pemodelan robotika

22
TUGAS PEMODELAN MOTOR DC Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Pengantar Robotika yang dibimbing oleh Erik Haritman, S.Pd., MT. disusun oleh : Khilda Afifah 0900323 JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN

Upload: khildaafifah

Post on 06-Aug-2015

133 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: Pemodelan Robotika

TUGAS

PEMODELAN MOTOR DC

Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Pengantar Robotika yang

dibimbing oleh Erik Haritman, S.Pd., MT.

disusun oleh :

Khilda Afifah 0900323

JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN

UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

2012

Page 2: Pemodelan Robotika

Motor DC

Motor DC adalah alat yang mengubah energi listrik DC menjadi energi mekanik

putaran. Motor DC merupakan jenis motor yang menggunakan tegangan searah sebagai

sumber tenaganya. Dengan memberikan beda tegangan pada kedua terminal tersebut, motor

akan berputar pada satu arah, dan bila polaritas dari tegangan tersebut dibalik maka arah

putaran motor akan terbalik pula. Polaritas dari tegangan yang diberikan pada dua terminal

menentukan arah putaran motor sedangkan besar dari beda tegangan pada kedua terminal

menentukan kecepatan motor.

Motor DC memiliki 2 bagian dasar :

1. Bagian yang tetap/stasioner yang disebut stator. Stator ini menghasilkan medan magnet,

baik yang dibangkitkan dari sebuah koil (elektro magnet) ataupun magnet permanen.

2. Bagian yang berputar disebut rotor. Rotor ini berupa sebuah koil dimana arus listrik

mengalir.

Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar

bebas di antara kutub-kutub magnet permanen. 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.

Motor Stepper

Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa

elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa

yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan

pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik.

 Pada dasaranya terdapat 3 tipe motor stepper yaitu: 

1. Motor stepper tipe Variable reluctance (VR)

Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang secara

struktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah rotor besi lunak

Page 3: Pemodelan Robotika

dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika lilitan stator diberi energi dengan

arus DC, kutub-kutubnya menjadi termagnetasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gigi rotor

tertarik oleh kutub-kutub stator. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor

stepper tipe variable reluctance (VR):

   

  Gambar Penampang melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR) 

2. Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM)

Motor stepper jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti kaleng bundar (tin can)

yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang diselang-seling dengan kutub yang

berlawanan. Dengan adanya magnet permanen, maka intensitas fluks magnet dalam

motor ini akan meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. Motor

jenis ini biasanya memiliki resolusi langkah (step) yang rendah yaitu antara 7,50 hingga

150 per langkah atau 48 hingga 24 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah ilustrasi

sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet:

Gambar Ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet (PM)

3. Motor stepper tipe Hybrid (HB)

Motor stepper tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi dari kedua

tipe motor stepper sebelumnya. Motor stepper tipe hibrid memiliki gigi-gigi seperti pada

motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen yang tersusun secara aksial pada

batang porosnya seperti motor tipe PM. Motor tipe ini paling banyak digunkan dalam

berbagai aplikasi karena kinerja lebih baik. Motor tipe hibrid dapat menghasilkan

resolusi langkah yang tinggi yaitu antara 3,60 hingga 0,90 per langkah atau 100-400

langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper

tipe hibrid:

Page 4: Pemodelan Robotika

Gambar Penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid

Pemodelan Power stepper motor yang menggambarkan operasi dari sebuah stepper

motor drive menggunakan model dua-fasa stepper motor hybrid.

Pemodelan ini menggunakan bentuk pemodelan dari demo Simulink MATLAB. Fase motor

diberi supplay oleh 2 2 H-bridge MOSFET PVM konverter yang terhubung ke sumber

tegangan DC 28 V. Arus motor insependen ini dikendalikan oleh 2 histeresis berbasis

pengendali yang menghasilkan sinyal MOSFET drive dengan membandingkan arus yang

diukur dengan referensi pembanding. Arus gelombang persegi referensi dihasilkan dengan

menggunakan amplitudo arus dan parameter frekuensi yang ditetapkan dalam layar dialog.

Pergerakan drive stepper dikendalikan oleh sinyal STEP dan DIR yang diterima dari sumber

eksternal. Bentuk gelombang berikut ini diperoleh dari simulasi operasi 0,25 detik dari

penggerak motor stepper di mana stepper berputar selama 0,1 detik dalam arah yang positif,

berhenti selama 0,05 detik, berputar ke arah sebaliknya untuk 0,05 detik dan berhenti.

Bentuk rincian gelombang ditunjukkan pada gambar berikut.

Page 5: Pemodelan Robotika

MODEL FISIK  PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC( LOOP TERTUTUP )

DENGAN VARIASI BEBAN

Secara sederhana rangkaian fisik kontrol kecepatan motor loop-tertutup dengan variasi beban

dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Sistem kontrol loop-tertutup adalah sistem pada

output dari proses yang mempengaruhi input. Sistem tersebut mengukur output yang

dikehendaki. Pengaturan dibuat secara terus menerus oleh sistem kontrol sampai perbedaan

antara output yang dikehendaki dan yang sesungguhnhya sekecil dan seperaktis mungkin.

Page 6: Pemodelan Robotika

Gambar Rangkain Fisik Pengaturan kecepatan motor loop tertutup

Gambar Blok Diagram Pengaturan kecepatan motor dc loop tertutup

Bagian-bagian dari pengaturan kecepatan motor dengan variasi beban sesuai gambar diatas

terdiri dari :

1. Motor DC, yaitu sistem yang akan dikontrol kecepatannya dengan variasi beban.

2. Catu Daya ; Pada bagian ini merupakan pengendali motor yang berisi penyerah 1

phasa terkendali penuh     yaitu penyearah jembatan yang dikontrol fasenya dengan

rangkaian logik untuk mengontrol tegangan dc yang diberikan pada jangkar motor

(pada tugas ini disimulasikan menggunakan kontrol PID), dimana variasi tegangan

output penyearah bergantung pada besar sudut penyalaan pada thyristor atau SCR,

sudut penyalaan thyristor diperoleh dari sensor umpan balik (output berupa tegangan

yang berdasarkan referensi kecepatan dari tachometer), catu daya digambarkan oleh

gambar dibawah ini.

Gambar Rangkaian Penyearah Terkendali gelombang penuh

Karakteristik pengendalian tegangan dc keluaran penyearah gelombang penuh dapat

ditentukan dengan menggambarkan tegangan dc keluaran Vdc versus sudut

perlambatan penyalaan α . Khusus untuk penyearah 1 fasa gelombang penuh

terkendali, besarnya tegangan dc keluaran dinyatakan dengan persamaan

Vo(dc)=Vdc=(2Vm/ π ) cos α . Dengan menggunakan persamaan ini diperoleh nilai

Vo(dc) untuk berbagai sudut α 

3. Sensor Kecepatan; berupa tachometer yang memberikan umpan balik berdasarkan

referensi kecepatan motor yang diinginkan, dengan perbandingan antara kecepatan

motor dengan tegangan pengaturan sudut penyalaan thyristor (RPM/Volt).

Page 7: Pemodelan Robotika

MODEL BAGAN KOTAK PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC ( LOOP

TERTUTUP ) 

a. Bagan Kotak

Gambar Bagan Kotak Pengendalian Motor DC sistem Loop-tertutup

b. Pengendali PID

Kontrol PID merupakan sistem kontrol loop tertutup yang cukup sederhana dan

kompatibel dengan sistem kontrol lainnya sehingga dapat dikombinasikan dengan sistem

kontrol lain seperti Fuzzy control, Adaptif control dan Robust control. Fungsi alih H(s)

pada sistem kontrol PID merupakan besaran yang nilainya tergantung pada nilai

konstanta dari sistem P, I dan D

Sistem kontrol PID terdiri dari tiga buah cara pengaturan yaitu kontrol P (Proportional), D

(Derivative) dan I (Integral), dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan.

Dalam implementasinya masing-masing cara dapat bekerja sendiri maupun gabungan

diantaranya. Dalam perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan adalah

mengatur parameter P, I atau D agar tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap masukan

tertentu sebagaimana yang diiginkan.

Tabel Tanggapan sistem kontrol PID terhadap perubahan parameter

Untuk merancang sistem kontrol PID, kebanyakan dilakukan dengan metoda coba-coba

atau (trial & error). Hal ini disebabkan karena parameter Kp, Ki dan Kd tidak

independent. Untuk mendapatkan aksi kontrol yang baik diperlukan langkah coba-coba

dengan kombinasi antara P, I dan D sampai ditemukan nilai Kp, Ki dan Kd seperti yang

Page 8: Pemodelan Robotika

diiginkan.( Penentuan parameter Kp, Ki, Kd pada tulisan ini menggunakan metode trial

and error dengan Simulink Matlab)

Gambar Blok diagram Pengendali PID

Ketika mendesain PID Controller pada suatu sistem, beberapa langkah-langkah berikut

untuk mendapatkan respon yang diinginkan :

1) Dapatkan respon loop-terbuka dan tentukan apasaja yang ingin ditingkatkan.

2) Tambahkan P-Controller untuk menambah waktu naik.

3) Tambahkan I-Controller untuk menghilangkan kesalahan keadaan tunak

4) Tambahkan D-Controller untuk menambah overshoot

5) Seimbangkan setiap Kp, Ki, Kd sampai didapatkan keseluruhan respon yang

diinginkan.

PEMODELAN PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR DC VARIASI

(LOOP-TERTUTUP) DENGAN SIMULINK MATLAB

Untuk membandingkan pengaruh pengontrolan loop-tertutup terhadap pengendalian

kecepatan dengan variasi beban, terlebih dahulu motor dc akan disimulasikan tanpa

kontroller, seperi model simulasi berikut :

1. Model simulink Motor DC variasi beban tanpa kontroller

Page 9: Pemodelan Robotika

Gambar Model Simulink Sistem Motor DC dengan Variasi Beban Tanpa Kontroller

Setelah model tersebut diatas di simulasikan maka didapatkan hasil sebagai berikut :

Page 10: Pemodelan Robotika

Gambar Grafik Hasil Simulink Pengendalian Kecepatan Motorr DC variasi beban Tanpa

Kontroller

Analisa Grafik :

Dari grafik terlihat bahwa motor diberikan pada tegangan nominalnya 240 Volt, sementara

beban nominal diberikan dari detik 0 kedetik ke-2, kecepatan motor dan Arus Jangkar (Ia)

tetap pada nilai nominalnya 1150 rpm dan 35 Ampere, pada detik ke-2 sampai pada detik ke

6, beban motor ditambah 20 % dari beban nominalnya, kecepatan motor turun sedangkan

arus jangkarnya naik. Demikian pula sebaliknya jika beban diturunkan 20% dari nominalnya,

kecepatan motor kembali naik dan arus jangkar menurun. Sehingga perubahan beban

mempengaruhi kecepatan dan arus jangkar, demikian pula pada saat beban naik 50% dari

beban nominal. Jika hal ini tidak dikontrol maka kecepatan motor akan berfluktuasi sesuai

dengan variasi beban.

2. Model simulink Motor DC variasi beban dengan kontrol loop-tertutup

Perbedaan model simulink, antara model simulasi tanpa kontroller dibandingkan dengan

model simulasi dengan kontroller loop-tertutup, yaitu adanya pengendali/PID ( yang

mengatur sudut penyalaan SCR pada catu daya) dan adanya sensor umpan balik referensi

kecepatan.

Page 11: Pemodelan Robotika

Gambar Model Simulink Sistem Motor DC dengan kontrol loop-tertutup (PID)

Model simulasi Pengendali dan Catu daya dapat dilihat sebagai berikut :

a. Bagian Catu Daya

Pada catu daya digunakan penyearah terkendali penuh, dengan tegangan Vdc =

(2.Vm/pi).Cos (alpha) dan men-set tegangan maksimum sebesar Vm= 534 V atau

Veff = 380 Volt dengan fungsi matlab yang dibuat pada M-file ‘penyearah’.

function y = penyearah(x);

Vm = x(1);

alpha = x(2);

y = (2/pi)*Vm*cos(alpha);

b. Bagian Pengendali

Pada bagian pengendali PID, set poin sudut penyalaan alpha adalah pi/4 dengan batas

saturasi alpha ± pi/4, sedangkan penentuan paramter konstanta P, I, dan D akan

disimulasikan dan dilakukan secara coba-coba ( baik untuk pengendali proporsional.

Page 12: Pemodelan Robotika

Pengendali integral, pengendali derivatif atau gabungan ketiganya/PID sampai

diperoleh tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap masukan tertentu sebagaimana

yang diiginkan.

c. Bagian Sensor

Pada bagian sensor, referensi kecepatan yang diinginkan 1150 rpm dengan set

tegangan sensor 5 Volt, adapun prinsip kerjanya, apabila kecepatan putar motor pada

level nominal, maka sinyal erronya adalah nol, apabila kecepatan motor lebih besar

dari nominal, maka sinyal error lebih kecil dari nol demikian pula sebaliknya, apabila

kecepatan putar motor lebih kecil dari nominal maka sinyal error lebih besar dari nol,

sinyal error ini merupakan input dari pengendali PID yang selanjutnya mengatur sudut

penyalaan thyristor.

Hasil Simulasi :

1) Pengontrol PID dengan Parameter Kp = -5000 ; Ki = -3000 ; Kd = -0.5

Setelah melakukan simulasi dengan trial and error dalam penentuan parameter

Kp, Ki, Kd dari pengendali PID dengan simulink Matlab, maka diperoleh nilai-

nilai parameter kontrol Kp = -5000 ; Ki = -3000 ; Kd = -0.5, dari parameter-

parameter tersebut memberikan tanggapan respon yang diinginkan yaitu

kecepatan motor tetap konstan pada putaran 1150 rpm (nominal) meskipun ada

gangguan atau variasi beban, namun sedikit ada osilasi pada saat kenaikan beban

+50%, tapi sangat kecil sehingga masih bisa ditoleransi.

Page 13: Pemodelan Robotika

2) Pengendali Proporsional ( Kp =-5000, Ki = 0, Kd = 0 )

Kecepatan sudah cenderung tetap, tetapi overshoot masih banyak, karena sifat

dari kontrol proporsional mereduksi waktu naik dan kesalahan keadaan tunak,

meningkatkan overshoot, dan mengurangi waktu turun dalam sekala kecil.

3) Pengendali Integral ( Ki =-3000 , Kp = 0, Kd = 0)

Kecepatan tidak stabil, justru overshoot meningkat, karena sifat dari kontrol

integral mereduksi waktu naik dan menghilangkan kesalahan keadaan tunak,

meningkatkan overshoot, dan meningkatkan waktu turun.

Page 14: Pemodelan Robotika

4) Pengendali Derivative ( Kd =-0.5 , Kp = 0, Ki = 0)

Kecepatan tidak stabil, masih ada pengaruh perubahan beban, tetapi overshoot

berkurang, karena sifat dari kontrol derivative mereduksi overhoot, dan waktu

turun dan memberikan efek kecil pada waktu naik dan kesalahan keadaan tunak.

5) Pengendali Proporsional-Integral ( Kp =-5000 , Ki =-3000, Kd = 0)

Kecepatan sudah stabil terhadap perubahan beban, namu masih ada sedikit

overshoot, akan tetapi control ini masih lebih baik dibanding Kontrol- P, Kontrol-

I, dan Kontrol D, karena mengkombinasikan kelebihan dan kekurangan Kontrol P

dan Kontrol I. 

Page 15: Pemodelan Robotika

6) Pengendali Proporsional -Derivative ( Kp =-5000 , Ki = 0, Kd = 0.5)

Kecepatan sudah cenderung tetap terhadap perubahan beban dan overshoot sudah

berkurang dibanding Kontrol-PI, dan Kontrol masih lebih baik dibanding Kontrol

diatas.

7) Pengendali PID ( Kp =-5000 , Ki = -3000, Kd = 0.5)

Hasilnya paling baik dari semua jenis control diatas, karena mengabungkan dari

kelebihan dan kekurangan dari Kontrol- P, Kontrol- I dan Kontrol- D

KESIMPULAN 

1. Dari Hasil simulasi membuktikan bahwa Pengendalian Motor dc dengan loop tertutup

(dengan kontroller) lebih baik dibanding pengendalian tanpa kontroller (loop-

terbuka), karena pada loop tertutup memberikan tanggapan respon yang akurat dalam

Page 16: Pemodelan Robotika

mengendalikan atau mempertahanakan kecepatan motor, meskipun ada gangguan atau

variasi beban.

2. Setelah beberapa trial and error dijalankan pada simulasi, parameter pengendali PID

pada pengendalian kecepatan motor dengan variasi beban pada tugas ini diperoleh

nilai Kp =-5000. Ki =-3000 dan Kd = -0,5 serta memberikan tanggapan respon yang

baik dalam mempertahankan kecepatan motor 1150 rpm.

3. Pengendali PID memberikan tanggapan respon yang lebih baik bila dibandingkan

dengan menggunakan pengendali proporsional (P), pengendali proporsional

Derivative (PD) dan pengendali proporsional Integral (PI), karena kontrol PID

mengkombinasikan kelebihan dan kekurangan dari Kontrol Proporsional, kontrol

Derivatif dan kontrol Integral.

4. Pengendali proporsional (Kp) memberikan efek mengurangi waktu naik, tetapi tidak

mengahapus kesalahan keadaan tunak. Pengendali integral (Ki) memberikan efek

menghapus kesalahan keadaan tunak, tetapi berakibat memburuknya respon transient.

Pengendali derivatif (Kd) memberikan efek meningkatnya stabilitas sistem,

mengurangi overshoot dan menaikkan respon transfer. (lihat lampiran grafik masing-

masing )

Referensi

- T. Kenjo, A. Sugawara, Stepping Motors and Their Microprocessor Controls, 2nd

Edition, Oxford University Press, Oxford, 2003.[2] P. Acarnley, Stepping Motors - A

guide to theory and practice, 4th Edition, The Institution of Electrical Engineers, London,

2002. (HELP SIMULINK MATLAB)

- http://www.coriza.net/2010/10/motor-dc-servo.html

- http://www.ilmu.8k.com/pengetahuan/stepper.htm

- http://elektronika-dasar.com/teori-elektronika/prinsip-kerja-motor-dc/

- http://syahwilalwi.blogspot.com/2010/07/simulasi-dan-pemodelan-motor-dc.html