Alat Peraga Elektronika Daya Motor Listrik DC Tiga Fase

BAB III
PERANCANGAN SISTEM LANGKAH PERCOBAAN DAN HASIL PERCOBAAN
Bab ini akan membahas mengenai perancangan sistem dan realisasi perangkat keras
dan perangkat lunak dari setiap modul yang mendukung keseluruhan sistem yang dibuat.
Gambar 3.1. menunjukkan blok diagram sistem secara keseluruhan.
3.1 Blok Diagram Alat Keseluruhan
Gambar 3.1 blok diagram alat keseluruhan
Pada alat ini terdiri dari 2 modul yaitu modul alat dan modul pengujian.Dimana
modul alat terdiri dari motor brushless cd-rom, penampil kecepatan berupa tachometer,
mikrokontroler sebagai pengendali, pembangkit PWM, dan kontrol alat. Modul pengujian
terdiri dari umpan balik keluaran sensor yang dikondisikan pada 3 bit LED status sensor, 6
buah LED yang menyatakan kondisi urutan komutasi 6 langkah sebagai status aktif mosfet
dalam pensaklaran elektronik, terminal umpan balik sebagai jumper pengukuran tegangan
dan arus pada motor.
3.2.
Konfigurasi Motor Brushless
Pada Perancangan ini digunakan motor brushless cd-rom dengan tipe outruner dengan
kata lain rotor(permanen magnet berada diluar stator). Motor sinkron ini merupakan motor
brushless dc 3 fasa terhubung Y dan disebut juga motor tunggal terhubung Y. Menurut
sumber motor yang digunakan pada pembuatan alat ini memiliki data karateristik 12 volt
19
sumber dc dan arus 250mA, sehingga motor berdaya 3 watt atau sekitar (1/250)HP dengan
impedansi lilitan 1Ω per fase.
Adapun konstruksi motor brushless ini didasari pengamatan yang telah dilakukan
dengan referensi yang ada, sehingga dapat disimpulkan bahwa motor ini merupakan motor
brushless dc tiga fase terhubung Y dengan 3 buah sensor hall effect tipe SMD.
Gambar 3.2. konstruksi motor
3.2.1. Rotor
Rotor yang terdapat pada Motor brushless ini merupakan permanen magnet yang
terdiri dari 12 pole/kutub utara dan selatan yang diletakan sedemikian rupa
di wadah
berbentuk bulat seperti piring pada pinggiran penampang.
Gambar 3.2.1. rotor(permanen magnet)
3.2.2. Stator
Stator merupakan lilitan kawar pada penampang besi
yang berfungsi pengubah
polaritas pada ujung besi dimana saat dialiri arus akan menimbulkan kutub medan magnet
yang berbeda bergantung arah arusnya, untuk lebih jelasnya dapat dilihat dari konstruksi
lilitan kawat sebagai berikut. Dimana jumlah dari kumparan perfase diwakili masing-masing
tiga kumparan dengan total kumparan berjumlah Sembilan.
20
Gambar 3.2.2. stator
3.2.3. Lilitan
Lilitan pada motor ini merupakan lilitan tiga fasa. Jenis lilitannya terdiri dari satu
kumparan untuk lilitan fasa pertama dan satu kumparan untuk lilitan fase kedua dan satu
lilitan untuk fase ketiga. Adapun polaritas dari masing-masing lilitan adalah sama, sehingga
lilitan seperti ini disebut juga monofilar winding. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada
gambar dibawah ini.
Gambar 3.2.3. konfigurasi lilitan
3.3.
Perancangan modul sensor hall effect motor brushless dengan LED status
Pengujian keluaran sensor hall effect dilakukan menggunakan penguat instrumentasi
komparator dengan IC LM324N. pada dasarnya sensor hall effect mendeteksi kutub medan
magnet, sehingga untuk mempermudah pengontrolan diambil sampel untuk salah satu kutub
yaitu kutub selatan permanent magnet. Dengan rangkaian seperti dibawah ini maka didapat
hasil keluaran sensor yang dikondisikan pada 3 bit LED sebagai status sensor yang akan
dibaca atau diproses oleh mikrokontroler sebagai referansi untuk menggerakan motor
brushless cd-rom.
21
Vcc
5V
IN sensor
200
3+
input sensor
5 +
6
10 +
9
200
LM324/NS
1
2
C+
CB+
BA+
A-
A
B
C
4
1K
LM324/NS
7
1K
LM324/NS
8
11
1K
LED C
LED B
LED A
gnd
Gambar 3.3. modul sensor hall effect dengan LED status
3.4.
Perancangan modul driver motor brushless dengan LED status
Pada perancangan ini menggunakan teknik pensaklaran elektronik dengan konponen
elektronika daya berupa mosfet. Untuk idealnya menggunakan mosfet tipe N, dikarenakan
kesulitan mendapatkan tipe mosfet yang sesuai dipasaran sehingga menggunakan mosfet tipe
P untuk mengganti driver atas(high). Perancangan driver motor brushless menggunakan aktif
high sebagai indikator mosfet aktif. Berikut rangkainnya dibawah ini untuk modul driver
mosfet
J4
R2
470
R1
470
Q2
q11
R7
150
R4
430
1k 1k 1k 1k 1k
1
2
3
4
5
R3
470
Q5
IRF9540
Q3
IRF9540
Q1
IRF9540
Q4
IRF540
q13
IRF540
R8
150
R5
430
Q6
R9
150
q15
J3
A
B
C
+
12V
V+12
IRF540
+
AH
AL
BH
BL
CH
CL
C1
470uF/16 V
R6
430
1k
6
Gambar 3.4. modul driver
Perancangan untuk pensaklaran elektronik dikondisikan status Led PWM dimana
led1(AH), led3(BH), led5(CH) mewakili mosfet atas aktif(mosfet p-chanel IRF9540)
yang menunjukan arah arus positif dan led2(AL), led4(BL), led6(CL) mewakili mosfet
bawah aktif(mosfet n-chanel IRF540). led1 dan led2 menunjukan fase A, led3 dan led4
menujukan fase B, led5 dan led6 menujukan fase C.
Pensaklaran elektronik menggunakan mosfet tipe-p(mosfet p-chanel) dan tipen(mosfet n-chanel), dengan status mosfet tipe P ON(short) saat mendapatkan input logic 0
22
(low) dan status mosfet tipe N on(short) saat mendapatkan input logic 1(high). Untuk
mendapatkan status aktif high pada tipe p digunakan transistor switching. Untuk
mengaktifkan mosfet tipe P menjadi ON. Karateristik mosfet dengan arus yang mengalir
dari drain ke source memiliki hambatan yang disebut Rds on. Hal ini sangat berpengaruh
pada saat arus mengalir pada piranti mosfet. Rds on adalah hambatan dalam mosfet saat
arus mengalir pada saat mosfet aktif(ON) sehingga terjadi desipasi daya yang
mengakibatkan panas pada mosfet. Hal tersebut mempengaruhi kecepatan
switching(pensaklaran), Ion(arus yang mengalir saat mosfet aktif), Ton(waktu aktif/
mosdfet short), Toff(waktu tidak aktif/mosfet open), Pon(desipasi daya), Psw(daya waktu
pensaklaran), hubungannya:
Pon = Ton/Toff(Ion2 . Rds)
Psw = ½ Vd. Io. Fs. (Ton + Toff)
12V
+V
R
470
S
G
1k
J1
2N3904
D
Q3
Rb
IRF9540
RL
Re
470
D
G
R1 150
IRF540
S
Gambar 3.4.1 Untai pensaklaran mosfet
Untuk tipe P dapat dilihat persamaannya sebagai berikut:
Ib = (Vmikro- VBE)/R4 = (5-0.7)volt/430=10 mA, arus yang dibutuhkan transistor
untuk aktif
Vth = -4volt, Vg – Vs = -4volt. Vg = 12 – 4 = 8 volt, maka mosfet tipe P akan On/
aktif saat Vg < 8 volt dan Off saat Vg > 8volt
12V
+V
470
Vg
Re
Gambar 3.4.2. untai setara pensaklaran mosfet
23
Vg = Re/(Re+470)*12volt, sehingga dapat ditentukan nilai Re. nilai Rg dan Re
akan berpengaruh pada waktu Ton dan Toff, dikarenakan di dalam mosfet terdapat
kapasitor sehingga Rg akan berpengaruh pada waktu pengisian kapasitor dalam mosfet
dan Re berpengaruh pada waktu pengosongan kapasitor, semakin kecil hambatan semakin
cepat waktu yang diperlukan dalam pengisian dan pengosongan kapasitor. Untuk mosfet
tipe N akan aktif saat Vg > Vth dan tidak aktif saat Vg < Vth.
Perancangan modul kontrol pada mikrokontroler arduino
3.5.
Saklar toggle digunakan untuk mengontrol arah putar motor dengan mode input
logic sebagai input digital pada mikrokontroler dan pengontrolan kecepatan menggunakan
potensio 10k dengan referensi 5 volt sebagai input analog pada mikrokontroler. Saklar
daya sebagai kontrol menghentikan kecepatan motor. Mikronkontroler sebagai generator
pembangkit PWM dan pengendali umpan balik motor brushless dari sensor hall effect
serta pengkalibrasi keluaran penampil kecepatan motor pada tachometer digital.
PORT Pengendali Fungsi
Mikrokontroler
PORTD.1
IN HALL_A
PORTD.2
IN HALL_B
PORTD.4
IN HALL_C
PORTD.3
PWM_AH
PORTD.5
PWM_AL
PORTD.6
PWM_BH
PORTB.1
PWM_BL
PORTB.2
PWM_CH
PORTB.3
PWM_CL
PORTB.4
SWITCH
PORTB.5
OUTPUT TACHO
Tabel 3.5. konfigurasi pin port ATmega328 pada Arduino UNO
3.6.
3.6.1.
Perancangan Cara Kerja Alat
Diagram alir program
Pada perancangan alat dapat dilihat cara kerja alat dibuat sesederhana mungkin
dari diagram alir pada gambar dimana hasil umpan balik motor berupa posisi melalui
keluaran sensor hall effect digunakan sebagai referensi untuk menentukan arah putar
motor dengan teknik komutasi 6 langkah.
24
Gambar 3.6. diagram alir
3.6.2. Tabel kebenaran keluaran sensor terhadap aktif mosfet pentuan komutasi
hall sensor
fase
6 langkah
Aktif mosfet
A
B
C
A
B
C
1
0
1
1
AH
CL
HIGH
OFF
LOW
2
0
0
1
AH
BL
HIGH
LOW
OFF
3
1
0
1
CH
BL
OFF
LOW
HIGH
4
1
0
0
CH
AL
LOW
OFF
HIGH
5
1
1
0
BH
AL
LOW
HIGH
OFF
6
0
1
0
BH
CL
OFF
HIGH
LOW
Tabel 3.6.2.1 putar maju 6 langkah (CW)
hall sensor
fase
6 langkah
Aktif mosfet
A
B
C
A
B
C
1
0
1
1
CH
AL
LOW
OFF
HIGH
2
0
1
0
CH
BL
OFF
LOW
HIGH
3
1
1
0
AH
BL
HIGH
LOW
OFF
4
1
0
0
AH
CL
HIGH
OFF
LOW
5
1
0
1
BH
CL
OFF
HIGH
LOW
6
0
0
1
BH
AL
LOW
HIGH
OFF
Tabel 3.6.2.2 putar mundur 6 langkah(CCW)
25
Keterangan:
HIGH = arah arus masuk ke fase aktif dari driver
LOW = arah arus keluar fase aktif ke fase aktif
OFF = fase tidak aktif
3.6.3. Pengontrolan putaran motor
Disini penulis merancang putaran motor selambat mungkin pada pemetaan delay
dengan tujuan mendapatkan prinsip kerja motor berdasarkan konstruksi dan konfigurasi
motor. Sehingga untuk pengaruh kecepatan waktu on/off dari mosfet dapat diabaikan.
Dimana pada perancangan alat ini motor mimiliki 9 stator diwakili 3 stator untuk masingmasing masukan fase tegangan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut
dibawah ini dimana motor berputar sebanyak 36 derajad putar yang berarti dengan sudut
rotasi sebesar 10° per langkah komutasi berdasarkan umpan balik sensor hall effect. Perlu
diketahui bahwa 6 langkah komutasi pada motor brushless ini akan berulang setiap 6
langkah komutasi atau 6 deradad putar untuk mencapai 1 putaran penuh(360°).
Gambar 3.6.3 putaran motor per langkah komutasi
26
3.6.4. Kecepatan putar motor
3.6.4.1.
Pengontrolan kecepatan
Disini penulis menggunakan pembangkit PWM dari mikrokontroler
ATmega328 karena memiliki 6 keluaran PWM. Sebagai pengontrol
digunakan potensio 10K dengan referensi tegangan sebesar 5 volt pada
ADC mikrokontroler ATmega328.
3.6.4.2.
Penampil kecepatan
Untuk mendapatkan kecepatan putar motor pada perancangan alat ini
penulis mengambil sampel dari salah satu keluaran sensor hall effect. Pada
perancangan ini dapat dilihat bahwa 1 peride sensor diwakili oleh 6
langkah komutasi, sehingga dalam 1 putaran penuh terdapat 6 siklus atau 6
pulsa yang diberikan pada input tacho meter digital.
3.6.5. Pengamatan
3.6.5.1. Pengamatan effesiensi
Pada perancangan ini penulis memberi jumper keluaran dari fase agar
praktikan dapat mengamati tegangan keluaran motor sehingga mengetahui
effisiensi dari motor brushless. Penulis mengakui bahwa metode pengamatan ini
tidak dapat memberikan nilai keakuratan yang tinggi. Adapun penampil
tegangan(voltmeter) dan arus(amperemeter) pada catu daya agar praktikan dapat
membandingkan antara pasokan daya dan keluaran daya dari motor brushless.
R2
470
R1
470
NO DATA
DC V
R3
470
IRF9540
M1
IRF9540
IRF9540
1
J3
+
12V
V+12
+
IRF540
in AH
IRF540
q13
q11
R7
150
IRF540
q15
R5
430
R4
430
470uF/16 V
R6
430
R8
150
R9
150
in BL
Gambar 3.6.5.1 pengukuran arus motor (Iout)
27
R2
470
R1
470
R3
470
Q3
IRF9540
IRF9540
J3
IRF9540
+
12V
V+12
+
Q2
Q4
IRF540
IRF540
Q6
in AH
q13
q11
q15
R5
430
R4
430
R7
150
M1
R6
430
R8
150
470uF/16 V
IRF540
NO DATA
DC V
R9
150
M2
in BL
NO DATA
DC V
Gambar 3.6.5.2 pengukuran Vout
Pengukuran arus keluaran menggunakan 1 buah multimeter dengan menambah
hambatan 1 ohm pada salah satu fase aktif, sedangkan pengukuran tegangan keluaran
adalah pengukuran tegangan pada dua fase yang aktif bersamaan menggunakan 2 buah
multimeter dimana M1 mewakili tegangan high dan M2 mewakili tegangan low.
3.6.5.2.
Pengamatan umpan balik sensor
Pada perancangan ini pengamatan umpan balik motor berupa sinyal posisi dari
sensor digunakan sebagai referensi untuk pengukuran kecepatan motor pada
penampil(tachometer digital). Pada pengamatan keluaran sensor terlihat bahwa
pengkondisian sensor akan berulang setiap 6 langkah komutasi dalam mencapai 1 putaran
penuh, adapun tiap keluaran sensor pada 6 langkah komutasi membentuk 1 periode pulsa.
Untuk mempermudah perhitungan keluaran sensor 3 bit hanya diambil 1 bit
sebagai referensi, sehingga untuk mencapai 1 putaran penuh 3600 setara dengan 6 siklus.
Dimana 6 siklus terdiri dari 36 langkah komutasi, sehingga 1 siklus = 1 periode pulsa
untuk satu sensor hall effect. Oleh karena itu 3600 = 6 Hz atau 6 pulsa per detik.
Kesimpulannya dengan menggunakan delay 100(1 detik)/pulsa untuk 1 menit = (1/6)*60.
Atau setara dengan 10 pulsa per menit untuk mencapai 1 putaran penuh.
28