Kendali Kecepatan PMSM 3 Fasa Berbasis Jaringan Syaraf Tiruan dengan Penggerak Tanpa Sensor Posisi Rotor

J. Sains Tek., April 2004, Vol. 10, No. 1

Kendali Kecepatan PMSM 3 Fasa Berbasis Jaringan Syaraf Tiruan dengan Penggerak Tanpa Sensor Posisi Rotor Sumadi Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Lampung Jl. S. Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung 35145 Email : [email protected] Abstract A little of using synchronous motors for industry application tend to increase their applications and researches, especially for Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM). With this type of synchronous motors is more possible to take their speed control electronically.Using rotor position sensors for PMSM need to synchronize their rotor position relation to excitation pulse to get motor circles. Rotor position sensors need more money and tend to reduce system reliability. Eliminating these rotor position sensors is done by transformation speed pulse information to rotor position pulse information and by established the electric initial condition of rotor position. Artificial Neural Nets (ANNs) as part of Controllers could handle speed regulation in synchronous motors. Keywords: PMSM, ANNs, rotor position sensors, initial condition of rotor position. Pendahuluan Masih sedikitnya penggunaan motor sinkron magnet permanen (PMSM) pada aplikasi industri memberikan kecenderungan untuk mengembangkan pemakaiannya5,7,8,9, juga dimungkinkan pengaturan kecepatan secara elektronik6,7. Penggunaan JST4 untuk kendali kecepatan dikarenakan kelebihan-kelebihan yang dimilikinya, diantaranya : 1. Memiliki kemampuan belajar sehingga bersifat adaptif dan tidak perlu diprogram 2. Arsitekturnya yang bersifat paralel 3. Kemampuan toleransi gangguan (fault tolerant) untuk mengatasi gangguan yang mungkin terjadi.

2.

Memperoleh informasi posisi sudut rotor dari informasi kecepatan, sehingga sensor posisi sudut rotor dapat dihilangkan. Metode Penelitan

Untuk memperoleh hasil seperti yang diharapkan, pada penelitian ini dilakukan antara lain berupa pemodelan dan konfigurasi sistem, simulasi perangkat lunak dan implementasi pada perangkat keras berupa pembuatan perangkat keras. Baik simulasi maupun implementasi keduanya melibatkan pemrograman komputer, simulasi dilakukan dengan MathLab 5.1 dan implementasi menggunakan bahasa Pascal. Konfigurasi dan Pemodelan Sistem2

Penelitian ini bertujuan untuk: 1. Mencari arsitektur JST yang akan dipergunakan untuk pengendalian kecepatan PMSM.

 2004 FMIPA Universitas Lampung

Untuk melakukan pengendalian kecepata pada Motor sinkron magnet permanen ini, kita menggunakan model persamaan tegangan sumbu d-q, yaitu :

7

Sumadi, Kendali Kecepatan PMSM 3

λ q + λ d dtd θ r

(1.1)

vd = rs id + dtd λ d + λ q dtd θ r

(1.2)

vo = rs io + dtd λo

(1.3)

v q = rs iq +

d dt

0=r i +

d dt

λ

0=r i +

d dt

λ

' ' kd kd

' ' kq kq

' kd

(1.4)

' kq

(1.5)

dengan θ r = ω r t . Untuk memudahkan simulasi seringkali persamaan mesin dinyatakan dalam kuantitas dasar, yakni variabel fluks lingkup per detik ψ 's dan reaktansi x 's ,

sehingga: ψ = ω b λ dan x = ω b L , dimana ω b = 2πf rated rad listrik per detik, f rated adalah frekuensi nominal mesin.

menggantikan λ's dan L's . Semuanya ini didasarkan pada nilai frekuensi dasar ω b ,

Sehingga persamaan (1.1) s.d. (1.5) dapat kita nyatakan sebagai:

v q = rs i q +

d dt

λq + λd ω r

(1.6)

dengan mengetahui bahwa: ψ mq = ω b Lmq (iq + ikq' )

(1.7)

ψ q = xls i q + ψ mq iq =

(1.8)

ψ q − ψ mq

(1.9)

xls

diperoleh : v q = rs

(ψ q − ψ mq )

ψ q ωr + ψd ωb ωb

(1.10)

 r ωr ψ d + s (ψ mq − ψ q )dt xls ωb 

(1.11)

xls integralkan suku ψ q , diperoleh :



ψ q = ω b ∫ v q − 

+

d dt

Secara simultan kita juga memperoleh untuk persamaan (1.12) sampai persamaan (1.16), yaitu   r ω (1.12) ψ q = ω b ∫ v q − r ψ d + s (ψ mq − ψ q )dt xls ωb     r ω (1.13) ψ d = ω b ∫ v d + r ψ d + s (ψ md − ψ d )dt xls ωb  



ψ 0 = ω b ∫ v 0 + 

ψ

8

' kq

=

ω b rkq' x

' lkq

 rs ψ 0 dt x ls 

∫ (ψ mq − ψ kq )dt '

(1.14)

(1.15)



ψ

' kd

=

ω b rkq' x

' lkq

∫ (ψ md

)

' − ψ kd dt

(1.16)

dimana :  ψ q ψ kq'   , dan +  xls x '  kq   ' ψ  ψ = x MD  d + 'kd + i m'   xls xlkd 

ψ mq = x MQ 

ψ md 1 x MQ 1 x MD

iq

=

1 1 1 + ' + , dan x mq xlkq xls

=

1 1 1 + ' + x md xlkd xls

(1.18)

ωλd

rs

L'lkq

Lls

' rlkq

i 'kq

−

+

+

(1.17)

vq

Lmq

−

(i) sumbu-q id

ωλq

rs −

+

Lls

+

' rlkd

L'lkd

i'kd

Lrc

vd

Lmd −

i'm

(ii) sumbu-d

io

rs +

Lls

vo −

(iii) urutan Nol

Gambar 1. Rangkaian ekivalen qdo PMSM

Dengan arus yang mengalir pada rangkaian ekivalen, ψ q − ψ mq ψ kq' − ψ mq ' iq = , ikq = ' xls xlkq id =

ψ d − ψ mq xls

, ikd' =

ψ kd' − ψ md


' xlkd

(1.19)

9


Kita harus melakukan transformasi koordinat dari sistem tiga fasa karena  f qs   1 − 12  s 2 3  fd  = 3  0 − 2 1  fo   1 2 2  

motor bekerja dalam kerangka koordinat d-q,, yaitu:

− 12  f a   3  2  fb  1  f  2  c 

(1.20)

dengan persamaan gerak rotor yang menyebabkan terjadinya putaran adalah : ω r (t ) − ω e H t = ∫ (Tem + Tmech − Tdamp )dt

ωb

ωb

( 1.21)

0

Seperti diketahui dalam pengendalian kecepatan PM brushless DC motor ataupun PMSM, sensor posisi rotor adalah bagian yang sangat penting untuk memperoleh urutan komutasi yang benar pada belitan stator. Informasi sudut rotor ini diperlukan untuk menggerakan (drive) transistor pada inverter tiga fasa7.

Agar diperoleh kondisi operasi yang diinginkan, kondisi mula θ r (0) , θ e (0) dan δ(0) harus ditentukan terlebih dahulu.

Penerapan JST untuk kendali kecepatanPMSM 3 FASA

PMSM

AC

Voltage Source Inverter

Rectifier

Drive signal

ω ref

encoder

ωr

Motor Control

θr

Rotor Position + Speed Sensor

Gambar 2. Kendali PMSM dengan sensor posisi sudut rotor.

Pada motor dengan sumbu rotor yang pendek, enkoder hampir tidak dapat dipasang, solusinya adalah dengan memperoleh informasi posisi sudut rotor ini secara listrik. Ini dimungkinkan bila

kita dapat melakukan transformasi informasi kecepatan dari enkoder menjadi informasi posisi sudut rotor sehingga sensor posisi rotor dapat dihilangkan4,5,9,10. PMSM

AC

Voltage Source Inverter

Rectifier

encoder

ωr

Drive signal

ω ref

Motor Control

θr

Tranformasi speed to Posisi rotor

Gambar 3. Kendali PMSM tanpa sensor posisi sudut rotor

10



Pada metode lama, informasi posisi sudut rotor θ ini diperoleh melalui enkoder optik, karena dari enkoder ini terdapat informasi kecepatan dan posisi sudut rotor. Untuk motor dengan sumbu rotor yang pendek dan berukuran besar, pemasangan enkoder optik ini hampir tidak memungkinkan lagi6. Pemecahannya adalah dengan mengusahakan informasi posisi sudut rotor ini langsung secara listrik, yakni dengan mentransformasi informasi kecepatan

yang diperoleh dari encoder optik ke posisi rotor agar diperoleh sinyal penggerak yang identik. Jadi, enkodernya hanya berisi informasi kecepatan saja3,10. Perhatikan persamaan (1.12) dan (1.13), parameter kecepatan wr/wb diperlukan untuk menghasilkan tegangan stator. Pada sisi rotor kecepatan rotor ini dapat diperoleh dengan mengintegrasi persamaan (1.22), yatu;

2 Jω b d (ω r / ω b ) = Tem + Tmech − Tdamp pu P dt Pada saat motor bergerak dengan kecepatan ωr ( t ) , besar posisi sudut rotor θ r ( t ) terus bertambah secara periodik bersamaan dengan waktu. Meskipun θ r ( t ) terus bertambah, tetapi nilai Cosθ r ( t ) dan Sinθ r ( t ) tetap terbatas (antara –1 sampai 1). Nilai-nilai Cosθ r ( t ) dan Sinθ r ( t ) dalam simulasi dihasilkan dari osilator frekuensi sehingga dapat dilakukan tranformasi abc

(1.22)

ke qdo dengan penetapan kondisi mula yang benar. Secara matematis, transformasi kecepatan ω r ( t ) ke posisi rotor θ r ( t ) dapat diperlihatkan berupa perubahan nilai-nilai Cosθ r ( t ) dan Sinθ r ( t ) secara periodik dalam model PMSM 3 Fasa. Dalam persamaan trigonometri kita mempunyai hubungan;

t

Cosθ r (t ) = ∫ − Sinθ r (t )dθ r (t )

(1.23)

o t

Sinθ r (t ) = ∫ Cosθ r (t )dθ r (t )

(1.24)

o

Selanjutnya kita cari relasi antara persamaan 1.23) dan 1.24) diperoleh : t

Cosθ r (t ) = − ∫ Sinθ r (t )ω r (t )dt

(1.25)

o

dengan cara yang sama, diperoleh : t

Sinθ r (t ) = ∫ Cosθ r (t )ω r (t )dt

(1.26)

o

dengan dθ r (t ) = ω r (t )dt Persamaan (1.25) dan (1.26) mengandung arti bahwa perubahan posisi rotor, yaitu Cosθ r (t ) dan Sinθ r (t ) , adalah proses integrasi kecepatan posisi rotor ωr ( t ) sebanyak dua kali selama selang waktu t0 – t dan berbanding lurus dengan


perubahan posisi rotor itu sendiri. Besar perubahannya antara –1 sampai 1. Dalam simulink hal ini dapat kita formulasikan2 sebagai blok osc (osilator frekuensi), yaitu :

11


1 wr wb

-wb

Dot Pr oduct

1 S Sin

Dot Pr oduct 1

Cos _ Thetar

1 S Cos

wb

Sin _ Thetar 2

Gambar 4. Implementasi Simulink Persamaan (1.25) dan (1.26)

Posisi sudut rotor tidak diperoleh langsung, karenanya kita harus memberikan wref secara ekternal. Jaringan Syarat Tiruan didalam Motor Control hanya sebagai pengendali kecepatan dengan dua input dan satu ouput, yaitu: kecepatan referensi dan umpan balik kecepatan dari sensor kecepatan (enkoder) yaitu wr , serta output kecepatan rotor wr. Arsitektur JST yang digunakan adalah Backpropagation Feedforward Network dengan target pada output layernya, agar proses belajar offline menjadi lebih cepat4. Arsitektur JST terdiri dari 3 layer, dengan input wref adalah p{1} dan west adalah p{2}, output wr adalah y{1}, umpan balik output y{1} ke input p{1}, target diberikan pada layer{3} adalah a{3}. Penggunaan fungsi aktivasi sigmoid pada layer{1} dengan 4 neuron untuk mengatasi perubahan parameter dan energi masukan ke motor. Pada layer{2}dengan 3 neuron dan layer{3}dengan 1 neuron menggunakan fungsi aktivasi poslin agar diperoleh output layer yang telah linear, masukan internal pada layer{3} berupa umpan balik output y{1} dengan pemberian target pada layer{3} ini dimaksudkan untuk mempercepat proses linearisasi, sehingga output y{1} memiliki error yang kecil. Pengembalian output y{1} yang telah mengalami pengurangan error pada layer{3} ke input layer{1}, diharapkan akan diperoleh

12

output layer {3} dengan error yang semakin kecil. Simulasi MathLab 5.1, dengan Simulink, Control System Blockset, Neural Nets Blockset dan Powersystem Blockset, sedangkan implementasi sensorless drive, menggunakan IC TTL dan pengendalian kecepatan dengan Komputer (PPI 8255A ). Informasi Data Kecepatan Data kecepatan diambil secara online, dengan duty cycle ke komputer, diperoleh data seperti pada Tabel 1. Tabel 1. Data Kecepatan diambil secara online dengan duty cycle ke computer No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Data duty cycle 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Kecepatan (rpm) 0 408 545 612 750 822 841 857 955 968 1000



terhadap kecepatan. Setelah diperbaiki dengan schmitch trigger diteruskan ke program counter, dengan demikian sensor posisi rotor dapat dihilangkan3,10.

Penggerak Tanpa Sensor Posisi Rotor Pulsa penggerak 3 fasa diperoleh melalui transformasi informasi kecepatan ke informasi posisi sudut rotor dengan caramelewatkan sinyal kecepatan ke suatu tripler frekuensi yang digeser fasanya 1200, sehingga membentuk pulsa 3 fasa pada suatu FF, lalu diteruskan ke pembagi 3, agar frekuensinya sinkron

Hasil Dan Pembahasan A. Simulasi Dilakukan Pada Simulink Mathlab 5.1:

vA wr 6p

vB vC

6p_gen

Filter6

Display Kecepatan

Inv 3p

Neural Network Model PMSM

wr_ref

wr_est

Gambar 5. Model Simulasi PMSM 3 Fasa dengan Pengendali JST

wr/wb in pu

Kecepatan pu 1 0

0

-1

0.5

1

1.5

Arus ia(t) ia in pu

10

0

-10 0

0.5

1

1.5

Waktu (detik) Gambar 6. Respon kecepatan dan arus dengan JST pada 1000 rpm (1 pu)


13


B. Implementasi Perangkat Keras: L 1 Fasa

ENKODER

c

MS

PWM DUTY CYCLE

PC

PROGRAM COUNTER

Speed to rotor position

INVERTER DRIVER

SPEED COMMAND

Gambar 7. Blok Kendali PMSM secara lengkap, dengan Keluaran JST dari PC sebagai masukan ke Program Counter

Gambar 8. Perbandingan penggunaan sensor posisi rotor

14



Tabel 2. Perbandingan Penggerak Encoder Waktu mencapai tunak Respon Daya tahan terhadap Hubung singkat Biaya

Dengan sensor posisi rotor sensor kecepatan dan posisi Cepat (>3 milidetik)

Tanpa sensor posisi rotor sensor kecepatan saja Agak lambat

Cepat (>2 milidetik) Tidak ada

Agak lambat ada

Sama

Sama

Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi dan implementasi “Kendali Kecepatan PMSM 3. Fasa berbasis Jaringan Syaraf Tiruan dengan Penggerak tanpa Sensor Posisi Rotor”, ini dapat disimpulkan ; 1. Pengendalian kecepatan PMSM 3 Fasa dapat dilakukan dengan mengatur duty cycle tegangan masuk stator melalui pengaturan sudut komutasi switching inverter. 2. Pengendali JST dapat mengikuti perubahan skema kendali dari skema dengan sensor posisi ke skema tanpa sensor posisi, dengan arsitektur JST yang sesuai. 3. Kendali Kecepatan PMSM 3 Fasa berbasis JST dengan penggerak tanpa sensor posisi dapat diterapkan, dengan konsekuensi respon yang agak lambat dengan biaya yang sama disisi sensor.

3. Joos, G, 1990. MRA PWM Technique, IEEE Transc. On Power electronic, Vol. 4. 4. Kung, SY, 1993. Digital Neural Networks, Architecture and Implementation, Capter 10. Prentice Hall Inc. 5. Mizutani, R, 1998. Current ModelBased sensorless Drive of Salient Pole PMSM at Low Speed and Standstill, IEEE Transc. on Ind. App, vol 34. 6. Novonty, DW, 1996. Vector Control and Dynamics of AC Drives. Clarendon Press-Oxford. 7. Ranganathan, V.T., 1994. PMSM and Control Schemes, Implementasion in DSP, capter 5, Analog Device. 8. Schuler, 1993. Modern Industrial electronics. Mc Graw Hill.

Daftar Pustaka 1. Ong, C.M. 1998. Dynamic Simula-tion of Electric Machinery using MatLab. Prentice Hall. 2. Demuth, H, 1998. User Guide, Neural Net Toolbox, Power System Blockset, For Use with MatLab, The Mathworks, Inc.


9. Suk Lee, J, 1997. Stator flux oriented sensorless IM Drive for Optimum Low Speed Performance. IEEE Transc. on Ind. Appl, vol 33. 10. Sumadi, Iyas, M. Desember 2000. Kendali Kecepatan Motor Sinkron Magnet Permanen 3 Fasa dengan Pengindera Kecepatan berbasis Jaringan Syaraf Tiruan, Seminar-2 thesis S2.

15

Kendali Kecepatan PMSM 3 Fasa Berbasis Jaringan Syaraf Tiruan dengan Penggerak Tanpa Sensor Posisi Rotor

Recommend Documents