a012 - kendali kecepatan putar motor induksi tiga-phasa (84)

IES 2004 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS

Kendali Kecepatan Putar Motor Induksi Tiga-phasa berbasis Logika Fuzzy dengan Mikrokontroler AT89C52

Ridwan Gunawan : e-mail : ridwan @ eng.ui.ac.id Taufan H. Dwijatmikoe-mail TAUFAN_HARIST

@YAHOO.COM Departemen Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia telp 021-7270078 fax021-7270077

Kampus Baru UI , Depok 16424

Abstrak

Logika fuzzy menawarkan suatu pendekatan baru yang lebih mudah dalam perancangan suatu sistem kendali. Dengan menggunakan variabel linguistik, yang menggantikan variabel numerik pada sistem kendali konvensional, logika fuzzy menawarkan kemudahan dalam perancangan sistem kendali karena manusia berpikir dalam domain bahasa (linguistik). Kecepatan motor induksi seringkali sulit dikendalikan, Hal ini disebabkan sifatnya yang tidak linier. Tulisan ini menjelaskan perancangan suatu pengendali kecepatan putaran motor induksi 3 fasa berbasis logika fuzzy dengan menggunakan mikrokontroler AT89C52. Pengendali ini dibuat dengan biaya semurah mungkin sehingga dapat digunakan pada berbagai macam aplikasi praktis berskala kecil dan menengah.

I. Pendahuluan Hampir 90% aplikasi motor pada industri

menggunakan jenis motor induksi. Alasan utama , diantaranya karena motor jenis ini memiliki struktur yang kokoh, keandalan tinggi, harga relatif murah, dan perawatan mudah [4]. Namun pengendalian motor ini sulit sehingga peralatan pengendalinya menjadi mahal.

Logika fuzzy menawarkan suatu pendekatan baru yang lebih mudah dalam pemecahan suatu masalah termasuk perancangan suatu sistem kendali. Kemudahan tersebut ditawarkan melalui penggunaan variabel linguistik, yang lebih dekat dengan domain pemikiran manusia, menggantikan variabel numerik pada sistem kendali konvensional. Jadi perancangan sistem kendali dapat terhindar dari perhitungan-perhitungan matematis yang terkadang sangat rumit terutama untuk sistem kendali yang kompleks. Sistem kendali berbasis logika fuzzy tidak terlalu membutuhkan banyak perhitungan sehingga dapat diterapkan pada mikrokontroler .Tulisan ini membahas proses perancangan suatu perangkat pengendali kecepatan putaran motor induksi 3 fasa berbasis logika fuzzy . Alat yang dibuat ini memiliki batasan yaitu kecepatan yang dapat dikendalikannya

adalah dari 750 rpm hingga 2450 rpm dengan resolusi kecepatan sebesar 10 rpm, dan beban nol.

2. Pengendalian kecepatan motor induksi Motor induksi merupakan salah satu jenis motor

arus bolak-balik.yang bekerja akibat arus stator yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar yang dihasilkan oleh arus stator [1].

Metode pengendalian kecepatan motor induksi yang digunakan dalam perancangan alat ini adalah metode perbandingan tegangan dan frekuensi stator konstan (V/Hz konstan), yang didasarkan pada kecepatan stator ns = 120 fs/p. Jadi dengan mengubah frekuensi stator dan jumlah kutub motor yang tetap maka kecepatan medan putar stator akan berubah . Medan putar stator akan membuat rotor berputar dengan selisih kecepatan dengan stator yaitu slip. Sedangkan torsi (yang dihasilkan adalah: [1]

T ~ Ir Vs/fs = 4.44 N. ~ Vs/f s dengan: : fluks motor Ir : arus rotor Vs : tegangan stator fs : frekuensi stator N : jumlah lilitan pole pitch Berdasarkan formula di atas, dapat dikatakan

bahwa untuk menjaga agar torsi tetap pada arus rotor yang tetap maka fluks motor harus diusahakan konstan., dengan menjaga perbandingan tegangan dan frekuensi stator (Vs/fs) konstan. Dan dengan fluks yang konstan, maka akan didapatkan efisiensi motor yang lebih tinggi [3].

Berikut ini adalah grafik tegangan fasa terhadap frekuensi pada pengendalian dengan metode V/Hz konstan yang digunakan pada perancangan alat ini:

56


Tegangan Fasa (Volt)

Derajat keanggotaan

Base Point Titik 2

MU_MAX

Kemiringan 1dy

dx

Kemiringan 2dy

dx

Titik 1 0

8 18 24

3a Daerah 3

28 Boost Frequency Base Frequency Frekuensi (Hz) Daerah 1 2b 2a

Daerah 2 3b

Gambar 1. Grafik tegangan terhadap frekuensi pada metode pengendalian tegangan dan frekuensi stator

[2]. Gambar 2. Gambaran Metode Fast Fuzzification.

Pada Gambar 2 digambarkan fungsi keanggotaan jenis trapezoidal. Untuk merepresentasikan fungsi keanggotaan tersebut diperlukan 4 nilai, yaitu: titik 1, titik 2, kemiringan 1. dan kemiringan 2. Hal ini dikarenakan derajat keanggotaan dari titik 1 dan titik 2 berturut-turut selalu = 0 dan = l (MU_MAX). Selain dari nilai basis titik 1 dan titik 2, nilai lainnya adalah kemiringan dari sisi fungsi keanggotaan yaitu kemiringan 1 dan kemiringan 2 [5]. Untuk itu fungsi keanggotaan (MBF) dikodekan pada persamaan 1.

Base frequency untuk motor induksi yang dipakai

adalah 50 Hz. Di bawah 50 Hz motor dapat bekerja dengan efisiensi optimal, namun di atas 50 Hz tegangan fasa telah mencapai maksimal sehingga tegangan tidak dapat dinaikkan lagi [2].

3. Penerapan logika fuzzy pada Mikrokontroler

Beberapa karakteristik yang perlu dipertimbang-kan dalam penerapan logika fuzzy pada mikrokontroler adalah sebagai berikut:

MBF_DEFINITION : (Titik_l, Kemiringan_l, Titik_2,

Kemiringan_2) 1. Kecepatan proses mikrokontroler 2. Resolusi mikrokontroler, misalnya: 8-bit, 16-

bit. Persamaan 1. Definisi Fungsi keanggotaan

Untuk masing-masing masukan akan digolongkan terlebih dahulu kepada daerah 1, daerah 2, atau daerah 3. Selanjutnya ditentukan nilai fuzzifikasinya menurut Persamaan 2.

Kedua karakteristik mikrokontroler tersebut harus diketahui terlebih dahulu untuk mengetahui teknik fuzzifikasi dan defuzzifikasi apa yang akan digunakan. Sementara teknik inferensi tidak terlalu dipengaruhi banyak terhadap karakteristik tersebut.

Daerah 1: Keanggotaan = 0 Daerah 2: Keanggotaan = min(1, (Masukan-Titik_l) *

Kemiringan_l} Hal selanjutnya yang menjadi pertimbangan perancangan sistem kendali berbasis logika fuzzy adalahbagaimana merepresentasikan aturan dari system

Daerah 3: Keanggotaan = max(0, 1-(Masukan-Titik_2) * Kemiringan_2}

Persamaan 2. Perhitungan derajat keanggotaan untuk masing-masing daerah

kendali logika fuzzy (fuzzy rule base) ke dalam mikrokontroler..

Selain itu, derajat keanggotaan pada mikrokontroler didefinisikan sebagai rentang 00h sampai FFh (MU_MAX) yang sesuai dengan 0 sampai 1 pada fungsi keanggotaan.

A. Penerapan Proses Fuzifikasi Pada Mikrokontroler B. Penerapan Proses Inferensi Pada Mikrokontroler Teknik fuzzifikasi yang digunakan dalam perancangan sistem kendali ini adalah teknik fuzzifikasi cepat (Fast Fuzzification). Oleh karena itu bentuk fungsi keanggotaan yang dipilih adalah bentuk trapezoidal.

Metode inferensi yang digunakan dalam

mikrokontroler adalah metode MAX-MIN. Hal ini dikarenakan proses yang sederhana, tidak memerlukan perhitungan yang rumit, hanya membandingkan nilai-nilai yang ada. Pada tahap fuzzy inferensi ini, mikrokontroler membandingakan nilai hasil fuzifukasi dari setiap rule. Tahap ini hanya melihat bit ke-3 dari clause ketika sedang mengerjakan bagian kondisi (bit 7 = 0). Bila bit ke-3 = 0 maka fungsi yang dijalankan adalah fungsi MIN. Sedangkan jika bit ke-3 = 1 maka fungsi yang dijalankan adalah fungsi MAX.

57


Setiap proses inferensi akan mempengaruhi nilai derajat fungsi keanggotaan keluaran. Hasil tersebut kemudian akan diproses pada tahap defuzifikasi.

1 CATU DAYA

220V DC 5V DC AC 220 V

C. Penerapan Proses Defuzifikasi Pada Mikrokontroler INVERTER

SISTEM KENDALI LOGIKA FUZZY ISOLATOR OPTIK MOTOR INDUKSI 3-

FASA Metode defuzifikasi yang digunakan oleh penulis adalah metode centroid atau center of gravity yang telah disederhanakan, yaitu mengambil titik berat dari gabungan fungsi keanggotaan keluaran. Jadi fungsi keanggotaan keluaran berbentuk singletons. Metode ini didasarkan pada Persamaan 3.

MIKROKONTROLER AT89C52

3 RANGKAIAN INVERTER

TACHOMETER

SENSOR MEDAN MAGNET

+ MIKROKONTROLER

AT89C52

KOMPUTER

PUSAT PENGENDALI DAN MONITORING SISTEM

n

nn

bbbbababaKeluaran +++

+++= KK

21

2211 )(

dengan: a: titik tengah fungsi keanggotaan keluaran b: derajat fungsi keanggotaan keluaran n: jumlah fungsi keanggotaan

Gambar 3. Diagram Blok Keseluruhan Sistem.

A. Rancangan Rangkaian Inverter

Persamaan 3. Perhitungan dengan metode center of gravity. Inverter merupakan suatu alat yang dapat mengubah sinyal tegangan DC menjadi sinyal AC tiga fasa dengan frekuensi dan level tegangan yang dapat diatur., dan dipakai untuk menjalankan motor induksi 3 fasa dengan kecepatan yang dapat dikendalikan.

Proses defuzzifikasi pada mikrokontroler merupakan proses yang paling lama dibandingkan dengan proses fuzzifikasi dan inferensi.

Selain itu, nilai hasil defuzzifikasi memiliki keterbatasan dalam hal keakuratan karena terbatasnya resolusi mikrokontroler [5].

+ DC Bus

- DC Bus

+C

Rup up up

lo lo lo

S T

R S T

Fasa-R

Motor Induksi 3 Fasa

Fasa-S

Fasa-T

4. Perancangan perangkat keras sistem

Secara umum rancangan perangkat keras dari alat pengendali kecepatan putaran motor induksi terdiri dari 6 bagian utama, yaitu: 1. Motor Induksi 3-fasa : sebagai plant dari sistem.

dengan daya nominal sebesar 0,5 HP (0,37 kW). 2. Catu Daya : sebagai sumber tenaga listrik bagi

seluruh modul. 3. Inverter : merupakan aktuator yang membuat

sinyal dari pengendali dapat menggerakkan plant sistem ini (motor induksi 3-fasa). Gambar 4. Inverter 3 Fasa yang Dihubungkan

dengan Motor Induksi 3 Fasa. 4. Sistem Kendali Logika Fuzzy : berfungsi sebagai pengendali kecepatan plant sesuai dengan set-point yang diberikan oleh pusat pengendali dan monitoring sistem.

Rangkaian inverter ini memiliki 6 buah penguat untuk dapat menghasilkan sinyal AC 3 fasa dari sumber tegangan DC. Untuk menghasilkan medan putar, sinyal tegangan 3 fasa, masukan berupa sinyal tegangan bolak-balik yang berselisih 120 per fasa. Jadi bentuk sinyal yang dikirimkan oleh mikrokontroler pengendali ke modul inverter berbentuk seperti gambar 5 berikut ini.

5. Tachometer : berfungsi sebagai umpan balik dari sistem kendali.

6. Pusat Pengendali dan Monitoring Sistem : berfungsi untuk memberikan set-point kecepatan sekaligus mencatat transient dan steady-state response sistem. Pusat pengendali dan monitoring sistem adalah sebuah komputer. Secara garis besar, rancangan keseluruhan dari

sistem ini dapat digambarkan seperti gambar 3 berikut ini.

58


1. Perangkat lunak pengendali berisi algoritma perhitungan pengendalian kecepatan dengan menggunakan logika fuzzy. Perangkat lunak ini ditempatkan pada mikrokontroler pengendali, dan bahasa yang dipergunakan adalah C. [6].

R up

a b c d e f

up

up

S

T

R lo

lo

lo

S

T

satu periode gelombang

60 12 0 18 0 24 0 30 0 3 60 42 0 48 00

2. Perangkat lunak pendeteksi kecepatan putaran motor (tachometer), digunakan sebagai sarana umpan balik pengendali sehingga sistem kendali alat ini menjadi berjenis closed loop.

3. Perangkat lunak monitoring system berfungsi sebagai pemberi perintah berupa data Set Point yang harus dikerjakan oleh motor beserta pengendalinya, fungsi lainnya sebagai pencatat dan penggambar grafik tanggapan sistem.

Gambar 5. Bentuk sinyal masukan inverter untuk menghasilkan medan putar pada motor induksi. Jadi untuk periode gelombang 0 sampai 60 (tahap-

a) penguat R-up (T1) aktif, R-lo (T2) mati, S-up (T3) mati, S-lo (T4) aktif, T-up (T5) mati, dan T-lo (T6) mati yang menyebabkan arus mengalir dari fasa R ke fasa S. Hal tersebut menyebabkan timbulnya fluks resultan (F),. dan seterusnya hingga menghasilkan medan putar hingga 360.

A. Rancangan Perangkat Lunak Pusat Pengendali Kecepatan Motor Induksi Perangkat lunak ini bekerja pada mikrokontroler

pengendali dengan tugas utamanya untuk mengendalikan kecepatan putaran motor induksi agar sesuai dengan set point yang diberikan. Secara umum diagram dari perangkat lunak ini dapat digambarkan sebagai berikut:

B. Rancangan Modul Tachometer Tugas utama modul ini adalah mengirimkan data

kecepatan putaran motor. Selain itu tachometer ini juga akan mengirimkan data hasil pengukuran tersebut kepada komputer untuk dapat melihat kinerja dari sistem kendali.

Fuzzy

Sinyal tegangan

dan frekuensi

Sinyal kendali untuk

inverter

Mikrokontroler pengendali

Plant (Motor

Induksi)

Set Point (rpm) error Algoritma Pengendali Berbasis Logika

Inver-ter (rpm

)dari komputer

(V dan Hz)

(V dan Hz)

Sinyal dari Sinyal kecepatan Tachometer (rpm)

Sinyal dari sensor

magnetik Hall-Effect

ke pengendali Gambar 7. Bagan Perangkat Lunak Pengendali

Kecepatan Motor Induksi dengan Logika Fuzzy. Port 0T0 Data RPM

AT89C52 Data RPM ke LCD

Program tersebut dilakukan setiap 0,25 detik sekali. Jadi program tersebut diletakkan sebagai Interrupt System Routine dari Timer 0 yang aktif setiap 0,25 detik.

Data RPM ke

komputer Perintah dari pengendali

Port serial

Gambar 6. Gambaran Umum Modul Tachometer B. Rancangan Sistem Logika Fuzzy

Tachometer akan mengukur kecepatan putaran

motor dengan cara menghitung waktu yang dibutuhkan oleh motor untuk menyelesaikan satu putaran. Pendeteksian tersebut dilakukan dengan menggunakan sebuah sensor medan magnet Hall-effect dan meletakkan sebuah magnet permanen kecil pada kipas. Selanjutnya sinyal keluaran sensor diproses oleh mikrokontroler pada modul tachometer untuk mendapatkan hasil kecepatan putaran motor dalam rotasi per menit .

Sistem logika fuzzy yang diimplementasikan pada pengendali kecepatan putaran motor induksi ini menggunakan satu masukan dan satu keluaran, dengan masukan berupa selisih kecepatan putaran motor dengan set point (Selisih) dan keluaran berupa perubahan frekuensi stator (Frekuensi). Adapun untuk proses inferensi logika fuzzy digunakan jenis Mamdani, yaitu metode MAX-MIN. Sedangkan proses defuzzifikasi menggunakan metode Center of Gravity.

5. Rancangan perangkat lunak sistem Dengan menggunakan metode intuisi dan trial

and error maka dibuat fungsi keanggotaan untuk Selisih dan Frekuensi serta aturan logika fuzzy (fuzzy rules) sebagai berikut.

Secara umum desain perangkat lunak keseluruhan sistem dapat dibagi menjadi 3 bagian utama, yaitu:

59


Gambar 8. Gambar Fungsi Keanggotaan Selisih

Gambar 9 Gambar Fungsi Keanggotaan Frekuensi

Tabel 1. Aturan inferensi logika fuzzy yang digunakan.

MASUKAN < IF >

KELUARAN < THEN > No.

Selisih Frekuensi

1. sangat_negatif sangat_positif 2. negatif positif 3. nol nol 4. positif negatif 5. sangat_positif sangat_negatif

Penggunaan hanya satu masukan dan satu keluaran serta lima buah fuzzy rules dimaksudkan agar waktu yang dibutuhkan untuk melaksanakan perhitungan logika fuzzy tidak terlalu lama. Akan tetapi aturan yang sedikit tersebut harus dapat menghasilkan kinerja pengendalian yang baik sesuai dengan yang diinginkan. Bentuk tanggapan waktu yang ingin dicapai pada sistem kendali kecepatan putaran motor induksi ini adalah mendekati critical damped atau setidaknya tidak memiliki overshoot.

6. Ujicoba dan analisa unjuk kerja sistem

Ujicoba ini dilakukan dengan cara memasukkan serangkaian set point beserta waktunya ke dalam program Monitoring Sistem Kendali dan menganalisa grafik yang dihasilkan. Untuk setiap grafik yang dihasilkan akan diambil data performa dari sistem dalam bentuk tanggapan waktu baik berupa tanggapan steady state maupun tanggapan transient. Tanggapan steady state dilihat dari

kestabilan sistem tersebut dan kesalahan steady state-nya. 1

sangat_negatif sangat_positifnegatif positif nol

Berikut ini adalah grafik-grafik hasil beberapa ujicoba terhadap sistem.

0,5

0 -64 0

Selisih (rpm / 10) 64 -127 128

sangat_negatif negatif sangat_positifpositif nol 1

Gambar 10. Hasil ujicoba sistem dengan set point 1500 rpm selama 60 detik.

0,

0-86 0x2

-43 0x5

00x7

40xA

80xD

-0x0

120xF

Perubahan Frekuensi (Hz x 4)

Gambar 11. Tanggapan transient dari ujicoba sistem dengan set point 1500 rpm.

Gambar 12. Hasil ujicoba sistem dengan set point

2450 rpm selama 30 detik.

Gambar 13. Tanggapan transient dari ujicoba sistem

dengan set point 2450 rpm.

60


61


750 rpm selama 20 detik.

.


940, 1350, 1750, 2250 rpm, dan turun kembali bertahap ke 940 rpm.

Hasil ujicoba sistem menunjukkan bahwa sistem dapat mengikuti set point yang diberikan, bahkan untuk set point yang berubah-ubah. Sistem kendali yang dibuat memiliki tanggapan steady state yang stabil. Pada kecepatan putar tinggi, di atas 1400 rpm, sistem tidak memiliki kesalahan (steady state error). Namun pada kecepatan rendah (di bawah 1400 rpm) sistem mengalami fluktuasi rata-rata sekitar 4% dari set point dan pada set point tertentu fluktuasi tersebut dapat mencapai sekitar 10%, namun masih dalam keadaan stabil. Fluktuasi tersebut diakibatkan karena sinyal pwm yang digunakan pada alat ini untuk frekuensi stator di bawah 50 Hz

Pada frekuensi stator di bawah 50 Hz, sesuai dengan teori pengendalian V/Hz maka tegangan diturunkan juga secara proporsional sesuai dengan penurunan frekuensi. Penurunan tegangan tersebut dilakukan dengan cara menghidupkan dan mematikan sinyal dengan perbandingan sinyal On dan Off sesuai dengan perbandingan frekuensi stator yang diinginkan (dalam Hz) dengan frekuensi 50 Hz. Sinyal yang hidup dan mati dengan frekuensi yang kecil menyebabkan supply tegangan ke stator menjadi terputus-putus, menyebabkan putaran motor menjadi tidak halus. Hal inilah yang menyebabkan kecepatan putaran menjadi berfluktuasi.

Sedangkan ujicoba sistem juga menghasilkan data tanggapan transient sistem sebagai berikut. Tanggapan transient dari sistem ini bersifat overdamped, jadi tidak didapatkan overshoot pada uji

coba sistem ini. Rise time rata-rata sistem adalah 0,75 detik dan settling time rata-rata sistem adalah 2 detik.

7. Kesimpulan

Sistem kendali kecepatan putaran motor induksi 3 fasa berbasis logika fuzzy dengan menggunakan mikrokontroler AT89C52 yang telah dibuat dapat bekerja dengan steady state response yang stabil, dan settling time rata-rata sekitar 2 detik serta hampir tidak memiliki overshoot. Pada kecepatan rendah (di bawah 1400 rpm), steady state response dari alat ini mengalami fluktuasi dengan kisaran rata-rata sekitar 4% dari set point yang diberikan, namun masih dalam kondisi stabil.

Dari hasil perancangan alat didapatkan pula beberapa hal penting yang perlu diperhatikan dalam penerapan sistem kendali berbasis logika fuzzy pada mikrokontroler. Hal-hal tersebut diantaranya adalah kecepatan proses mikrokontroler, resolusi mikrokontroler, dan instruction set yang dimiliki oleh mikrokontroler tersebut.

Referensi

[1] Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1995.

[2] Visinka, Radim, Low Cost 3-Phase Ac Motor Control System Based on MC68HC908MR24, Motorola Semiconductor Application Note, February 1998

[3] Uhlir, Petr, Zdenek Kubiczek 3-Phase AC Motor Control with V/Hz Speed Closed Loop Using the DSP56F80X, Motorola Semiconductor Application Note, April 2001

[4] Kadir, Abdul, Prof. Ir., Mesin Tak Serempak, Djambatan, 1986.

[5] Von Altrock, Constantin, Fuzzy Logic and Neurofuzzy Application Explained, Prentice-Hall Inc., New Jarsey 1995.

[6] Pont, Michael J., Programming Embeded System, University of Leicester , 2002

[7] Ogata, Katsuhiko Discrete-Time Control Systems, Prentice-Hall International Inc., 1987

Ridwan Gunawan : e-mail : ridwan @ eng.ui.ac.id Taufan H. Dwijatmikoe-mail TAUFAN_HARIST @YAHOO.COMDepartemen Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia telp 021-7270078 fax021-7270077Kampus Baru UI , Depok 16424AbstrakI. Pendahuluan2. Pengendalian kecepatan motor induksi

a012 - kendali kecepatan putar motor induksi tiga-phasa (84)

Documents