RANCANG BANGUN PENGGERAK DAYA MOTOR BRUSHLESS DC 350W/48V DESIGN AND IMPLEMENTATION OF POWER DRIVER BRUSHLESS DC MOTOR 350W/48V Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan Pendidikan Diploma III program studi Teknik Listrik di jurusan Teknik Elektro Disusun Oleh : Muhammad Taufiq Ridhwan 091321057 POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012 i
ii
KATA PENGANTAR Dengan mengucapkan puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT. Karena berkat rahmat dan hidayah-nya, proyek akhir ini dapat diselesaikan dengan baik dan tepat waktu. Proyek akhir yang penulis buat ini berjudul RANCANG BANGUN PENGGERAK DAYA MOTOR BRUSHLESS DC 350W/48V. Tulisan karya ilmiah ini merupakan laporan tertulis dari pelaksanaan proyek akhir yang telah terlaksana dan memiliki tujuan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan Diploma III program studi Teknik Listrik, jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung. Dalam proses pembuatan proyek akhir ini, penulis menemui berbagai macam kesulitan atau kendala. Akan tetapi, penulis menyadari bahwa dengan adanya bimbingan, dukungan, dan doa dari berbagai pihak atau dari orang-orang yang peduli terhadap penulis, maka proyek akhir ini akhirnya dapat diselesaikan dengan melewati seluruh rintangan, kesulitan maupun kendala. Oleh karena itu, pada kesempatan kali ini penulis tidak lupa mengucapkan terima kasih dengan segala rasa kerendahan hati sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Hari Purnama, Ir., M.Eng.. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung, 2. Bapak Sunarto, ST, M.Eng. selaku Ketua Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Bandung, 3. Bapak Yudi Prana Hikmat, ST.,MT., sebagai koordinator proyek akhir 2012, iii
4. Bapak Drs. Kartono Wijayanto,ST.,MT, sebagai pembimbing utama atas segala motivasi, ketekunan, kesabaran, pengertian dalam membimbing penulis untuk menyelesaikan proyek akhir ini, 5. Bapak Drs. Sofian Yahya,SST.,MT, sebagai pembimbing pendamping yang telah memberikan petunjuk, pengertian dan pengarahan dalam membimbing penulis untuk menyelesaikan proyek akhir ini, 6. Orang tua penulis yang selalu memberikan semangat, doa, inspirasi dan dukungan moral serta materi kepada penulis. 7. Kedua adik penulis Iqbal dan Rizal atas segala dukungan dan doanya. 8. Mersa Susiami Rahmayani yang selalu memberikan perhatian, semangat dan motivasi terhadap penulis dalam pengerjaan Proyek Akhir ini. 9. Seluruh Staf Dosen Program Studi Teknik Listrik dengan kesediaannya memberikan ilmu dan pengetahuan kepada penulis selama ini. 10. Seluruh Staf Teknisi Laboratorium yang telah bersedia membantu penulis dalam pengerjaan Tugas Akhir ini, terutama teknisi di laboratorium PDML. 11. Electrical Teams, Fakhri Munziar dan Mohammad Lutfi R serta barudak kelas 3B 12. Semua pihak yang telah membantu penulis dan tidak dapat disebutkan satu persatu. Penulis berharap apa yang telah dibuat oleh penulis dapat bermanfaat bagi orang lain. Dan penulis juga berharap semoga karya tulis ilmiah ini dapat memberikan sumbangsih ilmu bagi jurusan teknik elektronika program studi teknik listrik. Bandung, Juli 2012 Penulis, iv
DATA PRIBADI Nama : Muhammad Taufiq Ridhwan Tempat, tanggal lahir : Garut, 10 09 1991 Agama : Islam Alamat : Jl. Raya Purwakarta RT02/RW19 Kec.Padalarang Kab.Bandung Barat Hobi : Bermain Musik, Membaca, Futsal E mail : Vikoluv_cha@yahoo.com No. Telp : 083829055408 / 082130279482 Pendidikan : 1997-2003 SD Negeri Tagog Apu 1 2003-2006 SMP Negeri 3 Padalarang 2006-2009 SMU Negeri 4 Cimahi 2009-2012 Politeknik Negeri Bandung v
Pengalaman berorganisasi : Ketua Forum Kaang KEMA POLBAN (Forum Ketua Angkatan Keluarga Mahasiswa POLBAN), 2010 2011. Anggota BEMA POLBAN (Badan Eksekutif Mahasiswa POLBAN), 2009 2011. Anggota Himpunan Mahasiswa Listrik POLBAN (HML POLBAN), 2009 2012. Anggota FKHME-B (Forum Komunikasi Himpunan Mahasiswa Elektro SE-Bandung Raya), 2009-2012. Wakil Ketua OSIS SMAN 4 Cimahi (Organisasi Siswa Intra Sekolah), 2007 2008. Anggota OSIS SMAN 4 Cimahi (Organisasi Siswa Intra Sekolah), 2006 2007. Anggota Teater Layung SMAN 4 Cimahi, 2007 2008. Anggota Padus (Paduan Suara) SMAN 4 Cimahi, 2007 2008. Wakil Ketua OSIS SMPN 3 Padalarang (Organisasi Siswa Intra Sekolah), 2004 2005. Anggota OSIS SMPN 3 Padalarang (Organisasi Siswa Intra Sekolah), 2003 2004. Motto : Kehidupan sekarang jangan pernah disia-siakan karena kehidupan sekarang untuk bekal di kehidupan esok dan nanti. vi
KATA MUTIARA " Sesungguhnya Allah tidak akan mengubah nasib suatu kaum kecuali kaum itu sendiri yang mengubah apa apa yang pada diri mereka.(qs. Ar-Ra d : 11) Cukuplah Allah menjadi Penolong kami dan Allah adalah sebaik-baik Pelindung"(QS. Ali Imron 3:173). Ilmu pengetahuan tanpa agama adalah pincang. (Albert Einstein) Berusahalah untuk tidak menjadi manusia yang berhasil tapi berusahalah menjadi manusia yang berguna. (Albert Einstein) Orang-orang hebat di bidang apapun bukan baru bekerja karena mereka terinspirasi, namun mereka menjadi terinspirasi karena mereka lebih suka bekerja. Mereka tidak menyia-nyiakan waktu untuk menunggu inspirasi. (Ernest Newman) Banyak kegagalan dalam hidup ini dikarenakan orang-orang tidak menyadari betapa dekatnya mereka dengan keberhasilan saat mereka menyerah. (Thomas Alva Edison) Apabila kita mudah menyerah maka habislah sudah. (Top Ittipat) Talenta atau bakat itu hanyalah sebuah kesempatan, namun untuk menjadi sesuatu, bakat itu harus diasah agar ia mengeluarkan aura cahayanya dan menemukan pintunya. (Maxwell) Proyek Akhir ini saya persembahkan untuk kedua orang tua dan adik-adik saya tercinta, serta orang-orang yang peduli dan menyayangi saya. Terima kasih untuk segala motivasi, doa dan semangat kalian vii
ABSTRAK Motor Brushless Direct Current (BLDC) atau motor tanpa sikat arus searah merupakan salah satu jenis motor DC yang biasa digunakan untuk sepeda listrik, motor listrik, maupun mobil listrik. Penggunaan motor BLDC lebih banyak digunakan untuk kendaraan dibandingkan dengan jenis motor DC yang lain dikarenakan banyak keunggulan yang dimiliki motor BLDC terutama dalam melakukan kontrol yang lebih akurat. Agar motor BLDC dapat dikendalikan secara akurat, maka dibutuhkan suatu alat untuk menggerakan dan mengendalikan putaran motor BLDC yang biasa disebut dengan penggerak daya atau driver motor BLDC. Driver motor BLDC merupakan suatu kesatuan rangkaian elektronika daya dan untuk melakukan pengendalian kecepatannya dibutuhkan rangkaian kontrolnya. Setiap kendaraan dengan motor BLDC sebagai tenaganya, pasti membutuhkan driver tersebut. Rangkaian daya atau driver ini terdiri atas 6 buah MOSFET yang berfungsi sebagai penyakelaran dan kemudian menyuplai koil pada motor BLDC, dan dibuat dengan bentuk rangkaian jembatan penuh. Akan tetapi, Ada 6 tahapan putaran untuk membuat motor BLDC bergerak, 6 tahapan tersebut dilakukan dengan cara mengubah waktu penyakelaran pada 3 buah MOSFET active high dan 3 buah MOSFET active low secara bergiliran. Untuk mengatur perubahan waktu penyakelaran tersebut, diperlukan rangkaian kontrolnya dengan menggunakan teknik PWM (pulse width modulation) sebagai sinyal penggerak motor BLDC yang menggunakan mikrokontroler produk ATMEL yang terhubung langsung dengan 6 buah MOSFET dan dilengkapi dengan optocoupler pada masing-masing MOSFET. Kemudian, keluaran dari driver motor BLDC sebanyak 3 fasa atau 3 buah kabel U,V, dan W langsung terhubung ke 3 buah koil pada motor BLDC. Lalu, dari motor BLDC tersebut akan memberikan kedudukan atau posisi putaran motor kepada mikrokontroler dengan menggunakan sensor hall yang ada pada motor BLDC agar motor dapat berputar ke tahapan selanjutnya. Kata Kunci : MOSFET, Driver Motor BLDC, Sensor Hall, Motor BLDC viii
ABSTRACT Motor Brushless Direct Current (BLDC) or brushless direct current motor is one type of DC motor used for electric bicycles, electric motors, and electric cars. Use of the BLDC motor is used for vehicles more than other types of DC motors due to the many advantages of BLDC motors, especially in a more accurate control. In order for BLDC motors can be controlled accurately, we need a tool to drive and control the BLDC motor rotation is commonly referred to as the driving power or BLDC motor driver. BLDC motor driver circuit is a unity and power electronics needed to control the speed control circuit. Each vehicle with a BLDC motor as its power, would require the driver. Power circuit or driver consists of six pieces that serve as switching MOSFET and then supplying the BLDC motor coil, and made with a full bridge circuit. However, There are 6 stages to make the rounds of the BLDC motor to move, the six step are done by changing the time on 3 pieces switching MOSFET active high and active low MOSFET 3 pieces in turn. Switching time to manage the change, the required control circuit by using PWM (pulse width modulation) as a BLDC motor drive signal using a microcontroller ATMEL products connected directly to the six pieces and equipped with a MOSFET optocoupler in each MOSFET. Then, the output of the driver as much as 3-phase BLDC motors or 3 pieces of cables U, V, and W is directly connected to the 3 pieces on the BLDC motor coil. Then, from the BLDC motor will provide the position or the position of the motor to a microcontroller by using the existing hall sensor on the motor BLDC motors that can rotate to the next stage. Keyword: MOSFET, BLDC Motor Driver, Hall sensor, BLDC Motor ix
DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... HALAMAN PENGESAHAN... KATA PENGANTAR... DATA PRIBADI... KATA MUTIARA... ABSTRAK... ABSTRACT... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR LAMPIRAN... i ii iii v vii viii ix x xiii xv xvi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Tujuan... 2 1.3. Identifikasi Masalah... 2 1.4. Batasan Masalah... 2 1.5. Metodologi Penelitian... 3 1.6. Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI... 5 2.1 Motor Brushless DC... 5 2.1.1. Skema Cara Kerja Motor Brushless DC... 6 2.1.2. Bagian-Bagian Motor Brushless DC... 11 2.1.3. Kelebihan Motor BLDC Dibandingkan Motor Brushed DC... 20 2.2 MOSFET ( Metal Oxide Semiconducor Field Effect Transistor ). 21 x
2.2.1. Kurva Karakteristik MOSFET... 22 2.2.2. Jenis-Jenis MOSFET... 24 2.2.3. Simbol MOSFET... 28 2.2.4. Spesifikasi MOSFET... 28 2.2.5. Keunggulan MOSFET... 29 2.2.6. Mengetes Kondisi MOSFET... 30 2.3 Integrated Circuit (IC)... 30 2.4. Optocoupler... 32 2.5 Accumulator (Baterai)... 35 2.5.1 Jenis-Jenis Baterai... 35 2.5.2 Spesifikasi Baterai atau Aki... 36 2.5.3 Pengisian dan Pengosongan Baterai atau Aki... 36 2.5.4 Perhitungan Penggunaan Baterai atau Aki... 39 2.6 PWM (Pulse Width Modulation)... 40 2.7 Penggerak Elektronik Daya (Driver)... 42 BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI... 44 3.1 Perancangan... 44 3.2 Spesifikasi Alat... 46 3.3 Perancangan Prinsip Kerja Sistem... 48 3.4 Perancangan Perangkat Keras (Hardware)... 50 3.4.1 Perancangan Rangkaian Driver Motor BLDC... 50 3.4.2 Perancangan Rangkaian DC Supplai... 57 3.5 Realisasi Perangkat Keras (Hardware)... 63 3.5.1 Pengetesan Rangkaian Pada Protoboard... 63 3.5.2 Realisasi Rangkaian Pada PCB... 64 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA... 67 4.1. Pengujian... 67 4.2. Analisa... 68 4.3. Metode Pengujian... 68 4.4. Alat Yang Digunakan... 69 4.5. Pengujian dan Analisa Perangkat Elektronika... 69 xi
4.5.1 Pengujian dan Analisa PWM atau Duty Cycle... 70 4.5.2 Pengujian dan Analisa Rangkaian Kontrol (Driver MOSFET) 72 4.5.3 Pengujian dan Analisa Rangkaian Daya (Driver Motor)... 75 BAB V PENUTUP... 82 5.1. Kesimpulan... 82 5.2. Saran... 83 DAFTAR PUSTAKA... 85 LAMPIRAN xii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Motor Brushless DC... 5 Gambar 2.2 Motor Brushless DC (a)1 Fasa (b)2 Fasa... 6 Gambar 2.3 Motor Brushless DC 3 Fasa... 6 Gambar 2.4 Perubahan Komutasi Motor Step 1 dan Step 2... 7 Gambar 2.5 Perubahan Komutasi Motor Step 3 dan Step 4... 8 Gambar 2.6 Perubahan Komutasi Motor Step 5 dan Step 6... 9 Gambar 2.7 Gelombang Pulsa Sinyal Sensor Hall, Back EMF, Keluaran Torsi dan Fasa... 10 Gambar 2.8 Penggerak Elektronik Daya Untuk Motor Brushless DC... 11 Gambar 2.9 Blok Diagram Sistem Kontroler dan Driver Pada Motor BLDC 12 Gambar 2.10 Stator Pada Motor Brushless DC... 13 Gambar 2.11 Bentuk EMF Balik Trapezoidal Yang Dihasilkan Motor BLDC 16 Gambar 2.12 Rotor Motor Brushless DC... 17 Gambar 2.13 Axle Motor Brushless DC... 17 Gambar 2.14 Posisi Penempatan Sensor Hall... 18 Gambar 2.15 Prinsip Kerja Elemen Hall... 18 Gambar 2.16 Sensor Hall... 19 Gambar 2.17 Klasifikasi JFET. 21 Gambar 2.18 Lambang MOSFET... 21 Gambar 2.19 Kurva Karakteristik MOSFET... 22 Gambar 2.20 Struktur MOSFET Depletion Mode... 24 Gambar 2.21 Penampang D-MOSFET (depletion mode)... 25 Gambar 2.22 Struktur MOSFET enhancement-mode... 26 Gambar 2.23 Penampang E-MOSFET (enhancement-mode)... 27 Gambar 2.24 Kurva Karakteristik MOSFET D-Mode dan E-Mode... 27 Gambar 2.25 Simbol MOSFET, (a) kanal-n (b) kanal-p... 28 Gambar 2.26 Beberapa Contoh IC... 31 Gambar 2.27 IC single in line... 31 xiii
Gambar 2.28 IC dual in line... 31 Gambar 2.29 Optocoupler... 33 Gambar 2.30 Skema Optocoupler TLP250... 34 Gambar 2.31 Bentuk gelombang PWM... 40 Gambar 2.32 Duty cycle 10%, 50% dan 90%... 41 Gambar 2.33 Rangkaian Full Bridge... 42 Gambar 3.1 Diagram Alir Proses Pembuatan Alat... 46 Gambar 3.2 Blok Diagram Sistem Penggerak Daya... 48 Gambar 3.3 Konfigurasi rangkaian driver motor BLDC 350W/48V... 51 Gambar 3.4 Konfigurasi Rangkaian Kontrol.... 51 Gambar 3.5 Konfigurasi Rangkaian Daya... 52 Gambar 3.6 Layout PCB Rangkaian Kontrol... 53 Gambar 3.7 Layout PCB Rangkaian Daya... 53 Gambar 3.8 Rangkaian catu daya 12V... 58 Gambar 3.9 Rangkaian Paralel Trafo... 58 Gambar 3.10 Inverter... 60 Gambar 3.11 Pengujian Komponen Menggunakan Protoboard... 64 Gambar 3.12 Motor brushless DC 350W/48V... 65 Gambar 3.13 Driver Motor brushless DC 350W/48V... 65 Gambar 3.14 Catu Daya 12V Untuk Driver... 66 Gambar 3.15 Box Panel Rangkaian Catu Daya Serta Daya... 66 Gambar 4.1 Blok Diagram Sistem Penggerak Daya... 69 Gambar 4.2 Grafik Pengujian PWM atau Duty Cycle... 71 Gambar 4.3 Gelombang Pulsa PWM 10%, 30%, 50% dan 70%... 71 Gambar 4.4 Grafik Pengujian Rangkaian Kontrol (Driver MOSFET)... 74 Gambar 4.5 Gelombang Pulsa PWM 30%, 50%, 70%, dan 90%... 74 Gambar 4.6 Grafik Pengujian Rangkaian Daya (Driver Motor)... 77 Gambar 4.7 Grafik Perbandingan ID Terhadap Vref. 77 Gambar 4.8 Bentuk Gelombang Keluaran Driver Motor... 78 Gambar 4.9 Bentuk Gelombang Keluaran Driver Motor Secara Sequential.. 79 xiv
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perubahan komutasi motor berdasarkan nilai sensor hall... 7 Tabel 2.2 Parameter Kondisi Baik MOSFET Tipe-n... 30 Tabel 3.1 Spesifikasi alat yang dibutuhkan untuk penggerak daya Motor brushless DC 350W/48V... 47 Tabel 3.2 Komponen-komponen rangkaian driver Motor brushless DC 350W/48V... 54 Tabel 3.3 Komponen-komponen rangkaian catu daya 12V driver Motor brushless DC 350W/48V... 59 Tabel 4.1 Pengujian PWM atau Duty Cycle... 70 Tabel 4.2 Pengujian Rangkaian Kontrol (Driver MOSFET)... 73 Tabel 4.3 Pengujian Rangkaian Daya (Driver Motor)... 76 Tabel 4.4 Perbandingan Waitms Pada Program Mikrokontroler Antara 1 ms Dengan 100 ms. 80 xv
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Gambar Sistem Driver Motor BLDC...xvii Lampiran B Inverter...xix Lampiran C Katalog Komponen...xxi xvi