KE DAFTAR ISI 144 ISSN 0216-3128 !!!!!!!! PEMBUATAN SIMULATOR SISTEM KENDALl ELEKTRON MBE Budi Santosa, Bud; Santo.~a, dkk. SUMBER Saminto PTAPB - BATAN ABSTRAK PEMBUATAN SIMULATOR SISTEM KENDALl SUMBER ELEKTRON MBE, Telah dibuat perangkat simulator sistem /rendati sumber elektron dari MBE (mesin berkas elektron). Perangkat tersebut digunakan untuk menguji algoritma /rendati, yang akan diimplementasikan pada sumber elektron. Rangkaian simulator terdiri atas motor DC terkopel dengan varia/(, yang dilengkapi penyearah tegangan DC sebagai penyedia tegangan filamen. Penggerak motor DC menggunakan metode chopper pada rangkaian H-hybrid, sedangkan sinyal chopper dihasilkan dari rangkaian PWM. Sistem simulator secara /reseluruhan terdiri atas PC, sistem antar muka, pembentuk tegangan dwi kutub, tegangan pembatik, komparator, optocoupler. Hasil pengamatan menunjukan adanya daerah mati, yang disebabkan torsi dari tegangan masukan tidak mampu mengatasi torsi sistem be ban dari motor DC. Dengan menggunakan pendekatan orde satu diperolehfungsi alih tetapan penguatan sebesar 2.937 dan tetapan waktu 0.556 . Dari hasil vatidasi model diperoleh /resalahan sebesar 0.0/6737. Adapun waktu mantap sistem sebesar 0.37 defile. Dengan demikian sistem dapat digunakan sebagai simulator sistem /rendali sumber elektron. Kata kunc;: chopper, PWM, vatidasi model, simulasi. ABSTRACT THE DESIGN OF SIMULATOR ELECTRON SOURCE CONTROL SYSTEM OF ELECTRON BEAM MACHINE. The simulator of electron source control system of electron beam machine has been made. The equipment is used for testing the control algorithm. which will be implemented on electron source control system. Simulator circuit is consisting of DC motor connected with regulator transformer that is provided with voltage rectifier as filament voltage source. DC motor driver used chopper method on h-hybrid circuit, whereas the chopper signal is resulted by PWM (pulse wave modulation) circuit. The complete simulator system is consisting of PC (personal compli/er), interfacing circuit, two poles voltage generator, inverse amplifier. optocoupler. The observation showed, there is a cut off region, it is because the torque of input voltage can not over come the load system torque of DC motor. By using the first order approximation the gain constant of transfer function is obtained 2.937 and the time constant is 0.556 second. The validation result of model is obtained 0.0/6737 of error value. Whereas the time responds is 0.37 second. It is concluded that the system can be used as simulator of electron source control system. PENDAHULUAN Simulator sistem kendali(MBE), sumber elektron dari mesin berkas elektron adalah perangkat uji algoritma kendali pad a sistem kendali sumber elektron. Hal tersebut dilakukan untuk menghindari kerusakan komponen MBE, akibat perubahanperubahan yang mendadak selama proses pengujian algoritma berlangsung. Penggunaan sistem kendali dalam sistem operasi sumber elektron MBE menjadi penting, karena dalam melakukan iradiasi dengan MBE diperlukan arus berkas yang stabil. Keadaan terse but akan menambah beban pekerjaan operator, jika tidak dibantu dengan perangkat penstabil sistem yang biasanya dikatakan sebagai sistem kendali. Penggunaan perangkat tersebut dimaksudkan, agar sumber elektron dapat digunakan secara optimal dan am an bagi operator [I]. Adapun Sistem kendali sumber elektron MBE, terdiri atas penyedia daya arus filament, sistem aktuator, sistem pengubah daya elektronik (power elektronic converterp·31, dan system kendali PID[4J. Secara blok diagram dapat ditunjukkan pad a Gambar 1. Didalam blok proses berisikan penyedia daya arus filament dengan nilai arus dapat divariasi dari 0 sampai dengan 20 A. Sinyal umpan balik diambil dari hasil pengukuran arus berkas elektron, yang dibandingkan dengan nilai setting point akan menghasilkan sinyal kesalahan. Didalam blok ken- Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006 ISSN 0216 - 3128 Bud; Sall(osa, dkk. dali PID sinyal kesalahan akan diubah menjadi sinyal kendali. Untuk dapat melakukan proses aksi pengendalian yang dilakukan oleh motor DC, maka sinyal kesalahan tersebut diperkuat didalam blok pengubah daya elektronik. Diantara motor DC dan rangkaian penyedia arus filament dihubungkan dengan tuas isolasi. Aksi kendali yang dilakukan motor DC adalah memutar posisi potensio pada rangkaian penyedia arus filament. Penggunaan motor DC dikarenakan mudah didalam pengendalian terutama sebagai kendali posisi. Didalam penelitian ini akan dibuat simulator sistem ktmdali sumber elektron MBE, yang nantinya dapat digunakan untuk mengamati konfigurasi optimal dan perilaku dari kendali PID, sebelum kendali tersebut digunakan dalam sistem kendali MBE. /45 dengan sistem orde satu. Dalam bentuk tertutup dapat dilihat pada Gambar 2. kalang Fungsi transfer sistem, C( s) = ----.!.. R(s) Ts + + K I (I) Adapun nilai K merupakan parameter penguatan, dan nilai T merupakan parameter tetapan waktu dari plan. Jika sistem mendapatkan masukan berupa fungsi langkah .!.. s maka fungsi transfer menjadi, C(s) = Ts +~ + TEOR! KG) (2) Bentuk di atas diuraikan untuk mendapatkan fungsi transfer dalam domain waktu, yaitu : Pemodelan Sistem Pemodelan sistem digunakan untuk men entukan parameter kendali seandainya pada sistem diperlukan sistem pengendalian. Pemodelan dilakukan dengan mengabaikan faktor peredaman sehingga fungsi alih motor DC dan -variak dapat didekati (3) Settirg part ! Si~ keOOaIi Sir?Jal Ln11ID balik Gambar IvIasukan 1. Diagram system kendali sumber * lit R(s) elektron. Keluaran K Ts+l Gambar 2. Diagram blok kalang tertutup C(s) sistem orde satu. Prosldlng PPI - PDlPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006 /46 ISSN 0216 - 3128 Transformasi laplace balik persamaan di atas, c(t) = ~ I+K _~ Keluaran sistem pada t ~ c(oo ) =-----e K K I+K I+K -00 I+K menyebabkan e _(';K} (4) =-K I+K coo () (5) Vo = Tim TO/I Pad a dasamya rangkaian chopper merupakan rangkaian konverter DC kontinyu ke DC pulsa. Tegangan DC keluaran adalah tegangan rata-rata yang variabel terhadap beban. Bentuk dasar rangkaian chopper ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3. Rangkaian dasar atau Vo = f X T,J1/ X Vi (6) Saklar yang dapat digunakan adalah transistor bipolar dan SCR[5]. Transistor digunakan pad a daya kecil atau sedang, sedangkan SCR digunakan untuk daya besar. Kelemahan SCR adalah tidak mampu bekerja pada tTekuensi tinggi. Kelemahan transistor adalah tidak mampu bekerja dengan daya besar tetapi dapat bekerja pad a frekuensi tinggi. chopper.IS) Tegangan Vi akan mengalir ke beban ketika saklar S tertutup dan terbebas dari beban ketika S terbuka. Peristiwa penutupan dan pembukaan ,: '(a) ~ I, , ' :::::i:::::;::::::--:,! ~. '! I I T:'lI! I Ton VI Gambar 4a menunjukan arus keluaran dari saklar selama perioda ON yang masuk ke induktor, sedangkan Gambar 4b menunjukan arus keluaran dari dioda Idyang berasal dari beban selama period a OFF. Gambar 4c mcnunjukan arus rata-rata yang dikenakan pada beban. R'\ Beban L + T,iff i Oieda i, V" Persamaan di atas menunjukan bahwa besamya tegangan keluaran rangkaian chopper bergantung pada pada duty cycle. Induktor • tegangan adapun : Vo = tegangan DC keluaran, Vi = tegangan DC masukan, Ton= lebar pulsa ON, ~1Jf" lebar f= tTekuensi pensaklaran. pulsa OFF, L iI, (chopped) dkk. Besamya tegangan keluaran rata-rata adalah, Rangkaian Chopper Vi tercacahnya SIlI/tO.WI, sehingga dihasilkan gelombang kotak. Gelombang kotak akan diubah menjadi tegangan DC dengan sedikit riak oleh induktor L. Induktor menyimpan energi selama perioda ON (Ton) dan menghantarkannya selama perioda OFF (Tol!). Pemasangan dioda memungkinkan arus mengalir ke L selama perioda OFF. 00, ma k a Bud; i , ; -- u::::--_::::u: miM UU (c) Gambar 4. Bentuk gelombang rangkaian chopper. Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006 - Irata Rangkaian chopper em pat kuadran seperti ditunjukkan pad a Gambar 5 dikenal juga dengan Hhybrid. Cara kerja rangkaian adalah sebagai berikut : Jika S I dan S3 tertutup (Gambar 5), maka arus akan mengalir melewati SI, motor DC dan S3. Motor DC bergerak ke .arah kanan. Jika S2 dan S4 tertutup, maka arus akan mengalir melewati 52, motor DC dan S4. Motor DC bergerak kearah kiri. VCC BAR 1 81 /47 ISSN 0216-3128 Bud; Santosa. dkk. r 1 82 MOTOR DC RANCANGAN Perancangan sistem kendali seperti Gambar I direalisasikan dalam diagram blok seperti pada Gambar 6. Blok diagram proses pad a Gambar I direalisasikan sebagai variak, transformator dan penyearah DC, didalam sumber elektron penyearah DC digunakan sebagai penyedia tegangan filamen. Pada simulator penyearah DC langsung diukur melalui sistem penapis lolos rendah (low pas filter), dan disimulasikan sebagai intensitas berkas. Sedangkan blok diagram pengubah daya elektronik direalisasikan dari blok penguat pembalik yang dilengkapi dengan rangkaian PWM (pulse wave modulator) dan rangkaian H-hybrid pada Gambar 6. Rangkaian PWM tersebut digunakan untuk menghasilkan sinyal chopper berdasarkan persamaan 6. Sedangkan blok antarmuka, terdiri atas blok PPI 8255, ADC dan DAC, penguat tegangan, dan pembentuk tegangan dwi kutub, dijelaskan sebagai berikut : Sistem antarmuka Gambar 5. Rangkaian Sistem antarmuka berfungsi menjembatani antara domain analog dan domain digital. Berdasarkan Gambar 6, sistem antarmuka terdiri atas PPI, ADC, clock, DAC dan penguat tegangan, seperti ditunjukkan pada Gambar 7. H hybrid. amain. na og : Pembentuk Tegangan Dwikutub PC Transformato r Gambar 6. Diagram bIok perancangan sistem kendaIi. Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta. 10 Juli 2006 148 ISSN 0216 - 3128 !!!!!!! Budi Santosa, dkk. I--------------·---··--------·-~ : Sistem antarmuka I I I I I: I I , Penguat: : III ~ : I Tegangan I: I Clock I: Pemb entuk :I tegangan dwikutub I , : I I II I I I +---i- Pembagi tegangan , I I L Gambar : 7. Diagram blok sistem antarmuka. Perancal)gan hubungan antara PC dan sistem antarmuka menggunakan port paralel printer mode EPP. Mode EPP adalah salah satu mode operasi yang telah distandardisasi oleh IEEE. Register data sebanyak 8 bit dapat dioperasikan secara bidirectional dengan cara mengatur bit kelima register kontrol. Pengoperasian port paralel printer mode EPP terdapat di perancangan perangkat lunak akuisisi data. PPI (Programmable peripheral interface) digunakan sebagai pengatur penggunaan register data port paralel oleh ADC atau ADC. Pengoperasian PPI didahului dengan melakukan inisialisasi. Inisialisasi merupakan proses pemberitahuan kepada PPI port mana yang berfungsi sebagai masukan, keluaran dan mode operasi yang digunakan. Pengoperasian PPI terdapat di perancangan perangkat lunak akuisisi data. ADC berfungsi sebagai konverter data analog menjadi data digital. Parameter perancangan ADC adalah kelinieran hubungan antara masukan dan keluaran dan resolusi. Semakin besar resolusi ADC, maka semakin kecil rentang data analog yang diwakili oleh data digital. ADC bekerja berdasarkan clock. ADC 0808 beroperasi pad a clock antara 640 kHz dan I MHz. Pengoperasian ADC terdapat di perancangan perangkat lunak akuisisi data. tegangan dua kutub yang simetris. Komponen utama pembentuk tegangan dwikutub adalah penguat operasional (op amp). Parameter op amp yang berpengaruh terhadap proses perancangan adalah tegangan offset keluaran dan penguatan tegangan. Tegangan offset keluaran (output offset voltage) adalah harga tegangan keluaran dari op amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan = O. Secara ideal, offset keluaran = OV. Akan tetapi, tegangan offset sedikit di atas 0 V akibat adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam kondisi praktis. Jika tidak menggunakan umpan balik, maka tegangan offset menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Op amp ideal memiliki penguatan kalang terbuka = -00. Penguatan tegangan berpengaruh terhadap penguatan yang dapat dilakukan pada proses perancangan. Semakin besar batas penguatan, maka semakin baik karakteristik kerjanya. Akan tetapi dalam penerapannya, tegangan keluaran tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan ke op amp. R2 R1 DAC berfungsi sebagai konverter data digital menjadi data digital. Keluaran DAC, yang masih kecil tegangannya, diperkuat oleh penguat tegangan. Parameter perancangan adalah kelinieran hubungan antara masukan dan keluaran dan resolusi. Vref Vout R1 Vin Pemhentuk Tegangan Dwikutuh Pembentuk tegangan membagi tegangan masukan dwikutub berfungsi satu kutub menjadi Gambar 8. Rangkaian dwikutub. Prosiding PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006 pembentuk tegangan ISSN 0216-3128 Bud; Santo1"a. dkk. 149 Rangkaian pembentuk tegangan dwikutub bekerja berdasarkan penguatan terhadap selisih antara V'"f dan Vi'" Jika V'"f lebih besar dari Vi" dengan selisih a, maka tegangan VUUI adalah, R2 = - - V RI (Jill a volt Mulal (7) Tanda minus menunjukan pembalikan polaritas. Hal tersebut terjadi karena Vref dilewatkan pada masukan pembalik op amp. Sebaliknya, jika Vi" lebih besar dari Vrcfdengan selisih b, maka tegangan VUfll adalah, R2 = - V RI (Jill b volt (8) Selesai V,ml tidak mengalami pembalikan polaritas tegangan. . penguatan tegangan. -R2 a da Ia h raslo Gambar 9. Siok dIagram algoritma RI Perancangan Perangkat Lunak Akuisisi Data Perancangan perangkat lunak akuisisi data berfungsi mengakuisisi data. Data yang diakuisisi adalah data melalui jalur data paralel printer yang dimodifikasi dengan PPI 8255, adapun algoritma program akuisisi data dapat dilihat pada Gambar 9. akuisisi data. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Sistem Antar Muka Grafik hasil akuisisi data menggunakan ADC 0808 ditunjukkan oleh Gambar 10. 250 =-200 ro .5 tfJ '-' ~ 150 U Q < c:: 100 ro 1-0 ro ::s v ~ 50 o 1 o 2 Tegangan (Volt) Gambar 10. Grafik akuisisi Data ADC0808. Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN Yogyakarta. 10 Juli 2006 3 4 150 ISSN 0216 - 3128 Berdasarkan Gambar 10, kesalahan statik, yaitu galat o./Jset, galat bati, galat nonlinieritas diferensial dan galat nonlinieritas integral, pada konverter ADC0808 tidak terukur. Hal tersebut dibuktikan o]eh kelinieran hubungan antara masukan dan keluaran ADC0808 dengan koefisien korelasi (R2) mendekati satu, yaitu 0,9998. Grafik hasil pengukuran data keluaran DAC 1408 ditunjukkan oleh Gambar II. 5 100 50 150 200 250 Masukan DAC (desimal) Gambar II. Grafik hubungan masukan keluaran DAC1408. dan Kesalahan statik DACI408 tidak terukur. Hal tersebut dibuktikan o]eh koefisien korelasi (R2) sarna dengan satu. Galat bati pada DAC direduksi oleh penempatan resistor 10 Kn pada penguat. Daeralt Kerja Motor DC Grafik daerah kerja motor DC dan variak ditunjukkan dalam Gambar 12. Bud; SUllln.m, dkk. Berdasarkan Gambar 12 diperoleh melalui pemberian masllkan langkah pada sistem lIntuk berbagai masukan dari 0 sampai 255, dalam fonnat desimal. Kemudian, kemiringan grafik diplot terhadap masukan. Cui off motor DC dalam format desimal adalah daTi 100 sampai 155. Dari hasil pengukuran langsung, cui off motor DC dari 0 sampai 2,5 volt. 0 volt dalam fonnat desimal adalah ]27,5, sedangkan 2,5 volt adalah 100 atau 155. Daerah kerja tersebut dipengaruhi oleh daya dan ITekuensi motor DC. Makin besar daya, makin kecil rentang daerah CUI off motor DC. Semakin besar ITekuensi, maka semakin kecil rentang daerah cuI off motor DC. Pengaruh daya terhadap daerah CIII C?ff lebih besar daripada pengaruh frekuensi sinyal osilator yang digunakan. Daerah Clit off (daerah mati) disebabkan oleh torsi dari tegangan masukan tidak mampu mengatasi torsi daTi sistem beban dari motor DC.!61 Dengan adanya daerah kerja tersebut menyebabkan system menjadi tidak linier, sehingga diperlukan usaha untuk meniadakannya antara lain dengan menambahkan limiter pada perangkat lunaknya. Ha] tersebut telah dilakuan pad a penggunaan motor DC sebagai kendali posisi scbagai penentu tegangan anoda akselerator implantasi ion dengan Kendali ]ogika samar (Fuzzy logic controller)'1I,.dengan hasil menunjukkan kendali ]ogika samara mampu memberikan respon yang cepat tanpa adanya overshoot serta mampu mananggapi perubahan setpoint dengan baik. Pemodelan S;stem Gambar 13 merupakan pemodelan yang di]akukan pada kalang tertutup dengan ITekllensi 700 Hz. Frekuensi 700 Hz adalah ITekuensi yang paling optimum, artinya motor DC bergerak dengan kecepatan paling tinggi. 20 -B ~ 15 10 5 J o 3(bO 6 -5 ~ -10 -15 Masukan (desimal) Gambar 12. Grafik hubungan antara patan motor DC. masukan dan gradien Prosiding PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006 kece- ISSN 0216 - 3128 Bud; Santosa, dkk. 151 1200 Se tp oin t 1DOO ~ ;!::I ~ ....., 0 BOO I=i ~ 0.600 ~ ~ 0.400 0,746 0200 0;37 ODOO o 0.1 02 0.3 0.4 05 0.6 0.7 OB O~ 1 Waktu (detik) Gambar 13. Tanggapan langkah kalang ter-tutup frekuensi 700 Hz. Perbandingan Gambar 13 dengan Gambar 2 berdasarkan persaman I menghasilkan, K -- I+K T = 0,746, atau K = 2,937, -- I+K = 0,141, atau T = 0,556 . Model yang dlperoleh adalah 2937 ' 0,556s + I sistem pada Validasi model Gambar 14. merupakan grafik perband ingan antara hasil validasi model dan hasil pengukuran. Perbedaan antara hasil pengukuran dan simulasi adalah 0,016737 atau 2,57%. dengan waktu mantap 0,37 detik. o .,eo 0 - i S,roo["nt ",--.G ~ 0.400 .?:./~ft1 1.000 ulas.iJ Has.il pe ngukuran 0000 ~ f- .-- 0.200 0.000. o Gambar 0.2 0.4 14. Perbandingan O.~ O.,e 1 1.2 Waktu (detik) antara basil pengukuran 1.4 1.~ 1.,e dan basil simulasi. Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006 152 ISSN 0216 - 3128 !!!!!!!!!!!! KESIMPULAN 7. Pada penggunaan motor DC sebagai kendali posisi akan diperoleh daerah cut off (daerah mati), yang disebabkan torsi dari tegangan masukan tidak mampu mengatasi torsi dari sistem beban dari motor DC. Dengan menggunakan pendekatan orde satu diperoleh fungsi alih tetapan penguatan sebesar 2.937 dan tetapan waktu 0.556 . Dari hasil validasi model diperoleh kesalahan sebesar 0.016737. Adapun waktu man tap sistem sebesar 0.37 detik. Dengan demikian sistem dapat digunakan sebagai simulator sistem kendali sumber elektron. Budi SUl/tO,fa, dkk. BUD I SANTOSA, dkk., Aplikasi pengenda/ian Logika Samar (FLC) Un/Ilk Kendali Posisi Motor DC sebagai Penentu Tegangan Anoda Akselerator Implan/or Ion, Prosiding Pertemuan dan Presentasi I1miah Teknologi Akselerator dan Aplikasi ke VIII, Yogyakarta 2005. TANYAJAWAB Taufik - Bagaimana cara menghilangkan death zone pada motor DC?, menggunakan metoda apa ? ACUAN 1. 2. SUDJA TMOKO, Kajian Teknis Pembangunan Laboratorium Akselerator di Pusat Penelitian Nuklir Yogyakarta, Prosiding Pertemuan dan Presentasi I1miah Teknologi Akselerator dan Aplikasi, Yogyakarta 1998. MOHAN, dkk., Power electronic, Converter, Application, and Design, John Wiley & Sons. Inc. 2003. 3. BORDRY, F.,"Power Converters: Defini-tions and Classifications", http://cas.web.cem.ch/ cas/Warrington/PDF/Bordrvl.pdf. 4. OGATA, K., Teknik Kendali Automatis, Jilid I dan 2, Erlangga, Jakarta 1997. Budi Santosa - Dihilangkan secara perangkat menggunakan algoritma limiter. lunak, dengan Saefurrochmad - Bagaimana cara mencari fungsi transfer? - Apakah semua parameter dimasukkan Budi 5. BOLDEA. I. Dkk., Electric Drives, CRC Press,' Washington, D.C. 1999. 6. D'SOUZA, A.F., Design of Control System, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988. - Dengan menggunakan pendekatanfungsi transfer orde satu pada kalang tertutup, kemudian terminal masukan diberi sinyal step. Adapun parameter yang dicari yaitu nilai K (faktor panguatan) dan T (tetapan waktu) dari proses (sistem). KE DAFTAR ISI Prosldlng PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Jull 2006