detik)
Gambar 9c. Tanggapan motor terhadap perubahan beban dengan fungsi keanggotaan ZE lebar seperti gambar 4c. Dari gambar 8 dapat dijelaskan bahwa funsi keanggotaan ZE yang lebih sempit menghasilkan tanggapan yang lebih cepat dan deviasi putaran yang kecil. Dalam gambar 8a, terjadi deviasi putaran sekitar 250 RPM selama 1,1 detik pada saat pemberian beban dan terjadi deviasi putaran sekitar 275 RPM selama 1,5 detik saat pelepasan beban. Dalam gambar 8c terjadi deviasi kecepatan sebesar 300 RPM dalam waktu 2 detit saat pembebanan, dan deviasi sebesar 300 RPM dalam waktu 2,2 detik saat pelepasan beban.
Kesimpulan 1.
2.
Dalam penentuan sistem keanggotaan fuzi yang tepat diperlukan pengalaman terhadap sistem yang dikendalikan, karena satu sistem keanggotaan dapat menghasilakn tanggapan yang berbeda dengan bila digunakan sistem keanggotaa yang lain. Masih diperlukan penelitian lanjut tentang cara mencari fungsi keanggotaan fuzi yang secara otomatis dapat menyesuaikan dengan kondisi beban dan parameter motor sehingga pengendalian kecepatan dapat berlangsung secara optimal. Masih perlu dilakukan pengembangan untuk pengendalian motor DC yang berdaya besar.
Sistem mikrokontroler 89C51 sangat fleksibel bila digunakan untuk perancangan sistem karena kemudahan dan kecepatan dalam modifikasi algoritma. Aplikasi algoritma fuzi dalam mikrokontroler 8 bit ini untuk mengendalikan kecepatan motor DC sudah memadai.
