Modeling Pengaturan Kecepatan... Satya Kumara I N. MODELING PENGATURAN KECEPATAN MOTOR DC DENGAN SIMULINK

Transkripsi

1 MODELING PENGTURN KECEPTN MOTOR DC DENGN SIMULINK Olh : I N Satya Kumara Staf Pngajar Tknik Elktro Univrsitas Udayana Kampus Bukit Jimbaran Bali ins_kumara@yahoo.com Intisari Motor arus sarah (motor dc), khususnya tip pnguatan trpisah, mmiliki karaktristik pngaturan kcpatan yang sangat baik, karna flux-producing dan torqu-producing componnts currnts dalam kadaan indpndn satu sama lain. Hal ini trjadi karna konstruksi fisik motor dc dimana komponn arus yang mnghasilkan torsi dan komponn arus yang mnghasilkan fluk sudah trdkopl scara alami. Dngan dmikian pngaturan kcpatan motor bisa dilakukan dngan tknik pngaturan yang tidak rumit dan tidak mmrlukan prangkat kras mahal. Pngaturan kcpatan motor dc bisa dilakukan dngan pngaturan arus jangkar atau arus mdan scara bbas dan/atau simultan. Pmilihan variabl kontrol ini trgantung dari darah oprasi dari driv. Untuk pngaturan kcpatan dari diam sampai dngan kcpatan nominal dilakukan dngan pngaturan arus jangkar dimana arus mdan dijaga konstan. Sdangkan untuk pngaturan kcpatan di atas kcpatan nominal dilakukan dngan mmprkcil arus mdan (fild wakning). Dalam papr ini akan dibahas modling pngaturan motor dc pnguatan trpisah yang disimulasikan dngan Matlab Simulink. Kata kunci: pngaturan kcpatan, motor dc, modling, rspon stady stat dan transin 1. PENDHULUN Motor arus sarah (motor dc) mrupakan salah satu jnis motor listrik yang paling awal digunakan dalam industri dan k dpan msin ini akan ttap digunakan karna karaktristik pngaturannya yang baik. Dalam motor dc, stator mrupakan tmpat kumparan mdan (fild winding) dan rotor mrupakan tmpat rangkaian jangkar (armatur winding). Prinsip krja dari motor dc adalah bahwa arah mdan magnt rotor akan slalu brusaha untuk brada pada posisi yang brlawanan arah dngan arah mdan magnt stator. Ini mngikuti sifat magnt bahwa jika magnt yang brlawanan arah didkatkan satu sama lain mrka akan saling tarik mnarik dan sbaliknya, magnt yang sarah akan saling tolak. Dalam msin dc, arah mdan magnt stator adalah ttap, shingga untuk mnjaga kontinyuitas momn putar rotor maka arah mdan magnt rotor harus mnysuaikan/ dirubah. Untuk mnciptakan fk prubahan arah mdan rotor ini dilakukan dngan mrubah arah aliran arus yang mngalir dalam rangkaian jangkar. Prubahan aliran arus rotor ini dilakukan dngan mnghubungkan rangkaian jangkar dngan sumbr tgangan luar mlalui sikat (brush) yang dilngkapi dngan komutator. Cincin komutatsi ini brfungsi sbagai alat untuk mnjaga agar posisi mdan jangkar slalu optimum dalam mnghasilkan momn putar. Dalam msin dc, mdan stator bisa dibangkitkan dngan magnt prmann atau lktromagntis. 2. MODELING MOTOR DC Modl matmatika dari sbuah msin dc dapat dikmbangkan dngan mnggunakan pndkatan rangkaian kivaln. Dari rangkaian kivaln trsbut, dngan mnggunakan hukum-hukum dasar rangkaian listrik srta prinsip-prinsip hubungan lktromkanik, prsamaan matmatika atau modl dari msin dapat ditutunkan. Prsamaan ini kmudian dapat digunakan untuk mnganalisa klakuan motor dan skaligus mrncanakan tknik pngaturannya. Rangkaian kivaln sbuah msin dc dngan pnguatan trpisah (sparatly xcitd) diprlihatkan sprti pada Gambar 1. I F arus mdan I arus jangkar V F tgangan mdan E back mf R F rsitansi mdan V T tgangan trminal L F induktansi mdan R rsistansi jangkar Gambar 1. Rangkaian kivaln motor dc Prsamaan yang mngatur klakuan msin dc dapat dituliskan sbagai brikut. Untuk rangkaian Tknologi Elktro 25 Vol.6 No. 1 Januari Juni 27

2 mdan prsamaan ditunjukkan dalam prsamaan (1) sdangkan rangkaian jangkar dalam prsamaan (2). Bsaran-bsaran yang ditulis dngan huruf kcil mnandakan fungsi trhadap waktu. dif vf = RFiF + LF. (1) di =...(2) v T Ri + L + (c) back mf = Ki F ω.. (3) T = Ki F i..(4) Hubungan lktromkanik dituliskan sbagai: dω T = TL + J + Bmω....(5) Dimana T dan T L adalah torsi motor dan torsi bban. J adalah konstanta inrsia dari driv dan ω adalah kcpatan motor srta B m adalah kofisin rdaman dari sistm mkanis. Modling dari rangkaian jangkar, rangkaian mdan, modl lktromkanis, back mf dari msin dc, dibangun dngan prsamaan 1, 2, 3, 4 dan 5. Untuk kprluan simulasi dalam Matlab Simulink modl-modl trsbut dapat diimplmntasikan sprti ditunjukkan dalam Gambar 2. (a) rangkaian jangkar (d) rangkaian lktromkanis Gambar 2. Modling msin dc Konvrtr daya yang digunakan dalam simulasi ini dianggap konvrtr idal yang mampu mnghasilkan arus dan tgangan ssuai prmintaan kdua pngatur, spd dan currnts controllrs. 3. TEKNIK PENGTURN KECEPTN Salah satu tknik pngaturan kcpatan motor dc yang populr adalah pngaturan tgangan trminal. Pngaturan tgangan trminal ini dapat dilakukan baik pada trminal jangkar maupun trminal mdan yang trgantung dari darah oprasi krja dari motor. Tknik pngaturan tgangan trminal ini sangat disukai karna mrupakan tknik kontrol yang fisin. Prkmbangan tknologi smikonduktor daya dan mikrolktronika tlah mmungkinkan dikmbangkannya konvrtr daya yang mampu mnghasilkan daya ssuai dngan kbutuhan bban/motor scara cpat srta fisin dan dngan harga prangkat konvrtr yang konomis. 4. SISTEM PENGEMUDIN MOTOR DC (b) rangkaian mdan Skmatik sbuah sistm pngmudian motor dc (lctric dc driv) dngan konvrtr daya dapat dilihat pada Gambar 3. Disini motor disuplai dngan konvrtr daya trkontrol (variabl dc powr supply) untuk mnghasilkan daya ssuai dngan kbutuhan motor. Konvrtr adalah konvrtr statis yang mnggunakan saklar smikonduktor daya. Tknologi Elktro 26 Vol.6 No. 1 Januari Juni 27

3 Gambar 4. Simulasi pngaturan motor dc Gambar 3. Pngmudian motor dc Kontrolr bisa diwujudkan baik dngan sistm analog maupun digital. Dngan prkmbangan mikrolktronika yang sdmmikian psat, skarang ini, sistm pngaturan motor biasanya diimplmntasikan dngan tknik digital atau yang lbih diknal dngan digital motion control. Pmakaian tknik digital mmrlukan prangkat kras yang digrakkan olh mikrokontrolr atau sistm prangkat kras brbasis prossor digital. Bagian usr/st point biasanya mrupakan intrfac antara sistm dngan oprator. Disini, oprator dapat mngatur/mrubah variabl/paramtr dari sistm/driv shingga tujuan/prformanc yang diinginkan bisa dicapai. Umpan balik diprlukan untuk pngaturan motor yang mnuntut rspon cpat srta prsisi. Umpan balik yang diprlukan biasanya adalah arus motor dan kcpatan motor. Umpan balik mmrlukan snsor yang dalam hal ini mmrlukan snsor arus dan kcpatan. Salah satu tahap dalam prncanaan sistm pngmudian listrik adalah mmplajari srta mprdiksi unjuk krja dari sistm yang akan didsain. Tujuan ini dapat dicapai dngan mmbuat modl dari sistm dan kmudian mnsimulasikannya. Dalam tulisan ini akan dikmbangkan simulasi pngmudian motor dc untuk mnganalisa klakuan motor dc baik pada kondisi transin maupun stady stat. Skarang ini banyak prangkat lunak yang bisa digunakan untuk mlakukan simulasi sistm-sistm lktromkanik baik yang sdrhana maupun yang komplks. Dalam tulisan ini akan digunakan Matlab Simulink untuk mnsimulasikan sistm pngmudian motor dc. Sistm pngaturan motor dc ini dibangun dngan mnggunakan modl atau komponn yang sudah dikmbangkan dalam bagian 2. Sistm pngaturan trsbut ditunjukkan dalam Gambar 4. Sistm pngaturan struktur kaskad ganda (cascadd structur) ini trdiri dari dua loop. Loop dalam (innr loop) mrupakan loop pngaturan arus dan loop luar (outr loop) mrupakan loop pngaturan kcpatan motor. Blok kontrolr dalam Gambar 4 di atas adalah spd controllr dan currnts controllr yang bisa dimplmntasikan dngan mnggunakan tknik pngaturan konvnsional pid (proportional, intgral dan drivativ) atau tknik lain sprti fuzy, nural, gntic algorithms, variabl structur control (VSC) atau sliding mod control. Dalam simulasi ini digunakan digital pid kontrolr. Pmilihan konstanta kontrolr atau tuning dilakukan dngan cara trial dan rror sampai diprolh rspon kcpatan yang optimal. Dalam simulasi ini, konvrtr daya yang digunakan dianggap idal shingga konvrtr akan mampu mmnuhi prmintaan kontrolr akan daya yang diprlukan untuk mnghasilkan rspon yang dinginkan tanpa waktu tunda. 5. SIMULSI TRNSIEN DN STEDY STTE Motor yang digunakan dalam simulasi ini adalah motor dc pnguatan trpisah dngan data sbagai brikut. R =.5 Ohm L =.5 H V T = 5 V J =.5 Kg/m 2 K =.2388 V/( rad/s) Paramtr driv di atas kmudian dimasukkan k dalam modl Simulink yang tlah dibuat sprti ditunjukkan dalam Gambar 4. Bsaran-bsaran yang diminati, sprti arus, tgangan dan kcpatan motor, dapat dimonitor mlalui blok osiloskop atau dngan mnyimpan hasil simulasi trsbut k dalam worksht dan kmudian di-plot dalam bntuk grafik fungsi waktu. Simulasi driv dalam kadaan transin dan mantap dari sistm di atas dapat dilihat dalam gambar-gambar brikut. Gambar 5 mnunjukkan rspon driv pada saat dibrikan stp spd dmand sbsar rad/s dari kadaan diam yang dibrikan pada saat t=1 dtik. Pada simulasi ini motor tidak dalam kadaan brbban. Tknologi Elktro 27 Vol.6 No. 1 Januari Juni 27

4 Gambar 5. Rspon transin motor diasut dari diam Rspon di atas mnunjukkan sdikit ovrshoot yang mngindikasikan bahwa paramtr kontrolr masih bisa di-tuning untuk mndapatkan rspon yang sdikit lbih baik (undrdampd). Rspon yang lbih dicapai stlah r-tuning dan hasilnya sprti ditunjukkan dalam Gambar magnitudo tgangan trminal jangkar minus tgangan jatuh pada tahanan jangkar. back mf (V) Gambar 8. Back mf dalam motor Gambar 9 mnunjukkan rspon motor pada saat dibrikan stp spd dmands bolak-balik. Pada simulasi ini motor dikontrol untuk brputar maju (clockwis) dan mundur brganti arah (anti clockwis) stiap 2 dtik. Dapat dilihat bahwa kcpatan motor mngikuti kcpatan rfrn dngan baik. Trlihat ada sdikit prbdaan antara kcpatan rfrn dngan kcpatan sbnarnya dari motor. Hal ini bisa diprkcil dngan mmilih paramtr dari pid kontrollr sdmikian hingga rspon yang dihasilkan akan optimum Gambar 6. Rspon sistm stlah rtuning Rspon arus jangkar dapat diprlihatkan pada Gambar 7. Disini trlihat arus yang sangat bsar ditarik olh motor pada saat starting, t=1, dan kmudian sgra turun mndkati nol stlah motor mncapai kcpatan yang diinginkan. rus stady stat sangat kcil atau hampir mndkati nol karna motor tidak dalam kadaan brbban Gambar 9. Rspon motor thdp. +/- stp dmands currnts () Gambar 7. Rspon arus motor Status dari ggl balik (back mf) slama simulasi trsbut dapat dilihat pada Gambar 8. Trlihat disini bahwa sama dngan nol pada saat awal (t<1) dan kmudian scara cpat, siring dngan kcpatan motor yang mningkat, naik dan akhirnya mndkati 6. KESIMPULN Untuk mmahami klakuan suatu sistm pngmudian listrik dapat dilakukan dngan mlakukan simulasi. Dalam tulisan ini simulasi sistm pngmudian motor dc dngan Matlab Simulink sudah ditunjukkan. Modl sistm pngaturan motor dc yang digunakan dalam simulasi ini dibangun dngan mngmbangkan prsamaan-prsamaan dasar dan hubungan lktromkanis yang mngatur klakuan motor. Prsamaan-prsamaan trsbut diturunkan dari rangkaian kivaln msin dngan mnggunakan hukum-hukum dasar rangkaian listrik. Dari prsamaan-prsamaan ini kmudian dibntuk blok- Tknologi Elktro 28 Vol.6 No. 1 Januari Juni 27

5 blok Simulink sbagai rprsntasi dari komponn sistm pngmudian motor dc sprti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Brbagai hasil simulasi untuk mnganalisa oprasi pngmudian motor dc sudah ditunjukkan. Modl yang tlah dikmbangkan dalam tulisan ini bisa digunakan untuk mmplajari klakuan motor dc yang lain. Hal ini dilakukan dngan mngganti variabl/paramtr yang ditunjukkan dalam bagian 5 dngan paramtr dari motor yang akan diplajari. Modl sistm pngaturan yang sudah dikmbangkan ini bisa digunakan untuk mmplajari pnggunaan tknik-tknik pngaturan yang lain dalam sistm pngmudian motor dc. Untuk mlakukan ini blok pid kontrolr yang digunakan dalam sistm di atas diganti dngan blok tknik pngaturan yang lain shinga akan diprolh sistm pngatuan motor dc dngan tknik trtntu. Tkniktknik yang bisa digunakan antara lain pmakaian fuzzy logic, nural ntworks, algoritma gntik, modl rfrnc adaptiv, sliding control atau tknik kontrol yang lain. 7. REFERENSI [1]. Ogata, K., Discrt Tim Control Systms, Prntic Hall, 1987, US [2]. D zzo, J.J., Fdback Control Systm nalysis and Synthsis, Scond Edition, Intrnational Studnt Edition, 1966, McGraw-Hill Kogakusha Ltd [3]. Chapman, S.J., Elctic Machinry Fundamntals, Scond Edition, McGraw-Hill, Singapor, 1991 Tknologi Elktro 29 Vol.6 No. 1 Januari Juni 27