Module : Sistem Pengaturan Kecepatan Motor DC

Transkripsi

1 Module : Sistem Pengaturan Kecepatan Motor DC

2 PERCOBAAN 2 SISTEM PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC 2.1. PRASYARAT Memahami komponen yang digunakan dalam praktikum sistem pengaturan kecepatan motor dc Memahami cara kerja op-amp 2.2. TUJUAN Mempelajari sistem pengaturan kecepatan loop tertutup. Mempelajari pengaruh gain terhadap kecepatan motor dc dengan beban berubah. Mempelajari sistem pengaturan kecepatan dengan dua arah putaran REFERENSI 1. Katsuhiko Ogata, Modern Control Engineering, Edisi ke Stephen Chapman, Electric Machinary Fundamental. 3. Manual modular servo feedback PENDAHULUAN Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk kebutuhan seperti, memutar pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat beban, dll. Motor DC memerlukan suplai tegangan searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya. Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/ loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/torque untuk memutar kumparan. Dasar metode pengendalian motor DC sebagai berikut : 2-1

3 1. Pengaturan medan. 2. Pengaturan tegangan. 3. Pengaturan tahanan jangkar. 1. Pengaturan Medan Pengaturan ini dapat dilakukan dengan mengaturan arus medan shunt dengan melemahkan dan menaikkan melalui pengaturan tahanan variabel yang di hubungkan seri dengan kumparan medan seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 Rangkaian pengaturan Medan pada Motor DC 2. Pengaturan Tegangan Pengaturan ini dilakukan dengan mengatur tegangan yang disuplai ke motor seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.2 Rangkaian Pengaturan Tegangan pada Motor DC 3. Pengaturan Tahanan Jangkar Pengaturan ini dapat dilakukan dengan mengaturan tahanan jangkar dengan menghubungkan seri dengan tahanan variabel seperti ditunjukkan pada Gambar

4 Perangkat yang digunakan : Sistem Servo Modular MS 150 Sistem servo modular MS 150 merupakan blok rangkaian elektronik yang digunakan untuk pengendalian kecepatan dan posisi dari motor servo DC. Sistem servo modular MS 150 terdiri dari suatu pemakain sumber tenaga (power supply), servo amplifier, dua unit motor DC, reduction gear tacho unit, dan beberapa transducer dan modul. Gambar 2.4 Servo Modular MS 150 Bagian - Bagian Sistem Servo Modular MS 150 Bagian-bagian sistem servo modular MS150 yang digunakan untuk mengidentifikasi motor DC, yaitu : a. Power Supply Masukan yang disediakan sebesar 115V dan 230V, 50/60 Hz, 40VA. Dengan keluaran yang dihasilkan sebesar 24V DC, 2A yang diatur untuk menyuplai motor. b. Motor DC Motor DC yang digunakan yaitu motor magnet permanen yang mempunyai batangan (shaft) yang dipanjangkan. Batangan (shaft) motor 2-3

5 diperpanjang untuk bantalan/ ganjalan secara langsung dari pengereman magnetik dan inersia. c. Reduction Gear Tacho Unit Modular feedback tachogenerator GT150X berfungsi untuk mengkonversi besaran mekanik menjadi besaran listrik. d. Servo Amplifier Modular feedback servo amplifier SA150D terdiri dari rangkaian transistor yang dapat menggerakkan motor DC dengan dua arah putaran. e. Op Amp Unit Op Amp unit berfungsi sebagai penguat pada pengaturan umpan balik. Penggunaannya meliputi operasi penjumlahan untuk mengoreksi kesalahan untuk sistem pengaturan loop tertutup dan dapat juga digunakan sebagai penambahan konstanta waktu ekstra untuk menunjukkan ketidakstabilan. f. Attenuator Unit Berfungsi meyediakan tegangan referensi ketika dihubungkan dengan sumber DC dan dapat digunakan untuk mengatur penguatan. Pengaturan kecepatan dapat dilakukan dengan mengatur sinyal masukan (tegangan) pada motor, karena kecepatan motor dipengaruhi oleh besarnya tegangan masukan yang diberikan padanya. Sistem pengaturan yang demikian biasa disebut sistem pengaturan kecepatan dengan loop terbuka. Dalam keadaan beban yang konstan atau dalam keadaan tanpa beban, sistem pengaturan dengan loop terbuka masih mungkin digunakan. Akan tetapi, dalam keadaan beban yang berubah-ubah, sistem loop terbuka tersebut sudah tidak dapat dipertanggungjawabkan lagi keandalannya. Sistem pengaturan kecepatan loop terbuka dapat dimodifikasi menjadi sistem loop tertutup. Sistem ini membandingkan kecepatan aktual dengan kecepatan yang diinginkan. Perbandingan tersebut akan menghasilkan sinyal kesalahan (error signal) yang kemudian akan digunakan untuk menggerakkan motor melalui servo amplifier. Dengan demikian, motor dapat mempertahankan suatu nilai kecepatan yang konstan. Pada percobaan pertama, sinyal umpan balik (feedback) yaitu tegangan 2-4

6 yang dibangkitkan oleh tachogenerator dibandingkan dengan sinyal referensi yang polaritasnya berlawanan. Perbandingan (penjumlahan sinyal referensi dengan sinyal umpan balik) kemudian menghasilkan sinyal yang digunakan untuk memberi masukan pada servo amplifier (untuk menggerakkan motor). Sebagai komparator, digunakan operational amplifier. Sedangkan motor DC yang digunakan dirangkai dengan menggunakan pengaturan jangkar. Pada percobaan kedua, akan digunakan rem magnetik sebagai beban dengan memasang piringan aluminium pada poros kecepatan tinggi motor. Pada percobaan ini dimaksudkan untuk memperlihatkan bahwa dengan gain yang lebih tinggi, berkurangnya kecepatan akan menyebabkan kenaikan harga kesalahan yang lebih besar. Dengan demikian, menaikkan gainakan mengurangi penurunan kecepatan pada berbagai pengurangan beban seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5. Gambar 2.5 Grafik torsi rem vs error dan torsi rem vs kecepatan. Pada bagian terakhir dari percobaan ini akan dibuat sistem pengaturan kecepatan dengan dua arah putaran, yaitu pada arah maju (forward) dan arah mundur (reversed). Sistem ini menggunakan gain yang tinggi maka komponen Op-Amp digantikan dengan Pre-Amp karena alat ini dapat membuat motor berputar maju maupun mundur, serta mempunyai gain sekitar PERCOBAAN SISTEM PENGATURAN KECEPATAN LOOP TERTUTUP SEDERHANA Servo amplifier memerlukan tegangan masukan positif, sehingga op-amp harus menghasilkan tegangan keluaran positif. Dalam percobaan ini, op-amp difungsikan sebagai inverter sehingga untuk menghasilkan keluaran positif 2-5

7 maka input op-amp harus negatif. ALAT-ALAT YANG DIPERLUKAN 1 Operational unit OA150A 1 Attenuator unit AU150B 3 Kabel 25cm 5 Kabel 15cm 2 Kabel Daya 1 Servo Amplifier SA150D 1 Power Supply PS150E 1 Voltmeter Perhatian : Baca langkah kerja terlebih dahulu dan pahami. Pastikan polaritas tegangan referensi (masukan) negatif dan tegangan tachogenerator positif. Hentikan pengukuran dan matikan power supply jika arus pada indicatorpower supply melebihi 2A. Gambar 2.6 Rangkaian sistem pengaturan loop sederhana 2-6

8 Langkah Kerja : Buat rangkaian seperti ditunjukkan Gambar 2.6. Jangan hubungkan terlebih dahulu tegangan tachogenerator pada input OA150A (perhatikan +/- konektor yang terhubung). Periksa kembali konektor-konektor yang terhubung sebelum menghidupkan power supply. Dengan voltmeter, atur potensiometer 1 pada posisi minimal (0 volt). Jika motor berputar lakukan kalibrasi (atur zero offset) terlebih dahulu pada OA150A dimana motor seharusnya tidak berputar. Atur potensiometer 1 pada tegangan -2 volt, dan tentukanlah keluaran tegangan tachogenerator yang positif dengan voltmeter. Masukkan tegangan output tachogenerator positif pada input OA150A sesuai Gambar 2.6. Atur ulang potensiometer 1 pada posisi minimal (0 volt). Atur tegangan referensi pada potensiometer 1 seperti pada Tabel 2-1 dan catat data yang terukur disetiap pengaturan tegangan referensi. Setelah selesai pengukuran pastikan power supply dimatikan terlebih dahulu sebelum merapikan alat. Tabel 2.1 Hasil percobaan sistem pengaturan loop tertutup sederhana Tegangan Tegangan Tachogenerator Kesalahan (Volt) (Volt) Tegangan Referensi (Volt) Kecepatan motor (rpm) PENGARUH GAIN TERHADAP KECEPATAN AKIBAT PERUBAHAN BEBAN ALAT-ALAT YANG DIPERLUKAN 1 Operational unit OA150A 1 Attenuator unit AU150B 2-7

9 3 Kabel 25cm 8 Kabel 15cm 2 Kabel Daya 1 Servo Amplifier SA150D 1 Power Supply PS150E 1 Voltmeter Perhatian : Baca langkah kerja terlebih dahulu dan pahami. Pastikan gain selalu pada posisi 1 pada kecepatan motor di bawah 2000 rpm (karena arus bisa lebih dari 2A). Pastikan polaritas tegangan referensi (masukan) negatif dan tegangan tachogenerator positif. Hentikan pengukuran dan matikan power supply jika arus pada power supply melebihi 2A. Gambar 2.7. Rangkaian sistem pengaturan dengan gain Langkah Kerja : Buat rangkaian seperti ditunjukkan Gambar 2.7. Jangan hubungkan terlebih dahulu tegangan tachogenerator pada Input OA150A 2-8

10 (perhatikan +/- konektor yang terhubung). Periksa kembali konektor-konektor yang terhubung sebelum menghidupkan power supply. Atur potensiometer 2 (gain) pada posisi gain 1, dan atur tegangan referensi pada potensiometer 1 sampai motor berputar 1000 rpm. Berikan beban seperti pada Tabel 2-2 dan catat hasil pengukuran. Ulangi untuk posisi gain 10, dan atur tegangan referensi pada potensiometer 1 sampai motor berputar 1000 rpm. Lakukan pembebanan kembali seperti pada Tabel 2-2 dan catat hasil pengukuran. Setelah selesai pengukuran pastikan power supply dimatikan terlebih dahulu sebelum merapikan alat. Beban Tabel 2.2 Hasil percobaan sistem pengaturan dengan gain Tegangan Tegangan Error Tachogenerator (Volt) (Volt) Tegangan Referensi (Volt) Kecematan motor (rpm) Gain 1 Gain 10 Gain 1 Gain 10 Gain 1 Gain 10 Gain 1 Gain SISTEM PENGATURAN KECEPATAN DENGAN DUA ARAH PUTARAN Perhatian : Baca langkah kerja terlebih dahulu dan pahami. Pastikan polaritas tegangan referensi (masukan) harus selalu berkebalikan tegangan tachogenerator. Hentikan pengukuran dan matikan power supply jika arus pada power supplymelebihi 2 ampere 2-9

11 Gambar 2.8 Rangkaian Sistem pengaturan dua arah Gambar 2.8 Rangkaian pengaturan Motor DC dua arah putaran Langkah Kerja : Buat rangkaian seperti ditunjukkan Gambar 2.8. Jangan hubungkan terlebih dahulu tegangan referensi (potensiometer 1) dan tegangan tachogenerator pada input PA150C (perhatikan +/- konektor yang terhubung). Periksa kembali konektor-konektor yang terhubung sebelum menghidupkan power supply. Dengan voltmeter, atur potensiometer 1 pada tegangan 0 V. Setelah terpenuhi sambungkan ke input op-amp. Putar perlahan potensiometer 1 secara perlahan sampai motor berputar lambat. Sentuhkan salah satu tegangan output tachogenerator pada input opamp. Amati jika motor berputar lebih cepat segera lepas konektor (menandakan polaritas terbalik) dan ganti dengan output tachogenerator yang lain. Atur potensiometer 1 sesuai tegangan referensi pada Tabel 2-3 dan catat data pengukuran.setelah selesai pengukuran pastikan power supply dimatikan terlebih dahulu sebelum merapikan alat. 2-10

12 Tabel 2.3 Hasil percobaan Sistem pengaturan dua arah Arah putar : Maju Arah putar :Mundur Teg. Ref Teg. Tacho Teg. Kesalahan (volt) Kecepatan (rpm) Teg. Ref Teg. Tacho Teg. Kesalahan (volt) (volt) (volt) Socket 3 Socket 4 (volt) (volt) Socket 3 Socket Kecepatan (rpm) 2.6. ANALISA DATA / TUGAS Percobaan : 1. Jelaskan mengapa tegangan tachogenerator (Vg) harus lebih kecil dari tegangan referensi! 2. Bandingkan hasil kolom 3 (tegangan kesalahan) dan penjumlahan kolom 1 (tegangan referensi) dan kolom 2 (tegangan tachogenerator)! Beri penjelasan! 3. Jenis umpan balik apa yang dipakai pada percobaan ini? Apa yang terjadi jika polaritas tachogenerator dibalik? (menghubungkan keluaran negatif ke masukan Op-Amp). 4. Buat grafik kecepatan vs tegangan kesalahan dan kecepatan vs tegangan tachogenerator! Beri Penjelasan! Percobaan : 1. Kontroler apa yang digunakan? Bagaimana pengaruh kontroler terhadap respon sistem dengan perubahan beban? Jelaskan dan buktikan! 2. Dari rangkaian penguat yang ditunjukkan pada Gambar 2.9, tentukan persamaan matematis dari Vo dengan masukan V1 dan V3! 2-11

13 Gambar 2.9 Rangkaian penguat dengan external feedback 3. Gambarkan grafik kesalahan vs torsi beban untuk gain 1 dan 10 dalam satu koordinat. Juga grafik kecepatan vs torsi beban untuk gain 1 dan 10 dalam satu koordinat! 4. Buat kesimpulan untuk grafik di atas terhadap perubahan torsi untuk gain 1 dan 10! Percobaan : 1. Jelaskan cara kerja dari pengaturan kecepatan motor DC dua arah! 2. Gambarkan grafik tegangan kesalahan (socket 3 dan 4) vs tegangan Tacho dikurangi tegangan referensi dan tegangan Tacho dikurangi tegangan referensi vs kecepatan untuk kedua arah putaran! (Arah maju dan mundur dalam satu grafik). Apa yang dapat disimpulkan dengan membandingkan antara arah maju dan mundur? 2-12