BAB III PERANCANGAN DESAIN POMPA AIR BRUSHLESS DC DENGAN MENGGUNAKAN dspic30f2020 3.1. Pendahuluan Pada bab III ini akan dijelaskan mengenai perancangan Pompa Air Brushless DC yang dikendalikan oleh Inverter tiga fasa dengan menggunakan sistem kontrol digital yang berupa mikrokontroler dspic30f2020. Inverter 3 fasa merupakan rangkaian daya yang berfungsi sebagai penggerak untuk motor BLDC dan Mikrokontroler atau sistem minimum dspic30f2020 merupakan rangkaian kontrol yang berfungsi sebagai alat kontrol digital untuk mengendalikan Inverter 3 fasa yang digunakan untuk mengendalikan Pompa Air BLDC tersebut. 3.2. Perancangan Alat Pompa Air Motor Brushless DC ini dibuat dengan menggunakan komponen komponen yang berfungsi sebagai rangkaian daya dengan menggunakan Inverter 3 fasa yang digunakan untuk menggerakan pompa air BLDC tersebut, juga berfungsi sebagai rangkaian catu daya Push Pull yang merupakan catu daya yang digunakan, juga sebagai rangkaian kontrol digital dengan menggunakan dspic30f2020, dan juga rangkaian driver dengan menggunakan TLP 250. Berikut Pada Gambar 3.1 dijelaskan tentang skema yang berisi tentang Diagram blok sistem dalam Pembuatan Pompa Air Motor Brushless DC tersebut beserta rangkaian kendali yang digunakan. 26
+ Inverter 3 Fasa 60 Volt Motor BLDC - + 12 Volt - Push Pull Converter 12 Volt 5 Volt Driver Mikrokontroler Hall Effect Sensor Gambar 3.1 Diagram blok perancangan alat Berdasarkan pada Gambar 3.1 di atas, Push Pull Converter yang digunakan untuk menyuplai tegangan bagi driver dan sistem minimum atau mikrokontroler dspic30f2020 mendapat suplai tegangan dari ACCU battery sebesar 12 Volt. Driver akan mendapatkan suplai tegangan dari Push Pull Converter sebesar 12 Volt, sedangkan rangkaian sistem kontrol digital atau mikrokontroler dspic30f2020 mendapatkan suplai tegangan sebesar 5 Volt dari Push Pull Converter. Mikrokontroler dspic30f2020 yang merupakan kontroler digital yang berfungsi untuk mengendalikan inverter 3 fasa yang digunakan untuk mengendalikan Pompa Air Motor BLDC tersebut. Mikrokontroler dspic30f2020 mendapat sinyal inputan atau masukan dari pembacaan hall effect sensor pada Pompa air BLDC tersebut. Sinyal masukan tersebut merupakan sinyal yang diperoleh dari proses pembacaan hall effect sensor terhadap perubahan medan magnet yang terjadi di dalam pompa air BLDC tersebut ketika Motor BLDC tersebut berputar. Sinyal masukan tersebut akan diolah di dalam mikrokontroler 27
dspic30f2020 yang selanjutnya digunakan untuk menghasilkan sinyal masukan bagi driver yang digunakan. Driver yang berupa 6 buah TLP 250 tersebut merupakan penggerak bagi Inverter 3 fasa supaya dapat bekerja. 6 buah TLP 250 tersebut akan mengontrol 6 buah mosfet IRFP 250 yang merupakan komponen yang digunakan dalam Inverter 3 Fasa tersebut. Cara kerjanya dengan menghidup matikan (On Off) 6 buah mosfet tersebut secara bergantian sehingga tersusun sistem yang terintegrasi di dalam Inverter 3 fasa yang digunakan untuk menggerakan Pompa Air BLDC tersebut. 3.3. Perancangan Push Pull Converter Push Pull Converter merupakan catu daya yang digunakan pada Tugas Akhir ini. Rangkaian catu daya merupakan rangkaian yang digunakan untuk mensuplai tegangan bagi rangkaian driver TLP 250, rangkaian mikrokontroler dspic30f2020 dan buffer 74HC7541, dan juga fan. Catu daya secara umum terdiri dari dua jenis yaitu catu daya linier dan catu daya switching. Catu daya yang digunakan pada Tugas Akhir ini yang berupa Push Pull Converter merupakan salah satu jenis dari Catu daya switching. Rangkaian driver TLP 250 membutuhkan suplai tegangan sebesar 12 Volt, sehingga pada Push Pull Converter dibutuhkan suatu IC regulator tegangan LM7812. Sedangkan rangkaian sistem minimum atau mikrokontroler dspic30f2020 dan buffer membutuhkan suplai tegangan sebesar 5 Volt, sehingga pada Push Pull Converter digunakan IC regulator tegangan LM7805. Fan yang digunakan untuk menjaga agar Mosfet IRFP 250 yang berada di dalam Inverter 3 28
fasa untuk tetap berada pada suhu tertentu yang dianjurkan saat bekerja juga membutuhkan suplai tegangan sebesar 12 Volt, karena itu IC regulator LM7812 juga dipasang pada Push Pull Converter tersebut [8]. Berikut pada Gambar 3.2 di bawah ini ditunjukkan skema dari perancangan Push Pull Converter yang digunakan pada Tugas Akhir ini. 7812 +12V 0V 7812 +12V 33 MHz 0V 7812 +12V 0V 7812 +12V 0V 7805 +5V 0V 7812 +12V 0V Gambar 3.2 Skema perancangan push pull converter Berdasarkan Pada Gambar 3.2 ditunjukkan bahwa hasil dari rangkaian Push Pull Converter ini terbagi menjadi lima tegangan keluaran yang disearahkan menjadi tegangan DC 12 V dan 1 tegangan keluaran sebesar 5 Volt. Lima 29
tegangan keluaran dari rangkaian Push Pull Converter digunakan untuk mencatu atau mensuplai tegangan pada rangkaian driver TLP 250 dan fan tersebut, di mana empat dari tegangan keluaran dari rangkaian Push Pull Converter yang sebesar 12 Volt tersebut digunakan untuk mencatu rangkaian driver TLP 250. Sedangkan tegangan keluaran yang sebesar 5 Volt digunakan untuk mencatu rangkaian mikrokontroler dspic30f2020. 3.4. Perancangan Rangkaian Driver TLP 250 Rangkaian Driver merupakan rangkaian isolasi antara rangkaian daya yang berupa Inverter 3 fasa dengan rangkaian kontrol yang berupa mikrokontroler dspic30f2020. Rangkaian daya bekerja pada tegangan dan arus yang besar sedangkan rangkaian kontrol bekerja dalam tegangan dan arus yang besar. Supaya tidak terjadi sort tegangan antara 2 rangkaian ini maka dibutuhkan rangkaian driver tersebut. Rangkaian driver ini juga berfungsi untuk mengubah tegangan keluaran dari sistem kontrol yang sebesar 5 Volt menjadi tegangan yang berkisar pada 12 Volt yang merupakan tegangan yang digunakan untuk pensaklaran 6 buah mosfet IRFP 250 yang terdapat dalam Inverter 3 fasa tersebut. Berikut Pada Gambar 3.3 dijelaskan skema perancangan rangkaian driver TLP 250. 30
TLP 250 PWM IRFP 250 D G S Gambar 3.3 Skema perancangan driver TLP 250 Rangkaian driver TLP 250 tersebut berfungsi sebagai optocoupler dan driver mosfet untuk mosfet IRFP 250 tersebut. Sinyal yang dikeluarkan oleh mikrokontroler dspic30f2020 tersebut berupa sinyal PWM. Sinyal PWM tersebut kemudian menjadi sinyal input atau masukan bagi TLP 250 tersebut. Sinyal masukan tersebut memiliki tegangan berkisar pada 5 Volt. Rangkaian TLP 250 ini memerlukan suplai tegangan sebesar 12 Volt (VCC) supaya dapat bekerja. Saat ada sinyal masukan PWM yang masuk akan memicu photodioda menangkap cahaya dari led sehingga arus mengalir ke transistor dan menyebabkan tegangan keluaran transistor sama dengan 12 Volt atau sama dengan VCC. Tegangan keluaran tersebut berfungsi untuk penyaklaran 6 buah mosfet IRFP 250 yang terdapat pada dalam inverter 3 fasa. 31
3.5. Perancangan Mikrokontroler dspic30f2020 Mikrokonkontroler dspic30f2020 merupakan sistem minimum yang digunakan pada Tugas Akhir ini. Mikrokontroler dspic30f2020 membutuhkan suplai tegangan sebesar 5 Volt dari rangkaian Push Pull Converter tersebut. Sinyal keluaran dari mikrokontroler akan menuju ke buffer 74HC541 untuk menjaga agar tegangan tetap pada 5 Volt sebelum menjadi sinyal masukan bagi driver yang digunakan. + - ADC H2 H3 H1 dspic30f2020 1 MCLR 2 AN0/RB0 3 AN1/RB1 4 AN2/RB2 5 AN3/RB3 6 AN4/RB4 7 AN5/RB5 AVDD 28 AVSS 27 RE0 26 RE1 25 RE2 24 RE3 23 RE4 22 8 VSS RE5 21 9 OSC1/CLKIN 10 OSC2/CLKO 11 RE7 12 RE6 13 VDD 14 RF6 VDD 20 VSS 19 RF7 18 RF8 17 RA9 16 RD0 15 Gnd C1 Vcc 74HC541 DC 5Vdc PWM R1 R2 Crystal C2 C3 Gambar 3.4 Skema perancangan sistem minimum dspic30f2020 Berdasarkan pada Gambar 3.4 dijelaskan bahwa rangkaian sistem minimum mendapat sinyal masukan berupa input ADC pada Pin RB2 dan input dari pembacaan hall effect sensor terhadap posisi rotor dengan mekanisme sebagai berikut : H1 pada pin RF6, H2 pada pin RB4, dan H3 pada pin RB5. Sinyal keluaran yang dihasilkan oleh mikrokontroler dspic30f2020 akan dikeluarkan oleh sisi keluaran pada PORT E ( RE0 RE5) sebelum akan menjadi sinyal 32
inputan untuk buffer 74HC541 yang akan menghasilkan output berupa PWM pensaklaran. Buffer 74HC541 membutuhkan suplai tegangan 5 Volt. 5 Volt tersebut digunakan untuk menyalakan led yang terdapat dalam TLP 250 tersebut. Led tersebut berfungsi sebagai optocoupler pada TLP 250. Pemrograman mikrokontroler dspic30f2020 ini menggunakan software mikroc for dspic dengan menggunakan bahasa pemrograman berupa bahasa C. 3.5.1. Algoritma Pemrograman dspic30f2020 Pemrograman mikrokontroler dspic30f2020 disusun dengan baik dan terintegrasi antara satu dengan yang lainnya sehingga hasil keluaran yang dihasilkan akan dapat mengontrol Inverter 3 fasa yang digunakan mengendalikan Pompa Air Motor BLDC tersebut sehingga Pompa Air Motor BLDC akan bekerja dengan baik dan sesuai dengan hasil yang diinginkan. Berikut pada Gambar 3.5 akan dijelaskan flowchart dari pemrograman Mikrokontroler dspic30f2020 tersebut. 33
START INISIALISASI PROGRAM READ ADC BACA HALL EFFECT SENSOR YES ADC > TMR? NO MOTORING FREEWHEELING Gambar 3.5 Flowchart pemrograman dspic30f2020 Berdasarkan pada Gambar 3.5 diatas proses pemrograman diawali dengan inisialisasi program yang dibutuhkan. Inisialisasi program yang dibutuhkan adalah inisialisasi PORT pada mikrokontroler dspic30f2020 dan inisialisasi Timer. 34
Pemrograman ini menggunakan fitur Timer Interrupt yang dikontrol dengan register Timer Interrupt sebagai berikut: Pengolahan data dimulai dari nilai tegangan yang diatur dengan menggunakan potensiometer. Kemudian proses Read ADC dengan cara Register ADC. Register ADC telah diatur untuk proses awal pengolahan masukan dari nilai tegangan yang diatur dengan potensiometer tersebut. Register ADC yang dibutuhkan diatur sebagai berikut: 35
Pengaturan bit pada register ADC disesuaikan dengan port input ADC. Input nilai tegangan yang diatur oleh potensiometer tersebut menggunakan pin RB2. Setelah proses Read ADC, adalah dengan melihat hasil pembacaan hall effect sensor yang mendeteksi posisi rotor. Dalam pemrograman ini input dari pembacaan hall effect sensor H1 akan menggunakan pin RF6, sedangkan pembacaaan hall effect sensor H2 akan menggunakan pin RB4 dan pembacaan hall effect sensor H3 akan menggunakan pin RB5. 36
Setelah itu, proses terakhir dari pemrograman adalah dengan menjalankan program apakah sebagai motoring atau freewheeling. 37
Jika nilai ADC lebih besar dari nilai Timer, maka akan terjadi proses motoring, di mana proses saat 2 saklar (lengan fasa berbeda) yang dijalankan. Sebaliknya Jika nilai Timer lebih besar dari nilai ADC, maka yang akan terjadi proses free wheeling, di mana hanya 1 saklar saja yang bekerja. Keluaran PWM dari proses pemrograman ini akan selalu berbah ubah tergantung input ADC yang diinginkan. Keluaran PWM tersebut akan menggunakan PORT E ( pin RE0 RE5). Keluaran PWM pada sisi keluaran dari mikrokontroler dspic30f2020 tersebut akan menuju ke buffer 74HC541 sebelum menuju ke rangkaian driver TLP 250 untuk mengatur pensaklaran pada 6 mosfet IRFP 250 yang terdapat dalam inverter 3 fasa yang merupakan rangkaian daya. 38