SIMULASI PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC BERBASIS PULSE WIDTH MODULATION (PWM) Galuh Aji Remboko Jurusan Teknik Elektro. Universitas Dian Nuswantoro Semarang Galuhajiremboko@gmail.com INTI SARI PWM atau Pulse Width Modulation merupakan cara yang di aplikasikan untuk mengatur kecepatan motor dengan cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dalam pulse per periode. Pengaturan ini mengaplikasikan tegangan rata-rata yang berbeda. Pada penelitian ini akan di simulasikan aplikasi PWM untuk mengatur kecepatan motor DC. Motor DC dimodelkan secara matematis menggunakan matlab, kendali PWM dibangkitkan melalui toolbox PWM generator dari matlab. Pengendalian dilakukan dengan mengatur frekuensi pada pulse generator untuk mendapatkan nilai duty cycle yang diinginkan.hasil simulasi menunjukan gambar untuk frekuensi 50Hz-200Hz diperoleh nilai kecepatan pada keadaan stade state paling baik pada frekuensi 200HZ. Hal ini ditunjukan dari grafik kecepatan pada frekuensi tersebut, dengan memiliki osilasi yang minimal. Ini berarti kecepatan motor DC paling stabil pada frekuensi 200HZ. Kata Kunci : Motor DC, PWM, Simulasi. 1. Pendahuluan Motor DC(Direct Current)/ motor arus searah termasuk dalam kategori jenis yang paling banyak digunakan baik lingkungan induatri,rumah tangga, hingga ke mainan anak-anak ataupun sebagai piranti pendukung instrumen elektronik Motor DC memiliki jenis yang beragam dari tipe magnet permanen, seri, shunt. Motor DC diimplementasikan berdasarkan jenis magnet yang digunakan. Kelebihan motor DC memiliki torsi yang tinggi, tidak memiliki kerugian daya reaktif dan tidak menimbulkan harmonisa pada sistem tenaga listrik yang mensuplynya, motor DC juga memilki akurasi kontrol yang tinggi, sehingga sering digunakan untuk aplikasi servo. Penggunaan Motor DC saat ini sangatlah luas. Untuk mengimbangi hal tersebut diperlukan peralatan tambahan agar Motor DC dapat bekerja sesuai dengan kebutuhan para penggunanya. Peralatan elektronika daya dapat digunakan untuk mengendalikan kinerja Motor DC, selain itu dapat juga memperlus daerah kerjanya. Salah satu metode untuk mengendalikan putaran Motor DC adalah menggunakan teknik PWM. Metode PWM ( Pulse Width Modulation) adalah metode yang efektif untuk mengendalikan kecepatan Motor DC. Teknik PWM ini bekerja dengan cara mengatur gelombang persegi yang digunakan untuk mensuplay Motor DC dengan pulsa High dan Low. Sebagian besar peralatan industri yang menggunakan Motor DC menggunakan PWM sebagai alat untuk mengendalikan kinerja dari Motor DC. Sesuai dengan namanya Pulse Width Modulation, maka dalam penerapannya sinyal teganganlah yang di rubah lebarnya. Sistem pengontrolan dengan PWM ini merupakan sistem digital, yang jauh lebih efisien jika dibandingkan dengan sistem konfensional. mekanik dari motor ini seringkali digunakan di rumah - rumah pada penggunaan mixer, bor listrik, kipas angin, dll. Sedangkan pada industri, motor listrik digunakan untuk menggerakan kompresor, mengangkat material, dll. Motor listrik dalam dunia industri juga disebut kuda kerja, sebab penggunaan beban listriknnya yang cukup besar yaitu sekitar 70% dari penggunaan beban total. Bagian- bagian motor DC berupa kumparan medan menerima energi listrik dari catu daya untuk diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Jika terjadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet, maka akan timbul tegangan (GGL) yang berubahubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja dari arus searah adalah membalik phasa tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang berbalik arah dengan kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet. Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen. 2. TINJAUAN PUSTAKA Motor DC merupakan motor listrik yang disuplai dari catu daya tegangan searah atau tegangan DC. Motor DC merupakan suatu perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi Catu tegangan dc dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada gambar di atas disebut angker dinamo. Angker
dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di antara medan magnet. Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan sumber harus lebih besar daripada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan perputaran pada motor. Sebuah motor menghasilkan keluaran berupa tenaga putar atau torque yang dipengaruhi oleh kecepatan motor tersebut, atau yang disebut juga dengan beban motor. Adapun beberapa kategori beban diantaranya Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torquenya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torque konstan adalah corveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan. Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatn operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan). Peralatan Energi Listrik Motor Listrik. Pulse Width Modulation (PWM) Pulse Width Modulation (PWM) adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Istilah penting yang berhubungan dengan PWM adalah priode (T) dimana waktu yang dibutuhkan dalam satu silkus, frekuensi(f) adalah banyaknya siklus yang tejadi dalam kurun waktu per detik (Hz) sedangkan duty cycle merupakan perbandingkan antara durasi pulsa ( ) dengan priode (T). Umumnya PWM digunakan dalam industri. Banyak sistem kontrol otomotif menggunakan PWM yang secara efektif mengatur tegangan baterai yang diterapkan pada actuator. Penggunaan PWM yang sederhana dan biaya rendah dibandingkan dengan solusi regulator tegangan secara hardware, membuatnya menjadi pilihan menarik untuk mengendalikan actuator. Pada mikrokontroler PWM biasanya diaplikasikan pengendalian kecepatan motor atau pun pengendalian Motor Servo dan jenis motor yang lain. Salah satu jenis motor yang sering digunakan sebagai penggerak adalah motor DC yang secara luas diaplikasikan dengan kecepatan yang bervariasi dengan respon yang dinamis dan keadaan setabil. Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar Pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, Sinyal PWM memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi (antara 0% hingga 100%). Duty cycle adalah perbandingan antara durasi pulsa ( ) dengan priode (T) dari sebuah sinyal, dimana D adalah duty cycle(%). PWM dalam kontrol motor akan mempengaruhi besarnya tegangan yang diberikan oleh suplai dengan merata-rata tegangan suplai motor. Dimana pada saat T on motor akan mendapatkan suplai arus atau tegangan langsung sedangkan pada saat T off motor tidak mendapatkan suplai tegangan atau arus. Semakin besar Duty cycle maka semakin lama logika high sehingga motor semakin besar suplai motor. Sehingga jika Duty cycle 100% diberikan pada motor, maka motor akan berputar dengan kecepatan maksikmal. Dari gambar 2.3 dapat di cari besarnya duty cycle sebagai persamaan (1). Ton Duty cycle = T t menunjukan sinyal PWM dengan beberapa variasi yaitu PWM dengan siklus 10%, 50% dan 90%. Dari ketiga variasi sinyal PWM akan menyediakan tiga nilai tegangan yang berbeda pada motor. Misalkan bila motor diberikan tegangan sumber sebesar 100V dengan sinyal PWM sebesar 50% maka tegangan yang diberikan sebesar pada motor sebesar 50% dari tegangan sumber. Untuk melakukan perhitungan tegangan output motor dengan metode PWM, dimana untuk mendapatkan tegangan yang dihasilkan PWM dapat di cari dengan persamaan (2). Ton Average Voltage = T t x Vref (2) Dimana Vref adalah tegangan maksimal sumber yang diberikan pada motor. Average voltage merupakan tegangan rata-rata output yang dihasilkan oleh sinyal PWM. on off on off
Sinyal PWM dapat dibangkitkan dengan metode analog, menggunakan rankaian op-amp., proses pembangkitan sinyal PWM dilakukan dengan cara membandingkan sinyal sinusoidal dengan sinyal referensi gelomang segitiga yang membentuk sinyal kotak. -rotor adalah bagian yang berputar dan sering disebut sebagai kumparan jangkar. Persamaan Matematis - Torka motor T berbanding lurus dengan arus armatur i dan konstanta Kt - Medan magnet (emf) berhubungan dengan kecepatan putar membandingkan gelombang sinyal gergaji dengan sinyal referensi seperti yang terlihat pada Gambar 2.6. Pada saat nilai tegangan referensi lebih besar dari tegangan carrier (gigi gergaji) maka output comparator akan bernilai high. Namun saat tegangan referensi bernilai lebih kecil dari tegangan carrier, maka output comparator akan bernilai low. Dalam program Simulink pada Matlab, PWM dapat disimulasikan dengan menggunakan komponen pada Matlab. Selain dengan memanfaatkan library bawaan pada Matlab, PWM dapat di buat dengan komonen yang tersedia di Simulink. Membangun Model - Memodelkan integral dari percepatan rotasi dan perubahan arus armature - Sisipkan model integrator dlm simulink sesuai persamaan matematika Membangun Model Aplikasi Hukum Newton dan Kirchoff dalam sistem motor - Percepatan sudut = 1/J * dua term(1 pos, 1 neg) - Turunan arus = 1/L * tiga term(1 pos, 2 neg) 3.PERANCANGAN MODEL SIMULASI Perencanaan Sistem Dalam perencanaan sistem ini akan dibahas tentang kebutuhan-kebutuhan yang harus dipenuhi agar alat ini dapat bekerja sesuai dengan apa yang direncanakan, yaitu melihat pengaruh perubahan frekuensi PWM terhadap kecepatan Motor DC. Yang menjadi permasalahan adalah bagaimana menghubungkan antara PWM dan Motor DC dalam sebuah simulasi, maka dari itu digunakan software MatLab R2010a. Software MatLab dipilih karena mudah dalam memanipulasi struktur matriks dan perhitungan berbagai operasi matriks yang meliputi penjumlahan, pengurangan, perkalian, invers, dan fungsi matriks lainnya. MatLab juga menyediakan fasilitas untuk memplot struktur gambar. Berikut ini akan dijelaskan secara rinci bagaimana proses pembuatan simulink Motor DC, subsistem, dan pengontrol (PWM). Motor DC mengubah tenaga listrik menjadi energi mekanik. oleh karena itu, motor ini membutuhkan suplai berupa tegangan listrik agar bisa bekerja. Bagian- bagian dari motor DC itu sendiri ada dua yaitu stator dan rotor. -stator adalah bagian yang tidak berputar. di bagian inilah, kumparan medan terjadi. Pembuatan Simulink Motor DC Simulink Motor DC adalah simulasi pembuatan rangkaian Motor DC. Adapun proses pembuatannya adalah yang pertama membuka aplikasi MatLab R2010a Setelah proses pembuatan rangkaian di atas selesai maka langkah selanjutnya menarik jalur - jalur penghubung setiap simulink sehingga terbentuk gambar seperti di tunjukan pada gambar Untuk menjalankan Simulasi pemodelan dari motor DC dengan PWM di atas harus menginputkan nilai dari J, R, K, b, dan L pada command window. Nilai yang akan diinputkan adalah J = 1; R = 4.98; K = 56.23; b = 8.1; L = 5.65.
Tabel 4.1 Riset Untuk Simulasi Pada proses selanjutnya yang harus dilakukan adalah memberi inputan frekuensi pada PWM dengan klik dua kali pada icon PWM, jika semua sudah diselesaikan, pada model motor DC dengan PWM di klik tombol segitiga hitam atau run pada tool bar Motor DC J = 1 K = 56.23 L = 5.65 R = 4.98 B = 8.1 Percobaan Dengan Frekuensi 50 Hz 100 Hz 150 Hz 200 Hz Simulasi Masukan Frekuensi 50Hz Pada simulasi pertama masukan frekuensinya adalah 50 Hz dengan penggunaan Model PWM Motor DC. Hasil yang didapatkan dari loop adalah seperti ditunjukan pada Gambar 4.1 berikut Simulasi dengan Frekuensi pada Model PWM Motor DC Pengaturan dari model Motor DC yang digunakan dilakukan melalui sebuah blok parameter. Penulis dalam hal ini akan melakukan 4 simulasi PWM. Berikut ini akan dijelaskan bagaimana proses mensimulasikan frekuensi pada model PWM Motor DC, yaitu: - Double klik pada block PWM, akan muncul parameter block - Masukkan nilai frekuensi - Klik OK - Klik run dengan tanda segitiga hitam di menu toolbar - Klik scope untuk mengetahui hasilnya 4.ANALISIS DAN HASIL Simulasi pada skripsi ini dilakukan dengan cara memasukkan 4 macam frekuensi yaitu 50Hz, 100Hz, 150Hz, dan 200Hz dengan menggunakan model PWM Motor DC. Tipe motor DC yang digunakan adalah motor DC dengan J= 1, R= 4.98, K= 56.23, b= 8.1, dan L= 5.65 nilai-nilai yang akan dianalisis pada simulasi ini adalah kecepatan putar rotor dan waktu putar serta melihat perbandingan hasil loop dari simulasi Model PWM Motor DC dan Untuk mempermudah proses analisis, pembahasan akan dilakukan secara terpisah untuk setiap percobaan s e s ua i d e n g a n fr e k ue n s i n ya yang kemudian juga akan dilakukan analisis berdasarkan masing masing masukan frekuensi simulasi Gambar 4.1 : Hasil Simulasi Kecepatan Motor DC Frekuensi 50 Hz Melihat dari hasil pratikum yang menggunakan frekuensi 50 Hz dapat dianalisakan kecepatan putar motor saat start dari 0 rad/s hingga kecepatan putar tertinggi pada 1,483 rad/s dalam waktu 0,121/s. Putaran motor yang dihasilkan dari frekuensi 50 Hz ini stabil pada kecepatan 1,142 rad/s dalam waktu 1,209/s. dan dalam kondisi steady state masih ada osilasi. Simulasi Masukan Frekuensi 100 Hz Pada simulasi kedua masukan frekuensinya adalah 100 Hz dengan penggunaan Model PWM Motor DC. Hasil yang didapatkan dari loop dapat dilihat seperti ditunjukan pada Gambar 4.2
Dari Gambar 4.2 dengan menggunakan frekuensi 100 Hz dapat dianalisakan kecepatan putar motor saat start dari 0 rad/s hingga kecepatan putar tertinggi pada 1,766 rad/s dalam waktu 0,128s. Putaran motor yang dihasilkan dari frekuensi 100 Hz ini stabil pada kecepatan 1,151 rad/s dalam waktu 1,208s. Pada frekuensi 100Hz ini kondisi stabilnya masih dengan osilasi. 4.3 Simulasi Masukan Frekuensi 150 Hz Pada simulasi ketiga masukan frekuensinya adalah 150 Hz dengan penggunaan Model PWM Motor DC. Hasil yang didapatkan dari loop adalah seperti ditunjukan pada Gambar 4.3 Simulasi Masukan Frekuensi 200 Hz Pada simulasi keempat masukan frekuensinya adalah 200 Hz dengan penggunaan Model PWM Motor DC. Hasil yang didapatkan dari loop adalah seperti ditunjukan pada Gambar 4.4 Dari Gambar 4.4 hasil Melihat dari hasil pratikum yang menggunakan frekuensi 200Hz dapat dianalisakan kecepatan putar motor saat start dari 0rad/s hingga kecepatan putar tertinggi pada 1,932 rad/s dalam waktu 0,113s. Putaran motor yang dihasilkan dari frekuensi 200Hz ini stabil pada kecepatan 1,147 rad/s dalam waktu 1,208s dengan osilasi. Tabel 4.2 Kecepatan Motor (Rad/s) Berbanding Dengan Waktu (s) Kecepatan (Rad/s) Waktu( s) Frekuen si 50Hz Frekuen si 100Hz Frekuen si 150Hz Frekuen si 200Hz 0,0 0 0 0 0 0,1 1,483 1,766 2,049 1,932 0,2 1,111 1,203 1,390 0,995 0,4 1,249 1,330 1,174 1,363 0,6 1,140 1,123 1,102 1,164 0,8 1,125 1,112 1,137 1,104 1,0 1,145 1,144 1,145 1,138 1,2 1,143 1,145 1,140 1,146 1,4 1,140 1,143 1,141 1,140 1,6 1,141 1,114 1,141 1,140 1,8 1,148 1,114 1,141 1,140 2,0 1,148 1,114 1,141 1,140 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2 Dari keempat simulasi frekuensi Model Motor DC PWM hasil perbandingan yang didapat dari empat percobaan diatas maka dapat dilihat perbandingan kecepatan tertinggi pada frekuensi 150Hz dengan pencapaian putaran pada 2,049 rad/s dan mencapai putaran stabil dengan selisih sedikit, dan masing-masing dengan osilasi. 5.Kesimpulan Dari hasil analisis pada kegiatan simulasi Model Motor DC PWM menggunakan 4 frekuensi yang berbeda, maka penulis dapat menyimpulkan: 1.Dari keempat simulasi frekuensi untuk dapat menghasilkan putaran tertinggi yaitu 1,483 rad/s 2,049 rad/s semuanya membutuhkan waktu yang relatif sama yaitu 0,1/s. 2.Dalam mencapai putaran stabil juga memerlukan waktu dan kecepatan yang relatif sama, dengan osilasi. 3.Dengan menggunakan frekuensi yang berbeda 50Hz, 100Hz, 150Hz, dan 200Hz menghasilkan steady state dengan osilasi yang berbeda. 4.Penggunaan nilai frekuensi yang berbeda pada simulasi Motor DC PWM menghasilkan selisih kecepatan dan waktu tidak signifikan karena hanya sedikit selisihnya. Saran Percobaan dengan Simulasi mengatur kecepatan motor DC dengan PWM dalam memberikan inputan nilai frekuensi lebih baik menggunakan perbandingan nilai 50 100 150 200
yang besar agar lebih detail mengetahui perbedaan nilai kecepatan dan waktu putaran motor DC. Daftar Pustaka [1] Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia, 1998. [2] Rudito Prayogo, PENGATURAN PWM (Pulse Width Modulation) Dengan PLC. [3] Wenbo Zhang and Wei Zhan, Sensitivity Analysis of Motor PWM Control, IAENG Int. Assoc. Eng. 2008. [4] J. M. Patel, H. V. Hirvaniya, and M. Rathod, Simulation and Analysis of Brushless DC Motor Based on Sinusoidal PWM Control, Int. J. Innov. Res. Electr. Electron. Instrum. CONTROL Eng., vol. 2, no. 3, pp. 1237 1238, Mar. 2014.