KENDALI MOTOR INDUKSI MENGGUNAKAN FUZZY SLIDING MODE CONTROLLER BERBASIS DIRECT FIELD ORIENTED CONTROL M. Khairul M. Khairul Amri Rosa NRP 2208201012 Pembimbing: Pembimbing: Prof. Dr. Ir. Soebagio, Soebagio, MSEE Prof. Dr. Ir. Mauridhi Hery Purnomo Purnomo,, M. Eng. Program Magister Bidang Keahlian Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2010
Keunggulan motor induksi Robust
Karakteristik torka tinggi
Konstruksi sederhana
Perawatan mudah
MOTOR INDUKSI Murah
Motor induksi dalam electric drive Pengaturan kecepatan
kecepatan variabel
frekuensi
memerlukan konverter
tegangan
torka
MODEL dqn
Kontrol kecepatan
MOTOR INDUKSI
Mesin induksi non linier sulit dikontrol
dijadikan linier FOC
Konvensional : PI
Kontroler Non-konvensional : SMC FLC, SMC, FLC FSMC
Untuk memperbaiki respon
Model Sistem
Next
Model motor induksi Rangkaian ekivalen motor induksi dalam koordinat dqn Rs
ωe λqs
Llr (ωe − ωr )λqr Rr
Lls
ids
idr
λds
Vds
`
`
Lm
λdr
Vdr
Sumbu d
Rs
ωe λds
Llr (ωe − ωr )λdr Rr
Lls
iqqs Vqs
iqqr
λqs
Lm
Sumbu q
λqr
Vqr
Model motor induksi `
Persamaan tegangan motor induksi
`
Persamaan fluksi
Model motor induksi `
Persamaan torka elektromagnetik
`
Persamaan mekanis motor induksi
Field oriented control Sistem Si decoupled
FOC S Sistem coupled l d
torka dan fluks dapat dikontrol secara terpisah
torka dan fluks berada pada rangkaian yang sama q
λqr = 0
sumbu d diletakkan pada sumbu fluks rotor
ωe
Is
λqr = 0 λr = λdr
d
λdr = λr iqs
ids
θ sl
θe
θr
d
r
ds
ωr
menghasilkan persamaan torka seperti motor dc
Te =
3 P Lm λdr iqs 2 2 Lr Back
Field oriented control `
Perhitungan sudut rotor
Inverter
Membangkitkan tegangan ac dengan magnitud i d dan d frekuensi f k i yang dapat diatur
HB-PWM CRPWM SPWM SVPWM
PWM
Space vector PWM `
Sasaran SVPWM untuk memperkirakan tegangan referensi dalam vektor ruangg menggunakan gg delapan p ppola switchingg dengan periode sampling tertentu Space vector tegangan
dengan
Space vector PWM `
Kombinasi urutan switching inverter membentuk 8 pola switching
`
State 1-6 menghasilkan vektor tegangan aktif yang membagi suatu heksagonal menjadi 6 sektor State 0 dan 7 menghasilkan vektor tegangan nol
`
Bentuk tegangan keluaran inverter `
Tegangan fasa
`
Tegangan line-to-line
Back
Sliding mode controller `
Teknik kontrol yang melakukan switching berdasarkan keadaan sistem.
`
Memaksa lintasan sistem menuju permukaan sliding s=0
`
Sliding pada permukaan begitu mencapai permukaan
Sliding mode control Keunggulan SMC ` Penerapan sederhana ` Stabil ` Robust ` Respon dinamik yang baik
Sliding mode control `
Memecah fungsi kontrol u
`
adalah kontrol ekivalen kontrol tidak kontinu menimbulkan chattering Mereduksi chattering dengan memperhalus fungsi kontrol
Fuzzy sliding mode controller ` ` `
Kombinasi SMC dan FLC Menggabungkan kelebihan masing masing-masing masing kontroler FLC menggantikan fungsi kontrol SMC yang tidak kontinu dengan sistem inferensi fuzzy
Struktur FSMC:
Back
Simulasi ` `
Menggunakan program Matlab/Simulink Prosedur Simulasi: `
Membuat model sistem menggunakan SIMULINK ` ` `
` ` ` ` ` `
Model motor induksi Blok diagram inverter Blok kontroler
Membuat model SMC Simulasi dengan SMC Mendapatkan parameter optimum Membuat desain FSMC Simulasi dengan FSMC Analisis dan kesimpulan
Model Simulink wr
putaran rotor
pulsa l Te m
is_abc
fluks
Vdc
torka elektromagnetik arus stator fl k d fluks_dr tegangan output inverter
Iabc
wr
pulsa
Parameter mesin
Space-Vector Space Vector PWM Transformasi dq – abc (4.12) ( ) Transformasi abc – dq stasioner (αβ αβ)) (4.13) Perhitungan sudut fasa (4.15) Penentuan sektor Perhitungan waktu switching (2.54) –– (2.56) (2.54) Pembangkitan pulsa
Kontroler `
Blok kontroler terdiri atas: ` ` `
`
Kontroler kecepatan Kontroler arus iqs Kontroler arus ids
Kontroler yang digunakan: ` `
Sliding mode control Fuzzy sliding mode control
Kontroler kecepatan SMC
Kontroler arus iqs SMC
Kontroler arus ids SMC
FSMC kontroler kecepatan
input output
sinyal error putaran referensi dengan putaran aktual arus sumbu q referensi (i*qs)
FLC pada kontroler kecepatan Fungsi Keanggotaan Input Pengendali Kecepatan NB
NS
ZE
PS
NB
PB
1 De erajat keanggotaa an
De erajat keanggotaa an
1
Fungsi Keanggotaan Output Pengendali Kecepatan
0.8 0.6 0.4 0.2 0 -1
NS
ZE
PS
PB
-0.5
0 un
0.5
1
0.8 0.6 0.4 0.2 0
-0.5
Parameter FLC Tipe Metode AND Metode OR Implikasi Aggregasi Defuzzifikasi
0 sw
0.5
: Mamdani : MIN : MAX : MIN : MAX : CENTROID
1
-1
Basis Aturan untuk FLC: • If sw is NB Then un is NB • If sw is NS Then un is NS • If sw is ZE Then un is ZE • If sw is PS Then un is PS • If sw is PB Then un is PB
FSMC kontroler arus iqs
input
sinyal error arus iqs referensi dengan iqs pengukuran
input
perubahan error dalam selang waktu Ts
output
tegangan sumbu q referensi (v*qs)
FSMC kontroler arus ids
input
sinyal error arus ids referensi dengan ids pengukuran
input
perubahan error dalam selang waktu Ts
output
tegangan sumbu q referensi (v*ds)
FLC pada kontroler arus Fungsi Keanggotaan Input 1 Pengendali Arus NB
NS
ZE
PS
PB
NB
1 De erajat keanggotaa an
De erajat keanggotaa an
1
Fungsi Keanggotaan Output Pengendali Arus
0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.5
0 s
0.5
1
Fungsi Keanggotaan Input 2 Pengendali Arus
Derajat kkeanggotaan
NB
NS
ZE
PS
PB
0.8 0.6 0.4 0.2 0 -1
NS
ZE
PS
PM
PB
0.8 0.6 0.4 0.2 0
-1
1
NM
-0.5
0 ds d
0.5
1
-1
-0.5
Parameter FLC Tipe Metode AND Metode OR Implikasi Aggregasi Defuzzifikasi
0 un
0.5
: Mamdani : MIN : MAX : MIN : MAX : CENTROID
1
FLC pada kontroler arus Basis aturan FLC pada pengendali arus Δs
PB
PS
ZE
NS
NB
NB
NB
NB
NM
NS
ZE
NS
NB
NM
NS
ZE
PS
ZE
NM
NS
ZE
PS
PM
PS
NS
ZE
PS
PM
PB
PB
ZE
PS
PM
PB
PB
s
Hasil Simulasi Simulation Results
Simulasi menggunakan SMC `
Untuk mendapatkan nilai parameter kendali yang optimum. p Indeks performansi sistem dievaluasi menggunakan:
`
Variasi nilai kw, kq, dan kd
`
` `
`
Range kw : 200 – 600 Range g kq dan kd : 500 – 2000, masing-masing g g dengan g step p 50.
Simulasi dengan kecepatan referensi 200 rad/s tanpa beban.
Perubahan kw terhadap indeks performansi
Hasil Simulasi `
Dari hasil pengujian indeks performansi J, diperoleh parameter kendali SMC:
`
kw
= 400
`
kq
= 1900
`
kd
= 1900
Indeks performansi terkecil: Perubahan kq dan kd terhadap indeks performansi
`
J
= 5961,8
`
Nilai kw, kq, dan kd digunakan g untuk FOC dengan pengendali FSMC
Perbandingan performansi FSMC dan SMC
Perbandingan performansi FSMC dan SMC
Perbandingan performansi FSMC dan SMC
Performansi
FSMC
SMC
Rise time (detik)
0 260 0.260
0 322 0.322
Steady-state time (detik)
0.310
0.345
0%
0%
Overshoot
Performansi pada kecepatan bervariasi `
Bentuk gelombang tegangan output line-to-line inverter
Performansi pada kecepatan bervariasi Data simulasi Waktu (detik) Kecepatan referensi (rad/s)
Plot kecepatan
0
1
2
100
200
50
Plot λdr
Performansi pada kecepatan bervariasi Data simulasi Waktu (detik) Kecepatan referensi (rad/s)
Plot torka elektromagnetik
0
1
2
100
200
50
Plot arus line stator
Performansi pada kecepatan bervariasi P f Performansi i
Rise time s
Steady y state Overshoot s %
Putaran naik: 0 – 100 rad/s
0.17
0.22
0
Putaran naik: 100 – 200 rad/s
0.10
0.14
0
Putaran turun: 200 – 50 rad/s
0 17 0.17
0 23 0.23
0
Performansi pada torka beban bervariasi Data simulasi Waktu (detik) Torka beban (Nm) Kecepatan referensi (rad/s)
Plot kecepatan
1
15 1.5
2
25 2.5
300
0
-150
0
200
Performansi pada torka beban bervariasi Data simulasi Waktu (detik) Torka beban (Nm) Kecepatan referensi (rad/s)
Plot torka elektromagnetik
1
15 1.5
2
25 2.5
300
0
-150
0
200
Plot arus line stator
Kesimpulan ` `
`
`
FOC berhasil diterapkan untuk mengatur torka dan fluks motor induksi secara terpisah seperti pada mesin arus searah. Penggunaan (FSMC) sebagai pengendali memberikan respon yang robust terhadap perbahan parameter dan perubahan beban serta kendali yyangg halus tanpa p overshoot baik ppada saat accelerating dan decelerating, pada saat terjadi gangguan beban dan perubahan parameter, yang baik untuk dinamik kendaraan elektrik. Respon kecepatan FSMC lebih baik dibanding SMC. Pada kecepatan referensi 200 rad/s, FSMC mencapai steady state pada 0.31 0 31 detik dengan rise time 0.26 0 26 detik. detik SMC mencapai steady state pada 0.345 detik dengan rise time 0.322 detik. FSMC mengoptimalkan torka elektromagnetik motor, sehingga menghasilkan h ilk respon yang lebih l bih cepatt dibanding dib di SMC. SMC
Daftar Pustaka 1.
Bousserhane, I. K., A. Hazzab, P. Sicard, M. Rahli, B. Mazari, and M. Kamli, Fuzzy Sliding Mode Based on Indirect Field Orientation for Induction Motor Drive, IEEE Transactions on., 2006 pp.537 2006, pp 537-542 542.
2.
Meroufel, A., A. Massoum, P. Wira, A Fuzzy Sliding Mode Controller for A Vector Controlled Induction Motor, IEEE Transaction on, 2008, pp. 1873-1878.
3.
Swamy, y, R. L. and P. S. Kumar,, Speed p Control off Space p Vector Modulated Inverter Driven Induction Motor, Proceedings of the International Multi Conference of Engineers and Computer Scientists, 2008, Hong Kong.
4.
Soebagio,”Model Mesin AC pada Koordinat dqn”, Materi kuliah Mesin Sinkron Lanjut, I tit t Teknologi Institut T k l i Sepuluh S l h Nopember, N b 2006
5.
Faiz, J., M. Sharifian, A. Keyhani, A. Proca, Sensorless Direct Torque Control of Induction Motors Used in Electric Vehicle, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 18, 2003.
6 6.
Tunyasrirut, SS. and S. Tunyasrirut S Srilad, Srilad Fuzzy Logic Control for a Speed Control of Induction Motors using Space Vector Pulse Width Modulation, Proc. of World Academy of Science, Engineering and Technology, 2007, pp.71-77.
7.
Noaman, M., Speed Control for IFOC Induction Machine with Robust Sliding Mode Controller, Asian Journal of Scientific Research, I (4), 2008, pp 324-337.
Daftar Pustaka 8.
Bose, Bimal K., Modern Power Electronics and AC drives, Prentice Hall Ptr, 2002.
9.
Ong, Chee-Mun, Dynamic Simulation of Electric Machinery using Matlab/Simulink, Prentice H ll PTR, Hall PTR New N Jersey, J 1998. 1998
10.
Casadei, D., F. Profumo, G. Serra, and A. Tani, FOC and DTC:Two Viable Schemes for Induction Motor Torque Control, IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 17 no. 5, 2002, pp 779786.
11.
Yuhendri, Muldi, Penggunaan Fuzzy Logic Controller (FLC) Untuk Maximum Output Power Tracking (MOPT) pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan Kecepatan Variabel, PPS Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2009.
12.
Mohan, Ned, Advanced Electric Drive: Analysis, Control and Modeling using Simulink, MNPERE, Minneapolis, 2001.
13.
T. Fu, W. Xie, “Novel Sliding Mode Control of Induction Motor Using Space Vector Modulation Technique Technique”, ISA Trans. Trans 44, 44 2005, 2005 pp 481 481–490 490
14.
Kusumadewi, Sri, Analisis & Desain Sistem Fuzzy, Graha Ilmu, Yogyakarta, 2002.
15.
Prabowo, Gigih, Metoda Direct Torque Control pada Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tanpa Sensor Dengan Menggunakan Sliding Mode Control, PPS Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2008.
Terima kasih
