bldc_teori

8/10/2019 BLDC_Teori

1/15

Draft

5

BAB 1

MOTOR BLDC (BRUSHLESS DC MOTOR)

Motor DC Brushless atau dikenal juga dengan nama electronically

commutated motor (motor komutasi elektrik) adalah jenis motor sinkron yang

disuplai oleh sumber listrik DC untuk mengoperasikan kontrolnya dan

memiliki sistem komutasi elektrik(tidak menggunakan sikat/brush dan

komutator mekanis) yang berbeda dengan komutator dan sikat(brush) yang

bekerja secara mekanik pada motor DC konvensional.

Gambar 2.1 Motor DC brushless

Motor DC brushless terdiri dari 3 jenis motor berdasarkan banyaknya

fasa, antara lain motor DC brushless1 fasa, 2 fasa, dan 3 fasa. Mengacu pada

jenisnya, stator pada motor DC brushlessmemiliki jumlah yang sama dengan

belitannya. Motor DC brushless yang sering digunakan adalah motor DC

brushless 3 fasa. Walaupun sebenarnya motor ini dinamakan motor DC

brushless, sebenarnya motornya sendiri adalah motor AC sinkron magnetpermanen (trapezoidal) 3 fasa yang mana putaran pada rotornya disebabkan

oleh medan magnet pada stator yang pada setiap saatnya hanya dua fasa yang

ter-suply sementara satu fasa lainnya tak tersuply. Fenomena ini

mengakibatkan motor ini seperti motor DC, karena arus yang mengalir pada

kumparan stator mirip dengan motor DC meskipun motor ini sebenarnya

dialiri dengan arus tiga fasa.


2/15

Draft

6

Gambar 2.2 motor DC brushless 1 phasa(a), 2 phasa(b)

Gambar 2.3 motor DC brushless 3 phasa

2.1.1 Prinsip Dasar Motor DCbrushless

Sebelum berbicara jauh tentang motor DC brushless ada baiknya kita

mengkaji ulang prinsip dasar motor DC terlebih dahulu agar prinsip kerja

motor DC brushlessdapat lebih mudah dimengerti. Pada Motor DC terdapat

enam bagian penting yang bisa kita ingat antara lain Rotor, Commutator,Brushes(sikat), Axle(sumbu), Field Magnet(medan magnet) dan DC power

supply (sumber DC). Motor menggunakan gaya medan magnet untuk

menghasilkan gerakan (putaran).

Hal mendasar dari sifat magnet itu sendiri kutub yang sama akan

saling tolak menolak dan yang berlainan akan tarik-menarik. Jadi jika kita

punya dua buah magnet dan menandai satu sisi magnet tersebut dengan

"north" (utara) dan yang lainnya dengan "south" (selatan), maka bagian sisi


3/15

Draft

7

"noth" akan coba menarik "south", sebaliknya sisi "north" magnet yang

pertama akan melawan/menolak sisi "north" magnet kedua dan seterusnya.

Di dalam sebuah elektrik motor kondisi saling "tarik-menarik" dan

"tolak-menolak" ini akan menghasilkan gerakan berputar atau sering disebut

sebagai rotational motion(gerak putar).

Gambar 2.4 Prinsip gerak putar pada motor DC

Pada gambar 2.4 kita dapat melihat dua buah magnet pada motor.

Rotor adalah sebuah elektro magnet (magnet yang dihasilkan dari arus

listrik) sedangkan sebagai medan magnet digunakan magnet permanen pada

medan statornya dan tidak memiliki lilitan penguat medan magnet

Jika arus DC mengalir, maka rotor akan berputar 180 derajat karena

perbedaan kutub antara elektro-magnet dan permanen-magnet. Untuk

membuat agar rotor tetap berputar maka kutub di elektro-magnet perlu

diubah, hal ini akan dilakukan oleh brushes(sikat). Bagian sikat ini

menempel pada dua buah elektroda yang berputar pada rotor dan mengubah

polaritasmagnet pada elektro magnet pada saat berputar. Permanen magnet

pada dasarnya tetap pada posisinya dan tidak berubah, oleh karena itu

disebut sebagai "Stator", sedangkan elektro-magnet berputar, maka disebut

"Rotor".

Arah gerak rotor juga dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri

Flenning yang berbunyi :


4/15

Draft

8

Apabila tangan kiri terbuka diletakkan diantara kutub Utara dan Selatan

sehingga garis gaya yang keluar dari kutub utara menembus telapak tangan

kiri dan arus didalam kawat mengalir searah dengan arah keempat jari, maka

kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah ibu jari

(gambar 2.5).

Gambar 2.5 Kaidah Tangan Kiri Flenning

Besarnya gaya tersebut : F = B. i. l (Newton).persamaan 2.1

Dimana:

B = kerapatan fluks (webber)

l = panjang penghantar (meter)

i = arus yang melewati penghantar (ampere)

Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan

penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran

kecepatan yang luas.

Dengan prinsip kerja motor DC tersebut sekarang kita dapat

memahami prinsip kerja motor DC brushless karena pada dasarnya prinsipkerja motor DC brushless hampir sama dengan prinsip kerja motor DC

brushed hanya saja pada motor DC brushless bagian statornya diubah

menjadi elektro magnet sedangkan bagian rotornya menjadi permanen

magnet. Secara elektronik, motor DC brushless dioperasikan sama seperti

motor DC konvensional, hanya saja switching supply arusnya menggunakan

rangkaian solid state. Pada motor ini menggunakan transistor lojik sense

untuk posisi motor magnit permanennya dan distribusi arus komponen


5/15

Draft

9

medannya. Kumparan medan diberikan energi dalam urutan medan

magnitnya. Posisi rotor dideteksi dengan solid state light emitter dan sensor,

piranti hall atau piranti yang lainnya. Sinyal feedback dari sensor

dikembalikan ke kontrol unit yang akan meng-ON-kan transistor unit, yang

akan diterusakan ke kumparan medan stator secara sekuensial. Untuk

mendeteksi posisi sudut digunakan hall effect dan sensor optik. Hall effect

juga beperan untuk mendeteksi magnitud dan polaritas medan magnit.

Karena tidak adanya brushes(sikat) pada motor DC brushless inilah maka

untuk merubah polaritas magnet digunakan sebuah rangkaian kontrol seperti

disebutkan sebelumnya yang berfungsi untuk mengatur perubahan arus pada

elektro magnet(stator) ketika rotornya berputar dan karena jenis motor DC

brushlessyang digunakan biasanya multi pole maka pada rangkaian kontrol

tersebut juga terdapat inverter sehingga motor dapat bekerja(berputar).

Gambar 2.6 Tahapan Daya (Power Stage) dari Motor DC brushless [4]

Tabel 2.1 Tabel perubahan komutasi motor berdasar nilai Hall sensor [10]


6/15

Draft

10

2.1.2 Skema Cara Kerja Putaran Motor DCbrushless

Melihat prinsip kerja motor DC brushless dan cara kerja sistem half

bridge pada proses peng-energize-an koil motor DC brushless maka cara

kerja putaran motor DCbrushlesssekarang dapat kita gambarkan, skema cara

kerja putaran motor DC brushlessadalah sebagai berikut : [10]

Komutasi menghasilkan medan putar. Pada step 1, phasa U

dihubungkan ke kutub positif pada bus motor DC brushless (Q1) lihat gambar

2.4, lalu phasa V dihubungkan ke ground netral(kutub negative baterai)

melalui Q4, untuk phasa W tidak ter-energize, 2 buah vektor fluks dihasilkan

oleh phasa U (panah merah) dan phasa V(panah biru). Jumlah kedua vektor

tersebut menghasilkan vektor fluks pada stator(panah hijau) dimana rotor

akan berusaha mengikuti arah fluks stator tersebut. Pada kondisi ini motor

sedang standby untuk berputar, ketika posisi rotor sudah mencapai posisi

tertentu yang diberikan, maka nilai pernyataan logika pada Hall sensor


7/15

Draft

11

berubah dari 101 ke 001 dan pola tegangan baru tercipta pada motor DC

brushless(BLDC) dimana phasa V sekarang tidak ter-energizetetapi phasa W

yang sekarang terhubung ke netral ground(Q6) dimana posisi vector fluks

stator(panah hijau) sekarang berada pada posisi yang ditunjukan gambar step

2.

Mengacu pada gambar 2.5 dan Tabel 2.1, kita sekarang dapat

menentukan switch(Q) mana saja yang aktif ketika phasa tertentu yang ter-

energize sehingga arah putaran rotor dapat terlihat. Pada step 3phasa yang

aktif adalah W-V dan posisi vector fluks stator berada pada posisi tersebut,

lanjut ke step 4phasa yang aktif adalah U-V dan rotor terus berputar kearah

fluks stator pada step 4.

(sumber : AVR194 BLDC motor control using ATmega32M1)

Pada gambar step 5 dan step 6 terlihat phasa lain lagi yang ter-

energizedan arah putaran rotor terus mengikuti arah vektor fluks stator yang

dihasilkan dan selanjutnya proses putaran kembali lagi ke step 1. Itulah 6

langkah(step) putaran elektris motor BLDC untuk melakukan 1 putaran

penuh mekanis motor BLDC.


8/15

Draft

12

2.1.3 Bagian bagian motor DC Brushless

1. Rotor

Rotor adalah bagian pada motor yang berputar karena

adanya gaya elektromagnetik dari stator, dimana pada motor DC

brushlessbagian Rotor-nya berbeda dengan Rotor pada motor DC

konvensional yang hanya tersusun dari 1 buah elektro-magnet yang

berada diantara brushes(sikat) yang terhubung pada 2 buah

elektroda yang terangkai ke suplai DC. Pada motor DC brushless

bagian rotornya tersusun dari sedikitnya 2 hingga 8 pasang kutub

magnet permanen berbentuk persegi panjang yang saling direkatkan

menggunakan semacam epoxy dan tidak adabrushes-nya.

Gambar 2.7 Rotor pada motor DCbrushless

2.

Stator

Stator adalah bagian pada motor yang diam/statis dimana

fungsinya adalah sebagai medan putar motor untuk memberikan

gaya elektro magnetik pada rotor sehingga motor dapat berputar.

Pada motor DC brushless statornya terdiri dari 12 belitan (elektro-

magnet) yang bekerja secara elektromagnetik dimana stator pada

motor DC brushless terhubung dengan 3 buah kabel untuk

disambungkan pada rangkaian kontrol sedangkan pada motor DC

konvensional stator-nya terdiri dari 2 buah kutub magnet permanen.


9/15

Draft

13

Gambar 2.8 Stator pada motor DCbrushless

Belitan stator pada motor DC brushless terdiri dari 2 jenis,

yaitu belitan stator jenis trapezoidal dan jenis sinusoidal. Yang

menjadi dasar perbedaan kedua jenis belitan stator tersebut terletak

pada hubungan antara koil dan belitan stator yang bertujuan untuk

memberikan EMF (ElectroMotive Force) balik yang berbeda.

EMF balik sendiri adalah tegangan balik yang dihasilkan

oleh belitan motor BLDC ketika motor BLDC tersebut berputar

yang memiliki polaritas tegangan berlawanan arahnya dengan

tegangan sumber yang dibangkitkan. Besarnya EMF balik

dipengaruhi oleh kecepataN sudut putaran motor(), medan magnet

yang dihasilkan rotor(B), dan banyaknya lilitan pada belitan

stator(N) sehingga besarnya EMF balik dapat dihitung dengan

persamaan :

EMF balik = B.N.l.r. ................................ persamaan 2.2

dimana : B= Kerapatan medan magnet yang dihasilkan rotor(Tesla)N= Banyaknya lilitan pada belitan stator per phasa

l= Panjangnya batang rotor (m)

r= Jari-jari dalam motor(m)

= Kecepatan sudut putaran motor(rad) (dimana = 2f )

ketika motor BLDC sudah dibuat, jumlah lilitan pada stator

dan besarnya medan magnet yang dihasilkan nilainya sudah dibuat

konstan sehingga yang mempengaruhi besarnya EMF balik adalah


10/15

Draft

14

besarnya kecepatan sudut yang dihasilkan motor, semakin besar

kecepatan sudut yang dihasilkan semakin besar pula EMF balik

yang dihasilkan. Perubahan besarnya EMF balik ini mempengaruhi

torsi motor BLDC, apabila kecepatan motor yang dihasilkan

melebihi kecepatan rata-rata motor yang berakibat EMF balik yang

dihasilkan lebih besar dari tegangan potensial pada belitan stator

sehingga arus yang mengalir pada stator akan turun dan torsi pun

akan ikut turun, sebagaimana rumus torsi pada BLDC motor

menurut persamaan 2.3 bahwa besarnya torsi yang dihasilkan motor

BLDC dapat dihitung dengan :

T = Krms . . I (Nm) ......................................persamaan 2.3

Dimana : Krms = tegangan rata-rata konstant(Volt)

= besarnya fluks magnet (Tesla)

I = besarnya arus (Ampere)

Karena berbanding lurus dengan faktor-faktor lain yang

mempengaruhi torsi maka kenaikan dan penurunan arus sangat

berpengaruh pada besarnya torsi yang dihasilkan motor BLDC.

Gambar 2.9 EMF balik trapezoidal yang dihasilkan oleh BLDC

motor(sumber :microchip AN885BLDC motor Fundamental)


11/15

Draft

15

3.

Axle

Axle atau sumbu adalah batang yang berfungsi sebagai

sumbu putar motor, terpusat pada rotor dan dirangkai bersama rotor.

4. Sensor Hall

Tidak seperti motor DC brushed komutasi dari motor DC

bruhless diatur secara elektronik.agar motor dapat berputar, stator

harus di-energize secara berurutan dan teratur. Sensor Hall inilah

yang berperan dalam mendeteksi pada bagian rotor mana yang ter-

energizeoleh fluks magnet sehingga proses komutasi yang berbeda

(6 step komutasi) dapat dilakukan oleh stator dengan tepat karena

sensor Hall ini dipasang menempel pada stator.

Gambar 2.10 Posisi penempatan sensor Hall

Hall sensor ini ditempatkan setiap 1200

pada jarak antar

kutub stator hal ini bertujuan agar deteksi terhadap vektor fluks

stator yang dihasilkan akurat sehingga setiap perpindahan komutasi,

arus yang mengalir tetap terjaga konstan pada setiap phasa.

Prinsip kerja Hall sensor sendiri membutuhkan arus yang mengalir

terus jika ingin digunakan sebagai pendeteksi fluks magnet. Bila

butiran-butiran yang terdapat pada gambar 2.11 dimisalkan sebagai

gambaran medan magnit, maka daya elektromagnit dibuat atas


12/15

Draft

16

dasar gerakan elektron seperti yangdiberikan oleh kaedah tangan

kiri Fleming. Sewaktu daya elektron dibiaskan pada sisi kiri,

akibatnya kutub negatif disisi kiri dan kutub positip disisi yang

lain (kanan). Polaritas elektrostatik bergantung pada yang dialami

butir apakah berkutub utara atau berkutub selatan, dan digunakan

untuk menyatakan sinyal pada posisi rotor dalam batas polaritas

magnit. Bila motor DC brushless menggunakan elemen Hall

sebagai sensor posisi, maka semua elemen-elemen penting dibuat

dalam bentuk terpadu sesuai dengan yang ditunjukkan pada

gambar 2.12. Misalnya, jika level output adalah H untuk kutub

utara, maka level output akan L bila diletakkan pada kutub

selatan. Dalam hal ini ketiga IC Hall digunakan sebagai driver

untuk motor BLDC tiga phase.

Gambar 2.11 Prinsip kerja elemen Hall

Gambar 2.12 Rangkaian terpadu elemen Hall


13/15

Draft

17

Gambar 2.13 posisi Hall sensor pada BLDC motor

5. Controller&Inverter(perubah tegangan DC menjadi AC)

Controller pada motor DC brushless berperan sangat

penting dan dapat dikatakan sebagai penunjang utama operasi motor

DC brushless karena motor DC brushless membutuhkan suatu

trigger pulsa yang masuk ke bagian elektromagnetik (stator) motor

DC brushless untuk memberikan pengaturan besarnya arus yang

mengalir sehingga putaran motor dapat diatur secara akurat. Inverter

pada motor DC brushless berpran untuk mengubah tegangan DC

ang masuk controllermenjadi tegangan AC karena jenis motor DC

brushless biasanya multipole 3 phase maka dibutuhkan inverter 3

phasa tegangan DC menjadi AC agar motor dapat berputar.

Berdasarkan kemampuan control power supply,kita dapat memilih

dengan tepat rating tegangan untuk motor yang dibutuhkan. Untuk

tegangan 48 volt atau kurang dari itu, biasanya digunakan untuk

bidang otomotif, robotik, atau penggerak lengan mekanik kecil.

Untuk rating tegangan 100 volt dan lebih dari itu digunakan dalam

bidang otomasi industri dan penggerak alat-alat industri.


14/15

Draft

18

Gambar 2.14 konfigursi dasar sistem bridge inverter 3 phasa

Gambar 2.15 sistem drive motor DC brushless dengan menggunakan

jembatan inverter 3 phasa dan sensor hall (PWM)


15/15

Draft

19

2.1.4 Keunggulan motor DCbrushless

Motor DC brushless diciptakan untuk memperbaiki beberapa

kekurangan yang dimiliki oleh motor DC brushed walaupun motor DC

brushedlebih mudah diproduksi dan prinsip kerjanya sederhana karena pada

motor DC brushed terdapat beberapa kekurangan antara lain :

Brushes(sikat) lama kelamaan akan menjadi rusak.

Karena sikat memutus dan menghubungkan koneksi, maka akan

menimbulkan storing/electrical noise.

Brushless membatasi kecepatan maximum dari motor.

Karena posisi electromagnet ada di tengah-tengah (rotor), maka

pendinginan motor menjadi lebih sulit.

Penggunaa sikat juga berarti membatasi jumlah kutub magnet yang

dapat diinstalasi.

Motor DC brushless mampu meminimalisir kekurangan yang

dimiliki oleh motor DC brushedkarena konstruksi motor DC brushlessyang

sedemikian rupa dan tidak menggunakan sikat maka motor DC brushless

memiliki beberapa keunggulan antara lain :

Karena bukan sikat tetapi rangkaian mikrokontroler yang mengontrol

perpindahan arus, maka arus tersebut akan bisa lebih akurat (presisi).

Kontroler juga dapat mengatur kecepatan motor lebih baik sehingga

membuat "brushless motor" lebih efisien.

Tidak adanya storing/electrical noiseatau suara bising akibat gesekan

celah udara antara rotor dan sikat.

Tidak menggunakan sikat yang dapat rusak setelah lamanya pemakaian.

Dengan posisi electromagnetdi bagian stator, maka pendinginan motor

menjadi lebih mudah.

Jumlah electromagnetdi stator dapat sebanyak mungkin untuk

mendapatkan kontrol yang lebih akurat.

bldc_teori

Documents