RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALI KECEPATAN MOTOR DC DENGAN MENGGUNAKAN METODE PENGENDALI PID PADA MOBIL LISTRIK (ZEC-01) Dimasyqi Zulkha(1) Ir. Ya’umar, MT(2) 1) Jurusan Teknik Fisika – Fakultas Teknologi Industri ITS Surabaya Indonesia 60111, email:
[email protected] 2) Jurusan Teknik Fisika – Fakultas Teknologi Industri ITS Surabaya Indonesia 60111
Abstrak Polusi udara yang semakin meningkat dari tahun ke tahun berdampak buruk pada kelangsungan kehidupan di bumi. Aspek yang paling banyak menimbulkan polusi udara adalah gas buang kedanraan bermotor. Usaha meminimalisasi dampak pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh polusi dari gas buang kendaraan bermotor salah satunya adalah membuat sebuah kendaraan bermotor yang tidak memiliki gas buang yang berbahaya. Sebuah penelitian dilakukan sekaligus merancang sebuah prototype kendaraan bebas polusi yang diberi nama ZEC-01 (Zero Emmisions Car-01). Dalam pengembangan sebuah kendaraan listrik ini penulis akan meneliti tentang motor sebagai penggerak dan bagaimana merancang sistem pengendalian kecepatan motor yang digunakan sebagai penggerak pada mobil listrik ini. Sistem kecepatan mobil listrik ZEC-01 menggunakan sistem pengendali dengan metode PID dihubungkan dengan besaran PWM yang dimasukkaan sebagai power motor. Setelah melakukan penalaan nilai Kp, Ti, dan Td untuk sistem ditentukanlah nilai Kp sebesar 0.0279, nila Ti sebesar 0.01, dan nilai Td sebesar 0.01. Penerapan metode PID pada sistem kecepatan menghasilkan respon yang baik. Kriteria performansi sistem pengendali kecepatan mobil listrik menghasilkan overshoot 0, nilai settling time sebesar 10 detik, serta error steady state sebesar 0.7%.
Kata kunci : Mobil Listrik, ZEC-01, Motor DC, Grafik Respon,PID
1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Usaha untuk meminimalisasi pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh gas emisi kendaraan salah satunya adalah dengan menciptakan sebuah kendaraan yang berenergi listrik sehingga tidak menghasilkan gas emisi yang dapat mengakibatkan polusi lingkungan. Zero Emmisions Car adalah kendaraan roda empat yang tidak memiliki gas emisi berbahaya, hal ini dikarenakan sumber energi yang digunakan untuk menggerakkan kendaraan ini adalah energi listrik yang tidak memiliki gas buang. Salah satu bentuk energi alternatif yang dikembangkan adalah hydrogen fuel cell, menggunakan teknologi Direct Ethanol Fuel Cell (DEFC) kemudian bereaksi dan menghasilkan listrik dengan sisa hasil reaksi berupa H2O (air) dan CO2 (karbon dioksida). Karena semakin menipisnya kandungan minyak bumi yang tersisa dan meningkatnya polusi dari
emisi gas menjadi pendorong utama penggunaan teknologi DEFC. Sebuah perancangan kendaraan tentu tidak lepas dari kecepatan kendaraan itu untuk bergerak. Oleh karena itu pada tugas akhir kali ini, akan dibahas bagaimana merancang dan menerapakan sistem pengendalian kecepatan pada proyek mobil listrik ZEC-01 dengan menggunakan sistem pengendali PID dan memadukannya dengan rangkaian PWM (Pulse Width Modulation). Sehingga nanti pada akhirnya mobil listrik ZEC-01 dapat melaju dengan kecepatan yang diinginkan. PID digunakan untuk mengendalikan sinyal masukan dari potensio meter yang di manipulasi karna tekanan gas agar sesuai dengan set point yang diinginkan. 1.2
Permasalahan Permasalahan yang diangkat untuk penyelesaian tugas akhir ini adalah bagaimana merancang sistem pengendalian kecepatan motor
listrik dc sebagai penggerak dengan menggunakan metode pengendalian PID dan memadukannya dengan rangkaian PWM (Pulse Width Modulation). 1.3
Batasan Masalah Adapun batasan masalah pada tugas akhir ini adalah: a. Kecepatan mobil hanya pada saat keadaan maju dan mundur b. Beban motor DC adalah beban kesuluruhan pada mobil listrik pada kondisi berjalan ditanah, sedangkan pada keadaan digantung adalah hanya as roda dan dua buah velg dan ban c. Sistem pengendalian motor DC otomatis baru diterapkan pada keadaan mobil sedang digantung, sedangkan pada keadaan berjalan ditanah menggunakan sistem pedal gas 1.4
Tujuan Tujuan dari pengerjaan tugas akhir ini adalah dengan merancang sistem pengendalian kecepatan pada mobil listrik, sehingga mobil listrik dapat bergerak sesuai dengan set point yang diinginkan. 1.5
Sistematika Laporan Pada laporan ini terdapat lima bab yang masing-masing menjelaskan tahap-tahap perencanaan dan proses penelitian tugas akhir dari awal sampai selesai. Bab 1 Pendahuluan berisikan latar belakang masalah, batasan masalah, dan tujuan dilakukannya penelitian ini. Pada bab 2 berisi teori penunjang yang berhubungan dengan penelitian tugas akhir. Bab 3 berisikan metodologi penelitian tugas akhir dari awal hingga analisa data dan pengujian dilakukan. Penjelasan pada bab 4 berisikan proses pengolahan data dan analisa yang dilakukan pada sistem yang telah dibuat. Bab 5 berisikan kesimpulan dari semua penelitian dan saran-saran yang dibutuhkan untuk kelanjutan penelitian kedepannya.
2 TEORI PENUNJANG 2.1
Mobil Listrik Electric drive vehicle (EDV) menggabungkan semua teknologi dengan penggerak listrik. Hal ini sudah termasuk battery electric vehicle (BEV). BEV mengandalkan tenaga tunggal dari baterai untuk tenaga pendorong yang biasanya lebih murah daripada menggunakan bahan bakar fosil. Walaupun dalam kebanyakan perjalanan dapat diselesaikan tanpa harus mengisi ulang baterai, tapi untuk perjalanan yang panjang dibutuhkan diisi ulang untuk baterai. Baterai digunakan hingga kosong kemudian diisi kembali kembali dengan bantuan mesin. 2.2 Motor DC Motor arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. Gambar 3 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga komponen utama yaitu Kutub medan, secara sederhana digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutubkutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan. Dinamo, bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi.
dengan arus medan. N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit). T adalah torque electromagnetik. Ia adalah arus dinamo dan K = konstanta persamaan. 2.2.1 Motor DC Sumber Daya Sendiri : Motor Shunt Pada motor shunt, gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo. Gambar 1. Sebuah motor DC (Direct Industry, 2005) Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo. Commutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Commutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya. Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur: Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan, Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan. Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC. Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan berikut: Gaya elektromagnetik: E = KFN Torque: T = KFIa Dimana, E adalah gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt). F adalah flux medan yang berbanding lurus
Gambar 2. Karakteristik Motor DC Shunt (Rodwell International Corporation, 1999 Berikut tentang kecepatan motor shunt (E.T.E., 1997), yaitu Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torque tertentu setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar 4) dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin. Kemudian Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah). 2.3
Pengendali PID Sistem pengendali PID adalah suatus pengendalian untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tersebut. PID merupakan singkatan dari Proportional Integral Derivative. Sistem pengendali PID terdiri dari tiga jenis yang sesuai dengan singkatanya Proportional Integral dan Derivative. Ketiganya digunakana secara bersamaan atau masingmasing, tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plan.
2.4
PWM (Pulse Width Modulation) Secara garis besar teknik PWM dalam pengendalian motor DC dapat dideskripsikan sebagai berikut. PWM adalah suatu teknik manipulasi dalam pengemudian motor (atau perangkat elektronik berarus besar lainnya) yang menggunakan prinsip cut-off dan saturasi. PWM pada dasarnya adalah menyalakan dan mematikan motor DC dengan cepat, kuncinya adalah mengatur berapa lama waktu On danOff. PWM umumnya digunakan untuk mereduksi daya yang melewati motor DC sehingga menghindarkan motor mengkonsumsi daya berlebih. Biasanya digunakan pada peralatan yang tidak membutuhkan daya penuh pada setiap waktu. 2.5
Optokopler Optokopler merupakan gabungan dari LED infra merah dengan fototransistor yang terbungkus menjadi satu chips. Cahaya infra merah termasuk gelombang dalam elektromagnetik yang tidak tampak oleh mata telanjang. Sinar ini tidak tampak oleh mata karena mempunyai panjang gelombang berkas cahaya yang terlalu panjang bagi tanggapan mata manusia. Sinar infra merah mempunyai daerah frekuensi 1 x 1012 Hz sampai dengan 1 x 1014 GHz atau daerah frekuensi dengan panjang gelombang 1µm – 1mm.
Gambar 3. Optokopler LED infra merah ini merupakan komponen elektronika yang memancarkan cahaya infra merah dengan konsumsi daya sangat kecil. Jika diberi prasikap maju, LED infra merah yang terdapat pada optokopler akan mengeluarkan panjang gelombang sekitar 0,9 mikrometer.
Proses terjadinya pancaran cahaya pada LED infra merah dalam optokopler adalah sebagai berikut. Saat dioda menghantarkan arus, elektron lepas dari ikatannya karena memerlukan tenaga dari catu daya listrik. Setelah elektron lepas, banyak elektron yang bergabung dengan lubang yang ada di sekitarnya (memasuki lubang lain yang kosong). Pada saat masuk lubang yang lain, elektron melepaskan tenaga yang akan diradiasikan dalam bentuk cahaya, sehingga dioda akan menyala atau memancarkan cahaya pada saat dilewati arus. Cahaya infra merah yang terdapat pada optokopler tidak perlu lensa untuk memfokuskan cahaya karena dalam satu chip mempunyai jarak yang dekat dengan penerimanya. Pada optokopler yang bertugas sebagai penerima cahaya infra merah adalah fototransistor. merupakan Fototransistor komponen elektronika yang berfungsi sebagai detektor cahaya infra merah. Detektor cahaya ini mengubah efek cahaya menjadi sinyal listrik, oleh sebab itu fototransistor termasuk dalam golongan detektor optik. memiliki sambungan Fototransistor kolektor–basis yang besar dengan cahaya infra merah, karena cahaya ini dapat membangkitkan pasangan lubang elektron. Dengan diberi prasikap maju, cahaya yang masuk akan menimbulkan arus pada kolektor. 2.6
Rotary Encoder Rotary encoder adalah suatu komponen transducer elektro-mekanik yang dimanfaatkan untuk mengukur perpindahan (rotasi) pada motor. Rotary encoder ini mampu dimanfaatkan untuk mengukur perpindahan rotasi karena komponen ini mengkonversi rotasi shaft menjadi pulsa output yang dapat dihitung. Kecepatan rotary encoder adalah pulsa per detik. Rotary encoder secara tidak langsung dapat mengukur shaft motor atau sudut leadscrew untuk memberikan informasi posisi. Tetapi rotary encoder dapat juga digunakan secara langsung untuk mengukur rotasi mesin.
perangkat lunak untuk menangani register UART [1].
Gambar 4. Rotary encoder pada mobil listrik Rotary encoder berbentuk suatu piringan. Piringan ini yang memiliki beberapa bagian transparan dan beberapa bagian tidak tembus cahaya (opaque) yang berjajar disepanjang tepi piringan. Cahaya yang digunakan dalam sistem ini adalah sinar inframerah. Agar dapat dimanfaatkan dalam mengukur kecepatan maka ditambahkan LED (lightary encoder dipasang di antara celah optokopler, sehingga dapat melakukan fungsinya sebagai koponen bantu penghitung kecepatan. Kedua transmitter dan receiver inframerah, LED inframerah dan phototansmiter, dipasang pada satu arah dan melewati lubang dan slot piringan. Sehingga ketika motor berputar, piringan juga ikut berputar, maka lubang akan melewatkan cahaya inframerah yang melaluinya dan didapatkan pulsa keluaran phototransistor yang berpola. 2.7
Komunikasi Serial Komunikasi serial adalah metode komunikasi data dimana hanya satu bit data yang dikirimkan melalui seuntai kabel pada waktu tertentu. Proses pengiriman data dari komputer yang berupa sinyal kontrol dimasukkan pada mikro kontroler. Data yang dikirimkan melalui komunikasi serial tidak dapat begitu saja diolah oleh komputer, disebabkan terdapat perbedaan antara data yang dikirim dengan data komputer. Data yang diproses dalam komputer diolah secara paralel. Maka dibutuhkan suatu pengkonversi data dari bentuk serial menjadi bentuk paralel sehingga dapat diolah dalam komputer. Perangkat pengkonversi ini dapat berupa perangkat keras universal synchronous asynchronous receiver transmitter (UART) dan
Gambar 5. Kabel komunikasi Serial Kemampuan komunikasi serial dilakukan dengan jangkauan panjang kabel yang melebihi komunikasi paralel didukung oleh kisaran tegangan yang dikirimkan. Pada komunikasi serial, logika 1 dikirimkan dengan kisaran tegangan -3 hingga -25 volt, sedangkan untuk logika 0 kisaran tegangan yang dibutuhkan adalah +3 sampai +25 volt. Dengan rentang yang sedemikian besar, kehilangan daya karena panjangnya kabel tidak menjadi masalah yang besar. 2.8
Microsoft Visual Basic 6.0 VB6 merupakan salah satu bahasa pemrograman yang dapat digunakan untuk mengembangkan suatu aplikasi. Pada umumnya, VB6 digunakan sebagai user interface. Dengan menggunakan VB6, dapat dihasilkan suatu aplikasi desktop, internet dan aplikasi. Visual Basic 6.0 memiliki IDE (Integrated Development Environtment) atau lingkungan pengembangan sendiri. Pada IDE terdapat beberapa fasilitas untuk melakukan desain coding dan debugging. IDE Visual Basic 6.0 terdiri atas beberapa bagian utama, yaitu main windows, component palette, toolbar, object reeview, code explorer, object inspector, form designer, dan code editor. 2.9
Stroboscope Stroboscope adalah alat yang digunakan untuk membuat objek bergerak siklis tampak lebih lambat bergerak, atau stasioner. Stroboscope memiliki prinsip kerja seperti kilatan cahaya yang frekuensinya dapat dirubah.
Frekuensi kilatan ini dapat diatur dan diukur besarnya. Diketahui bahwa kilatan cahaya tersebut bergantung pada frekuensi sumber cahaya, dan putaran merupakan gerakan yang mempunyai efek berulang pada pada ukuran sudutnya yakni setiap 360 derajat akan kembali ke nol kembali. Semua proses ini berlangsung berulang-ulang, ini disebut sebagai frekuensi putaran. Jadi pada putaran tertentu mempunyai frekuensi berulang-ulang dengan sudut yang tertentu juga, yang perandingannya adalah berbanding lurus. Jika dapat dilakukan pensinkronan antara frekuensi kilatan cahaya dengan frekuensi dari benda yang berputar maka dapat diukur laju putaran benda tersebut. Yakni jika frekuensi kilatan cahaya dari Stroboscope sama dengan frekuensi akibat benda yang berputar. Untuk mengetahui frekuensi dari kilatan cahaya pada Stroboscope sama dengan frekuensi benda yang berputar yaitu dengan melihat bahwa kondisi benda yang berputar tersebut seolah-olah berhenti oleh akibat memilki frekuensi yang sama.
Gambar 6. Stroboscope Pada penelitian ini stroboscope digunakan untuk melakukan validasi data kecepatan putaran roda pada mobil listrik. Kecepatan putaran yang di monitoring oleh rpm akan dibandingkan dengan kecepatan yang didapat dari pengukuran menggunakan stroboscope. 2.10
Rangkaian Minimum Sistem Suatu keping mikrokontroler mampu melaksanakan fungsinya sebagai komponen cerdas jika terpasang pada suatu rangkaian minimum sistem. Rangkaian ini merupakan suatu rangkaian yang dasar penyusun mikrokontroler. Jika keping mikrokontroler
terpasang pada rangkaian minimum sistem, maka keping ini mampu mengeksekusi perintah yang telah dimasukkan didalamnya. Rangkaian minimum sistem tersusun atas pemasok tegangan yang memberikan daya ke mikrokontroler dan komponen pemberi waktu osilasi keping mikrokontroler (x-tal). Konfigurasi rangkaian minimum sistem dilengkapi dengan komponen pewaktu 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Alur Penelitian
Berikut adalah rincian metodologi penelitian yang akan dilaksanakan pada tugas akhir kali ini: 1. Studi literatur tentang mobil listrik 2. Studi literatur terhadap materi yang terkait dengan pelaksanaan tugas akhir yang akan dilakukan, mengenai: • Pemahaman mengenai sistem pengendali PID • Pemahaman mengenai mikrokontroller • Pemahaman tentang rangkaian PWM 3. Merancang dan membuat desain mobil 4. Merancang dan membuat rangkaian driver motor dan sensor kecepatan 5. Merancang pengendali dan algoritma program PWM untuk kecepatan motor DC berbasis minimum system ATMEGA 8535 6. Analisa data dan pembahasan 7. Penyusunan laporan Tugas Akhir. 3.1 Perancangan dan Pembuatan Rangka dan Sistem Gerak Mobil Rangka utama mobil diadopsi dari mobil berpenumpang satu orang (gokart). Rangka mobil dapat digolongkan menjadi dua bagian utama yaitu rangka statis dan rangka gerak. Rangka statis adalah rangka utama yang menjadi penopang untuk semua komponen yang lain. Rangka statis dirancang untuk satu penumpang, memiliki empat roda penggerak, mempunyai dua tempat aki di bagian sayap kiri dan kanan, satu motor listrik penggerak di belakang. Rangka statis dirancang menggunakan besi kolom persegi panjang dengan lebar 2 cm dan ketebalan 0.8 mm. Panjang total dari rangka mobil tidak lebih dari 2 m dengan bentang lebar mobil kurang dari 1.5 m. Rangka mobil diperkuat dengan penambahan rusuk ditiap titik beban mobil.
Gambar 7. Disain 2d dari rangka statis (autocad)
Gambar 8. Desain Rangka Rangka gerak adalah komponen mobil yang dapat bergerak secara bebas ataupun terbatas dengan sebuah sudut aksial. Pada mobil listrik ini menggunakan beberapa komponen gerak yaitu as roda depan dan belakang, tierod, as batang kemudi, steering rack, pedal gas dan rem, komponen rem cakram. Untuk as roda depan menggunakan as motor ukuran M10, karena disesuaikan dengan ukuran bearing dari velg roda depan yang menggunakan velg standar mio dengan ukuran 14 inchi.
kaki, saat kaki menginjak pedal rem maka akan menarik kabel yang terhubunh pada pisron rem, sehingga piston rem bergerak dan mencengkram piringan cakram.
Gambar 9. As roda, velg dan ban
Gambar 12. Sistem piston pengereman
Jumlah tierod yang digunakan sebanyak 4 buah, masing – masing di sebelah kiri dan kanan di steering rack dan sisanya pada engsel as kemudi. Engsel as kemudi berfungsi sebagai pengubah gerak rotasi dari as kemudi menjadi sudut belok untuk roda.
Pedal gas dibuat berdasarkan sistem dasar mekanik untuk pegas dan rotasi poros, pedal dihubungkan dengan sebuah poros pada ujung pedal, kemudian dipasang pegas di bawah pedal yang berfungsi sebagai pendorong balik pedal saat diinjak. Poros pada ujung pedal akan berputar sebesar sudut pedal gas diinjak, sudut yang dibentuk sebesar 45 derajat akan di-couple dengan potensiometer untuk mengatur kecepatan motor menngunakan pwm.
Gambar 10. Steering rack, engsel dan tierod Sudut yang dibentuk untuk berbelok mencapai 30 derajat dari garis normal untuk tiap roda. Dari putaran kemudi dan sudut belok roda memiliki perbandingan 1:1, hal ini berarti derajat putar kemudi sama dengan derajat belok dari roda.
Gambar 11. (a) engsel roda kemudi dan tierod. (b) As kemudi Pedal rem menggunakan s istem mekanik yaitu menggunakan sistem kabel untuk menggerakan piston rem. Cara kerja sistem rem sama seperti pada sepeda, hanya yang diganti adalah tuas tangan dengan pedal
Gambar 13. Piston rem dan cakram Untuk sistem gerak roda belakang, as roda menggunakan besi as ukuran M 20 sepanjang 180 cm, velg yang digunakan adalah velg standar mio yang dimodifikasi pada bagian rumah bearing agar as sebesar M 20 dapat masuk, kemudian pada bagian luar dipasang station untuk menguatkan cengkraman velg pada as. Selain velg, terpasang juga piringan cakram untuk rem dan gear penggerak.
Gambar 14. As belakang, velg dan station
3.2 Perancangan Diagram Blok sistem Pengendalian Pada gambar 3.8 dibawah adalah gambar diagram blok sistem pengendalian kecepatan motor DC pada mobil listrik. Sistem pengendalian kecepatan motor listrik ini memiliki input referensi dari perubahan nilai resistansi potensiometer yang kemudian akan diolah didalam mikrokontroller. Besaran PWM yang di keluarkan akan diterukan ke inverter dan driver motor.
3.2.1 Pedal Gas / Potensiometer Konsep pedal gas pada mobil listrik adalah menggabungkan putaran poros pedal gas dengan poros potensimoter. Nilai resistansi yang dihasilkan akan menjadi set point pada mikrokontroller. 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. 3.2.2 Mikrokontroller ATMEGA 8535 Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus. Sederhananya, cara kerja mikrokontroler sebenarnya hanya membaca dan menulis data.
3.2.3 Motor Driver Motor driver adalah sebuah rangkaian yang digunakan untuk mengendalikan sebuah motor DC sehingga dapat berputar searah ataupun melawan jarum jam. Prinsip kerja driver motor adalah mengatur aliran arus pada motor DC. Apabila aliran arus dibalik maka motor DC akan berputar ke arah sebaliknya.
Gambar 15. Diagram blok sistem pengendalian kecepatan motor listrik 3.2.3 Inverter Inverter adalah perangkat elektrik yang digunakan untuk mengubah arus listrik searah (DC) menjadi arus listrik bolak balik (AC). Inverter mengkonversi DC dari perangkat seperti batere, panel surya / solar cell menjadi AC. Pada sistem pengendalian kecepatan mobil listrik, tegangan yang dibutuhkan adalah arus DC, maka keluaran dari inverter yang merupakan arus AC harus disearahkan menjadi DC menggunakan rangkaian rectifier. 3.2.4 Motor Listrik DC Motor listrik merupakan suatu perangkat elektronika yang mampu mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik yang dihasilkan, dimanfaatkan untuk memutar impeller pompa, kipas atau blower. Selain dimanfaatkan dalam perindus- trian, motor listrik juga dimanfaatkan dalam peralatan rumah tangga, seperti mixer, kipas angin dan pompa air. Pada penelitian ini digunakan motor d.c sebagai komponen penggerak (actuator) m o b i l l i s t r i k. Motor membutuhkan arus listrik searah untuk menghasilkan torsi. Motor jenis ini sering dimanfaatkan dalam plant yang membutuhkan torsi tinggi atau percepatan yang tetap dengan variasi kecepatan yang lebar. 3.2.5 Optokopler Optokopler merupakan suatu komponen elektronik yang dirancang untuk mentransfer sinyal listrik dengan memanfaatkan gelombang cahaya. Optokopler tipe U adalah optokopler yang dimanfaatkan dalam perhitungan putaran motor bersama-sama dengan rotary encoder. Optokopler merupakan komponen yang memanfaatkan sinyal optik untuk melakukan
fungsinya. Komponen ini memiliki LED inframerah sebagai bagian yang memancarkan sinar dan receiver photo transmitter sebagai bagian yang menerima sinar.
Gambar 16. Rancangan Sensor Optokopler 3.3 Penyusunan Algoritma Program Algoritma merupakan serangkaian perintah untuk menjalankan program. Algoritma program pengendali motor dua bagian, yaitu pada program pembacaan dengan sensor optokopler dan pengendalian motor dengan PID. Kedua algoritma tersebut akan dibuat pada aplikasi Visual Basic 6.0, dan perangkat lunak CodeVision AVR. Program dalam CodeVision AVR akan dimasukkan pada mikro kontroler untuk mengatur gerakan motor. 3.3.1 Program PWM Program PWM ini merupakan program yang mampu melakukan perubahan putaran motor berdasarkan lebar pulsa (Duty Cycle) dimana diperlukan dua buah sinyal yang mana terdiri dari sinyal referensi dan sinyal yang nantinya dapat dirubah-rubah sehingga nantinya lebar pulsa juga dapat diatur sesuai keinginan.
Gambar 17. Diagram Alir algoritma program PWM 3.3.2
Penyusunan Algoritma Program Pembacaan Kecepatan Putaran Motor Penyusunan algoritma program pembacaan kecepatan putaran motor ini dilakukan berdasarkan keluaran pulsa yang terbaca oleh sensor optokopler, dimana data yang terbaca oleh sensor berupa pulsa digital yang nantinya diolah pada mikrokontroler ATMega8535 menjadi kecepatan putaran dari motor.
aktual dengan sensor. Karena mikrokontroler matematis PID model diskrit =
kecepatan yang terbaca oleh pengendali PID dibuat pada maka persamaaan model yang kontinu dikonversi ke +
+
+
+1 ∗
∗
+
+
0.08333 ∗ 2
Beberapa hal yang perlu diperhatikan adalah parameter dari pengendali PID yaitu, Kp,Ti, dan Td. Parameter tersebut dapat digantiganti sesuai kebutuhan pada program yang ada pada AVR. Selain itu, juga perlu diperhatikan error dari kecepatannya, dimana adanya error ini kemudian diolah oleh pengendali PID untuk didapatkan sinyal kendali yang dapat memutar motor sesuai dengan setpoint yang diinginkan, apabila masih terdapat error maka akan diumpankan kembali ke pengendali dan akan diolah kembali sampai kecepatan motor yang terbaca oleh sensor optokopler sesuai dengan setpoint yang diinginkan
Gambar 18. Diagram Alir algoritma program pembaca kecepatan motor Pulsa yang terbaca berdasarkan pola yang ada pada rotary encodernya, jika pola yang terbaca adalah gelap maka pulsa digitalnya adalah nol, dan jika pola yang terbaca adalah terang atau tidak tertutup, maka pulsa digitalnya adalah satu. Fungsi untuk mengaktifkan ini pada ATMega8535 ini melalui fitur eksternal interrupt. Dari hasil pembacaan pulsa ini, kemudian akan dikonversi untuk dilakukan perhitungan putaran pada rotary encoder, kemudian akan dikonversi lagi ke persamaan perhitungan kecepatan. 3.3.3
Penyusunan Algoritma Program Pengendali PID Algoritma program sinyal kendali merupakan algoritma program PID yang digunakan sebagai pengendali untuk mereduksi error yang terbaca dari selisih antara kecepatan
Gambar 19. Diagram Alir algoritma program pengendali
4
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN Pada bab ini dibahas mengenai pengujian dan analisa sistem pengendali kecepatan motor listrik DC pada mobil listrik ZEC-01. Pengujian dan analisa meliputi sistem rotasi roda gigi, pedal gas, software dan sistem pengendali kecepatan secara keseluruhan. Pada tahap ini akan diketahui performansi sistem pengendali kecepatan mobil listrik secara keseluruhan. 4.1 Analisa Sistem Rotasi Roda Gigi Sebagai Penghubung Motor Dengan Poros Roda Pada perancangan mobil listrik ZEC-01 salah satu sistem penggerak utama adalah poros roda. Poros roda dan poros motor DC dihubungkan oleh rantai. Pada sistem rotasi roda gigi mobil listrik menggunakan empat buah gear yang masing-masing memiliki jumlah gigi yg berbeda. Hal ini bertujuan untuk mendapatkan tenaga yang lebih besar untuk dapat menggerakkan mobil walaupun harus mereduksi kecepatan dari mobil listrik.
Gambar 20. Sistem rotasi roda gigi 4.1.1 Analisa Roda Gigi Berikut adalah data-data jumlah gigi dan besaran kecepatan yang di kalkulasikan berdasarkan kecepatan dasar motor DC 599RPM dengan tegangan 110 V Tabel 4.1 Perbandingan gear dengan v (Rpm) n Gear 2 46
n Gear 3 -
n Gear 4 -
V(R pm)
Torsi
1.
n Gear 1 17
221
2.
46
46
-
-
599
3.
17
24
27
42
270
2.7 kali 1 kali 2.2 kali
N o.
Data diatas didapat dari rumus perhitungan torsi sederhana yang menggunakan perbandingan jumlah gear. T= T=
!
Dari hasil pengujian dengan menggunakan tiga cara rotasi roda gigi. Pada pengujian pertama menggunakan roda gigi yang memiliki jumlah gigi pada motor 17 dan jumlah gigi pada poros roda 46 didapatkan hasil yang kurang maksimal. Mobil dapat berjalan tetapi kecepatan yang dihasilkan sangat minimal. Untuk meningkat kecepatan mobil listrik, dilakukan pengujian kedua yaitu dengan menggunakan gigi yang memiliki perbandingan yang sama. Dari pemahaman secara teori dipastikan kecepatan yang dihasilkan akan maksimal atau sama dengan kecepatan awal motor DC, tetapi sistem rotasi seperti ini tidak memiliki torsi yang bagus sehingga mobil listrik tidak dapat bergerak sama sekali. Pengujian terakhir menggunakan empat roda gigi didapat hasil maksimum. Mobil listrik dapat melaju dan bisa mengatasi jumlah beban pada mobil listrik.
4.2 Analisa Sistem Pengendali Kecepatan Dari perancangan sistem pengendali kecepatan pada mobil listrik, sistem pengendali PID diterapkan pada mikrokontroller Atmega 8535. Nilai Kp, Ti, dan Td diperoleh secara trial and error, dan didapatkan gain Kp sebesar 0.0279, Ti sebesar 0.01, dan Td sebesar 0.01. Untuk mengetahui pengendali sudah berjalan dengan baik maka dilakukanlah uji respon. 4.2.1 Uji Respon Dengan Melakukan Tracking Setpoint Nilai Kp, Ti, dan Td diujikan pada sistem dan dilakukan dengan cara merubah-rubah setpoint. Dari sini akan dilihat apakah manipulated variable dapat mengikuti perubahan setpoint dari yang terendah hingga ke setpoint maksimal.
grafik respon diatas didapatkan nila Mp 25 atau 16% dan settling time 18 detik. 4.2.3 Pengujian Pada Setpoint 200 Rpm Hasil respon sistem pengujian pada setpoint 200 rpm adalah sebagai berikut.
Gambar 21. Uji Tracking Setpoint Dari gambar diatas dapat dilihat hasil tracking setpoint dari sistem pengendali kecepatan pada mobil listrik. Pada grafik terlihat jelas perubahan dari setpoint garis yang berwarna merah dapat diikuti oleh kecepatan motor yang bertindak sebagai manipulated variable dari sistem. Hanya saja terjadi banyak overshoot pada setpoint rendah. Hal ini disebabkan oleh karakteristik motor DC sendiri yang sangat rentan akan kestabilan jika dioperasikan pada kecepatan yang rendah. 4.2.2 Pengujian Pada Setpoint 150 Rpm Untuk melihat respon sistem yang lebih jelas maka ditentukan nilai setpoint yang akan diujikan. Hasil respon sistem pengujian pada setpoint 150 rpm adalah sebagai berikut.
Gambar 23. Grafik Respon setpoint 200 rpm Dari gambar grafik setpoint 200 rpm diatas dapat kita lihat besarnya maksimum overshoot atau Mp adalah 23 atau 11% dari setpoint, serta settling time sebesar 8detik. 4.2.4 Pengujian Pada Setpoint 250 Rpm Semakin tinggi setpoint yang diberikan kepada sistem, semakin membuat sistem stabil. Dari beberapa referensi dapat dijelaskan hal ini disebabkan oleh karakteristik motor DC sendiri. Berikut hasil respon sistem pengujian pada setpoint 250 rpm
Gambar 22. Respon Sistem setpoint 150 Rpm Dari gambar grafik respon diatas dapat kita simpulkan terjadi beberapa overshoot pada detik-detik awal pengoperasian sistem. Pada
Gambar 24. Grafik Respon Setpoint 250
Dari gambar respon setpoint 250 diatas dapat kita lihat semakin tinggi setpoint yang diberikan pada sistem akan membuat sistem semakin stabil. Dari gambar diatas dperoleh nilai Mp sebesar 25 atau 10% dari setpoint, serta nila settling time sebsar 12 detik. 4.2.6 Pengujian Pada Setpoint 270 Rpm Untuk pengujian setpoint terakhir adalaha setpoint maksimal dari kecepatan motor dc. Setpoint maksimal pada sistem adalah sebesar 270 rpm. Berikut adalah grafik respon dari pengujian nilai setpoing maksimal.
untuk berputar mencapai set point kecepatan yang diinginkan. 4.3.1 Analisa Persentase Set Point Pedal Gas, Tegangan, dan Kecepatan yang dibaca oleh optokopler Berikut adalah data-data pengukuran persentase set point, tegangan yang dihasilkan, dan besar kecepatan pada kondisi beban roda belakang.
N o.
1. 2. 3. 4. 5.
Gambar 25. Grafik respon setpoint maksimal Dari grafik respon untuk setpoint maksimal diatas dapat kita simpulkan untuk memperkuat kesimpulan pada subbab sebelumnya, bahwa semakin tinggi setpoint yang diberikan pada sistem, semakin baik pula respon yang didapat. Hasil respon sistem dari grafik diatas sudah sangat kecil dan sedikit overshoot. Untuk keadaan steady state bisa dilihat sudah tidak terjadi overshoot lagi. Settling time dari sistem juga sudah semakin cepat sebesar 10 detik. 4.3 Analisa Sistem Pedal Gas, Tegangan DC, dan Kecepatan Pada Mobil Listrik ZEC-01 Pedal gas merupakan masukan yang diberikan kepada sistem agar dapat memberikan kecepatan yang sesuai dengan keinginan. Persentase injakan pedal gas berbanding lurus dengan tegangan ADC pada mikrokontroller yang diteruskan untuk meregulasi tegangan VCC yang berasal dari inverter. Hasil regulasi adalah tegangan yang dibutuhkan oleh motor DC
Tabel 4.2 Persentase Pedal gas Dengan Kecepatan % Set Point Tegang V Beb Ped Potensiom an (V) (Rp an al eter m) Gas 0 52 15.8 0 15 Kg 25 953.75 26.5 66 15 Kg 50 1907 54.1 141 15 Kg 75 2861.25 79.1 190 15 Kg 100 3867 105.3 273 15 Kg
Dari pengambilan data diatas dapat dilihat ketika pedal gas dalam keadaan belum diinjak sudah menghasilkan nilai binner PWM sebesar 52. Nilai binner tersebut menghasilkan regulasi tegangan VCC sebesar 15.8 v tetapi belum dapat memutar motor listrik. Motor listrik yang belum dapat berputar disebabkan oleh adanya beban velg roda, dan as roda sebesar 15 kg. Ketika diberikan set point sebesar 25 % injakan pedal gas dihasilkan 953.75 nilai binner PWM dan tegangan sebesar 26.5 v. Set point 25 % hanya menghasilkan kecepatan sebesar 66 Rpm. Pada injakan pedal gas sebesar 50% dihasilkan nilai binner PWM sebesar 1907 dan tegangan sebesar 54.1 v. Pada nilai set point ini dihasilkan kecepatan sebesar 141 Rpm. Selanjutnya pada set point pedal gas 75% dihasilkan nilai binner PWM sebesar 2861.25. pada set point ini dihasilkan tegangan sebesar 79.1 v dan kecepatan sebesar 190 Rpm. Percobaan terakhir adalah set point maksimal dari pedal gas. Set point maksimal dari pedal gas juga
Kecepatan (Rpm)
menghasilkan nilai binner maksimal yaitu sebesar 3867. Set point maksimal menghasilkan tegangan VCC sebesar 105.3 v dan kecepatan 273 Rpm. Besaran nilai binner yang dihasilkan dari injakan pedal gas sudah diprogram didalam mikrokontrolloler, dan ditentukan sebesar 543867 nilai binner PWM yang sebanding dengan 0%-100% injakan pedal gas.
Persentase Pedal Gas dengan Besar Kecepatan 300 200 100 0 0
25 50 75 100 Persentas Pedal Gas
Gambar 26. Grafik Perbandingan persentase Pedal gas dengan Besar Kecepatan Dari gambar grafik diatas dapat dilihat bahwa laju penambahan pedal gas yang bertindak sebagai penetu setpoint pada sistem diikuti juga dengan peningkatan kecepatan secara linier. Oleh karna itu bisa kita simpulkan bahwa sistem yang kita rancang sudah benar, karna setiap perubahan dari setpoint yang diberikan mampu direspon dengan baik oleh perubahan kecepatan motor. 4.4 Analisa Kecepatan Mobil Listrik Dengan Menggunakan Stroboskop Untuk melakukan pengujian kevalidan data yang dibaca oleh sensor optokopler, maka dilakukan pengujian kecepatan pada mobil listrik dengan menggunakan stroboskop. Berikut adalah hasil pengambilan datanya. Tabel 4.4 Nilai Kecepatan dengan sensor optokopler No. Nilai Binnary Kecepatan (RPM) PWM 1. 52 0 2. 953,75 66 3. 1907,5 141 4. 2861,25 190 5. 3867 273
Pada data diatas didapat hasil kecepatan yang terdeteksi oleh sensor optokopler. Nilai kecepatan tersebut didapat berdasarkan lima nilai set point. Pengujian menggunakan set point 0%, 25%, 50%, 75%, dan 100%. Tabel 4.5 Nilai Kecepatan dengan pengukuran stroboskop Nilai Binnary Kecepatan (RPM) PWM 52 47 953,75 83 1907,5 135 2861,25 171 3867 278
No. 1. 2. 3. 4. 5.
Tabel diatas adalah nilai kecepatan yang diperoleh dari pengukuran kecepatan menggunakan alat stroboskop. Dengan menggunakan setpoint yang sama dengan pengukuran sebelumnya yang menggunakan sensor optokopler. Hasil yang didapat adalah 47 Rpm untuk set poin 0% atau 52, 83 untuk set point 25%, 135 untuk setpoint 50%, 171 untuk setpoint 75%, serta 278 untuk setpoint maksimal 100%. Untuk perbandingan data yang diperoleh dapat dilihat pada grafik dibawah. 300 250 R P M
200 150
PWM Opto
100
PWM Strob
50 0 Binnary PWM
Gambar 27. grafik perbandingan pengukuran kecepatan dengan sensor optokopler dan stroboskop. Pada grafik 4.3 diatas dapat diketahui pengukuran sensor optokopler dan stroboskop hampir terdapat kesamaan pada setiap setpoint nya. Terdapat error pada beberapa pengukuran
yang tidak terlalu significant. Jadi bisa disimpulkan data yang didapat dengan menggunakan optokopler adalah benar. 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Adapun kesimpulan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Pada sistem rotasi gear, sangat tepat menggunakan 4 gear karna mendapat kenaikan torsi atau tenaga 2x dibanding sistem gear yang secara langsung menghubungkan poros motor dengan as roda. 2. Pada sistem pengendali kecepatan motor menggunakan metode pengendali PID dengan nilai Kp = 0.0279, Ti = 0.01, Td = 0.01 3. Pada pengujian hardware sistem pengendali dapat bekerja lebih bagus, hal ini terlihat dari data yang diperoleh sepert Mp = 0, cenderung lebih kecil dan Settling time cenderung lebih cepat sebesar 8 s, error steady state kecil hanya sekitar 0,7% 4. Pada motor DC yang ber RPM kecil, tapi memiliki torsi besar akan mengalami banyak overshoot ketika dia dioperasikan pada set point rendah sebesar 150 Rpm 5. Sistem akan mengalami respon terbaik pada set point tinggi 270 Rpm
5.2 Saran Dalam rangka pengembangan penelitian, saran yang perlu disampaikan pada tugas akhir ini adalaha perlu adanya pengembangan penentuan nilai setpoint yang tidak melalui pedal gas. Hal ini bertujuan agar sistem pengendali lebih optimal dan dapat disebut sebagai sistem pengendali otomatis.
Swarm Optimization Strategy. Bechar University . Anggraeny, R. (2011). Design of An ATMEGA 8535 Microcontroller Based Drawing Robot. ITS Surabaya . Fahriansyah, F. (2011). Rancang Bangun Sistem Kendali Manuver dengan Mode Control PID pada Motor Thruster UAV (Unmanned Aerial Vehicle). ITS Surabaya . Othman, A. S. (2009). Proportional Integral and Derivative Control of Brushelss DC Motor. Tafila Technical University . Prabowo, B. A. (n.d.). Permodelan Sistem Kontrol Motor DC dengan Temperatur Udara sebagai Pemicu. Pusat Penelitian Informatika LIPI . Suyamto, & Yadi, Y. (2008). Rancang Bangun Alat Pengatur Kecepatan Motor Induksi dengan Cara Mengatur Frekuensi. STTN BATAN . (Othman, 2009) BIODATA PENULIS
Nama : Dimasyqi Zulkha TTL : Padang, 30 November 1989 Alamat : Komplek fillano Blok GG1/20, Anduring, Kota Padang, Sumatera Barat Email :
[email protected] [email protected]
6 Daftar Pustaka Allaoua, Gasbaoui, & Mebarki. (2009). Setting Up PID DC Motor Speed Control Alteration Parameters Using Particle
Pendidikan) SDS 01 Yayasan PT TKA SDN 18 Padang SMPN 1 Padang SMAN 1 Padang S-1 Teknik Fisika FTI-ITS
(1995-2000) (2000-2001) (2001-2004) (2004-2007) (2007-Now)
