PENGONTROLAN DAN MONITORING KECEPATAN MOTOR DC MENGGUNAKAN RADIO FREKUENSI

Transkripsi

1 PENGONTROLAN DAN MONITORING KECEPATAN MOTOR DC MENGGUNAKAN RADIO FREKUENSI Ali Basrah Pulungan *, Aswardi, Megia Dugusra Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang *) Abstrak Motor dc merupakan jenis motor yang banyak digunakan di dunia industri dan sebagai komponen pendukung untuk beberapa peralatan produksi. Jarak motor dc yang berjauhan tidak memungkinkan pengamatan langsung. Saat ini pengontrolan dan pemantauan kecepatan motor dc masih dilakukan dari dekat atau dengan menggunakan kabel kontrol yang disambungkan ke ruang kontrol. Hal ini kurang efektif karena membutuhkan kabel yang panjang. Berdasarkan hal tersebut, maka dirancang dan dibuat alat pengontrolan dan monitoring kecepatan motor dc menggunakan radio frekuensi. Proses pengaturan kecepatan motor dc magnet permanen dilakukan berdasarkan input nilai kecepatan menggunakan keypad sebagai nilai set point. Kemudian untuk melakukan pengukuran kecepatan motor digunakan optocoupler. Pembacaan nilai kecepatan dari optocoupler akan dikirimkan ke mikrokontroller ATmega32 menggunakan Bluetooth HC-05. Nilai ini akan diproses dan dibandingkan dengan nilai set point dan ditampilkan ke LCD. Pengujian sistem pengontrolan dan monitoring kecepatan motor dc dilakukan sampai kecepatan putaran 2473 rpm pada tachogenerator, 2460 rpm penunjukan pada alat yang dibuat, tegangan sumber 11,7 V dengan lebar pulsa 0,9. Berdasarkan hasil pengujian terlihat kecepatan motor akan berubah berdasarkan perubahan nilai tegangan sumber (Vs) yang dihasilkan oleh mosfet, perubahan tegangan sumber dipengaruhi oleh besar kecilnya lebar pulsa yang dihasilkan melalui swiching mosfet. Semakin besar tegangan sumber yang masuk ke motor dc maka semakin besar kecepatan motor, sebaliknya semakin kecil tegangan sumber yang diberikan maka semakin kecil kecepatan motor. Keywords; motor dc; bluetooth; optocoupler; mikrokontroller 1. Pendahuluan Motor listrik berdasarkan jenis arusnya terdiri dari motor arus bolak balik (ac) dan motor arus searah (dc). Motor dc termasuk dalam kategori jenis motor yang cukup banyak digunakan di industri, peralatan rumah tangga hingga mainan anka-anak maupun sebagai piranti pendukung sistem instrumentasi elektronik. Pengontrolan pada motor dc dapat dilakukan dengan mengatur tegangan terminal dan tegangan eksitasi, umumnya pengaturan ini dilakukan melalui panel panel kontrol yang berdekatan dengan motor dc tersebut. Permasalahan akan muncul, jika motor dc yang akan dikontrol berada pada jarak yang jauh atau relatif jauh. Tidak hanya pada pengontrolannya tetapi juga monitoringnya. Dengan jarak motor dc yang berjauhan tidak memungkinkan suatu pengamatan langsung dilakukan. Keadaan tertentu, seperti lingkungan yang ekstrim atau pada suatu tempat yang jauh sering kali tidak dapat dilakukan pengamatan atau pengukuran secara langsung. Kendala pengukuran pada tempat yang tidak terjangkau tersebut dapat diatasi dengan menggunakan metode pengukuran jarak jauh. Salah satu cara untuk mengatasi hal tersebut, yaitu dengan menggunakan radio frekuensi. Radio Frekuensi adalah tingkat osilasi dalam kisaran sekitar 3 khz sampai 300 GHz, yang sesuai dengan frekuensi dari gelombang radio, dan arus bolak-balik yang membawa sinyal radio. Radio frekuensi diletakan di dekat motor dan di alat yang portable. Penggunaan radio frekuensi pada pengontrolan motor dc memungkinkan operator dapat mengontrol dari jarak jauh, tidak memerlukan kabel yang panjang dan menghemat biaya. 2. Teori Singkat Sistem Kontrol Sistem kendali adalah hubungan antara komponen yang membentuk sebuah konfigurasi sistem yang akan menghasilkan tanggapan sistem yang diharapkan [1]. Sistem kendali dapat dipandang sebagai sistem satu masukan atau beberapa masukan tertentu digunakan untuk mengendalikan keluarannya pada nilai tertentu. Tujuan utama dari sistem pengendalian adalah untuk mendapatkan optimasi, hal ini dapat diperoleh sesuai

2 Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.27 fungsi dari sistem kendali itu sendiri, yaitu: pengukuran (measurement), membandingkan ( comparison), pencatatan dan perhitungan ( computation), serta perbaikan (correction). Sistem Kendali Loop Terbuka Sistem kendali loop terbuka adalah sistem yang keluarannya tidak berpengaruh pada aksi pengontrolan, sehingga pada sistem kendali terbuka, keluaran tidak diukur atau diumpan-balikkan untuk dibandingkan dengan masukan. Kendali loop terbuka ini digambarkan seperti di bawah ini. Masukan Plant atau Proses Keluaran Gambar 1. Blok Diagram Sistem Kendali LoopTerbuka Sistem Kendali Loop Tertutup Sistem kendali loop tertutup adalah sistem kendali yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengendalian. Sistem kendali loop tertutup merupakan sistem kendali yang berumpan-balik (dapat digambarkan dibawah ini). karena kopel itu berayun antara nilai maksimum dan nol. Kumparan-kumparan tersebut dihubungkan dengan lamel tersendiri pada komutator sehingga motor arus searah tidak berbeda dengan generator arus searah [2]. Mengacu pada hukum kekekalan energi, energi listrik dapat diperoleh dari hasil penjumlahan energi mekanik, energi panas, dan energi di dalam medan magnet. Di dalam medan magnet akan dihasilkan kumparan medan dengan kerapatan fluks sebesar B dengan arus I serta panjang konduktor L sehingga diperoleh gaya sebesar F, dengan persamaan sebagai berikut: =.. (1) Motor dc magnet permanen adalah motor dengan medan magnet di dalam stator dihasilkan oleh medan magnet permanen. Kekuatan medan magnet itu terbatas sehingga membatasi besar torsi yang dihasilkannya. Rangkaian ekivalen motor DC magnet permanen ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Motor DC Magnet Permanen [3] Gambar 2 menunjukan hubungan masukan dan keluaran sistem kendali loop tertutup. Sistem kendali loop tertutup ini dilengkapi dengan penggunaan umpan balik yang membuat respon sistem yang relatif kurang peka terhadap gangguan eksternal dan perubahan internal pada parameter sistem. Motor DC Motor arus searah (dc) adalah suatu mesin yang berfungsi untuk mengubah energi listrik arus searah menjadi gerak atau energi mekanik. Konstruksi dasar motor dc terdiri dari 2 bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian yang berputar atau armature, berupa koil dimana arus listrik dapat mengalir. Stator adalah bagian yang tetap dan menghasilkan medan magnet dari koilnya. Prinsip Kerja Motor dc Prinsip kerja motor dc adalah jika ada kumparan dilalui arus maka pada kedua sisi kumparan akan bekerja gaya Lorentz. Aturan tangan kiri dapat digunakan untuk menentukan arah gaya Lorentz, gaya jatuh pada telapak tangan, jari-jari yang direntangkan menunjukkan arah arus, ibu jari yang direntangkan menunjukkan arah gaya. Kedua gaya yang timbul merupakan sebuah kopel. Kopel yang dibangkitkan pada kumparan sangat tidak teratur dengan = Tegangan armature (Volt) = Arus motor (A) = resistansi armature (Ohm) = induktansi lilitan armature (Henry) = tegangan induksi balik (Volt) = torsi motor (Nm) = kecepatan putar motor (rad/det) = sudut putaran poros motor ( 0 ) Persamaan tegangan adalah, = + + (2) Dengan adalah konstanta yang diukur dari tegangan yang dihasilkan oleh motor ketika berputar setiap satuan kecepatan (Volt.det/rad). Pengaturan Kecepatan Motor dc Motor dc magnet permanen dapat berputar apabila ada arus yang mengalir pada kumparan jangkar sehingga menimbulkan fluks jangkar. Fluks jangkar tersebut berinteraksi dengan fluks magnet utama yang menghasilkan gaya untuk memutar jangkar (torsi) [4]. Arah dari putaran jangkar tersebut tergantung dari arah arus electron yang mengalir pada kumparan jangkar. Pengaturan kecepatan memegang peranan penting dalam motor dc, karena motor dc mempunyai karakteristik kopel kecepatan yang menguntungkan dibandingkan dengan motor lainya. Untuk motor DC pengaturan kecepatan dapat dirumuskan sebagai berikut:

3 Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.28 =. (3) Dimana: V s : Tegangan Sumber (Volt) I A : Arus jangkar motor (A) R A : Hambatan jangkar motor (Ohm) K : Konstanta motor (Wb) : Fluk magnet yang terbentuk pada motor Pengaturan kecepatan motor DC dapat dilakukan dengan cara diantaranya: a. Pengaturan kecepatan dengan Mengatur Medan Shunt b. Pengaturan kecepatan motor dengan mengatur tegangan sumber Vs Driver Motor Driver Motor Menggunakan Rangkaian H-Bridge yaitu rangkaian yang berfungsi untuk membalik kecepatan motor dan untuk mengontrol kecepatan motor. Driver motor ini menggunakan prinsip kerja dc choppers step down tegangan keluaran (Vout) tidak akan lebih besar dari tegangan masukan (Vin). Maka output tegangan dan arus dapat dirumuskan sebagai berikut : programmable Watchdog Timer, dan mode power saving. Beberapa diantaranya mempunyai ADC dan PWM internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on chip yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial SPI. Gambar 4. Pin-pin Atmega32 [5] (4) (5) Arus Output : (6) (7) (8) Keterangan : Vout = Rata-rata tegangan keluaran Vin = Tegangan masukan pada driver Ton = kondisi ON mosfet Toff = kondisi off Mosfet d = duty cyle R = Tahanan Iout = Rata-rata arus keluaran Mikrokontroler Mikrokontroler adalah singel chip yang memiliki kemampuan untuk diprogram dan dirancang khusus untuk aplikasi kontrol serta dilengkapi dengan ROM, RAM dan fasilitas I/O pada satu chip. Mikrokontroler Atmega32 AVR merupakan seri mikrokontroller CMOS 8 bit buatan Atmel, berbasis RISC ( Reduced Instruction Set Computer). Hampir semua instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART Gambar 5. Blok diagram mikrokontroller ATMega32[5] Optocopler Optocoupler adalah suatu piranti yang terdiri dari 2 bagian yaitu transmitter (pengirim) dan receiver (penerima). Optocoupler merupakan gabungan dari LED infra merah dengan phototransistor yang terbungkus menjadi satu chips. Phototransistor memiliki bahan utama yaitu germanium atau silikon yang sama dengan bahan pembuat transistor. Tipe phototransistor juga sama dengan transistor pada umumnya yaitu PNP dan NPN.

4 Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.29 Blok Diagram Alat Blok diagram perancangan alat ini merupakan suatu pernyataan gambar yang ringkas, dari gabungan sebab dan akibat antara masukan dan keluaran dari sistem. Gambar 6. Optocoupler [6] Bluetooth HC-05 Modul Bluetooth adalah suatu perangkat yang berfungsi sebagai media penghubung antara smartphone android dengan mikrokontroller yang sudah tertanam modul bluetooth tersebut [2]. Dalam hal ini Modul bluetooth yang digunakan adalah modul bluetooth HC-05 yang merupakan modul komunikasi nirkabel pada frekuensi 2.4 GHz dengan koneksi hanya sebagai slave dan tidak dapat bertindak sebagai master. Sangat mudah digunakan dengan mikrokontroler untuk membuat aplikasi wireless. Konfigurasi PIN bluetooth HC-05 dapat dilihat pada gambar di bawah ini: Gambar 8. Blok Diagram Utama Pengontrolan Kecepatan Motor DC dengan Bluetooth HC-05 Perancangan Hardware Perancangan hardware merupakan suatu tahapan atau proses dalam pembuatan suatu perangkat keras. Perancangan ini bertujuan untuk memudahkan serta mengurangi tingkat kesalahan dalam membuat perangkat keras sehingga mendapatkan hasil yang optimal. Pada perancangan hardware alat ini meliputi perancangan pengontrolan dan monitoring kecepatan motor DC menggunakan radio frekuensi. Gambar 7. Konfigurasi Pin Bluetooth HC-05 [7] Bahasa pemrograman Bahasa pemrograman adalah suatu perangkat lunak dan bahasa yang digunakan untuk membuat program-program komputer atau sering disebut sebagai bahasa komputer. BASCOM merupakan suatu basic compiler yang dikembangkan dalam MCS Elektronik. BASCOM-AVR adalah basic compiler yang mendukung mikrokontroler keluaraga AVR yang menggunakan sistem STK200/300, dan dapat diprogram secara ISP progaramer pada mikrokontroler Atmel seri AVR. 3. Metode Perancangan Berdasarkan proses kerja sistem, pengontrolan dan monitoring kecepatan motor dc yang dirancang menerapkan sistem kendali loop tertutup. Sisi masukan adalah keypad yang berfungsi untuk memasukan nilai kecepatan motor dc, bagian proses dilaksanakan mikrokontroler ATMega32 yang berfungsi untuk mengontrol nilai kecepatan motor DC, bagian keluaran yaitu LCD yang berfungsi untuk menampilkan nilai kecepatan putaran, bagian umpan balik yaitu optocoupler yang berfungsi untuk membaca nilai kecepatan motor dc. Pengendalian motor dc jarak jauh dihubungkan melalui bluetooth HC-05, motor dc yang digunakan adalah motor dc magnet permanen. Gambar 9. Perancangan Pengontrolan Kecepatan Motor DC Gambar 10. Rancangan Remot Monitoring Untuk perancangan rangkaian elektronik, meliputi rangkaian sistem minimum ATMega8, sistem minimum ATMega 32, tombol, rangkaian LED indikator, rangkaian bluetooth, dan rangkaian catu daya (power supply). Gambar 11. Rangkaian Sistem Minimum ATMega32

5 Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.30 kecepatan putaran akan sebanding dengan besarnya besaran variabel tersebut. Dengan demikian jika tegangan dibuat variabel dan besaran lainya dibuat tetap maka, besarnya tegangan akan berbanding lurus dengan kecepatan putaran. Hal ini dapat dilihat pada gambar 13. Gambar 12. Rangkaian Skematik Power Supplay 4. Hasil Pengujian Bahagian akan dijelaskan mengenai cara pengujian dari perangkat keras (hardware) yang meliputi model mekanik dan rangkaian elektronik. Dari pengujian ini akan didapatkan data-data bahwa perangkat keras yang telah dibuat bisa bekerja dengan baik dan dapat digabungkan dengan perangkat lunak (software). Pengujian dilakukan dengan cara menghubungkan alat dengan sumber tegangan jala-jala 220VAC. Pengujian alat ini dilakukan terpisah atau secara bergantian agar lebih mudah dalam pengukuran tegangan masing-masing komponen. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian hardware dan software. Tabel 1. Hasil Pengujian pengaturan kecepatan motor Kecepatan(rpm) Kecepatan(rpm) Lebar Vs Menggunakan Menggunakan pulsa (V) tachometer Alat yg dibuat Dari tabel 1. terlihat bahwa kecepatan motor akan berubah berdasarkan perubahan nilai tegangan sumber (Vs) yang dihasilkan oleh mosfet, perubahan tegangan sumber dipengaruhi oleh besar kecilnya lebar pulsa yang dihasilkan melalui swiching mosfet. Hal ini sesuai dengan persamaan (4) dan (5), bahwa lebar pulsa PWM yang dinyatakan dalam duty cycle dapat dirubah rubah secara linier yang menyebabkan tegangan berubah. Perubahan nilai tegangan sumber akan mengakibatkan terjadinya perubahan kecepatan putaran motor dc sebagaimana terlihat pada persamaan (3). Sehingga berdasarkan persamaan tersebut, putaran kecepatan motor akan dipengaruhi oleh tegangan motor, arus jangkar, tahanan jangkar dan medan magnet. Jika salah satu besaran dibuat variabel dengan besaran lain tetap maka n (rpm) Gambar 13. Grafik hubungan kecepatan (n) terhadap tegangan sumber (Vs) 5. Kesimpulan Vs (V) Berdasarkan hasil pengujian alat maka dapat diambil beberapa kesimpulan yaitu; 1. Hasil pengujian alat pengontrolan dan monitoring kecepatan motor DC mengunakan radio frekuensi mampu berputar sampai 2400 rpm dengan mengatur tegangan sumber yang masuk ke motor DC sesuai dengan karaktristik pengaturan kecepatan motor dc 2. Kecepatan diatur dengan pengaturan lebar pulsa menggunakan mikrokontroller, semakin besar lebar pulsa maka semakin besar tegangan yang dkeluarkan, dan ini mempengaruhi kecepatan motor. 3. Hasil pengujian rangkaian driver motor DC pada saat lebar pulsa 0.1, nilai kecepatan motor DC yang terbaca pada alat dan pada tachometer mempunyai error 25% ini disebabkan oleh arus starting motor DC. Referensi [1] Bolton, W., Sistem Instrumentasi sistem kontrol, Jakarta: Erlangga, 2006, pp.86 [2] Budiharto, Widodo., Robotika Teori Implementasi. Yogyakarta: Andi Offset, 2010, pp [3] Pitowarno, Endra., Robotika: Disain, Kontrol, dan Kecerdasan Buatan. Yogyakarta: Andi Offset, 2006, pp. 76. [4] Fitzgerald, dkk. Mesin-mesin Listrik. Jakarta: Erlangga, 1992,pp.77 [5] Datasheet ATMega32. [6] Datasheet Optocoupler. [7] Datasheet Bluetooth HC-05.