ANALOG SERVO MOTOR DC A. Tujuan praktikum: 1. Memahami prinsip dasar pengendalian posisi dan kecepatan pada motor DC 2. Memahami unjuk kerja pada saat transient dan steady state pada pengendalian kecepatan / posisi motor DC. B. Dasar teori Istilah servomechanism seringkali dipergunakan dalam kaitan segala sesuatu yang berhubungan dengan sistem kendali gerakan. Servo berasal dari kata yunani servus yang artinya budak/pelayan, sedangkan mechanism dapat diartikan sebagai susunan atau aksi yang mana akan suatu hasil didapatkan, aksi ini secara khusus dilakukan secara mekanis. Servomechanism kemudian dapat diartikan sebuah sistem yang dengan mengikuti perintah dan menghasilkan suatu hasil akhir dengan menggunakan suatu mekanisme. Blok diagram panel percobaan kita adalah sebagai berikut: A. Dasar Pengendalian Posisi Blok diagram kendali posisi kita adalah sebagai berikut INPUT POSITION VOLTAGE RELATED TO INPUT POSITION OUTPUT POSITION INPUT POTENSIOMETER + - CONTROLLER POWER AMP, MOTOR, GEARBOX ACTUATING VOLTAGE FEEDBACK POTENSIOMETER VOLTAGE RELATED TO OUTPUT POSITION Laboratorium IK TE UGM 1
Input posisi adalah posisi fisik yang diberikan oleh dial input yang kemudian di konversi ke tegangan dengan menggunakan potensiometer. Prinsip dasar pengendalian posisi adalah sebagai berikut: Ketika input dan output mempunyai tegangan yang sama, maka akan menghasilkan actuating voltage sama dengan nol. Sebaliknya, ketika tegangan input tidak sama dengan tegangan output maka, actuating voltage akan terjadi, actuating signal ini akan dikalikan dengan proportional gain controller dan kemudian akan masuk ke pre-amplifier. Motor kemudian akan merespon actuating signal ini dengan memutar output disk motor (output potensiometer) mendekati posisi input disk motor (input potensiometer). Ketika output disk bergerak mendekati set point input disk, tegangan actuating signal akan berkurang sampai akhirnya menjadi nol ketika posisi output disk sama dengan input disk. Motor kemudian berhenti pada posisi error sama dengan nol. B. Dasar Pengendalian Kecepatan Blok diagram kendali kecepatan kita adalah sebagai berikut INPUT VELOCITY VOLTAGE RELATED TO INPUT VELOCITY OUTPUT VELOCITY INPUT POTENSIOMETER + - CONTROLLER POWER AMP, MOTOR, GEARBOX ACTUATING VOLTAGE TACHOGENERATOR VOLTAGE RELATED TO OUTPUT VELOCITY Prinsip pengendalian sama dengan kendali posisi, tetapi sekarang kita menggunakan tachogenerator sebagai velocity feedback. Tachogenerator adalah tranduser yang mengubah besaran kecepatan menjadi tegangan. Actuating signal sebanding dengan error yang dihasilkan antara tegangan potensiometer input dengan tegangan yang dihasilkan oleh tachonerator. Laboratorium IK TE UGM 2
C. Percobaan A. KENDALI KECEPATAN Percobaan 1. Steady state open loop performance Prosedur: Hubungkan Pre-amplifier ke servo amplifier (dengan menghubungkan soket S ke Z, dan soket Q ke W). Set compensation switch ke out dan saklar manual step pada posisi off. Jika motor berputar, atur pre-amplifier set zero, sehingga motor berhenti berputar. Rangkai panel percobaan mengikuti gambar berikut Putar P2 penuh searah jarum jam (P2=100). Putar amplifier feedback berlawanan arah jam penuh. Untuk sementara lepaskan hubungan antara B dengan E, jika motor terlihat berputar, maka atur error amplifier set zero sehingga motor berhenti berputar. Hubungkan kembali B dengan E, putar potensiometer sebesar 140 o pada arah searah jarum jam. Gunakan Voltmeter untuk mengukur tegangan tachogenerator dengan mengukur tegangan antara soket O dengan ground. Hitung kecepatan motor dengan menggunakan cara: Hitung waktu yang digunakan oleh Output Potensiometer untuk berputar selama 10 kali. Hitung kecepatan putar output shaft (Output potensiometer) serta kecepatan motor dengan menggunakan rumusan: Laboratorium IK TE UGM 3
Output shaft speed = 600 t rotation/min, dengan t = waktu yang dibutuhkan oleh output shaft/potensio untuk berputar 10 kali. Kecepatan motor = 30 x Output shaft speed. Untuk bermacam bagai posisi brake magnetis (suatu magnet dibelakang piringan motor yang berputar), lengkapi isi tabel 1 pada lembar pengamatan. Percobaan 2: Open Loop Transient Response Prosedur: Masih menggunakan susunan seperti panel percobaan sebelumnya, sekarang gunakan osiloskop untuk melihat melihat tachogenerator. Bebaskan motor dari brake magnetis. Cabut kabel yang menghubungkan B ke E, dan set Manual Step Input, dan switch saklarnya ke posisi paling atas. Jika motor berputar, ubah error amplifier agar motor berhentti berputar. Putar posisi manual step kearah searah jarum jam maksimal. Set manual step switch ke posisi off. Set osiloskop setting dengan menggunakan TIME/DIV: 50ms/div, dan VOLTS/DIV : 0.5V/div, tempatkan posisi trace osiloskop pada bagian bawah layar osiloskop. Ubah saklar switch keatas untuk memberikan input step pada motor, amati diosiloskop gambar transient yang dihasilkan. Gambar transient response ini pada lembar pengamatan Percobaan 2: Steady State Closed Loop Response Cabut semua koneksi kecuali yang menghubungkan antara pre-amplifier dengan servo amplifier. Check apakah compensation switch adalah out dan tidak ada tahanan brake pada disk. Jika motor berputar, atur pre-amplifier agar motor berhenti berputar. Hubungkan P ke U, dan K ke L. Laboratorium IK TE UGM 4
Pastikan Manual Step Switch off, dan putar P2 searah jarum jam maksimal, dan check amplifier feedback selector berada pada posisi berlawanan arah jarum jam maksimal. Jika motor terlihat berputar, maka atur error amplifier agar motor berhenti berputar. Hubungkan A ke G, B ke E, C ke H dan D ke N. Set P1 = 30. Sistem ini akan terlihat seperti gambar, yang merupakan system closed loop dengan tegangan tachogenerator sebagai feedbacknya dari kecepatan motor. Jika P2 pada posisi 10 maka gainnya maksimum. Putar input potensio sebesar 140 o. Set P2 = 30, kemudian ukur tegangan tachogenerator dan kecepatan motor untuk berbagai posisi brake (Isi tabel 2). Bila sudah melengkapi table 2, maka putar P1 maksimal kearah jarum jam. Dan isi tabel 3. Pertanyaan: 1. Gambar grafik yang menggambarkan kecepatan motor (sumbu Y), dan posisi brake (sumbu X) dari ketiga tabel diatas dalam satu grafik. Dari gambar grafik tersebut apakah kesimpulan yang dapat disimpulkan. Percobaan 4: Closed Loop Transient Performance Prosedur: Masih menggunakan panel percobaan yang sebelumnya, cabut koneksi kabel antara B dan E. Siapakan osiloskop dengan setting timebase 50 ms/div, tempatkan trace osiloskop pada posisi dibawah. Putar manual step maksimum searah jarum jam Set P2=30, dan P1= 30 kemudian naikkkan keatas switch manual step (memberikan masukan step pada servo DC) dan amati kurva transient yang terjadi pada osiloskop. (gambar hasilnya, beri pengamatan lebih pada overshootnya dan rise timenya) Laboratorium IK TE UGM 5
Ubah nilai P1 menjadi 100 (maksimum gain), dan beri masukan step lagi dengan menaikkan keatas switch manual step, kemudian amati lagi kurva transient yang terjadi. (gambar hasilnya, gambar hasilnya, beri pengamatan lebih pada overshootnya dan rise timenya) Pertanyaan: 1. Dari pengamatan kedua kurva diatas, apa yang dapat anda simpulkan dari pengamatan terhadap tanggapan kurva transient diatas. B. Kendali Posisi Percobaan 5: Dasar pengendalian posisi Prosedur: Set compensation switch menjadi in. Posisi manual step switch off. Hubungkan pre-amplifier ke servo amplifier, pastikan motor tidak berputar (jika berputar ubah set zero pre-amplifier agar motor berhenti). Pastikan motor tidak berada dalam keadaan bebas (brake magnetis diangkat). Set P1=100 Putar amplifier feedback selector kearah berlawanan arah jarum jam maksimal. Hubungkan K ke N, dan N ke T. Motor kemungkinan akan berputar, jika motor atur error amplifier set zero sehingga motor berhenti berputar. Set P1=0. Tempatkan input potensio pada posisi 0o, kemudian hubungkan B ke E, dan M ke R. Setting panel percobaan sudah selesai. Amati keluaran sistem (M) dengan menggunakan osiloskop, dengan menghubungkan probe osiloskop ke M, set Osiloskop 1 V/Div. dan 0.2 ms/div. Set P1=5, ubah-ubah dial input potensio, jangan melebihi 140 o, amati bentuk transient sistem yang terjadi (overshoot, rise time, dsb, dan gambarkan pada laporan sementara anda). Laboratorium IK TE UGM 6
Set P1=50, ubah-ubah dial input potensio, jangan melebihi 140 o, amati bentuk transient sistem yang terjadi (overshoot, rise time, dsb dan gambarkan pada laporan sementara anda). Set P1=100, ubah-ubah dial input potensio, jangan melebihi 140 o, amati bentuk transient sistem yang terjadi (overshoot, rise time, dsb, dan gambarkan pada laporan sementara anda). Pertanyaan: 1. Apa fungsi dari P1, dan jelaskan mengapa untuk nilai P1 akan memberikan dampak transient performance yang berbeda pula. 2. Apakah ada trade off (tukar menukar) keuntungan dan kerugian antara nilai P1 yang berbeda, dengan transient performance sistem. Percobaan 6: Kendali posisi dengan tambahan umpan balik kecepatan. Prosedur: Lepas semua koneksi yang ada. Set compensation switch menjadi in. Hubungkan pre-amplier dengan servo motor, atur set zero pre-amplifier agar motor berhenti berputar. Putar amplifier feedback kearah berlawanan jarum jam maksimal. Hubungkan K dengan L, serta P dengan U, set P2=100. Jika motor berputar, atur set zero error amplifier agar motor berhenti berputar. Kemudian Set P2=50. Hubungkan D dengan N, H dengan C, serta R dengan M. Kendali posisi + velocity feedback sudah anda selesai lakukan. Amati dengan osliloskop bentuk gelompang keluaran dengan menghubungkan probe osiloskop ke R. Set P1=5, ubah-ubah dial input potensio, jangan melebihi 140 o, amati bentuk transient sistem yang terjadi (overshoot, rise time, dsb, dan gambarkan pada laporan sementara anda). Set P1=50, ubah-ubah dial input potensio, jangan melebihi 140 o, amati bentuk transient sistem yang terjadi (overshoot, rise time, dsb dan gambarkan pada laporan sementara anda). Laboratorium IK TE UGM 7
Set P1=100, ubah-ubah dial input potensio, jangan melebihi 140 o, amati bentuk transient sistem yang terjadi (overshoot, rise time, dsb, dan gambarkan pada laporan sementara anda). Pertanyaan: 1. Jelaskan mengapa velocity feedback dapat mempengaruhi kinerja transient performance kendali posisi. Laboratorium IK TE UGM 8
LEMBAR PENGAMATAN Tabel 1. Steady State Open loop Performance (Velocity Control). Posisi Brake Tegangan Tachogenerator (V) Kecepatan motor (r/min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Gambar Transient Open Loop Performance (Velocity Control) Laboratorium IK TE UGM 9
Tabel 2. Steady State Closed loop Performance Low gain (Kendali Kecepatan). Posisi Brake Tegangan Tachogenerator (V) Kecepatan motor (r/min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tabel 4. Steady State Closed loop Performance High Gain (Kendali Kecepatan). Posisi Brake Tegangan Tachogenerator (V) Kecepatan motor (r/min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Laboratorium IK TE UGM 10
Gambar Transient Closed Loop Performance (Kendali Posisi) P1 = 5 P1= 50 P1=100 Laboratorium IK TE UGM 11
Gambar Transient Closed Loop Performance (Kendali Posisi ditambah dengan Velocity Feedback) P1 = 5 P1= 50 P1=100 Laboratorium IK TE UGM 12