Pengontrolan dan Monitoring Kecepatan Motor DC

PENGONTROLAN DAN MONITORING KECEPATAN MOTOR DC
MENGGUNAKAN RADIO FREKUENSI
Ali Basrah Pulungan*, Aswardi, Megia Dugusra
Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang
Email: *) [email protected]
Abstrak
Motor dc merupakan jenis motor yang banyak digunakan di dunia industri dan sebagai komponen pendukung untuk
beberapa peralatan produksi. Jarak motor dc yang berjauhan tidak memungkinkan pengamatan langsung. Saat ini
pengontrolan dan pemantauan kecepatan motor dc masih dilakukan dari dekat atau dengan menggunakan kabel kontrol
yang disambungkan ke ruang kontrol. Hal ini kurang efektif karena membutuhkan kabel yang panjang. Berdasarkan hal
tersebut, maka dirancang dan dibuat alat pengontrolan dan monitoring kecepatan motor dc menggunakan radio
frekuensi. Proses pengaturan kecepatan motor dc magnet permanen dilakukan berdasarkan input nilai kecepatan
menggunakan keypad sebagai nilai set point. Kemudian untuk melakukan pengukuran kecepatan motor digunakan
optocoupler. Pembacaan nilai kecepatan dari optocoupler akan dikirimkan ke mikrokontroller ATmega32
menggunakan Bluetooth HC-05. Nilai ini akan diproses dan dibandingkan dengan nilai set point dan ditampilkan ke
LCD. Pengujian sistem pengontrolan dan monitoring kecepatan motor dc dilakukan sampai kecepatan putaran 2473 rpm
pada tachogenerator, 2460 rpm penunjukan pada alat yang dibuat, tegangan sumber 11,7 V dengan lebar pulsa 0,9.
Berdasarkan hasil pengujian terlihat kecepatan motor akan berubah berdasarkan perubahan nilai tegangan sumber (Vs)
yang dihasilkan oleh mosfet, perubahan tegangan sumber dipengaruhi oleh besar kecilnya lebar pulsa yang dihasilkan
melalui swiching mosfet. Semakin besar tegangan sumber yang masuk ke motor dc maka semakin besar kecepatan
motor, sebaliknya semakin kecil tegangan sumber yang diberikan maka semakin kecil kecepatan motor.
Keywords; motor dc; bluetooth; optocoupler; mikrokontroller
1. Pendahuluan
Motor listrik berdasarkan jenis arusnya terdiri dari motor
arus bolak balik (ac) dan motor arus searah (dc). Motor
dc termasuk dalam kategori jenis motor yang cukup
banyak digunakan di industri, peralatan rumah tangga
hingga mainan anka-anak maupun sebagai piranti
pendukung sistem instrumentasi elektronik.
Pengontrolan pada motor dc dapat dilakukan dengan
mengatur tegangan terminal dan tegangan eksitasi,
umumnya pengaturan ini dilakukan melalui panel panel
kontrol yang berdekatan dengan motor dc tersebut.
Permasalahan akan muncul, jika motor dc yang akan
dikontrol berada pada jarak yang jauh atau relatif jauh.
Tidak hanya pada pengontrolannya tetapi juga
monitoringnya. Dengan jarak motor dc yang berjauhan
tidak memungkinkan suatu pengamatan langsung
dilakukan. Keadaan tertentu, seperti lingkungan yang
ekstrim atau pada suatu tempat yang jauh sering kali tidak
dapat dilakukan pengamatan atau pengukuran secara
langsung. Kendala pengukuran pada tempat yang tidak
terjangkau tersebut dapat diatasi dengan menggunakan
metode pengukuran jarak jauh.
Salah satu cara untuk mengatasi hal tersebut, yaitu dengan
menggunakan radio frekuensi. Radio Frekuensi adalah
tingkat osilasi dalam kisaran sekitar 3 kHz sampai 300
GHz, yang sesuai dengan frekuensi dari gelombang radio,
dan arus bolak-balik yang membawa sinyal radio. Radio
frekuensi diletakan di dekat motor dan di alat yang
portable.
Penggunaan radio frekuensi pada pengontrolan motor dc
memungkinkan operator dapat mengontrol dari jarak jauh,
tidak memerlukan kabel yang panjang dan menghemat
biaya.
2. Teori Singkat
Sistem Kontrol
Sistem kendali adalah hubungan antara komponen yang
membentuk sebuah konfigurasi sistem yang akan
menghasilkan tanggapan sistem yang diharapkan [1].
Sistem kendali dapat dipandang sebagai sistem satu
masukan atau beberapa masukan tertentu digunakan untuk
mengendalikan keluarannya pada nilai tertentu. Tujuan
utama dari sistem pengendalian adalah untuk
mendapatkan optimasi, hal ini dapat diperoleh sesuai
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.27
Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
fungsi dari sistem kendali itu sendiri, yaitu: pengukuran
(measurement),
membandingkan
(comparison),
pencatatan dan perhitungan (computation), serta
perbaikan (correction).
Sistem Kendali Loop Terbuka
Sistem kendali loop terbuka adalah sistem yang
keluarannya tidak berpengaruh pada aksi pengontrolan,
sehingga pada sistem kendali terbuka, keluaran tidak
diukur atau diumpan-balikkan untuk dibandingkan
dengan masukan. Kendali loop terbuka ini digambarkan
seperti di bawah ini.
Masukan
Keluaran
Plant
atau Proses
Gambar 1. Blok Diagram Sistem Kendali LoopTerbuka
karena kopel itu berayun antara nilai maksimum dan nol.
Kumparan-kumparan tersebut dihubungkan dengan lamel
tersendiri pada komutator sehingga motor arus searah
tidak berbeda dengan generator arus searah [2].
Mengacu pada hukum kekekalan energi, energi listrik
dapat diperoleh dari hasil penjumlahan energi mekanik,
energi panas, dan energi di dalam medan magnet. Di
dalam medan magnet akan dihasilkan kumparan medan
dengan kerapatan fluks sebesar B dengan arus I serta
panjang konduktor L sehingga diperoleh gaya sebesar F,
dengan persamaan sebagai berikut:
= . .
(1)
Motor dc magnet permanen adalah motor dengan medan
magnet di dalam stator dihasilkan oleh medan magnet
permanen. Kekuatan medan magnet itu terbatas sehingga
membatasi besar torsi yang dihasilkannya. Rangkaian
ekivalen motor DC magnet permanen ditunjukkan pada
Gambar 3.
Sistem Kendali Loop Tertutup
Sistem kendali loop tertutup adalah sistem kendali yang
sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada
aksi pengendalian. Sistem kendali loop tertutup
merupakan sistem kendali yang berumpan-balik (dapat
digambarkan dibawah ini).
Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Motor DC Magnet
Permanen [3]
Gambar 2 menunjukan hubungan masukan dan keluaran
sistem kendali loop tertutup.
Sistem kendali loop tertutup ini dilengkapi dengan
penggunaan umpan balik yang membuat respon sistem
yang relatif kurang peka terhadap gangguan eksternal dan
perubahan internal pada parameter sistem.
Motor DC
Motor arus searah (dc) adalah suatu mesin yang berfungsi
untuk mengubah energi listrik arus searah menjadi gerak
atau energi mekanik. Konstruksi dasar motor dc terdiri
dari 2 bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor adalah
bagian yang berputar atau armature, berupa koil dimana
arus listrik dapat mengalir. Stator adalah bagian yang
tetap dan menghasilkan medan magnet dari koilnya.
Prinsip Kerja Motor dc
Prinsip kerja motor dc adalah jika ada kumparan dilalui
arus maka pada kedua sisi kumparan akan bekerja gaya
Lorentz. Aturan tangan kiri dapat digunakan untuk
menentukan arah gaya Lorentz, gaya jatuh pada telapak
tangan, jari-jari yang direntangkan menunjukkan arah
arus, ibu jari yang direntangkan menunjukkan arah gaya.
Kedua gaya yang timbul merupakan sebuah kopel. Kopel
yang dibangkitkan pada kumparan sangat tidak teratur
dengan
= Tegangan armature (Volt)
= Arus motor (A)
= resistansi armature (Ohm)
= induktansi lilitan armature (Henry)
= tegangan induksi balik (Volt)
= torsi motor (Nm)
= kecepatan putar motor (rad/det)
= sudut putaran poros motor ( 0 )
Persamaan tegangan adalah,
=
+
+
(2)
Dengan
adalah konstanta yang diukur dari tegangan
yang dihasilkan oleh motor ketika berputar setiap satuan
kecepatan (Volt.det/rad).
Pengaturan Kecepatan Motor dc
Motor dc magnet permanen dapat berputar apabila ada
arus yang mengalir pada kumparan jangkar sehingga
menimbulkan fluks jangkar. Fluks jangkar tersebut
berinteraksi dengan fluks magnet utama yang
menghasilkan gaya untuk memutar jangkar (torsi) [4].
Arah dari putaran jangkar tersebut tergantung dari arah
arus electron yang mengalir pada kumparan jangkar.
Pengaturan kecepatan memegang peranan penting dalam
motor dc, karena motor dc mempunyai karakteristik kopel
kecepatan yang menguntungkan dibandingkan dengan
motor lainya. Untuk motor DC pengaturan kecepatan
dapat dirumuskan sebagai berikut:
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.28
Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
=
.
Dimana:
(3)
Vs : Tegangan Sumber (Volt)
IA : Arus jangkar motor (A)
RA : Hambatan jangkar motor (Ohm)
K : Konstanta motor
∅
programmable Watchdog Timer, dan mode power saving.
Beberapa diantaranya mempunyai ADC dan PWM
internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable
Flash on – chip yang mengijinkan memori program untuk
diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan
serial SPI.
: Fluk magnet yang terbentuk pada motor
(Wb)
Pengaturan kecepatan motor DC dapat dilakukan dengan
cara diantaranya:
a. Pengaturan
kecepatan
dengan
b.
Mengatur Medan Shunt
Pengaturan
kecepatan
motor
dengan mengatur tegangan sumber
Vs
Driver Motor
Driver Motor Menggunakan Rangkaian H-Bridge yaitu
rangkaian yang berfungsi untuk membalik kecepatan
motor dan untuk mengontrol kecepatan motor. Driver
motor ini menggunakan prinsip kerja dc choppers step
down tegangan keluaran (Vout) tidak akan lebih besar
dari tegangan masukan (Vin). Maka output tegangan dan
arus dapat dirumuskan sebagai berikut :
Gambar 4. Pin-pin Atmega32 [5]
(4)
(5)
(6)
Arus Output :
(7)
(8)
Keterangan :
Vout = Rata-rata tegangan keluaran
Vin = Tegangan masukan pada driver
Ton = kondisi ON mosfet
Toff = kondisi off Mosfet
d
= duty cyle
R
= Tahanan
Iout = Rata-rata arus keluaran
Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah singel chip yang memiliki
kemampuan untuk diprogram dan dirancang khusus untuk
aplikasi kontrol serta dilengkapi dengan ROM, RAM dan
fasilitas I/O pada satu chip.
Mikrokontroler Atmega32
AVR merupakan seri mikrokontroller CMOS 8 bit buatan
Atmel, berbasis RISC (Reduced Instruction Set
Computer). Hampir semua instruksi dieksekusi dalam
satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general–
purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare,
interrupt internal dan eksternal, serial UART
Gambar 5. Blok diagram mikrokontroller ATMega32[5]
Optocopler
Optocoupler adalah suatu piranti yang terdiri dari 2
bagian yaitu transmitter (pengirim) dan receiver
(penerima). Optocoupler merupakan gabungan dari LED
infra merah dengan phototransistor yang terbungkus
menjadi satu chips. Phototransistor memiliki bahan utama
yaitu germanium atau silikon yang sama dengan bahan
pembuat transistor. Tipe phototransistor juga sama
dengan transistor pada umumnya yaitu PNP dan NPN.
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.29
Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
Blok Diagram Alat
Blok diagram perancangan alat ini merupakan suatu
pernyataan gambar yang ringkas, dari gabungan sebab
dan akibat antara masukan dan keluaran dari sistem.
Gambar 6. Optocoupler [6]
Bluetooth HC-05
Modul Bluetooth adalah suatu perangkat yang berfungsi
sebagai media penghubung antara smartphone android
dengan mikrokontroller yang sudah tertanam modul
bluetooth tersebut [2]. Dalam hal ini Modul bluetooth
yang digunakan adalah modul bluetooth HC-05 yang
merupakan modul komunikasi nirkabel pada frekuensi 2.4
GHz dengan koneksi hanya sebagai slave dan tidak dapat
bertindak sebagai master. Sangat mudah digunakan
dengan mikrokontroler untuk membuat aplikasi wireless.
Konfigurasi PIN bluetooth HC-05 dapat dilihat pada
gambar di bawah ini:
Gambar 8. Blok Diagram Utama Pengontrolan Kecepatan
Motor DC dengan Bluetooth HC-05
Perancangan Hardware
Perancangan hardware merupakan suatu tahapan atau
proses dalam pembuatan suatu perangkat keras.
Perancangan ini bertujuan untuk memudahkan serta
mengurangi tingkat kesalahan dalam membuat perangkat
keras sehingga mendapatkan hasil yang optimal. Pada
perancangan hardware alat ini meliputi perancangan
pengontrolan dan monitoring kecepatan motor DC
menggunakan radio frekuensi.
Gambar 7. Konfigurasi Pin Bluetooth HC-05 [7]
Bahasa pemrograman
Bahasa pemrograman adalah suatu perangkat lunak dan
bahasa yang digunakan untuk membuat program-program
komputer atau sering disebut sebagai bahasa komputer.
BASCOM merupakan suatu basic compiler yang
dikembangkan dalam MCS Elektronik. BASCOM-AVR
adalah basic compiler yang mendukung mikrokontroler
keluaraga AVR yang menggunakan sistem STK200/300,
dan dapat diprogram secara ISP progaramer pada
mikrokontroler Atmel seri AVR.
3. Metode Perancangan
Berdasarkan proses kerja sistem, pengontrolan dan
monitoring kecepatan motor dc yang dirancang
menerapkan sistem kendali loop tertutup. Sisi masukan
adalah keypad yang berfungsi untuk memasukan nilai
kecepatan motor dc, bagian proses dilaksanakan
mikrokontroler ATMega32 yang berfungsi untuk
mengontrol nilai kecepatan motor DC, bagian keluaran
yaitu LCD yang berfungsi untuk menampilkan nilai
kecepatan putaran, bagian umpan balik yaitu optocoupler
yang berfungsi untuk membaca nilai kecepatan motor dc.
Pengendalian motor dc jarak jauh dihubungkan melalui
bluetooth HC-05, motor dc yang digunakan adalah motor
dc magnet permanen.
Gambar 9. Perancangan Pengontrolan Kecepatan Motor
DC
Gambar 10. Rancangan Remot Monitoring
Untuk perancangan rangkaian elektronik, meliputi
rangkaian sistem minimum ATMega8, sistem minimum
ATMega 32, tombol, rangkaian LED indikator, rangkaian
bluetooth, dan rangkaian catu daya (power supply).
Gambar 11. Rangkaian Sistem Minimum ATMega32
ISBN 978-979-097-420-3
Proceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.30
Departemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016
kecepatan putaran akan sebanding dengan besarnya
besaran variabel tersebut. Dengan demikian jika tegangan
dibuat variabel dan besaran lainya dibuat tetap maka,
besarnya tegangan akan berbanding lurus dengan
kecepatan putaran. Hal ini dapat dilihat pada gambar 13.
3000
Gambar 12. Rangkaian Skematik Power Supplay
2500
4. Hasil Pengujian
Pengujian dilakukan dengan cara menghubungkan alat
dengan sumber tegangan jala-jala 220VAC. Pengujian
alat ini dilakukan terpisah atau secara bergantian agar
lebih mudah dalam pengukuran tegangan masing-masing
komponen. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian
hardware dan software.
Tabel 1. Hasil Pengujian pengaturan kecepatan motor
Lebar
pulsa
Vs
(V)
Kecepatan(rpm)
Menggunakan
tachometer
Kecepatan(rpm)
Menggunakan
Alat yg dibuat
0.1
1.3
144
180
0.2
2.6
479
480
0.3
3.9
615
720
0.4
5.2
1018
1020
0.5
6.5
1377
1380
0.6
7.8
1674
1680
0.7
9.1
2040
2022
0.8
10.4
2230
2220
0.9
11.7
2473
2460
Dari tabel 1. terlihat bahwa kecepatan motor akan
berubah berdasarkan perubahan nilai tegangan sumber
(Vs) yang dihasilkan oleh mosfet, perubahan tegangan
sumber dipengaruhi oleh besar kecilnya lebar pulsa yang
dihasilkan melalui swiching mosfet. Hal ini sesuai dengan
persamaan (4) dan (5), bahwa lebar pulsa PWM yang
dinyatakan dalam duty cycle dapat dirubah rubah secara
linier yang menyebabkan tegangan berubah.
Perubahan nilai tegangan sumber akan mengakibatkan
terjadinya perubahan kecepatan putaran motor dc
sebagaimana terlihat pada persamaan (3). Sehingga
berdasarkan persamaan tersebut, putaran kecepatan motor
akan dipengaruhi oleh tegangan motor, arus jangkar,
tahanan jangkar dan medan magnet. Jika salah satu
besaran dibuat variabel dengan besaran lain tetap maka
2000
n (rpm)
Bahagian akan dijelaskan mengenai cara pengujian dari
perangkat keras (hardware) yang meliputi model mekanik
dan rangkaian elektronik. Dari pengujian ini akan
didapatkan data-data bahwa perangkat keras yang telah
dibuat bisa bekerja dengan baik dan dapat digabungkan
dengan perangkat lunak (software).
1500
1000
500
0
0
5
10
15
Vs (V)
Gambar 13. Grafik hubungan kecepatan (n) terhadap
tegangan sumber (Vs)
5. Kesimpulan
Berdasarkan hasil pengujian alat maka dapat diambil
beberapa kesimpulan yaitu;
1. Hasil pengujian alat pengontrolan dan monitoring
kecepatan motor DC mengunakan radio frekuensi
mampu berputar sampai 2400 rpm dengan mengatur
tegangan sumber yang masuk ke motor DC sesuai
dengan karaktristik pengaturan kecepatan motor dc
2. Kecepatan diatur dengan pengaturan lebar pulsa
menggunakan mikrokontroller, semakin besar lebar
pulsa maka semakin besar tegangan yang dkeluarkan,
dan ini mempengaruhi kecepatan motor.
3. Hasil pengujian rangkaian driver motor DC pada saat
lebar pulsa 0.1, nilai kecepatan motor DC yang
terbaca pada alat dan pada tachometer mempunyai
error 25% ini disebabkan oleh arus starting motor DC.
Referensi
[1] Bolton, W., Sistem Instrumentasi sistem kontrol, Jakarta:
Erlangga, 2006, pp.86
Widodo., Robotika Teori Implementasi.
Yogyakarta: Andi Offset, 2010, pp. 46-86
Pitowarno, Endra., Robotika: Disain, Kontrol, dan
Kecerdasan Buatan. Yogyakarta: Andi Offset, 2006, pp.
76.
Fitzgerald, dkk. Mesin-mesin Listrik. Jakarta: Erlangga,
1992,pp.77
Datasheet ATMega32. www.alldatasheet.com.
Datasheet Optocoupler. http://category.alldatasheet.com.
Datasheet Bluetooth HC-05. http://www.webcrawler.com.
[2] Budiharto,
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
ISBN 978-979-097-420-3