BAB III DESAIN DAN IMPLEMENTASI

Transkripsi

1 BAB III DESAIN DAN IMPLEMENTASI Pendahuluan Pada tugas akhir ini dibahas mengenai pengendalian motor stepper yang kemudian diaplikasikan pada model crane. Motor stepper dikendalikan dengan menggunakan L298 driver motor yang merupakan rangkaian inverter dan dikontrol dengan mikrokontroler dspic30f6014a. Dengan mengendalikan pulsa-pulsa digital secara sekuensial, maka akan didapat putaran motor yang diinginkan. Sehingga sistem yang akan dibuat seperti pada Gambar 3.1. Gambar 3.1. Diagram Blok Hardware Pada Gambar 3.1 menjelaskan catu daya digunakan untuk mensuplai tegangan ke mikrokontroler dan L298 driver motor. Konfigurasi pensaklaran yang telah tersimpan pada mikrokontroler akan menyampaikan informasi pada L298 Driver Motor untuk mengatur saklar mana yang on atau off, sehingga motor stepper dapat berputar sesuai dengan konfigurasi pensaklaran yang telah dibuat. Setelah motor sudah beroperasi dengan baik, motor tersebut diimplementasikan pada 22

2 konstruksi model crane yang digunakan untuk mengangkat dan atau memindahkan barang ke lokasi yang telah ditentukan secara otomatis Motor Stepper Hybrid Bipolar 2 Fasa Stator dan rotor merupakan bagian utama yang terdapat pada konstruksi motor stepper. Pada tugas akhir ini motor stepper yang digunakan adalah motor stepper jenis hybrid bipolar 2 fasa. Berikut merupakan konstruksi motor yang ditunjukkan pada Gambar 3.2 dan spesifikasi motor yang ditunjukkan pada Tabel 3.1. Gambar 3.2. Konstruksi Motor Stepper Hybrid Tabel 3.1. Parameter Spesifikasi Motor Stepper Jumlah Lilitan Stator 8 Jumlah Gigi Stator 48 Jumlah Gigi Rotor Sudut Per Step 1.8 Sudut Poros 1.35 Jumlah Fasa 2 fasa Rating Tegangan 12 V Rating Arus 2 A Keterangan 50 gigi kutub utara 50 gigi kutub selatan 23

3 Stator Motor Stepper Stator merupakan bagian pada motor berupa lilitan yang tidak bergerak. Terdapat delapan buah lilitan stator di mana masing-masing lilitan melingkar pada inti besi. Empat buah lilitan stator dihubung seri, demikian juga dengan empat lilitan stator lainnya juga dihubung seri, sehingga ada empat kabel keluaran. Dengan demikian motor tersebut memiliki jumlah fasa sebanyak dua fasa. Pada setiap lilitan stator terdapat enam buah gigi stator, sehingga jumlah gigi pada stator terdapat 48 buah. Gambar 3.3 menunjukkan konstruksi stator pada motor. Gambar 3.3. Stator Motor Stepper Hybrid Rotor Motor Stepper Rotor merupakan bagian pada motor yang berputar. Karena jenis motor yang digunakan adalah motor stepper hybrid, maka rotornya terbuat dari bahan magnet permanen. Pada rotor terdapat dua kutub yang berlawanan yaitu utara dan selatan. Dengan menggunakan rotor yang terbuat dari magnet permanen, maka torka yang dihasilkan lebih besar dibandingkan dengan rotor terbuat dari besi lunak. 24

4 Gambar 3.4 merupakan bentuk rotor yang terdapat pada motor stepper hybrid 2 fasa. Gambar 3.4. Rotor Motor Stepper Hybrid (a) Sisi Samping (b) Sisi Atas 3.3. Rangkaian Driver Motor Rangkaian driver motor merupakan rangkaian penghubung antara kontroler dengan sistem penggerak yaitu motor stepper hybrid. Driver ini prinsip kerjanya untuk mengendalikan TTL sesuai dengan perintah dari kontroler apakah TTL harus on atau off. Gambar 3.5. Rangkaian L298 Driver Motor 25

5 Pada Gambar 3.5 dapat dilihat bahwa rangkaian tersebut merupakan rangkaian inverter 1 fasa. IC L298 sendiri terdapat dua rangkaian iverter 1 fasa, sehingga pada L298 driver motor terdapat empat pin output untuk motor. Output dari mikrokontroler dspic30f6014a dihubungkan ke bagian input IC L298. Ketika logika pemrograman dijalankan, maka akan mengatur pensaklaran pada driver tersebut sehingga motor stepper dapat beroperasi. Logika 1 untuk mengaktifkan saklar, sedangkan logika 0 maka saklar non aktif. Gambar 3.6 merupakan dua rangkaian inverter 1 fasa yang digunakan untuk mengendalikan motor stepper. Gambar 3.6. Dua Rangkaian Inverter 1 Fasa 3.4. Rangkaian Kontrol Kontrol yang digunakan merupakan kontrol digital dengan menggunakan mikrokontroler dspic30f6014a. Dalam sistem minimum, IC dspic30f6014a 26

6 dihubungkan dengan kristal 10 MHz yang berfungsi sebagai oscillator. Program dibuat dengan menggunakan software mikroc PRO for dspic dimana bahasa pemrogramannya menggunakan bahasa C. Gambar 3.7. Skema Sistem Minimum dspic30f6014a Gambar 3.7 merupakan rangkaian yang dibuat untuk mengendalikan satu motor stepper dengan beberapa metode. Metode yang digunakan yaitu metode full step, half step, micro step ¼, micro step 1 /8, dan micro step 1 /16. Pengendalian ini dilakukan untuk menentukan posisi rotor pada sudut terterntu. Teknik ini juga menentukan berapa jumlah step yang dilakukan untuk menempuh satu putaran penuh Full Step Metode ini merupakan metode yang paling sederhana. Namun dikarenakan besar sudut per stepnya besar, maka torka yang dihasilkan rendah, dan dikarenakan 27

7 kecepatannya yang tinggi, memungkinkan terjadinya pergeseran pada saat pergantian step, sehingga dapat dikatakan pengaturan posisi kurang presisi. Pada metode full step, untuk mendapatkan satu putaran penuh maka diperlukan empat step. Sehingga satu stepnya akan berputar 90. Maka program akan dibuat berdasarkan dari konfigurasi pensaklaran yang telah dirancang. Tabel 3.2. Pensaklaran Full Step Step Input 1 Input 2 Input 3 Input Half Step Pengendalian motor stepper dengan metode half step dibutuhkan delapan step untuk mendapatkan satu putaran penuh. Besar sudut yang dibutuhkan untuk setiap stepnya adalah setengah kali dari besar sudut pada metode full step, sehingga besar sudutnya yaitu 45 untuk setiap step. Metode ini menghasilkan torka yang lebih tinggi dibanding metode full step. Konfigurasi pensaklaran untuk mendapatkan putaran half step ditunjukkan pada Tabel 3.3. Tabel 3.3. Pensaklaran Half Step Step Input 1 Input 2 Input 3 Input

8 Micro Step ¼ Metode ini memiliki besar sudut yang lebih kecil dibanding metode sebelum-sebelumnya. Metode ini memiliki besar sudut 22.5 per step, sehingga membutuhkan 16 step untuk satu putaran penuh. Torka yang dihasilkan pun lebih tinggi dibanding metode full step dan half step. Selain itu sinyal pensaklarannya membentuk Pulse Width Modulation (PWM). Tabel 3.4. Pensaklaran Micro Step 1 /4 Step Sudut Sumbu X Sumbu Y Micro Step 1 /8 Metode ini membutuhkan 32 step untuk menempuh satu putaran penuh dengan besar sudut setiap stepnya. PWM yang dihasilkan dari pensaklarannya terlihat lebih rapat. Pada umumnya, kecepatan motor untuk metode ini menurun. Semakin kecil besar sudut setiap stepnya, semakin menurun pula kecepatan motor tersebut. Namun tingkat kepresisiannya untuk mencapai sudut 29

9 tertentu lebih maksimal. Sehingga tidak terjadi pergeseran pada saat pergantian step ketika motor dibebani. Tabel 3.5. Pensaklaran Micro Step 1 /8 Step Sudut Sumbu X Sumbu Y

10 Micro Step 1 /16 Konfigurasi pensaklaran metode micro step ini dianggap rumit, karena diperlukan pengaturan posisi untuk besar sudut yang lebih kecil, sehingga memerlukan jumlah step yang banyak untuk menempuh satu putaran penuh. Jumlah step yang dibutuhkan sebanyak 64 step dan besar sudut setiap stepnya sebesar Tabel 3.6. Pensaklaran Micro Step 1 /16 Step Sudut Sumbu X Sumbu Y

11 Jika melihat Tabel 3.2 hingga Tabel 3.6, maka akan terlihat perbedaan pada konfigurasi pensaklarannya. Pada metode micro step mulai terdapat perbedaan pada konfigurasi pensaklarannya. Di mana untuk metode full step dan half step langsung mengaktifkan fasanya, namun untuk metode micro step diperlukan perbedaan kuat medan antar fasanya. Dapat dilihat pada Tabel 3.4, Tabel 3.5, dan Tabel 3.6 terdapat 32

12 nilai X dan Y. Nilai X dan Y digunakan untuk mengatur kuat medan antar fasa untuk memperoleh posisi sudut yang diinginkan. Perhitungan fungsi sinusoidal dan cosinusoidal diperlukan untuk mendapatkan nilai X dan Y, dengan begitu didapatkan putaran motor sesuai dengan metode yang telah dirancang Algoritma Pemrograman dspic30f6014a Mikrokontroler dspic30f6014a memiliki lebar data 16 bit yang berfungsi sebagai kontroler. Perangkat tersebut digunakan untuk mengolah sinyal digital maupun analog. Program yang telah dibuat dan disimpan pada IC dspic30f6014a akan memberikan data berupa pulsa untuk mengendalikan sistem penggerak. Gambar 3.8 merupakan alur pemrograman yang dibuat untuk mengendalikan motor stepper. Gambar 3.8. Flowchart Pemrograman 33

13 3.5. Rangkaian Relay Relay yang digunakan membutuhkan suplai tegangan 12 Volt. Relay ini digunakan untuk mengaktifkan lilitan yang memanfaatkan medan magnetnya untuk menarik atau melepas suatu benda. Terdapat komponen tambahan yaitu optocoupler yang digunakan sebagai sensor untuk mengaktifkan dan menonaktifkan relay. Gambar 3.9. Rangkaian Relay Pada Gambar 3.9 merupakan rangkaian relay yang dihubungkan dengan IC optocoupler. Cara kerja dari rangkaian tersebut yaitu memberikan logika 1 atau 0, jika diberi logika 1 maka LED akan memancarkan cahaya yang kemudian diserap oleh phototransistor. Dengan begitu transistor akan aktif untuk mengendalikan pensaklaran pada relay Konstruksi Model Crane Konstruksi model crane dibuat untuk pengaplikasian motor stepper. Model crane dibuat menjadi tiga sumbu yaitu sumbu X, Y, dan Z. Dalam perancangan ini, 34

14 sumbu X dapat bergerak dari kanan ke kiri atau sebaliknya, sumbu Y dapat bergerak dari atas ke bawah atau sebaliknya, sedangkan sumbu Z dapat bergerak maju kemudian mundur atau sebaliknya. Pada sumbu Y dan Z dibutuhkan dua buah motor stepper yang digunakan sebagai penggeraknya, sedangkan pada sumbu X hanya digunakan satu buah motor stepper. Konstruksi ini juga dilengkapi dengan elektromagnetik yang terletak di bagian tengah sumbu X. Gambar Desain Konstruksi Model Crane 35