Gambar 2.1 Sensor TCRT5000

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
SENSOR
Sensor merupakan transducer yang digunakan untuk mendeteksi
kondisi suatu proses. Sedangkan yang dimaksud transducer adalah
perangkat keras untuk mengubah informasi suatu bentuk energi ke
informasi bentuk energi yang lain secara operasional. Sensor memiliki
berapa jenis sesuai dengan aplikasi yang dibutuhkan.
Dalam pembuatan robot pengantar barang ini menggunakan
berapa sensor, diantaranya adalah sensor TCRT 5000.
2.1.2 Sensor TCRT5000
Prinsip sensor TCRT5000 adalah mendeteksi warna berdasarkan
penyerapan warna dan intensitas pematulan sinar infra merah yang
dipancarkan oleh transmiter (IR led) dan diterima oleh receiver (foto
transistor). Dari perbedaan identitas tersebut digunakan sebagai bias
pada basis foto transistor yang terkandung didalam sensor TCRT5000.
Untuk lebih jelas perhatikan pada gambar 2.1
5
6
Gambar 2.1 Sensor TCRT5000
2.2
LIMIT SWITCH
Limit Switch merupakan sensor yang prinsip kerjanya menyerupahi
saklar. Limit Switch mememiliki dua keadaan normal yaitu normally open
dan Normally Close. Normally Open yaitu pada keadaan tidak aktif Switch
berada pada keadaan terbuka, Normally Close yaitu keadaan tidak aktif
Switch berada pada keadaan terbuka.
(a) simbol kontak normally open
(b) simbol kontak normally close
Gambar 2.2 Limit Switch
7
2.3
PUSH BUTTON.
Push Button untuk tombol seting enteri parameter PID, tomobol
skip, tombol up down, tombol enter.
Gambar 2.3 Push Button
Tombol tekan merupakan komponen control yang sangat berguna,
alat ini dapat kita jumpai pada panel listrik atau di luar panel listrik. Fungsi
tombol tekan adalah untuk mengontrol kondisi on atau off rangkaian listrik,
prinsip kerja tombol tekan adalah kerja sesaat maksudnya jika tombol kita
tekan sesaat maka akan kembali pada posisi semula.
Berdasarkan fungsinya tombol tekan terbagi atas 3 tipe kontak :
a. Kontak NO (Normally Open = Kondisi terbuka)
Tombol jenis ini biasanya digunakan untuk menghubungkan arus
pada suatu rangkaian Kontrol atau sebagai tombol start. Fungsi
mengalirkan arus pada tombol ini terjadi apabila pada bagian knop
nya ditekan sehingga kontaknya saling terhubung dan aliran listrik
akan terputus apabila knopnya dilepas karena terdapat pegas.
8
b. Kontak NC (Normally Close = Kondisi Tertutup)
Tombol jenis ini adalah jenis kontak tertutup biasanya di gunakan
untuk memutus arus listrik yaitu dengan cara menekan knopnya
sehingga kontaknya terpisah, namun kalau knop di lepas maka
akan kembali pada posisi semula. Tombol jenis ini digunakan untuk
tombol stop.
c. Kontak NO dan NC
Kontak pada tombol tekan jenis ini merupakan gabungan antara
kontak NO dan kontak NC, mereka bekerja secara bersamaan
dalam satu poros. Jika tombol di tekan maka kontak NO yang
semula terbuka (open) dan kontak NC yang terhubung (close) akan
berbalik arah yaitu Kontak NO akan menjadi terhubung (close) dan
Kontak NC akan menjadi terbuka (open). Jika knop pada tombol di
lepaskan maka akan kembali ke posisi semula
2.4
SENSOR OPTOCOUPLER
Sensor Optocoupler digunakan untuk menghitung kecepatan dari
motor dc.
Dengan mengetahui prinsip dari Optocoupler ini maka harus
dibuat penghalang antara transistor dan LED, pada penghalang itu
diberi lubang. Ketika berputar output dari transistor akan mengalami
high dan low.
9
Gamabr 2.4 Sensor Optocoupler.
2.5
MIKROKONTROLLER
Mikrokontroller
merupakan
contoh
suatu
sistem
komputer
sederhana yang masuk dalam kategori embedded komputer. Di dalam
sebuah mikrokontroller terdapat komponen-komponen seperti: processor,
memory, clock, peripheral I/O, dll. Mikrokontroller memiliki kemampuan
manipulasi data (informasi) berdasarkan suatu urutan instruksi (program)
yang dibuat oleh programmer. Mikrokontroller adalah piranti elektronik
yang dikemas dalam bentuk sebuah IC (Integrated Circuit) tunggal,
sebagai bagian utama dan beberapa peripheral lain yang harus
ditambahkan, seperti kristal dan kapasitor.
Mikrokontroller AVR memiliki arsitektur RISC 8 Bit, sehingga semua
instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits word) dan sebagian besar
instruksi dieksekusi dalam satu siklus instruksi clock. Bandingkan dengan
instruksi keluarga MCS-51 (arsitektur CISC) yang membutuhkan siklus 12
clock. RISC adalah Reduced Instruction Set Computing sedangkan CISC
adalah Complex Instruction Set Computing.
10
AVR dikelompokkan kedalam 4 kelas, yaitu ATtiny, keluarga
AT90Sxx, keluarga ATmega, dan keluarga AT86RFxx. Dari kesemua
kelas yang membedakan satu sama lain adalah ukuran onboard memori,
on-board peripheral dan fungsinya. Dipilih Atmega8535 karena populasi
yang banyak, sehingga ketersediaan komponen dan referensi penunjang
lebih terjamin.
Tabel 2.1 Perbandingan Spesifikasi dan Fitur Keluarga AVR
Keterangan:
a. Flash adalah suatu jenis Read Only Memory yang biasanya diisi
dengan program hasil perencanaan, yang harus dijalankan oleh
mikrokontroler.
b. RAM
(Random
membantu
CPU
Acces
untuk
Memory)
merupakan
penyimpanan
data
pengolahan data ketika program sedang running.
memori
yang
sementara
dan
11
c. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)
adalah memori untuk penyimpanan data secara permanen oleh
program yang sedang running.
d. Port I/O adalah kaki untuk jalur keluar atau masuk sinyal sebagai
hasil keluaran ataupun masukan bagi program.
e. Timer
adalah
modul
dalam
hardware
yang
bekerja
untuk
menghitung waktu/pulsa.
f. UART (Universal Asynchronous Receive Transmit) adalah jalur
komunikasi data khusus secara serial asynchronous.
g. PWM (Pulse Width Modulation) adalah fasilitas untuk membuat
modulasi pulsa.
h. ADC (Analog to Digital Converter) adalah fasilitas untuk dapat
menerima sinyal analog dalam range tertentu untuk kemudian
dikonversi menjadi suatu nilai digital dalam range tertentu.
i. SPI (Serial Peripheral Interface) adalah jalur komunikasi data
khusus secara serial secara serial synchronous
j. ISP
(In System Programming)
adalah kemampuan
khusus
mikrokontroler untuk dapat diprogram langsung dalam sistem
rangkaiannya dengan membutuhkan jumlah pin yang minimal
12
2.5.1 Arsitetur Atmega 8535
a. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port
D.
b. ADC 10 bit sebanyak 8 Channel.
c. Tiga buah timer / counter.
d. 32 register.
e. Watchdog Timer dengan oscilator internal.
f. SRAM sebanyak 512 byte.
g. Memori Flash sebesar 8 kb.
h. Sumber Interrupt internal dan eksternal.
i. Port SPI (Serial Peripheral Interface).
j. EEPROM on board sebanyak 512 byte.
k. Komparator analog.
l. Port USART (Universal Shynchronous Ashynchronous Receiver
Transmitter).
2.5.2 Fitur Atmega 8535
a. Sistem processor 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal
16 MHz.
b. Ukuran memory flash 8KB, SRAM sebesar 512 byte, EEPROM
sebesar 512 byte.
c. ADC internal dengan resolusi 10 bit sebanyak 8 channel.
13
d. Port komunikasi serial USART dengan kecepatan maksimal 2.5
Mbps.
e. Mode Sleep untuk penghematan penggunaan daya listrik.
2.5.3 Konfigurasi Pin Atmega 8535
a. VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai pin masukan catu
daya.
b. GND merupakan pin Ground.
c. Port A (PA0...PA7) merupakan pin I/O dan pin masukan ADC.
d. Port B (PB0...PB7) merupakan pin I/O dan pin yang mempunyai
fungsi khusus yaitu Timer/Counter, komparator Analog dan SPI.
e. Port C (PC0...PC7) merupakan port I/O dan pin yang mempunyai
fungsi khusus, yaitu komparator analog dan Timer Oscillator.
f. Port D (PD0...PD1) merupakan port I/O dan pin fungsi khusus yaitu
komparator analog dan interrupt eksternal serta komunikasi serial.
g. RESET
merupakan
pin
yang
digunakan
untuk
mereset
mikrokontroler.
h. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal.
i. AVCC merupakan pin masukan untuk suplai tegangan ADC.
j. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi untuk ADC
14
Gambar 2.5 Pin-out Atmega 8535
15
2.5.4 Tabel Pin Atmega 8535
Berikut ini adalah tabel penjelasan mengenai pin yang terdapat
pada mikrokontroler ATMega8535:
Vcc
Tabel 2.2 Pin Atmega 8535
Tegangan suplai (5 volt)
GND
Ground
Input reset level rendah, pada pin ini selama lebih dari
panjang pulsa minimum akan menghasilkan reset
walaupun clock sedang berjalan. RST pada pin 9
RESET
merupakan reset dari AVR. Jika pada pin ini diberi
masukan low selama minimal 2 machine cycle maka
sistem akan di-reset
XTAL 1
Input penguat osilator inverting dan input pada rangkaian
operasi clock internal
XTAL 2
Output dari penguat osilator inverting
Pin tegangan suplai untuk port A dan ADC. Pin ini harus
Avcc
dihubungkan ke Vcc walaupun ADC tidak digunakan, maka
pin ini harus dihubungkan ke Vcc melalui low pass filter
Aref
pin referensi tegangan analog untuk ADC
pin untuk analog ground. Hubungkan kaki ini ke GND,
AGND
kecuali jika board memiliki analog ground yang terpisah
16
2.5.5 Penjelasan Pin Mikrokontroller Atmega 8535.
Berikut ini adalah penjelasan dari pin mikrokontroler ATMega 8535
menurut port-nya masing-masing:
a. Port A.
Pin33 sampai dengan pin 40 merupakan pin dari port A. Merupakan
8 bit directional port I/O. Setiap pin-nya dapat menyediakan internal
pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer port A dapat
memberi arus 20 mA dan dapat mengendalikan display LED secara
langsung. Data Direction Register port A (DDRA) harus di-setting
terlebih dahulu sebelum port A digunakan. Bit-bit DDRA diisi 0 jika
ingin memfungsikan pin-pin port A yang disesuaikan sebagai input,
atau diisi 1 jika sebagai output. Selain itu, pin-pin pada port A juga
memiliki fungsi-fungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat
dalam tabel:
Pin
Tabel 2.3 Penjelasan Pin Pada Port A
Keterangan
PA.7
ADC7 (ADC Input Channel 7)
PA.6
ADC6 (ADC Input Channel 6)
PA.5
ADC7 (ADC Input Channel 5)
PA.5
ADC4 (ADC Input Channel 4)
PA.3
ADC3 (ADC Input Channel 3)
PA.2
ADC2 (ADC Input Channel 2)
17
PA.1
ADC1 (ADC Input Channel 1)
PA.0
ADC0 (ADC Input Channel 0)
b. Port B.
Pin 1 sampai dengan pin 8 merupakan pin dari port B. Merupakan 8
bit directional port I/O. Setiap pin-nya dapat menyediakan internal
pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer port B dapat
memberi arus 20 mA dan dapat mengendalikan display LED secara
langsung. Data Direction Register port B (DDRB) harus di-setting
terlebih dahulu sebelum port B digunakan. Bit-bit DDRB diisi 0 jika
ingin memfungsikan pin-pin port B yang disesuaikan sebagai input,
atau diisi 1 jika sebagai output. Selain itu, pin-pin port B juga
memiliki fungsi-fungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat
dalam tabel:
Pin
Tabel 2.4 Penjelasan Pin Pada Port B
Keterangan
PB.7
SCK (SPI Bus Serial Clock)
PB.6
VISO (SPI Bus Master Input/Slave Output)
PB.5
VOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input)
PB.4
SS (SPI Slave Select Input)
AIN1 (Analog Comparator Negative Input)OCC
PB.3
(Timer/Counter0 Output Compare Match Output)
18
AIN0 (Analog Comparator Positive Input)INT2 (External
PB.2
Interrupt2 Input)
PB.1
T1 (Timer/Counter1 External Counter Input)
T0 (Timer/Counter0 External Counter Input)XCK (JSART
PB.0
External Clock Input/Output)
c. Port C.
Pin 22 sampai dengan pin 29 merupakan pin dari port C. Port C
sendiri merupakan port input atau output. Setiap pin-nya dapat
menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output
buffer port C dapat memberi arus 20 mA dan dapat mengendalikan
display LED secara langsung. Data Direction Register port C
(DDRC) harus di-setting terlebih dahulu sebelum port C digunakan.
Bit-bit DDRC diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port C yang
disesuaikan sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. Selain
itu, pin-pin port D juga memiliki fungsi-fungsi alternatif:
Pin
Tabel 2.5 Penjelasan Pin Pada Port C
Keterangan
PC.7
TOSC2 (Timer Oscillator Pin 2)
PC.6
TOSC1 (Timer Oscillator Pin 1)
PC.1
SDA (Two-Wire Serial Bus Data Input/Output Line)
PC.0
SCL (Two-Wire Serial Bus Clock Line)
19
d. Port D.
Pin 14 sampai dengan pin 20 merupakan pin dari port D.
Merupakan 8 bit directional port I/O. Setiap pin-nya dapat
menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output
buffer port D dapat memberi arus 20 mA dan dapat mengendalikan
display LED secara langsung. Data Direction Register port D
(DDRD) harus di-setting terlebih dahulu sebelum port D digunakan.
Bit-bit DDRD diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port D yang
disesuaikan sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. Selain
itu, pin-pin port D juga memiliki fungsi-fungsi alternatif khusus
seperti yang dapat dilihat dalam tabel:
Pin
Tabel 2.6 Penjelasan Pin Pada Port D
Keterangan
PD.0
RDX (UART input line)
PD.1
TDX (UART output line)
PD.2
INT0 (external interrupt 0 input)
PD.3
INT1 (external interrupt 1 input)
PD.4
OC1B (Timer/Counter1 output compareB match output)
PD.5
OC1A (Timer/Counter1 output compareA match output)
PD.6
ICP (Timer/Counter1 input capture pin)
PD.7
OC2 (Timer/Counter2 output compare match output)
20
2.6
LCD DISPLAY
Display elektronik adalah salah satu komponen elektronika yang
berfungsi sebagai tampilan suatu data, baik karakter, huruf ataupun grafik.
LCD (Liquid Cristal Display) adalah salah satu jenis display elektronik
yang dibuat dengan teknologi CMOS logic yang bekerja dengan tidak
menghasilkan
cahaya
tetapi
memantulkan
cahaya
yang
ada
di
sekelilingnya terhadap front-lit atau mentransmisikan cahaya dari back-lit.
LCD (Liquid Cristal Display) berfungsi sebagai penampilan data baik
dalam bentuk karakter, huruf, angka ataupun grafik.
Untuk menampilkan nilai putaran per menit motor kanan dan motor
kiri.
Gamabr 2.6 LCD Display
21
2.7
DRIVER MOTOR DC
Rangkaian Driver Motor DC digunakan sebagai penguat putaran
dari motor DC yang dikendalikan. Setiap motor dibutuhkan Driver Motor.
2.7.1 Driver Motor DC IC L298
Gamabr 2.7 Driver Motor DC IC L298
L298 adalah Driver Motor berbasis H-Bridge, mampu menangani
beban hingga 4A pada tegangan 6V – 46V. Dalam chip terdapat dua
rangkaian H-Bridge.
L298 menggunakan rangkaian dasar transistor (BJT). Kekurangan
dari rangkaian berbasis BJT adalah tegangan saturasi yang cukup tinggi,
yang akan menjadi faktor bagi timbulnya panas yang cukup tinggi ketika
menangani beban. Untuk opsi yang lebih “dingin” bisa mempertimbangkan
chip driver motor berbasis MOSFET.
22
Untuk dioda flyback (EMF protection) disarankan menggunakan
dioda tipe schottky – 1N5818, yang memiliki respons lebih cepat.
Pada rangkaian di atas, Vmotor (Vin) juga merupakan tegangan
input dari regulator. Jadi, perlu diperhatikan tegangan input maksimum
dari regulator yang digunakan. LM2937 memiliki tegangan input
maksimum 26V. Bisa diganti dengan 7805 yang mampu menangani
tegangan input hingga 30V. Dioda 1N5818 juga memiliki batasan 30V.
Untuk yang lebih tinggi, gunakan 1N5819 yang memiliki kemampuan
hingga 35V.
Berikut adalah hasil pengujian, yang dikutip dari situs Solarbotics
Tabel 2.7 Hasil Pengujian Rangkaian L298
2.8
MOTOR DC
Yang dimaksud dari motor arus searah (DC) adalah suatu motor
yang berfungsi mengubah tenaga listrik arus searah (listrik DC) menjadi
tenaga mekanik dimana tenaga gerak tersebut berupa putaran dari motor.
Pada kenyataan setiap motor mempunyai dua bagian dasar:
23
a. Bagian yang tetap atau stasioner disebut stator. Stator ini
menghasilkan medan magnet, baik yang dibangkitkan dari sebuah
koil (elektromagnet) maupun magnet permanen.
b. Bagian yang berupa disebut rotor atau armatur. Rotor ini berupa
sebuah koil dimana arus listrik mengalir. Dalam kehidupan seharihari kita banyak menjumpai motor arus searah diantaranya motor
starter mobil, tape recorder, kipas angin dan lain sebagainya.
2.8.1 Dasar-dasar Motor DC
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 :
a. Bagian yang tetap/stasioner yang disebut stator. Stator ini
menghasilkan medan magnet, baik yang dibangkitkan dari sebuah
koil (elektro magnet) ataupun magnet permanen.
b. Bagian yang berputar disebut rotor. Rotor ini berupa sebuah koil
dimana arus listrik mengalir.
24
Gaya elektromagnet pada motor DC timbul saat ada arus yang
mengalir pada penghantar yang berada dalam medan magnet. Medan
magnet itu sendiri ditimbulkan oleh megnet permanen. Garis-garis gaya
magnet mengalir diantara dua kutub magnet dari kutub utara ke kutub
selatan. Menurut hukum gaya Lourentz, arus yang mengalir pada
penghantar yang terletak dalam medan magnet akan menimbulkan gaya.
Gaya F, timbul tergantung pada arah arus I, dan arah medan magnet B.
Gambar 2.8 Konstruksi Motor DC
Belitan stator merupakan elektromagnet, dengan penguat magnet
terpisah F1-F2. Belitan jangkar ditopang oleh poros dengan ujungujungnya terhubung ke komutator dan sikat arang A1-A2. Arus listrik DC
pada penguat magnet mengalir dari F1 menuju F2 menghasilkan medan
magnet yang memotong belitan jangkar. Belitan jangkar diberikan listrik
DC dari A2 menuju ke A1. Sesuai kaidah tangan kiri jangkar akan berputar
berlawanan jarum jam.
25
Gaya elektromagnet pada motor DC timbul saat ada arus yang
mengalir pada penghantar yang berada dalam medan magnet. Medan
magnet itu sendiri ditimbulkan oleh megnet permanen. Garis-garis gaya
magnet mengalir diantara dua kutub magnet dari kutub utara ke kutub
selatan. Menurut hukum gaya Lourentz, arus yang mengalir pada
penghantar yang terletak dalam medan magnet akan menimbulkan gaya.
Gaya F, timbul tergantung pada arah arus I, dan arah medan magnet B.
Arah gaya F dapat ditentukan dengan aturan tangan kiri seperti pada
gambar berikut.
Gambar 2.9 Penentuan Arah Gaya Pada Kawat Berarus Listrik
Dalam Medan Magnet
Gambar 2.10 Contoh Jenis-jenis Motor DC
26
Metode PWM (Metode Pulse Width Modulation) adalah metode
yang cukup efektif untuk mengendalikan kecepatan motor DC. PWM ini
bekerja dengan cara membuat gelombang persegi yang memiliki
perbandingan pulsa high terhadap pulsa low yang telah tertentu, biasanya
diskalakan dari 0 hingga 100%. Gelombang persegi ini memiliki frekuensi
tetap (biasanya max 10 KHz) namun lebar pulsa high dan low dalam 1
periode yang akan diatur. Perbandingan pulsa high terhadap low ini akan
menentukan jumlah daya yang diberikan ke motor DC.
Gambar 2.11 Pulsa High Terhadap Low
Untuk menjalankan motor DC dengan PWN tidak dapat digunakan
relay, melainkan harus digunakan rangkaian driver motor DC lainnya.
Rangkaian ini yang paling sederhana berupa transistor yang disusun
secara Darlington. Transistor yang dipakai dapat berupa transistor jenis
NPN tipe BC547. Rangkaian ini mampu mengalirkan sampai arus 100 mA
DC.
27
Gambar 2.12 Rangkaian Driver Motor DC
Apabila diinginkan motor DC dapat bergerak 2 arah, maka
diperlukan menyusun rangkaian H-Bridge. Selain transistor, dapat juga
digunakan IC driver motor DC khusus. Anda dapat juga menggunakan
modul driver motor DC yang siap pakai untuk mikrokontroler.
2.8.2 Motor DC Gear Box
DC motor gear box adalah motor DC dipadukan dengan gear box
dalam satu kemasan sehingga lebih praktis dalam penggunaannya.
Keunggulan DC motor gear box adalah terbuat dari bahan metal sehinnga
gear kokoh dan kuat walau dengan beban yang berat. DC motor gear box
memiliki kecepatan putar dengan tiga pilihan yaitu 22 Rpm, serta memiliki
torsi 5 Kg, 5-24 Voltase, 0,85 Ampere, gear ratio 1:200.
28
Gamabr 2.13 Motor Gear Box
2.8.3 Speed Control DC Motor PID.
a. DC Motor Speed System Modeling.
Sebuah aktuator umum dalam sistem kontrol motor DC. Ini secara
langsung memberikan gerakan berputar dan, ditambah dengan
roda atau drum dan kabel, dapat memberikan gerak translasi.
Rangkaian ekuivalen listrik dari dinamo dan diagram benda bebas
dari rotor ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 2.14 Rangkaian Ekuivalen Listrik
29
Untuk contoh ini, kita akan mengasumsikan bahwa input dari sistem
ini adalah sumber tegangan (V) diterapkan pada armature motor,
sedangkan output adalah kecepatan rotasi poros d (theta) / dt.
Rotor
dan
poros
diasumsikan
keras.
Kami
lebih
lanjut
mengasumsikan model gesekan kental, yaitu, torsi gesekan
sebanding
dengan
kecepatan
sudut
poros
Parameter
fisik
Contohnya adalah:
(J) Momen inersia rotor 0.01 kg. , m⋀ 2
(b) Motor gesekan konstan 0.1 N. m. s
(Ke) Gaya gerak listrik konstan 0.01 V/rad/sec
(Kt) torsi motor konstan 0.01 N. m/Amp
(R) resistensi listrik 1 Ohm
(L) Induktansi listrik 0.5 H
Persamaan DC Motor Speed System Modeling:
1. Persamaan Sistem.
Secara umum, torsi yang dihasilkan oleh motor DC adalah
sebanding dengan arus armature dan kekuatan medan magnet.
Dalam contoh ini kita akan mengasumsikan bahwa medan
magnet konstan dan, karena itu, bahwa torsi motor sebanding
dengan hanya dinamo arus i dengan faktor Kt konstan seperti
yang ditunjukkan dalam persamaan di bawah ini. Hal ini disebut
sebagai motor armature dikendalikan.
30
𝑇 = 𝐾𝑡 𝑖
(2-1)
Bagian belakang emf, e, sebanding dengan kecepatan sudut
poros dengan faktor konstan Ke.
𝑒 = 𝑘𝑒 𝜃
(2-3)
Dalam satuan SI, torsi motor dan konstanta emf kembali adalah
sama, yaitu, Kt = Ke, sehingga kita akan menggunakan K untuk
mewakili kedua konstanta torsi motor dan konstanta emf
kembali. Dari gambar di atas, kita dapat memperoleh
persamaan pemerintahan berikut berdasarkan hukum ke-2
Newton dan hukum tegangan.
𝐽𝜃̈ + 𝑏𝜃̇ = 𝑘𝑖
(2-4)
𝑑𝑖
𝐿 𝑑𝑡 + 𝑅𝑖 = 𝑉 − 𝑘𝜃̇
(2-5)
2. Transfer Function.
Menerapkan transformasi Laplace, persamaan pemodelan di
atas dapat dinyatakan dalam hal Laplace variabel s.
𝑠( 𝐽𝑠 + 𝑏)Θ(𝑠) = 𝐾𝐼(𝑠)
(2-6)
(𝐿𝑠 + 𝑅)𝐼(𝑠) = 𝑉(𝑠) − 𝐾𝑠Θ (𝑠)
(2-7)
Kami tiba di berikut fungsi transfer loop terbuka dengan
menghilangkan I (s) antara kedua persamaan di atas, di mana
kecepatan rotasi dianggap output dan tegangan dinamo
dianggap input.
Θ(𝑠)
𝐾
𝑟𝑎𝑑/𝑠𝑒𝑐
𝑃(𝑠) = 𝑉(𝑠) = (𝐽𝑠+𝑏)(𝐿𝑠+𝑅)+𝐾2 [
𝑉
]
(2-8)
31
3. State-Space.
Dalam bentuk state-space, persamaan yang mengatur di atas
dapat dinyatakan dengan memilih kecepatan rotasi dan arus
listrik sebagai kondisi variabel. Sekali lagi tegangan dinamo
diperlakukan sebagai masukan dan kecepatan rotasi dipilih
sebagai output.
𝑏
−
Θ̈] = [ 𝑗
[
𝐾
𝑑𝑡 𝑖
−
𝑑
𝐿
𝑦 = [1
𝑘
̇
𝑗
] [𝜃 ]
𝑅
𝑖
−𝐿
0
+ [1]
(2-9)
𝐿
̇
0] [𝜃]
𝑖
(2-10)
b. DC Motor Speed PID Controller Design.
PID
(dari
singkatan
bahasa
Inggris:
Proportional–Integral–
Derivative controller) merupakan kontroler untuk menentukan
presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya
umpan balik pada sistem tesebut. Komponen kontrol PID ini terdiri
dari tiga jenis yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif.
1. Kontrol Proporsional.
Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta. Jika u =
G(s) • e maka u = Kp • e dengan Kp adalah Konstanta
Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain (penguat) saja tanpa
memberikan efek dinamik kepada kinerja kontroler. Penggunaan
kontrol P memiliki berbagai keterbatasan
karena sifat kontrol
yang tidak dinamik ini. Walaupun demikian dalam aplikasi-
32
aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk
memperbaiki respon transien khususnya rise timedan settling
time.
2. Kontrol Integratif.
Jika G(s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan sebagai
u(t)=[integral e(t)dT] Ki dengan Ki adalah konstanta Integral, dan
dari persamaan di atas, G(s) dapat dinyatakan sebagai
u=Kd.[delta e/delta t] Jika e(T) mendekati konstan (bukan nol)
maka u(t) akan menjadi sangat besar sehingga diharapkan dapat
memperbaiki error. Jika e(T) mendekati nol maka efek kontrol I
ini semakin kecil. Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus
menghilangkan respon steady-state, namun pemilihan Ki yang
tidak tepat dapat menyebabkan respon transien yang tinggi
sehingga
dapat
menyebabkan
ke
tidak
stabilan
sistem.
Pemilihan Ki yang sangat tinggi justru dapat menyebabkan
output berosilasi karena menambah orde sistem.
3. Kontrol Derivatif.
Sinyal kontrol yang dihasilkan oleh kontrol D dapat dinyatakan
sebagai G(s)=s.Kd Dari persamaan di atas, nampak bahwa sifat
dari kontrol D ini dalam konteks "kecepatan" atau rate dari error.
Dengan sifat ini ia dapat digunakan untuk memperbaiki respon
transien dengan memprediksi error yang akan terjadi.
33
Gambar 2.15 Diagram Blok Sistem Kontrol PID
Mode kontrol proposional integral derivative (PID) adalah aksi
kontrol
PID
yang
pada
dasarnya
bertujuan
untuk
menggabungkan kelebihan komponen-komponen dasar kontrol
PID.
a)
Kontrol propordional:
berfungsi untuk mempercepat.
𝑝𝑜𝑢𝑡 = 𝑘𝑝 𝑒(𝑡)
b)
(2-11)
Kontrol Integral :
berfungsi untu menghilangkan error steady.
𝑡
𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝑘𝑖 ∫0 𝑒(𝑇) 𝑑𝑇
c)
(2-10)
Kontrol derivatif :
berfungsi untuk memperbaiki sekaligus mempercepat respon
transsien.
𝐷
𝐷𝑜𝑢𝑡 = 𝑘𝑑 𝐷𝑡 𝑒(𝑡)
(2-11)
34
Pada gambar 2.15 adalah diagram blok sistem kontrol PID yang
merupakan penggabungan dari fungsi kontrol proporsional,
integral, derivatif.
Masing-masing
keunggulan
aksi
kontrol
tertentu,
dimana
ini
mempunyai
aksi
kontrol
keunggulanproporsional
mempunyai keunggulan risetime yang cepat, aksi kontrol integral
mempunyai keunggulan untuk
memperkecil error, dan aksi
kontrol derivatif mempunyai keunggulan untuk memperkecil error
atau meredam overshot/undershot. Untuk itu agar kita dapat
menghasilkan output dengan risetime yang tinggi dan error yang
kecil kita dapat menggabungkan ketiga aksi kontrol ini menjadi
aksi kontrol PID.
a)
Formula matematis dari PID:
𝑡
𝑉𝑜 = 𝐾𝑝. 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫0 𝑒 (𝑡)𝑑𝑡 + 𝑘𝑑
b)
𝑑𝑒 (𝑡)
𝑑𝑡
Bentuk kontroler PID diskrit:
1
𝑢(𝑘) = 𝑘𝑝𝑒𝑘 + 𝑘𝐼 𝑇 ∑𝑘0 𝑒𝑘 + 𝑇 𝑘𝐷 (𝑒𝐾 − 𝑒𝑘−1 )
c)
(2-12)
(2-13)
Bila terapkan dengan bahasa pemrograman:
𝑉𝑜 = 𝐾𝑝 × 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 + 𝐾𝑖 × (𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 + 𝑙𝑎𝑠𝑡_𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟) × 𝑇𝑠 +
(𝑒𝑟𝑟𝑜 − 𝑙𝑎𝑠𝑡_𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟)
𝐾𝑑
𝑇𝑠
×
(2-14)