APLIKASI PEMBANGKIT PWM SINUSOIDA 1 FASA BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535 SEBAGAI PENGGERAK MOTOR INDUKSI

Transkripsi

1 APLIKASI PEMBANGKIT PWM SINUSOIDA 1 FASA BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535 SEBAGAI PENGGERAK MOTOR INDUKSI Budi Santoso 1, Bambang Sutopo 2 1 Penulis, Mahasiswa S-1 Teknik Elektro UGM, Yogyakarta 2 Dosen Pembimbing I, Staff Pengajar pada Jurusan Teknik Elektro UGM, Yogyakarta ABSTRACT Single phase pulse width modulation inverter is a circuit which convert DC voltage to AC voltage for one phase. Generating SPWM signal digitally give good performance because their immune from noisy. Designing a SPWM signal generator using microcontroller has several advantages, such as easy to programmed and network inverter become modestly. The aim of this thesis is designing generating of SPWM signal one phase by using microcontroller ATMega8535. By using this inverter, hence operation of speed of motor AC can be controlled with more carefully. This network inverter is designed so that summarize, therefore a minimum system of microcontroler only rely on the single chip mode. Observation shows that the design of SPWM generator work well. The SPWM signal which produced has 64 pulse each periode and frequency interval between 16 8 Hz with the increase and degradation of each every 1 Hz. ABSTRAKSI Pulse Width Modulation Inverter satu fase adalah rangkaian pengubah tegangan searah menjadi tegangan bolak balik untuk satu fase. Pembangkitan sinyal SPWM secara digital dapat memberikan unjuk kerja sistem yang bagus karena lebih kebal terhadap gangguan/derau. Perancangan sebuah pembangkit sinyal SPWM menggunakan mikrokontroler memiliki beberapa keuntungan yaitu mudah diprogram dan rangkaian inverter menjadi sederhana. Tujuan tugas akhir ini adalah merancang pembangkit sinyal SPWM satu fase dengan menggunakan mikrokontroler ATMega8535. Dengan menggunakan inverter ini, maka pengendalian kecepatan motor AC dapat dilakukan dengan lebih teliti. Rangkaian inverter ini dirancang supaya ringkas, oleh karena itu pada sistem minimal mikrokontroler hanya mengandalkan ragam chip tunggal. Hasil pengamatan menunjukan bahwa rancangan pembangkit SPWM telah berfungsi dengan baik. Sinyal SPWM yang dibangkitkan memiliki 64 pulsa setiap periode dan rentang frekuensi antara 16 8 Hz dengan kenaikan dan penurunan setiap 1 Hz. Keyword: Inverter SPWM Satu Fase, ATMega Pendahuluan Motor DC mempunyai kelemahan, yaitu disebabkan karena penggunaan sikat karbon. Sikat karbon bisa terkikis dan cepat habis karena bergesekan dengan konektor pada rotor. Selain itu sikat karbon membutuhkan perawatan yang teratur. Kelemahan motor DC ini menyebabkan pemakai mengeluarkan biaya tambahan untuk perawatan motor. Sedangkan Motor AC memiliki keunggulan dalam hal kesederhanaan dan murahnya biaya perawatan sehingga jenis motor ini banyak dipakai di lingkungan industri maupun rumah tangga. Pengendalian kecepatan putaran motor AC dapat dilakukan dengan beberapa cara diantaranya dengan kendali tegangan dan frekuensi. Inverter adalah konverter tegangan DC ke tegangan AC dengan besar tegangan dan frekuensi keluaran yang dapat diatur. Tegangan DC diubah menjadi tegangan AC 1

2 dengan melakukan penyaklaran. Penyaklaran biasanya dilakukan dengan menggunakan saklar elektronis. Prinsip kerja inverter SPWM adalah mengatur lebar pulsa mengikuti pola gelombang sinusoida. Keuntungan operasi inverter SPWM sebagai teknik konversi dibanding dengan jenisjenis inverter lainnya adalah rendahnya distorsi harmonik pada tegangan keluaran dibanding dengan jenis inverter lainnya 2. Tinjauan Pustaka Perancangan dengan FPGA dapat dilakukan dengan cepat, mudah dimodifikasi dan sesuai untuk prototyping, tetapi akan relatif mahal dan tidak ekonomis untuk produksi yang besar (Sutopo, 2). Penggunaan dengan ASIC (Application Specific Integrated Circuit) akan lebih sesuai untuk produksi besar, tetapi perancangan dengan ASIC akan lebih kompleks dan memerlukan waktu yang lebih lama. Menurut Agus Bejo (23), pembangkitan sinyal dengan menggunakan FPGA, di satu sisi dapat memenuhi tuntutan akan kecepatan tetapi disisi lain kurang fleksibel dalam pengoperasian kendalinya. Frekuensi sinyal PWM yang dihasilkan memiliki rentang antara 3 11 Hz dengan kenaikan terkecil 1 Hz. Penggunaan mikrokontroler dalam pembangkitan sinyal PWM di satu sisi memiliki kelebihan berupa fleksibilitas dan realibilitas namun disisi lain memiliki kekurangan dalam hal beban komputasi. Oleh karena itu diperlukan suatu cara agar komputasi PWM tidak membebani mikrokontroler. 3. Dasar Teori Inverter SPWM menghasilkan tegangan AC efektif yang besarnya tergantung dari lebar pulsa yang dibangkitkan. Nilai tegangan efektifnya dirumuskan sebagai berikut : V rms = T 1 T v 2 dt (1) dengan V rms = tegangan efektif v = fungsi tegangan T = perioda Oleh karena pada inverter SPWM nilai tegangan masukan DC adalah konstan maka tegangan rms dapat juga dirumuskan V rms = tegangan efektif V DC = tegangan searah inverter t = lebar pulsa tinggi dalam 1 periode T = perioda Prinsip kerja SPWM adalah mengatur lebar pulsa mengikuti pola gelombang sinusoida. Sinyal sinus dengan frekuensi f m dan amplitudo maksimum A m sebagai referensi digunakan untuk memodulasi sinyal pembawa yaitu sinyal segitiga dengan frekuensi f c dan amplitudo maksimum A c. Sebagai gelombang pembawa, frekuensi sinyal segitiga harus lebih tinggi dari pada gelombang pemodulasi (sinyal sinus). Untuk menghasilkan sinyal PWM tersebut dapat menggunakan 2 buah sinyal sinus dan 1 sinyal segitiga atau dengan menggunakan 1 buah sinyal sinus dan 2 buah sinyal segitiga. Pembangkitan pulsa SPWM oleh mikrokontroler dilakukan Dengan mencari terlebih dahulu waktu untuk setiap pulsa masing-masing sinyal penggerak, untuk dijadikan data dalam proses pembangkitan sinyal penggerak secara look up table. Agar tidak membebani mikrokontroler, maka penghitungan lebar pulsa pada masingmasing penggerak dilakukan dengan menggunakan program bantu yang disusun dengan menggunakan bahasa C. Program ini berfungsi juga untuk menentukan nilai pengisi timer dan prescaler yang harus digunakan oleh mikrokontroler. dengan V rms = V DC t P (2) T 2

3 Sistem mempunyai beberapa bagian penting yaitu terdiri dari Atmega8535 sebagai pembangkit sinyal PWM, LCD sebagai penampil, IGBT yang digunakan sebagai inverter dan penggerak IGBT. Berikut ini merupkan gambar diagram blok sistem yang digunakan dalam tugas akhir ini. Gambar 2. Diagram blok sistem Gambar 1 (a) Proses pembandingan antara sinyal pembawa dengan sinyal referensi, (b) Sinyal penggerak AN, (c) Sinyal penggerak BN, (d) Sinyal SPWM 4. Metodologi Penelitian Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : a. Studi literatur mengenai Inverter SPWM satu fase dan Mikrokontroler ATMega8535. b. Merancang dan mensimulasi SPWM Satu Fase secara software dengan menggunakan bahasa C c. Merancang perangkat lunak pembangkit sinyal penggerak dengan menggunakan bahasa Assembly. d. Menguji dan mengambil data dari perancangan. e. Menganalisa hasil dan membuat kesimpulan. 5.2 Perancangan angan Perangkat Lunak Penghitung Lebar Pulsa Sinyal PWM sinusoida dibangkitkan dengan cara mengukur lebar pulsa yang akan dibangkitkan. Hasil pengukuran lebar pulsa digunakan untuk menentukan nilai pengisi timer pada mikrokontroler agar dapat memberikan pengukuran lebar pulsa yang sama pula. Untuk meringankan beban komputasi mikrokontroler ATMEGA8535 maka, pengukuran lebar pulsa dilakukan dengan menggunakan program yang dibuat dengan menggunakan bahasa C. Program dalam bahasa C ini dibuat dengan mengacu pada proses pembangkitan sinyal PWM sinusoida sebagaimana telah ditunjukkan pada gambar 1. Gambar 3 menunjukkan diagram alir dari program tersebut. 5. Hasil Implementasi dan Pembahasan 5.1 Perancangan Sistem Hardware sitem yang digunakan dalam tugas akhir ini merupakan sistem yang sudah jadi. Dalam tugas akhir ini penulis hanya melkukan pengembangan dari sisi perangkat lunaknya saja dan tidak melakukan perancangan hardware. 3

4 milidetik dan nilai pengisi timer dan timer1, serta menentukan iprescaler yang harus digunakan oleh timer. Program juga melakukan perhitungan besar tegangan efektif keluaran yang dihasilkan. Hal ini diperlihatkan dalam gambar 5 Gambar 4. Tampilan awal program pengukur lebar pulsa Gambar 3. Diagram Alir program penghitung lebar pulsa Ketika program dijalankan, program akan meminta masukan berupa jumlah pulsa yang diinginkan dalam ¼ periode, frekuensi keluaran yang diharapkan, indeks modulasi, frekuensi kristal yang digunakan pada mikrokontroler, dan tingkat ketelitian yang diinginkan.. Hal ini ditunjukkan pada gambar 4. Program akan menampilkan hasil perhitungan berupa lebar pulsa dalam satuan Gambar 5. 5 Hasil pengukuran yang telah dilaksanakan program 5.3 Perancangan Program Pembangkit Sinyal Penggerak Perancangan perangkat lunak dilaksanakan dengan menggunakan bahasa assembly. Program dibuat untuk menghasilkan secara langsung keempat sinyal penggerak PWM dengan frekuensi dan indeks modulasi tertentu sesuai dengan masukan frekuensi yang dimasukkan melalui keypad. Metode yang digunakan 4

5 untuk membangkitkan pulsa adalah look up table berdasarkan data pengisi timer yang telah diperoleh dari program simulasi dalam bahasa C Metode Pembangkitan Pulsa Pembangkitan pulsa PWM sinusoida pada terminal motor dapat dilakukan dengan cara mengirimkan sinyal PWM sinusoida ke IGBT tanpa menerapkan strategi apapun. Cara ini memberikan hasil yang baik untuk pulsa dengan lebar yang tidak terlalu sempit. Namun cara ini memberikan hasil yang tidak sesuai ketika membangkitkan pulsa dengan lebar yang sempit. Hal ini dikarenakan lebar pulsa yang sempit tidak memberikan cukup waktu bagi mikrokontroler untuk menjalankan subrutin program yang berungsi memperbaharui isi timer agar dapat membangkitkan pulsa berikutnya. Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan menggunakan strategi pembangkitan pulsa yang memanfaatkan irisan gelombang yang dibangkitkan pada penggerak A dan B, serta penggerak C dan D. Pada penggerak A, pulsa high dibangkitkan pada awal periode pulsa sampai batas atas lebar pulsa yang diharapkan. Sedangkan pada penggerak B, pulsa high dibangkitakan mulai batas bawah lebar pulsa dan berakhir pada akhir periode pulsa. Gambar 6 memperlihatkan proses tersebut. Gambar 6. Strategi pembangkitan pulsa Program Utama Program utama dirancang agar dapat berjalan dalam 2 pilihan. Pilihan pertama adalah mode autorun. Mikrokontroler kan membangkitkan pulsa yang menyebabkan motor bergerak perlahan kemudian dipercepat secara teratur. Pilihan kedua adalah mode yang memungkinkan pengguna memberikan masukan berupa frekuensi sinus yang diinginkan untuk menggerakkan motor induksi. Gambar 7. 7 Diagram alir program utama Pembangkitan pulsa PWM sinusoida dilakukan sepenuhnya oleh timer dan timer1 melalui subrutin interupsi timer. Timer bertanggung jawab membangkitkan sinyal pada penggerak B dan D serta melakukan pengukuran periode pulsa. Sedangkan timer1 bertanggung jawab membangkit sinyal pada sisi penggerak A dan C. Pembangkitan sinyal PWM sinusoida pada penggerak dilakukan secara bergantian. Setengah periode pertama sinyal dibangkitkan pada penggerak A dan B sebanyak 32 pulsa, kemudian setengah periode berikutnya 32 pulsa dibangkitkan pada penggerak C dan D. 5.4 Hasil Pengamatan Pengujian rangkaian penggerak dilakukan dengan masukan berupa sinyal penggerak pada masing-masing penggerak. Pengujian dilakukan untuk frekuensi sinus sebesar frekuensi 5 Hz. Hasil pengujian ini diperlihatkan dalam gambar 8. 5

6 kecepatan (rpm) Gambar 8 sinyal penggerak A pada frekuensi input 5 Hz Pengujian juga dilakukan untuk mengamati karakteristik motor induksi yang digunakan dalam tugas akhir. Newton atau Ampere Frekuensi (Hz) Gaya Arus Gambar 9. Grafik pengukuran arus dan torsi motor Dari hasil pengujian di atas, terlihat dengan menaikan frekuensi berpengaruh kemampuan putar motor. Grafik di atas menunjukan bahwa untuk frekuensi dibawah 62 Hz, semakin besar frekuensi yang diberikan maka semakin besar pula gaya dan torsi yang dihasilkan. Sedangkan untuk pemberian frekuensi yang lebih tinggi dari 62 Hz akan mangakibatkan penurunan torsi. Pengujian kecepatan motor dilakukan dengan cara memberikan frekuensi tertentu kepada motor, kemudian kecepatan putar motor diukur dengan meggunakan tachometer yang dilengkapi dengan sensor putar sehingga tidak akan membebani putaran motor.. Berikut ini adalah grafik hasil pengukuran kecepatan motor terhadap perubahan frekuensi dan perubahan tegangan. rpm (a) (b) Gambar 1. (a)hubungan frekuensi dan kecepatan motor(tegangan tetap) (b) Hubungan frekuensi dan kecepatan motor (frekuensi tetap) 6. Kesimpulan Tegangan (volt) frekuensi (hz) Setelah dilakukan perancangan, pembuatan alat dan pengujian alat serta pembahasan, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut. a. Pengaturan kecepatan motor induksi tidak dapat dilakukan dengan melakukan pengaturan tegangan. Pengaturan kecepatan motor dapat dilakukan dengan melakukan pengaturan frekuensi. b. Mikrokontroler ATMEGA8535 dengan clock sebesar 8 MHz dapat membangkitkan sinyal PWM sinusoida sebanyak 64 pulsa tiap 6

7 periode dengan dengan rentang frekuensi 15 Hz sampai 8 Hz. c. Fasilitas pembangkit PWM pada ATMEGA8535 tidak dapat digunakan untuk membangkitkan sinyal PWM sinusoida 4 saluran. d. Pembangkitan sinyal PWM sinusoida oleh mikrokontroler sangat terbantu oleh penggunaan program simulasi dalam bahasa C. e. Penggunaan metode look up table membantu mengurangi beban komputasi, namun membutuhkan penggunaan ruang memori yang lebih banyak. 7. Daftar Pustaka [1] Atmel, Bit AVR Microcontroller ATMEGA USA. [2] Rashid, H.M., 1999, Power Electronics Circuits,Devices, and Applications, Prentice Hall, New Delhi [3] Wahyu, H dan Sutopo, B. Aplikasi Mikrokontroler At89c51 Sebagai Pembangkit Pwm Sinusoida 1 Fasa Untuk Mengendalikan Putaran Motor Sinkron i.pdf13 [4] Salam, Z, 22 SPWM courses/notes/spwm.pdf [5] , 24, Timers [6] , 23. AVR Architecture [7] , 24 Connecting a HD4478 compatible LCD to an AVR g/4478_lcd/8bit_1.html [8] , 24 Interrupts [9] , 24, Lookup Tables 7