59 BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT 3.1. Flow Chart Perancangan dan Pembuatan Alat Mulai Tinjauan pustaka Simulasi dan perancangan alat untuk pengendali kecepatan motor DC dengan kontroler PID analog Pembuatan alat untuk pengendali kecepatan motor DC dengan kontroler PID analog Hasil dan pembahasan Selesai Gambar 3.1. Flow Chart Perancangan dan Pembuatan Alat
60 3.2. Perancangan Sistem Sistem yang akan dibuat adalah suatu sistem pengendali kecepatan motor DC yang digunakan untuk menjaga agar putaran kecepatan motor DC tidak turun pada saat diberi beban. Plant yang digunakan adalah motor DC 0,75 KW 160 volt yang akan dikendalikan kecepatan putaranya dengan mengatur tegangan masukan dari belitan medan. Untuk mengendalikan kecepatan putar motor memerlukan kontroler, kontroler yang digunakan yaitu kontroler PID analog dengan menggunakan op-amp. Kontroler PID akan memberikan parameter kontroler yang dapat diatur besar nilainya. Output dari kontroler PID itu dihubungkan dengan kaki gate pada SCR. SCR ini berfungsi sebagai driver motor untuk memberikan suplai tegangan pada motor DC. Sensor optocoupler digunakan sebagai sensor kecepatan yang memberikan suatu besaran tegangan dari besarnya kecepatan putar pada motor. Sensor optocoupler ini digunakan untuk umpan balik / feedback untuk masukan bagi rangkaian error detector pada kontroler PID. Berikut adalah diagram blok dari pengendali kecepatan motor DC dengan kontroler PID. Set Point Error Detector KONTROLER PID Rangkaian Driver Motor DC MOTOR DC Optocoupler / Sensor Kecepatan Gambar 3.2. Diagram Blok Pengendali Kecepatan Motor DC
61 3.3. Perancangan dan Pembuatan Power Supply ±15 Volt DC Dalam tugas akhir ini menggunakan power supply ±15 volt DC untuk memberikan sumber listrik ke error detector, kontroler PID, dan juga sensor optocoupler. Sebelum realisasi pembuatan alat terlebih dahulu dilakukan simulasi pembuatan power supply ±15 volt DC menggunakan software Multisim. Tujuan dari pembuatan simulasi ini yaitu untuk mengetahui apakah rangkaian power supply yang akan dibuat akan berjalan atau tidak pada saat pengujian alat. Berikut gambar rangkaian dan simulasi power supply ±15 volt DC menggunakan Multisim. Gambar 3.3. Rangkaian Power Supply ±15 Volt DC Komponen yang diperlukan dalam pembuatan power supply ±15 volt DC adalah : 1. Transformator CT step down 18 volt 3 ampere. 2. Dioda 1N4004. 3. Kapasitor 2200μF 35 volt atau 50 volt.
62 4. Kapasitor 100nF. 5. IC voltage regulator LM7815 dan LM7915. Prinsip kerja dari power supply diatas yaitu arus listik masuk dari PLN sebesar 220 volt AC, kemudian diturunkan oleh trafo CT step down menjadi 18 volt. Tegangan yang dihasilkan oleh trafo masih berbentuk tegangan AC dan perlu disearahkan menjadi gelombang DC (hanya meloloskan gelombang satu arah saja) oleh 4 buah dioda 1N4004. Arus DC dari dioda kemudian mengalir ke kapasitor 2200μF dan kapasitor 100nF. Fungsi dari kapasitor yaitu sebagai pengaman dan penghilang riak gelombang yang telah disearahkan oleh dioda. Hal ini dikarenakan dioda hanya menghilangkan siklus negatif menjadikannya siklus positif tetapi tidak merubah bentuk gelombang sama sekali dimana masih memiliki lembah dan bukit. Sehingga menggunakan kapasitor dengan kapasitas yang besar untuk membuat rata gelombang. Tegangan dari trafo step down masih 18 volt, sehingga menggunakan IC regulator LM7815 untuk menstabilkan tegangan menjadi 15 volt postif dan IC regulator LM7915 untuk menstabilkan tegangan menjadi 15 volt negatif.
63 Gambar 3.4. Realisasi Power Supply ±15 Volt DC 3.4. Perancangan dan Pembuatan Kontroler PID Bagian terpenting dari tugas akhir ini yaitu pembuatan kontroler PID. Kontroler PID ini akan memberikan aksi pengontrolan terhadap plant berupa motor DC 750 watt 160 volt. Kontroler yang digunakan yaitu kontroler PID analog menggunakan op-amp. Sedangkan op-amp yang digunakan adalah LM741 yang akan didesain dan membentuk kontroler proportional, integral dan derivative. IC op-amp LM741 ini mendapatkan suplai tegangan sebesar + 15 volt dan -15 volt dari power supply yang telah dirancang.
64 Di bawah ini gambar rangkaian kontroler PID analog menggunakan opamp. Gambar 3.5. Rangkaian Kontroler PID Analog Menggunakan Op-amp Bagian pertama dari kontroler PID yaitu error detector yang merupakan rangkaian difference amplifier. Error detector ini berfungsi untuk menghitung sinyal error yang terjadi. Gambar 3.6. Rangkaian Error Detector
65 Pada rangkaian error detector di atas, op-amp akan mendapatkan dua input yaitu set point (SP) dan nilai aktual atau process variable (PV). Nilai set point (SP) didapatkan dari rangkaian pembagi tegangan menggunakan potentiometer 10kΩ dengan suplai tegangan 15 volt sehingga mendapatkan tegangan yang nilainya dapat berubah sesuai dengan nilai tahanan potentiometer. Sedangkan nilai aktual atau process variable (PV) didapatkan dari output tegangan dari sensor optocoupler. Nilai set point (SP) akan diatur dengan mengubah potentiometer sehingga mendapatkan nilai yang sama dengan besaran nilai dari process variable (PV). Untuk menghitung output rangkaian di atas, maka rangkaian tersebut dapat dianggap sebagai rangkaian inverting dan rangkaian non inverting amplifier. Dengan menjumlahkan tegangan output dari inverting amplifier dan non inverting amplifier akan didapatkan output dari rangkaian. V out = - V pv + Dengan memberikan nilai yang sama pada masing-masing resistor yaitu R f = R i = R 1 = R 2 = 22kΩ, maka nilai tegangan output akan menjadi V out = V sp - V pv. Tegangan output tersebut adalah sinyal error yang akan dimasukkan ke rangkaian kontroler proportional, integrator, dan differentiator, sehingga error tersebut akan mendapatkan aksi pengontrolan. Bagian lain dari rangkaian kontroler yaitu kontroler itu sendiri yang terdiri dari rangkaian proportional, integrator, dan differentiator. Bagian ini akan mengolah sinyal error yang dihasilkan dari perbedaan nilai set point (SP) dan process variable (PV) sampai error bernilai nol. Di bawah ini gambar rangkaian kontroler PID.
66 Gambar 3.7. Rangkaian Kontroler PID Rangkaian di atas akan mendapatkan tegangan input dari sinyal error yang berasal dari error detector. Sinyal error inilah yang merupakan selisih antara set point dan process variable. Op-amp U5 adalah rangkaian inverting summer yang berfungsi untuk menjumlahkan nilai output dari masing-masing kontroler proportional, integral, derivative dan membalikan tegangan output dari masingmasing kontroler, sehingga mendapatkan output secara keseluruhan yaitu : V out = K p v error + K i dt + K D + V o Dimana
67 K p =, proportional band (gain) K i =, integration constant K D = R D. C D, derivative constant V o = offset integrator initial charge Dari persamaan di atas akan terlihat tidak ada nilai minus karena op-amp U5 yang membalik nilai tersebut dengan rangkaian inverter. Op-amp U2 adalah rangkaian proportional controller karena pada dasarnya rangkaian ini adalah inverting amplifier tetapi outputnya dimasukkan ke op-amp U5. Maka pada bagian ini sinyal error akan mendapatkan suatu penguatan (gain) sebesar : K p = Dengan R2 adalah resistor variabel (potensiometer) dengan nilai 100kΩ dan nilai R 1 yaitu 10kΩ, maka dapat dihitung harga maksimal dari penguatan (gain) atau konstanta proportional (K p ) yaitu : K P = = 10 Sedangkan nilai minimum penguatan (gain) atau konstanta proportional (K p ) dengan batas minimum R 1 = 10kΩ adalah : K P = = 1
68 Dengan mengubah nilai resistor variabel (potensiometer) R 2 akan didapatkan nilai K p yang dapat diatur dari konstanta 1 sampai 10. Op-amp U3 merupakan rangkaian integrator controller, rangkaian tersebut akan menghasilkan suatu konstanta K i yang disebut dengan integration constant. Nilai ini yang diatur sehingga menghasilkan suatu konstanta dengan nilai tertentu. Pengaturan dapat dilakukan dengan memberikan nilai pada resistor variabel R i dan juga pada kapasitor C i. Output dari op-amp U3 akan dimasukkan pada opamp U5 yang merupakan rangkaian inverting summer yang akan membalik hasil dari integrator, sehingga nilai konstanta K i akan bernilai positif. Perhitungan untuk menentukan harga konstanta K i adalah sebagai berikut : K i = Dengan memasukan nilai R i = 100k ohm dan C i = 100μF, dengan batas minimum R i = 10kΩ: Dengan memberikan nilai R i = 100 kω didapatkan : K i = = 0,1 Dengan memberikan nilai R i = 10 kω didapatkan : K i = = 1 Sehingga didapatkan nilai K i antara 0,1 sampai 1 yang diperoleh dari pengaturan nilai resistor variabel.
69 Op-amp U4 merupakan rangkaian differentiator, rangkaian tersebut akan menghasilkan suatu konstantan K D yang disebut dengan derivative constant. Rangkaian ini pada dasarnya merupakan rangkaian inverting amplifier dan menghasilkan output yang bernilai negatif. Pengaturan dapat dilakukan dengan memberikan nilai pada resistor variabel R D dan juga pada kapasitor C D. Output dari op-amp U3 akan dimasukkan pada op-amp U5 yang merupakan rangkaian inverting summer yang akan membalik hasil differentiator, sehingga nilai konstanta K D akan bernilai positif. Untuk perhitungan nilai konstanta K D dapat dicari dengan rumus : K D = R D. C D Dengan memasukan nilai R D = 100kΩ ohm dan C D = 100 μf didapatkan: K D = 100k. 100μ = 10 Dengan memasukan nilai R D = 10kΩ didaptkan K D = 10k. 100μ = 1 Dengan batas minimum dari R D = 10k ohm Nilai K D untuk rangkaian tersebut dapat diatur, sehingga dapat memberikan nilai konstanta K D dari 1 sampai 10.
70 Gambar 3.8. Realisasi Kontroler PID Menggunakan Op-amp 3.5. Perancangan dan Pembuatan Driver Motor Untuk menggerakan rotor motor DC diperlukan tegangan kira-kira 160 volt DC dan arus yang dihasilkan dari op-amp kontroler PID sangat kecil sekitar 10 ma. Sehingga driver motor yang sesuai untuk menggerakan motor DC 750 W yaitu menggunakan thyristor / SCR tipe BT152-600R. Karena tegangan maksimal dari SCR tipe BT152-600R sekitar 600 volt dan arus ke anoda 13 A. Karena pada saat starting motor, arus yang diperlukan oleh motor sekitar 10 A. SCR tipe ini memiliki 3 kaki, yaitu anoda, katoda, dan gate. Kaki anoda dihubungkan dengan input dari sumber DC 220 volt, kaki katoda dihubungkan dengan kumparan medan pada motor DC, sedangkan kaki gate dihubungkan dengan output dari kontroler PID sebagai trigger. SCR ini bersifat sama dengan saklar yaitu apabila kaki gate mendapatkan sinyal masukan dari kontroler PID maka akan on.
71 Berikut spesifikasi dari SCR BT152-600R : Tegangan maksimal (V max ) Arus RMS maksimal (I T(RMS) ) Arus gate (I GT ) Arus holding (I H ) maximal T on T off 600 V 20 A 32 ma 20 ma 2 μs 70 μs BT152-600R. Gambar berikut adalah gambar dari driver motor menggunakan SCR tipe Gambar 3.9. Rangkaian Driver Motor Sumber tegangan DC untuk anoda pada SCR ini berasal dari tegangan PLN yang diserahkan oleh dioda bridge, kemudian arus mengalir ke kapasitor. Fungsi dari kapasitor yaitu sebagai pengaman, selain itu berfungsi untuk penghilang riak gelombang dari gelombang DC yang dihasilkan oleh dioda. Karena dioda hanya dapat menghilangkan siklus negatif dan tidak menghilangkan bukit dan lembah dari gelombang DC.
72 Gambar 3.10. Realisasi Driver Motor Gambar 3.11. Transformator Step Down dan Dioda Bridge 3.6. Perancangan dan Pembuatan Sensor Optocoupler Sensor optocoupler ini digunakan untuk feedback (umpan balik) dari motor DC ke process variable atau nilai aktual dari rangkaian error detector pada kontroler PID. Sensor optocoupler ini membaca RPM motor dengan menghasilkan tegangan variabel. Semakin cepat motor berputar maka semakin besar pula tegangan yang dihasilkan oleh sensor optocoupler, begitu juga sebaliknya. Pada sensor ini terdapat transmiter yaitu LED dan receiver yaitu
73 phototransistor yang terletak pada satu tempat (dalam satu sensor). Pada bagian poros motor diberikan kertas yang berfungsi sebagai objek media yang akan dibaca oleh sensor optocoupler. Transmiter akan memancarkan sinar infra merah pada saat mengenai objek berwarna putih yaitu kertas. Kemudian akan diterima / dipantulkan oleh receiver berupa phototransistor dari sensor optocoupler dan dirubah menjadi pulsa dan menghasilkan tegangan. Berikut gambar rangkaian sensor optocoupler. Gambar 3.12. Rangkaian Sensor Optocoupler Pada rangkaian di atas dijelaskan bahwa tegangan Vcc (tegangan input) sebesar 15 volt. Namun tegangan input (Vcc) yang dibutuhkan oleh sensor optocoupler yaitu 5 volt. Untuk mengatasi hal tersebut digunakan rangkaian pembagi tegangan dengan masing-masing nilai hambatannya yaitu 100Ω dan 200Ω. Sehingga walaupun tegangan input yang diberikan sebesar 15 volt pada sensor optocoupler, namun keluaran tegangan setelah melalui rangkaian pembagi tegangan yaitu hanya sebesar 5 volt. Arus masuk ke sensor optocoupler dan transmitter yang berupa LED akan memancarkan sinar infra merah saat mengenai
74 objek putih (kertas) pada poros motor, kemudian akan dipantulkan / diterima oleh receiver berupa phototransistor. Berikutnya phototransistor dan transistor 2N3904 yang terhubung secara Darlington akan menghasilkan tegangan yang cukup di resistor 470 Ω dengan besarnya tegangan maksimal 5 volt. Keluaran tegangan inilah yang akan menjadi input untuk process variable (PV) pada rangkaian error detector di kontroler PID sebagai umpan balik atau feedback. Gambar 3.13. Realisasi Rangkaian Sensor Optocoupler 3.7. Motor DC 0,75 KW Motor DC yang akan menjadi plant dalam tugas akhir ini yaitu MIKI PULLEY MOTOR DC. Motor DC ini merupakan salah satu motor DC tipe penguat terpisah, karena lilitan kutub magnetnya mendapatkan sumber arus dari luar bukan berasal dari motor sendiri. Untuk menggerakan motor DC ini memerlukan sumber tegangan kira-kira 160 VDC untuk kumparan jangkar dan 175 VDC untuk kumparan medan. Pada motor DC ini terdapat dua buah lilitan yaitu lilitan jangkar / armature dan juga lilitan medan. Lilitan jangkar diberi
75 simbol huruf A (+) dan B (-) sedangkan lilitan medan diberi simbol huruf J (+) dan K(-). Kedua lilitan ini harus mendapatkan sumber tegangan agar motor dapat berputar. Sumber tegangan untuk motor DC ini berasal dari driver motor DC yaitu dari kaki katoda pada SCR. Berikut ini spesifikasi dari MIKI PULLEY MOTOR DC. Merk : MIKI PULLEY DC MOTOR Type : SY D 750 Daya Putaran Tegangan jangkar Arus jangkar Tahanan jangkar Tegangan medan magnet Arus medan magnet Tahanan medan : 0,75 KW : 2500 rpm : 160 volt : 6 ampere : 540 ohm : 175 volt : 0,27 ampere : 586 ohm Momen inersia rotor (J) : 0,004 kg.m 2 Torsi : 2,92 N.m
76 Gambar 3.14. Motor DC 0,75 KW MIKI PULLEY