BAB 3 PERANCANGAN SISTEM 3.1. Gambaran Umum Sistem

BAB 3
PERANCANGAN SISTEM
3.1. Gambaran Umum Sistem
Dengan melakukan perancangan sistem secara prototype pada penilitian ini
diharapkan sistem yang dirancang dapat berjalan dengan baik. Yang penulis teliti dalam
sistem yang dibuat ini adalah pengendalian arah dan kecepatan putaran motor servo yang
dikendalikan oleh rangkaian elektronik tanpa menggukan brush.
Dimana Mikrochip PIC16F877A berperan penting untuk menggerakan motor
servo dengan cara menghasilkan sinyal PWM sinusoidal menuju gate transistor T2, T4
dan T6, sinyal square untuk transistor T1, T3 dan T5. Dan mengubah komutasi motor
BLDC berdasarkan kombinasi dari keluaran tiga sensor hall yang dibaca dengan ADC.
PWM hanya dikenakan pada bagian transistor karena keterbatasan mikrochip yang hanya
memiliki 3 port PWM syncronus.
Gambar 3.1 Sinyal PWM
Sumber : Pengendalian motor brushless dgn metode pwm sinussoidal “Abe
Dharmawan FT UI 2009”
Sinyal PWM yang telah di kombinasi diteruskan ke encoder yang berfungsi
sebagai BDC (binary Code Desimal) untuk mengkombinasikan data yang akan di
inputkan untuk motor servo dalam format biner dimana kode-kode biner ini merupakan
kombinasi logic yang menyebabkan motor bergerak.
3.2. Perancangan Perangkat Keras
Secara
umum
perancangan
perangkat
keras
sangatlah
penting
dalam
mengembangkan suatu sistem. Hal ini bertujuan agar rancangan perangkat keras yang
dibuat dapat mendukung sistem yang akan dibangun. Perancangan Keras meliputi Blok
diagram sistem dan pemilihan perangkat keras, Blok design komponen.
3.2.1
Blok diagram
Blok diagram pengendali motor servo adalah sebai berikut.
Gambar 3.2 Blok Diagram Sistem
Pada sistem digunakan 2 sumber tegangan yaitu tegangan 12v dan tegangan untuk
motor. Dimana tegangan 12v yang diturunkan oleh IC regulator IR2184 menjadi
5v agar tegangan yang masuk ke rangkaian stabil dan sesuai dengan kebutuhan
suplay rangkaian digital yang termasuk di dalamnya adalah Mikrochip
PIC16F877A.
Mikrochip PIC16F877A kemudian mengeluarkan output untuk driver 3 fasa dan
transistor .
Dari transistor akan di dapatkan kombinasi binary yang akan diteruskan ke
encoder untuk dikombinasikan menjadi input untuk motor servo dalam format
biner dimana kode-kode biner ini merupakan kombinasi logic yang akan
menyebabkan motor bergerak.
3.2.2.
Pemilihan Perangkat Keras
3.2.2.1. Motor servo MFA010LA2NS.
Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di mana
posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam
motor servo. Motor ini terdiri dari sebuah motor DC, serangkaian gear, potensiometer
dan rangkaian kontrol. Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas sudut dari
putaran servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa
yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor.
Gambar 3.3 Panasonic AC Servo Motor
Pengendalian gerakan batang motor servo dapat dilakukan dengan menggunakan
metode PWM. (Pulse Width Modulation). Teknik ini menggunakan system lebar pulsa
untuk mengemudikan putaran motor. Sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan
lebar pulsa yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor.
3.2.2.2. Mosfet Driver
FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated Gate FET
(IGFET) atau juga dikenal sebagai Metal Oxide Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET).
Berbeda dengan IGFET, terminal gate dalam JFET membentuk sebuah diode dengan kanal
(materi semikonduktor antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET
menjadi sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk sebuah diode antara
grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung vakum) bekerja di "depletion mode",
keduanya memiliki impedansi input tinggi, dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah
kontrol tegangan input. FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan depletion
mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan source saat FET
menghantarkan listrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai contoh: dalam depletion mode,
gate adalah negatif dibandingkan dengan source, sedangkan dalam enhancement mode, gate
adalah positif. Untuk kedua mode, jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara
source dan drain akan meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semua dibalik.
Sebagian besar IGFET adalah tipe enhancement mode, dan hampir semua JFET adalah tipe
depletion mode.
BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah salah satu dari dua jenis transistor. Cara kerja BJT
dapat dibayangkan sebagai dua diode yang terminal positif atau negatifnya berdempet, sehingga
ada tiga terminal. Ketiga terminal tersebut adalah emiter (E), kolektor (C), dan basis (B).
Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada terminal basis dapat menghasilkan perubahan arus
listrik dalam jumlah besar pada terminal kolektor. Prinsip inilah yang mendasari penggunaan
transistor sebagai penguat elektronik. Rasio antara arus pada koletor dengan arus pada basis
biasanya dilambangkan dengan β atau h_{FE}. β biasanya berkisar sekitar 100 untuk transistortransisor BJT.
Transistor jenis BJT (NPN dan PNP) dan UJT (FET dan MOSFET) memiliki cara kerja
yang sama, namun dengan karakteristik yang berbeda. Berikut ini beberapa perbedaan
antara Transistor BJT dan UJT (FET)
1. Konversi: Transistor BJT mengkonversi arus menjadi arus, FET mengkonversi
tegangan menjadi arus
2. Arus input: BJT membutuhkan arus input, FET tidak membutuhkan arus input
3. Input/output: Hubungan input/output BJT adalah linear direpresentasikan oleh
sebuah garis lurus, namun hubungan input/output sebuah FET tidak linear untuk
sinyal-sinyal besar (bertegangan tinggi). Hal ini dapat mengakibatkan terjadinya
distorsi pada sinyal-sinyal besar yang diumpankan ke sebuah FE
4. Kecepatan: FET dapat melaksanakan proses pensaklaran secara lebih cepat
dibandingkan BJT, namun demikian kedua jenis transistor ini dirasa cukup cepat
untuk memenuhi kebutuhan sebagian besar aplikasi elektronik
5. Tegangan input: sebuah FET menjadi aktif ketika tegangan gate-sourcenya
melampaui suatu tegangan ambang. Tegangan gate dapat memiliki nilai yang
berada dalam kisaran antara tegangan ambang dan tegangan sumber, ketika FET
dalam keadaan aktif. Tegangan basis-emitor BJT akan selalu mendekati nilai 0,7
V, ketika BJT dalam keadaan aktif, terlepas dari berapa besar arus inputnya
6. Resistor input: sebuah FET tidak membutuhkan sebuah resistor di depan terminal
gatenya. Hal ini dapat menjadikan rangkaian yang bersangkutan jauh lebih
sederhana.
7. Tahanan output: kebanyakan FET memiliki tahanan yang sangat rendah ketika
berada dalam keadaan aktif, biasanya kurang dari 1 Ohm. Hal ini membuat
komponen-komponen ini sangat cocok untuk digunakan dalam rangkaian saklar
transistor.
Pada sistem yang dibuat menggunakan MOSFET IRF4710 yang di susun parallel
dimana rangkaian ini juga berfungsi sebagai proteksi terhadap konsleting pada beban
(Motor DV yang di kendalikan) sehingga rangkaian tetap aman.
Gambar 3.4 mosfer driver
3.2.2.3. Mikrochip PIC16F877A
Penggunaan mikrochip jenis PIC16F87AA karena IC ini mudah di dapat di
pasaran dan mudah terbilang mudah untuk digunakan dan pada sistem yang dibuat
PIC16F87AA dikombinasikan dengan ICD (In Circuit Debuger) karena kode dapat di
debugged kedalam hardware atau prototype dalam hal ini PIC tanpa program
tambahan atau emulator. Untuk debug program ke dalam PIC menggunakan MPLAB.
High-Performance RISC CPU, Kecepatan Operasi : DC - 20 MHz clock input,
Sampai dengan 8K x 14 kata-kata Flash Memory Program, Sampai dengan 368 x 8
byte memori data ( RAM ) , Sampai dengan 256 x 8 byte memori EEPROM data,
Pinout kompatibel dengan yang lain 28 - pin atau 40/44-pin, 10 - bit , hingga 8 channel Analog -to – Digital Converter ( A / D ), Single- 5V In- Circuit Serial
Programming, Mode hemat daya Sleep.
CMOS Teknologi :
• Low-power , kecepatan tinggi Flash / EEPROM
teknologi
• desain Sepenuhnya statis
• rentang tegangan operasi lebar ( 2.0V ke 5.5V )
• suhu berkisar Komersial dan Industri
• Rendah konsumsi daya
Gambar 3.5 PIC16F87AA
Sumber : AN857 “Brushless DC Motor Control Made Easy” 2002 Microchip Technology
Inc.
3.2.2.4. Power Suplay
Power suplay adalah perangkat keras yang dibuat untuk mengubah arus AC
menjadi arus DC dan outpot DC yang diatur sesuai kebutuhan. Power suplay yang
digukan dalam sistem ini ada 2 buah, dimana yang ada yang berfungsi untuk mengsuplay
12V untuk rangakaian digital dan ada yg mengsuplay daya untu motor servo.
Gambar3.6 power Suplay
3.2.2.5. Encoder
Encoder adalah rangkaian yang memiliki fungsi berkebalikan dengan dekoder.
Encoder berfungsi sebagai rangakain untuk mengkodekan data input mejadi data bilangan
dengan format tertentu. Encoder dalam rangkaian digital adalah rangkaian kombinasi
gerbangg digital yang memiliki input banyak dalam bentuk line input dan memiliki output
sedikit dalam format bilangan biner. Encoder akan mengkodekan setiap jalur input yang
aktif menjadi kode bilangan biner.
Gambar 3.7 Encoder
3.3.
Perancangan Perangkat Lunak
Dalam membuat perangkat lunak (software) yang pertama harus adalah
menentukan alur programnya (flowchart). Dari flowchart dapat dibuat realisasi
programnya.
3.3.1. Perancangan Keseluruhan Program Pada Mikrokontroler
Gambar 3.8 Sensored Drive Flowchart
Sumber : AN857 “Brushless DC Motor Control Made Easy” 2002 Microchip Technology
Inc.
pada saat pertama kali program dijalankan, mikrochip akan melakukan inisialisasi
untuk mengecek input dari sensor untuk memastikan ada input yang masuk. Setelah
pengecekan maka step selanjudnya adalah mengecek status ADC jika status ADC ready
maka mikrochip akan read data baru untuk menyatakan ada perubahan data logic pada
ADC, jika ada data baru maka ADC akan di set dalam kondisi GO dan akan dimasukan
ke alamat TMR0 sedangkan apabila status ADC pada pengecekan tidak ada data baru
maka akan dilanjudkan ke TMR0. Setelah pengecekan apakah adanya perubahan data
atau tidak proses selanjudnya adalah membagi data berupa logic yang masuk ke TMR0
dan menghitung apakah ada carry pada proses pembagian apabila ada carry maka akan
masuk ke proses output drive world dan apabila tidak ada carry maka akan masuk ke
mask drive world.
Setelah proses berjalan sampai sini maka akan dilakukan pengecekan apakah ada sensor
yang berubah jika tidak ada perubahan sensor maka proses akan diulang ke cek data
ADC, sedangkan apabila ada perubahan sensor maka akan dilanjudkan ke proses
selanjudnya yaitu save sensor code dan kemudian akan di komutasi. Setelah proses
komutasi selesai barulah akan di ulang proses pengecekan data ADC.
3.3.2. Program
#define OffMask B’11010101’;
#define DrivePort PORTC;
#define DrivePortTris TRISC
#define SensorMask B’00000111’;
#define SensorPort PORTE;
#define DirectionBit PORTA,1;
org 0x000 ;
nop ;
clrf PCLATH ;
goto Initialize ;
ORG 0x004 ;
retfie ;
clrf DrivePort;
clrf DrivePortTris ;
movlw B’00000011’ ;
movwf TRISA ;
; setup Timer0
movlw B’11010000’ ;
movwf OPTION_REG
; Setup ADC (bank1)
movlw B’00001110’ ;
movwf ADCON1
banksel ADCON0
; setup ADC (bank0)
movlw B’11000001’ ;
movwf ADCON0
bsf ADCON0,GO ;
clrf LastSensor ;
call Commutate ;
clrf ADC ;
Loop
call ReadADC ;
incfsz ADC,w ;
goto PWM ;
movf DriveWord,w ;
goto Drive ;
PWM
movf ADC,w ;
addwf TMR0,w ;
movf DriveWord,w ;
btfss STATUS,C ;
andlw OffMask ;
Drive
movwf DrivePort ;
call Commutate ;
goto Loop ;
btfsc ADCON0,NOT_DONE ;
return ;
movf ADRESH,w ;
bsf ADCON0,GO ;
movwf ADC ;
return ;
Commutate
movlw SensorMask ;
andwf SensorPort,w ;
xorwf LastSensor,w ;
btfsc STATUS,Z ;
return ;
xorwf LastSensor,f ;
btfss DirectionBit ;
goto FwdCom ;
movlw HIGH RevTable ;
movwf PCLATH ;
movlw LOW RevTable ;
goto Com2
FwdCom ;
movlw HIGH FwdTable ;
movwf PCLATH ;
movlw LOW FwdTable ;
Com2
addwf LastSensor,w ;
btfsc STATUS,C ;
incf PCLATH,f ;
call GetDrive ;
movwf DriveWord ;
return
GetDrive
movwf PCL
FwdTable
retlw B’00000000’ ;
retlw B’00010010’ ;
retlw B’00001001’ ;
retlw B’00011000’ ;
retlw B’00100100’ ;
retlw B’00000110’ ;
retlw B’00100001’ ;
retlw B’00000000’ ;
RevTable
retlw B’00000000’ ;
retlw B’00100001’ ;
retlw B’00000110’ ;
retlw B’00100100’ ;
retlw B’00011000’ ;
retlw B’00001001’ ;
retlw B’00010010’ ;
retlw B’00000000’ ;
END ;
Sumber : AN857 “Brushless DC Motor Control Made Easy” 2002 Microchip
Technology Inc.