pemodelan robotika
TRANSCRIPT
TUGAS
PEMODELAN MOTOR DC
Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Pengantar Robotika yang
dibimbing oleh Erik Haritman, S.Pd., MT.
disusun oleh :
Khilda Afifah 0900323
JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN
UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA
2012
Motor DC
Motor DC adalah alat yang mengubah energi listrik DC menjadi energi mekanik
putaran. Motor DC merupakan jenis motor yang menggunakan tegangan searah sebagai
sumber tenaganya. Dengan memberikan beda tegangan pada kedua terminal tersebut, motor
akan berputar pada satu arah, dan bila polaritas dari tegangan tersebut dibalik maka arah
putaran motor akan terbalik pula. Polaritas dari tegangan yang diberikan pada dua terminal
menentukan arah putaran motor sedangkan besar dari beda tegangan pada kedua terminal
menentukan kecepatan motor.
Motor DC memiliki 2 bagian dasar :
1. Bagian yang tetap/stasioner yang disebut stator. Stator ini menghasilkan medan magnet,
baik yang dibangkitkan dari sebuah koil (elektro magnet) ataupun magnet permanen.
2. Bagian yang berputar disebut rotor. Rotor ini berupa sebuah koil dimana arus listrik
mengalir.
Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar
bebas di antara kutub-kutub magnet permanen. Catu tegangan dc dari baterai menuju ke
lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua
ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada gambar di atas disebut angker dinamo. Angker
dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di antara medan magnet.
Motor Stepper
Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa
elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa
yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan
pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik.
Pada dasaranya terdapat 3 tipe motor stepper yaitu:
1. Motor stepper tipe Variable reluctance (VR)
Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang secara
struktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah rotor besi lunak
dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika lilitan stator diberi energi dengan
arus DC, kutub-kutubnya menjadi termagnetasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gigi rotor
tertarik oleh kutub-kutub stator. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor
stepper tipe variable reluctance (VR):
Gambar Penampang melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR)
2. Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM)
Motor stepper jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti kaleng bundar (tin can)
yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang diselang-seling dengan kutub yang
berlawanan. Dengan adanya magnet permanen, maka intensitas fluks magnet dalam
motor ini akan meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. Motor
jenis ini biasanya memiliki resolusi langkah (step) yang rendah yaitu antara 7,50 hingga
150 per langkah atau 48 hingga 24 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah ilustrasi
sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet:
Gambar Ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet (PM)
3. Motor stepper tipe Hybrid (HB)
Motor stepper tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi dari kedua
tipe motor stepper sebelumnya. Motor stepper tipe hibrid memiliki gigi-gigi seperti pada
motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen yang tersusun secara aksial pada
batang porosnya seperti motor tipe PM. Motor tipe ini paling banyak digunkan dalam
berbagai aplikasi karena kinerja lebih baik. Motor tipe hibrid dapat menghasilkan
resolusi langkah yang tinggi yaitu antara 3,60 hingga 0,90 per langkah atau 100-400
langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper
tipe hibrid:
Gambar Penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid
Pemodelan Power stepper motor yang menggambarkan operasi dari sebuah stepper
motor drive menggunakan model dua-fasa stepper motor hybrid.
Pemodelan ini menggunakan bentuk pemodelan dari demo Simulink MATLAB. Fase motor
diberi supplay oleh 2 2 H-bridge MOSFET PVM konverter yang terhubung ke sumber
tegangan DC 28 V. Arus motor insependen ini dikendalikan oleh 2 histeresis berbasis
pengendali yang menghasilkan sinyal MOSFET drive dengan membandingkan arus yang
diukur dengan referensi pembanding. Arus gelombang persegi referensi dihasilkan dengan
menggunakan amplitudo arus dan parameter frekuensi yang ditetapkan dalam layar dialog.
Pergerakan drive stepper dikendalikan oleh sinyal STEP dan DIR yang diterima dari sumber
eksternal. Bentuk gelombang berikut ini diperoleh dari simulasi operasi 0,25 detik dari
penggerak motor stepper di mana stepper berputar selama 0,1 detik dalam arah yang positif,
berhenti selama 0,05 detik, berputar ke arah sebaliknya untuk 0,05 detik dan berhenti.
Bentuk rincian gelombang ditunjukkan pada gambar berikut.
MODEL FISIK PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC( LOOP TERTUTUP )
DENGAN VARIASI BEBAN
Secara sederhana rangkaian fisik kontrol kecepatan motor loop-tertutup dengan variasi beban
dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Sistem kontrol loop-tertutup adalah sistem pada
output dari proses yang mempengaruhi input. Sistem tersebut mengukur output yang
dikehendaki. Pengaturan dibuat secara terus menerus oleh sistem kontrol sampai perbedaan
antara output yang dikehendaki dan yang sesungguhnhya sekecil dan seperaktis mungkin.
Gambar Rangkain Fisik Pengaturan kecepatan motor loop tertutup
Gambar Blok Diagram Pengaturan kecepatan motor dc loop tertutup
Bagian-bagian dari pengaturan kecepatan motor dengan variasi beban sesuai gambar diatas
terdiri dari :
1. Motor DC, yaitu sistem yang akan dikontrol kecepatannya dengan variasi beban.
2. Catu Daya ; Pada bagian ini merupakan pengendali motor yang berisi penyerah 1
phasa terkendali penuh yaitu penyearah jembatan yang dikontrol fasenya dengan
rangkaian logik untuk mengontrol tegangan dc yang diberikan pada jangkar motor
(pada tugas ini disimulasikan menggunakan kontrol PID), dimana variasi tegangan
output penyearah bergantung pada besar sudut penyalaan pada thyristor atau SCR,
sudut penyalaan thyristor diperoleh dari sensor umpan balik (output berupa tegangan
yang berdasarkan referensi kecepatan dari tachometer), catu daya digambarkan oleh
gambar dibawah ini.
Gambar Rangkaian Penyearah Terkendali gelombang penuh
Karakteristik pengendalian tegangan dc keluaran penyearah gelombang penuh dapat
ditentukan dengan menggambarkan tegangan dc keluaran Vdc versus sudut
perlambatan penyalaan α . Khusus untuk penyearah 1 fasa gelombang penuh
terkendali, besarnya tegangan dc keluaran dinyatakan dengan persamaan
Vo(dc)=Vdc=(2Vm/ π ) cos α . Dengan menggunakan persamaan ini diperoleh nilai
Vo(dc) untuk berbagai sudut α
3. Sensor Kecepatan; berupa tachometer yang memberikan umpan balik berdasarkan
referensi kecepatan motor yang diinginkan, dengan perbandingan antara kecepatan
motor dengan tegangan pengaturan sudut penyalaan thyristor (RPM/Volt).
MODEL BAGAN KOTAK PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC ( LOOP
TERTUTUP )
a. Bagan Kotak
Gambar Bagan Kotak Pengendalian Motor DC sistem Loop-tertutup
b. Pengendali PID
Kontrol PID merupakan sistem kontrol loop tertutup yang cukup sederhana dan
kompatibel dengan sistem kontrol lainnya sehingga dapat dikombinasikan dengan sistem
kontrol lain seperti Fuzzy control, Adaptif control dan Robust control. Fungsi alih H(s)
pada sistem kontrol PID merupakan besaran yang nilainya tergantung pada nilai
konstanta dari sistem P, I dan D
Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu kontrol P (Proportional), D
(Derivative) dan I (Integral), dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan.
Dalam implementasinya masing-masing cara dapat bekerja sendiri maupun gabungan
diantaranya. Dalam perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan adalah
mengatur parameter P, I atau D agar tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap masukan
tertentu sebagaimana yang diiginkan.
Tabel Tanggapan sistem kontrol PID terhadap perubahan parameter
Untuk merancang sistem kontrol PID, kebanyakan dilakukan dengan metoda coba-coba
atau (trial & error). Hal ini disebabkan karena parameter Kp, Ki dan Kd tidak
independent. Untuk mendapatkan aksi kontrol yang baik diperlukan langkah coba-coba
dengan kombinasi antara P, I dan D sampai ditemukan nilai Kp, Ki dan Kd seperti yang
diiginkan.( Penentuan parameter Kp, Ki, Kd pada tulisan ini menggunakan metode trial
and error dengan Simulink Matlab)
Gambar Blok diagram Pengendali PID
Ketika mendesain PID Controller pada suatu sistem, beberapa langkah-langkah berikut
untuk mendapatkan respon yang diinginkan :
1) Dapatkan respon loop-terbuka dan tentukan apasaja yang ingin ditingkatkan.
2) Tambahkan P-Controller untuk menambah waktu naik.
3) Tambahkan I-Controller untuk menghilangkan kesalahan keadaan tunak
4) Tambahkan D-Controller untuk menambah overshoot
5) Seimbangkan setiap Kp, Ki, Kd sampai didapatkan keseluruhan respon yang
diinginkan.
PEMODELAN PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC VARIASI
(LOOP-TERTUTUP) DENGAN SIMULINK MATLAB
Untuk membandingkan pengaruh pengontrolan loop-tertutup terhadap pengendalian
kecepatan dengan variasi beban, terlebih dahulu motor dc akan disimulasikan tanpa
kontroller, seperi model simulasi berikut :
1. Model simulink Motor DC variasi beban tanpa kontroller
Gambar Model Simulink Sistem Motor DC dengan Variasi Beban Tanpa Kontroller
Setelah model tersebut diatas di simulasikan maka didapatkan hasil sebagai berikut :
Gambar Grafik Hasil Simulink Pengendalian Kecepatan Motorr DC variasi beban Tanpa
Kontroller
Analisa Grafik :
Dari grafik terlihat bahwa motor diberikan pada tegangan nominalnya 240 Volt, sementara
beban nominal diberikan dari detik 0 kedetik ke-2, kecepatan motor dan Arus Jangkar (Ia)
tetap pada nilai nominalnya 1150 rpm dan 35 Ampere, pada detik ke-2 sampai pada detik ke
6, beban motor ditambah 20 % dari beban nominalnya, kecepatan motor turun sedangkan
arus jangkarnya naik. Demikian pula sebaliknya jika beban diturunkan 20% dari nominalnya,
kecepatan motor kembali naik dan arus jangkar menurun. Sehingga perubahan beban
mempengaruhi kecepatan dan arus jangkar, demikian pula pada saat beban naik 50% dari
beban nominal. Jika hal ini tidak dikontrol maka kecepatan motor akan berfluktuasi sesuai
dengan variasi beban.
2. Model simulink Motor DC variasi beban dengan kontrol loop-tertutup
Perbedaan model simulink, antara model simulasi tanpa kontroller dibandingkan dengan
model simulasi dengan kontroller loop-tertutup, yaitu adanya pengendali/PID ( yang
mengatur sudut penyalaan SCR pada catu daya) dan adanya sensor umpan balik referensi
kecepatan.
Gambar Model Simulink Sistem Motor DC dengan kontrol loop-tertutup (PID)
Model simulasi Pengendali dan Catu daya dapat dilihat sebagai berikut :
a. Bagian Catu Daya
Pada catu daya digunakan penyearah terkendali penuh, dengan tegangan Vdc =
(2.Vm/pi).Cos (alpha) dan men-set tegangan maksimum sebesar Vm= 534 V atau
Veff = 380 Volt dengan fungsi matlab yang dibuat pada M-file ‘penyearah’.
function y = penyearah(x);
Vm = x(1);
alpha = x(2);
y = (2/pi)*Vm*cos(alpha);
b. Bagian Pengendali
Pada bagian pengendali PID, set poin sudut penyalaan alpha adalah pi/4 dengan batas
saturasi alpha ± pi/4, sedangkan penentuan paramter konstanta P, I, dan D akan
disimulasikan dan dilakukan secara coba-coba ( baik untuk pengendali proporsional.
Pengendali integral, pengendali derivatif atau gabungan ketiganya/PID sampai
diperoleh tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap masukan tertentu sebagaimana
yang diiginkan.
c. Bagian Sensor
Pada bagian sensor, referensi kecepatan yang diinginkan 1150 rpm dengan set
tegangan sensor 5 Volt, adapun prinsip kerjanya, apabila kecepatan putar motor pada
level nominal, maka sinyal erronya adalah nol, apabila kecepatan motor lebih besar
dari nominal, maka sinyal error lebih kecil dari nol demikian pula sebaliknya, apabila
kecepatan putar motor lebih kecil dari nominal maka sinyal error lebih besar dari nol,
sinyal error ini merupakan input dari pengendali PID yang selanjutnya mengatur sudut
penyalaan thyristor.
Hasil Simulasi :
1) Pengontrol PID dengan Parameter Kp = -5000 ; Ki = -3000 ; Kd = -0.5
Setelah melakukan simulasi dengan trial and error dalam penentuan parameter
Kp, Ki, Kd dari pengendali PID dengan simulink Matlab, maka diperoleh nilai-
nilai parameter kontrol Kp = -5000 ; Ki = -3000 ; Kd = -0.5, dari parameter-
parameter tersebut memberikan tanggapan respon yang diinginkan yaitu
kecepatan motor tetap konstan pada putaran 1150 rpm (nominal) meskipun ada
gangguan atau variasi beban, namun sedikit ada osilasi pada saat kenaikan beban
+50%, tapi sangat kecil sehingga masih bisa ditoleransi.
2) Pengendali Proporsional ( Kp =-5000, Ki = 0, Kd = 0 )
Kecepatan sudah cenderung tetap, tetapi overshoot masih banyak, karena sifat
dari kontrol proporsional mereduksi waktu naik dan kesalahan keadaan tunak,
meningkatkan overshoot, dan mengurangi waktu turun dalam sekala kecil.
3) Pengendali Integral ( Ki =-3000 , Kp = 0, Kd = 0)
Kecepatan tidak stabil, justru overshoot meningkat, karena sifat dari kontrol
integral mereduksi waktu naik dan menghilangkan kesalahan keadaan tunak,
meningkatkan overshoot, dan meningkatkan waktu turun.
4) Pengendali Derivative ( Kd =-0.5 , Kp = 0, Ki = 0)
Kecepatan tidak stabil, masih ada pengaruh perubahan beban, tetapi overshoot
berkurang, karena sifat dari kontrol derivative mereduksi overhoot, dan waktu
turun dan memberikan efek kecil pada waktu naik dan kesalahan keadaan tunak.
5) Pengendali Proporsional-Integral ( Kp =-5000 , Ki =-3000, Kd = 0)
Kecepatan sudah stabil terhadap perubahan beban, namu masih ada sedikit
overshoot, akan tetapi control ini masih lebih baik dibanding Kontrol- P, Kontrol-
I, dan Kontrol D, karena mengkombinasikan kelebihan dan kekurangan Kontrol P
dan Kontrol I.
6) Pengendali Proporsional -Derivative ( Kp =-5000 , Ki = 0, Kd = 0.5)
Kecepatan sudah cenderung tetap terhadap perubahan beban dan overshoot sudah
berkurang dibanding Kontrol-PI, dan Kontrol masih lebih baik dibanding Kontrol
diatas.
7) Pengendali PID ( Kp =-5000 , Ki = -3000, Kd = 0.5)
Hasilnya paling baik dari semua jenis control diatas, karena mengabungkan dari
kelebihan dan kekurangan dari Kontrol- P, Kontrol- I dan Kontrol- D
KESIMPULAN
1. Dari Hasil simulasi membuktikan bahwa Pengendalian Motor dc dengan loop tertutup
(dengan kontroller) lebih baik dibanding pengendalian tanpa kontroller (loop-
terbuka), karena pada loop tertutup memberikan tanggapan respon yang akurat dalam
mengendalikan atau mempertahanakan kecepatan motor, meskipun ada gangguan atau
variasi beban.
2. Setelah beberapa trial and error dijalankan pada simulasi, parameter pengendali PID
pada pengendalian kecepatan motor dengan variasi beban pada tugas ini diperoleh
nilai Kp =-5000. Ki =-3000 dan Kd = -0,5 serta memberikan tanggapan respon yang
baik dalam mempertahankan kecepatan motor 1150 rpm.
3. Pengendali PID memberikan tanggapan respon yang lebih baik bila dibandingkan
dengan menggunakan pengendali proporsional (P), pengendali proporsional
Derivative (PD) dan pengendali proporsional Integral (PI), karena kontrol PID
mengkombinasikan kelebihan dan kekurangan dari Kontrol Proporsional, kontrol
Derivatif dan kontrol Integral.
4. Pengendali proporsional (Kp) memberikan efek mengurangi waktu naik, tetapi tidak
mengahapus kesalahan keadaan tunak. Pengendali integral (Ki) memberikan efek
menghapus kesalahan keadaan tunak, tetapi berakibat memburuknya respon transient.
Pengendali derivatif (Kd) memberikan efek meningkatnya stabilitas sistem,
mengurangi overshoot dan menaikkan respon transfer. (lihat lampiran grafik masing-
masing )
Referensi
- T. Kenjo, A. Sugawara, Stepping Motors and Their Microprocessor Controls, 2nd
Edition, Oxford University Press, Oxford, 2003.[2] P. Acarnley, Stepping Motors - A
guide to theory and practice, 4th Edition, The Institution of Electrical Engineers, London,
2002. (HELP SIMULINK MATLAB)
- http://www.coriza.net/2010/10/motor-dc-servo.html
- http://www.ilmu.8k.com/pengetahuan/stepper.htm
- http://elektronika-dasar.com/teori-elektronika/prinsip-kerja-motor-dc/
- http://syahwilalwi.blogspot.com/2010/07/simulasi-dan-pemodelan-motor-dc.html