ORBITH Vol. 8 No. 1 Maret 2012: 32-37 MOTOR DC BRUSHLESS TIGA FASA-SATU KUTUB Oleh : Djodi Antono Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Semarang Jln. Prof. Sudarto Tembalang Semarang 50275 Abstrak Motor DC brushless dikembangkan dari motor DC brushed konvensional jenis eksitasi terpisah dengan tambahan kemampuan dari peralatan solid state semikonduktor tenaga, agar efisiensinya lebih maksimal. Motor DC brushless hampir sama dengan motor synchronous AC. Perbedaan utamanya adalah jika motor synchronous AC menghasilkan EMF balik sinusoidal, sedangkan motor DC brushless menghasilkan EMF balik gelombang kotak, atau trapezium. Persamaan keduanya, motor synchronous AC dan motor DC brushless akan membentuk putaran medan magnetik yang menghasilkan torsi pada rotor magnetik. Kata kunci : Motor DC Brushless 1. Pendahuluan Motor DC yang menggunakan sikat seringkali menimbulkan masalah yaitu ausnya sikat dan timbulnya electrical noise. Oleh karena itu dikembangkan motor DC tanpa sikat atau motor DC brushless yang mempunyai kelebihan yaitu : efisiensi tinggi, umur yang panjang, konsumsi energi yang kecil dan tidak menimbulkan electrical noise. 2. Konstruksi Motor DC Brushless Bentuk konstruksi motor DC brushless ada dua buah yaitu silindris atau pancake seperti pada gambar 1 dan 2. Kebanyakan konstruksi motor DC brushless adalah silindris, dan yang paling banyak dipakai adalah tipe inside rotor. Jenis ini digunakan pada penggerak hard disk komputer. Jenis yang kedua adalah rotor diletakkan pada sisi luar sekeliling stator, tipe ini disebut outside rotor. Konstruksi silindris akan terlihat pendek dan tebal. Oleh karena itu arah medan magnetik radial terhadap sumbu putarnya. Gambar 1 Konsruksi Silindris (a) Outside Rotor (b) Inside Rotor Gambar 2 Konstruksi Pancake: (a) Stator Tunggal (b) Stator Ganda Motor jenis pancake dengan dua buah stator mempunyai torsi tinggi karena mempunyai belitan stator pada kedua sisi 32
Motor DC Brushless Tiga Fasa-Satu Kutub. Djodi Antono rotor (gambar b). Sedangkan torsi rendah dengan satu stator dan satu rotor (gambar a) digunakan pada motor penggerak floppy disk. 3. Bagian Bagian Brushless DC Motor 3.1 Stator Dasar sebuah stator tiga fasa motor DC brushless memiliki tiga gulungan. Kebanyakan motor DC brushless jumlah kumparan direplikasi untuk memiliki riak torsi yang lebih kecil. Gambar 3 menunjukkan skema listrik dari stator. Ini terdiri dari tiga kumparan masing-masing ada tiga unsur terhubung seri yaitu induktansi, resistansi dan satu gaya gerak listrik kembali. Gambar 3 Konfigurasi Listrik Stator (Tiga Tahap, Tiga Kumparan) 3.2 Rotor Rotor pada motor DC brushless terdiri dari beberapa magnet permanen. Jumlah kutub magnet di rotor juga mempengaruhi ukuran langkah dan riak torsi dari motor. Jumlah kutub yang banyak akan memberikan gerakan presisi dan riak torsi yang kecil. Magnet permanen terdiri dari 1 sampai 5 pasang kutub. Dalam kasus tertentu bisa 8 pasang kutub. Gambar 4 Tiga Kumparan Stator Tiga Fase Dan Rotor Motor DC Brushless Rotor dari motor DC brushless lebih ringan dari pada rotor dari motor DC konvensional yang universal di mana kumparan ditempatkan pada rotor. Posisi rotor di deteksi dengan solid state light emitter sensor, piranti hall atau piranti lainnya. Sinyal feedback dari sensor dikembalikan ke unit kontrol akan meng-on-kan unit transistor, kemudian akan diteruskan ke kumparan medan stator secara sekuensial. Biasanya untuk mendeteksi posisi sudut menggunakan hall-effect dan sensor optic. Hall effect untuk mendeteksi magnitude dan polaritas medan magnet. Gambar 5 Sistem Penggerak Motor Dc Brushless 3.3 Hall Sensor Untuk estimasi posisi rotor, motor ini dilengkapi dengan tiga sensor hall yang ditempatkan setiap 120 L. Dengan sensor ini ada 6 komutasi yang mungkin berbeda. Pergantian fase power supply tergantung 33
ORBITH Vol. 8 No. 1 Maret 2012: 32-37 pada nilai-nilai sensor hall dengan perubahan kumparan. tebaik karena tidak menjadi sumber looses harmonik. 3.4 Phase Commutations Gambar.6. Sensor Hall Sinyal Untuk Rotasi Kanan Fungsi rangkaian kontrol pada motor DC brushless selain sebagai pengontrol perpindahan arus juga sebagai pengarah rotasi rotor. Oleh karena itu, kontroller membutuhkan beberapa cara untuk menentukan orientasi rotor. Beberapa rancangan efek sensor hall menggunakan rotary encoder untuk mengukur posisi rotor. Selain itu terdapat lagi EMF dalam kumparan undriven untuk menyimpulkan posisi rotor. Kontroler ini berisi 3 bi-directional output untuk mendorong daya pada motor DC ketingkat yang lebih tinggi, dengan dikendalikan oleh rangkaian logika. Pengendali sederhana menggunakan pembanding untuk menentukan kapan fase output harus maju, sementara pengendali modern menggunakan mikrokontroler untuk mengelola akselerasi, kontrol kecepatan dan menyempurnakan efisiensi. Kontroler sensor yang lainnya mampu mengukur saturasi berliku disebabkan oleh magnet dalam menyimpulkan posisi rotor. Rangkaian kontrol atau elektronik pada motor DC brushless dapat diatur untuk menghasilkan arus berupa gelombang sinus atau persegi. Arus berbentuk gelombang persegi merupakan pilihan Fungsi komutasi dilakukan oleh beberapa sumbu as sensor: optical encoder, magnetic encoder atau hall effect magnetic sensor. Dengan cara ini motor DC brushless menjadi kecil dan murah. Hall effect magnetic sensor akan berfungsi mengalirkan elektron akibat adanya medan magnetic yang tegak lurus terhadap arah arus. Penerapan medan magnet pada sensor ini akan mengakibatkan terjadinya perubahan tegangan sedikit pada output. Output hall akan menggerakkan comparator hingga peralatan dayanya lebih stabil. Peralatan ini juga akan menggerakkan transistor kompon ketika diberi bias yang tepat. Hall effect sensor yang lebih modern berisi penguat yang terintegrasi dan rangkaian digital. Sensor hall ini harus diletakkan sedekat mungkin dengan rotor magnet permanen untuk mendeteksi posisi rotor. Gambar 7 Sensor Hall Effect Pengubah Tiga Fasa Brushless DC Motor. Untuk menghubungkan daya ke motor DC brushless, tahapan digunakan adalah menggunakan rangkaian jembatan gelombang tiga fasa, seperti terlihat pada gambar 7. 34
Motor DC Brushless Tiga Fasa-Satu Kutub. Djodi Antono Untuk tiga fase kumparan motor DC brushless, tahapan memutar bidang rotor dapat dijelaskan dalam Gambar 10. Gambar 8 Jembatan Tiga Fasa Dan Sensor Input Dengan Tabel Saklar Aktif Gambar 9. Urutan pensaklaran rotasi motor Q1 sampai dengan Q6 Pada motor listrik dengan kutub rotasi listrik tidak sesuai dengan rotasi mekanik. Sehingga empat kutub stator motor DC brushless menggunakan empat siklus putaran listrik untuk memiliki satu putaran mekanik. Kekuatan medan magnet menentukan kekuatan motor dan kecepatan motor. Dengan memvariasikan aliran arus melalui kumparan stator, kecepatan dan torsi motor dapat disesuaikan. Cara yang umum untuk mengontrol aliran arus adalah dengan mengontrol aliran arus rata-rata melalui kumparan dengan PWM (Pulse Width Modulation) yang mengatur tegangan rata-rata dan mendorong kecepatan. Sebagai contoh, frekuensi PWM yang dipilih adalah berkisar dari 10kHz sampai dengan 200kHz. Gambar 10 Commutation Steps Dan Rotating Field 4. Prinsip Kerja Rangkaian Kontrol Motor DC Brushless Tiga Fasa Kutup Tunggal Elemen utama motor DC brushless yang membedakannya dari motor DC konvensional adalah adanya rangkaian elektronik yang menggantikan kerja komutasi mekanisnya. Ada macammacam rangkaian yang sering digunakan yaitu motor DC brushless tiga fasa-kutub tunggal, motor DC brushless tiga fasakutub ganda, Motor DC brushless tiga fasa terhubung Y, motor DC tiga fasa, motor DC brushless empat fasa. Dengan memperhatikan motor DC brushless tiga fasa-kutub tunggal kita dapat dengan mudah memahami prinsip kerja dari motor DC brushless. Pada gambar 4 dibawah ini menunjukkan 35
ORBITH Vol. 8 No. 1 Maret 2012: 32-37 bahwa menggunakan sensor optic (phototransistor) sebagai penentu posisi. Tiga buah phototransistor PT1, PT2, PT3 yang diletakkan pada ujung plat yang membentuk lingkaran dengan interval 120 secara bergantian akan terkena cahaya sesuai dengan urutan melalui shutter motor yang berputar dan dihubungkan dengan shaft motor. kehilangan energi sementara itu kutub menonjol P3 diberi energy dan menciptakan kutub selatan. Begitu seterusnya kutub rotor akan berjalan dari P2 ke P3 tanpa berhenti. Dengan mengulang proses pensaklaran sesuai urutan seperti terlihat pada gambar 5 maka rotor permanent magnet akan berputar terus menerus. Pada gambar tersebut, kutub selatan berhadapan dengan kutub menonjol P2 dari stator, phototransistor PT1 mendeteksi cahaya dan menyebabkan transistor Tr1 on. Dalam kondisi ini kutub selatan yang terbentuk pada kutub menonjol stator P1 karena arus listrik yang mengalir melalui W1 akan menarik kutub utara rotor sehingga bergerak melawan arah jarum jam. Gambar 12 Switching Dan Rotasi Medan Magnet Stator 5. Pengaturan Putaran Motor DC Brushless Gambar 11 Motor Dc Brushless 3 Fasa Kutub Tunggal. Ketika kutub utara pada posisi berhadapan dengan kutub menonjol stator P1, maka shutter ikut berputar dengan rotor akan menutupi PT1 hingga tertutup oleh cahaya, dan PT2 terbuka terhadap cahaya, maka arus akan mengalir melalui transistor Tr2. Ketika arus mengalir melalui lilitan W2, dan menciptakan kutub selatan pada kutub menonjol stator P2. Pada saat ini shutter akan menutupi PT2 dan phototransistir PT3 akan terkena cahaya. Kondisi ini menyebabkan arus berpindah dari W2 ke W3. Kemudian kutub menonjol P2 Pengaturan putaran motor DC brushles dapat dilakukan dengan mengatur variasi tegangan pada motor. Jika menggunakan output PWM untuk mengendalikan enam buah saklar jembatan tiga fasa, tegangan variasi motor dapat dengan mudah dicapai yaitu dengan mengubah sinyal duty cycle of PWM 36
Motor DC Brushless Tiga Fasa-Satu Kutub. Djodi Antono Gambar 12 Pengendalian kecepatan menggunakan PWM Metode pembalikkan arah putaran pada motor DC brushless tidak semudah dengan menggunakan motor DC konvensional karena motor DC brushless menggunakan komponen semi konduktor seperti transistor. Umumnya, komponen semikonduktor merupakan switch unidirectional. Karena itu beberapa rangkaian diperlukan untuk motor yang akan dioperasikan denngan putaran berlawanan. Pada gambar 5 hubungan antara phototransistor (PT1,PT2, dan PT3) dan transistor disusun sebagai berikut : PT1-Tr1 : Untuk mengendalikan arus yang melalui W1 PT2-Tr2 : Untuk mengendalikan arus yang melalui W2 PT3-Tr3 : Untuk mengendalikan arus yang melalui W3 Hubungan ini menyebabkan motor berputar berlawanan arah jarum jam. Jika hubungan diubah menjadi : PT1-Tr3 PT2-Tr1 PT3-Tr2 Maka arah putaran akan berlawanan dengan arah sebelumnya (searah jarum jam). TABEL 1 Urutan Switching Untuk Arah Putaran Searah Dan Berlawanan Arah Jarum Jam Perubahan antara hubungan yang satu dengan hubungan yang lainnya dapat dilakukan dengan menggunakan rangkaian gerbang logik. 6. Kesimpulan Motor DC brushless adalah motor DC yang, memiliki banyak keuntungan dibandingkan motor DC konvensional. Namun, mempunyai prinsip kerja yang rumit karena memerlukan rangkaian kendali semikonduktor tenaga. Dengan merancang kendali semikonduktor yang mempunyai daya besar dimasa mendatang motor DC brushless dapat ditingkatkan kapasitas dayanya. DAFTAR PUSTAKA Johan Wilberg, Controlling a Brushless DC Motor, Thesis University Linkoping Swedia, 2003. Jacek F G, Permanent Magnet Motor Technology, Marcel Dekker Inc., NY USA, 2002. Kenjo Takeshi, Permanent Magnet and Brushless DC Motor, Japan 2010. NXP semikonduktor, Brushless DC Motor Control, Rev.01-17 october 2007, salesaddresses@nxp.com, 2007. 37