59 BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN

59
BAB III
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT
3.1.
Flow Chart Perancangan dan Pembuatan Alat
Mulai
Tinjauan pustaka
Simulasi dan perancangan alat untuk
pengendali kecepatan motor DC dengan
kontroler PID analog
Pembuatan alat untuk pengendali
kecepatan motor DC dengan kontroler
PID analog
Hasil dan pembahasan
Selesai
Gambar 3.1. Flow Chart Perancangan dan Pembuatan Alat
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
60
3.2.
Perancangan Sistem
Sistem yang akan dibuat adalah suatu sistem pengendali kecepatan motor
DC yang digunakan untuk menjaga agar putaran kecepatan motor DC tidak turun
pada saat diberi beban. Plant yang digunakan adalah motor DC 0,75 KW 160 volt
yang akan dikendalikan kecepatan putaranya dengan mengatur tegangan masukan
dari belitan medan. Untuk mengendalikan kecepatan putar motor memerlukan
kontroler, kontroler yang digunakan yaitu kontroler PID analog dengan
menggunakan op-amp. Kontroler PID akan memberikan parameter kontroler yang
dapat diatur besar nilainya. Output dari kontroler PID itu dihubungkan dengan
kaki gate pada SCR. SCR ini berfungsi sebagai driver motor untuk memberikan
suplai tegangan pada motor DC. Sensor optocoupler digunakan sebagai sensor
kecepatan yang memberikan suatu besaran tegangan dari besarnya kecepatan
putar pada motor. Sensor optocoupler ini digunakan untuk umpan balik / feedback
untuk masukan bagi rangkaian error detector pada kontroler PID.
Berikut adalah diagram blok dari pengendali kecepatan motor DC dengan
kontroler PID.
Error Detector
Set Point
KONTROLER
PID
Rangkaian
Driver
Motor DC
MOTOR DC
Optocoupler /
Sensor Kecepatan
Gambar 3.2. Diagram Blok Pengendali Kecepatan Motor DC
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
61
3.3.
Perancangan dan Pembuatan Power Supply ±15 Volt DC
Dalam tugas akhir ini menggunakan power supply ±15 volt DC untuk
memberikan sumber listrik ke error detector, kontroler PID, dan juga sensor
optocoupler. Sebelum realisasi pembuatan alat terlebih dahulu dilakukan simulasi
pembuatan power supply ±15 volt DC menggunakan software Multisim. Tujuan
dari pembuatan simulasi ini yaitu untuk mengetahui apakah rangkaian power
supply yang akan dibuat akan berjalan atau tidak pada saat pengujian alat. Berikut
gambar rangkaian dan simulasi power supply ±15 volt DC menggunakan
Multisim.
Gambar 3.3. Rangkaian Power Supply ±15 Volt DC
Komponen yang diperlukan dalam pembuatan power supply ±15 volt DC
adalah :
1. Transformator CT step down 18 volt 3 ampere.
2. Dioda 1N4004.
3. Kapasitor 2200μF 35 volt atau 50 volt.
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
62
4. Kapasitor 100nF.
5. IC voltage regulator LM7815 dan LM7915.
Prinsip kerja dari power supply diatas yaitu arus listik masuk dari PLN
sebesar 220 volt AC, kemudian diturunkan oleh trafo CT step down menjadi 18
volt. Tegangan yang dihasilkan oleh trafo masih berbentuk tegangan AC dan perlu
disearahkan menjadi gelombang DC (hanya meloloskan gelombang satu arah
saja) oleh 4 buah dioda 1N4004. Arus DC dari dioda kemudian mengalir ke
kapasitor 2200μF dan kapasitor 100nF. Fungsi dari kapasitor yaitu sebagai
pengaman dan penghilang riak gelombang yang telah disearahkan oleh dioda. Hal
ini dikarenakan dioda hanya menghilangkan siklus negatif menjadikannya siklus
positif
tetapi tidak merubah bentuk gelombang sama sekali dimana masih
memiliki lembah dan bukit. Sehingga menggunakan kapasitor dengan kapasitas
yang besar untuk membuat rata gelombang.
Tegangan dari trafo step down masih 18 volt, sehingga menggunakan IC
regulator LM7815 untuk menstabilkan tegangan menjadi 15 volt postif dan IC
regulator LM7915 untuk menstabilkan tegangan menjadi 15 volt negatif.
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
63
Gambar 3.4. Realisasi Power Supply ±15 Volt DC
3.4.
Perancangan dan Pembuatan Kontroler PID
Bagian terpenting dari tugas akhir ini yaitu pembuatan kontroler PID.
Kontroler PID ini akan memberikan aksi pengontrolan terhadap plant berupa
motor DC 750 watt 160 volt. Kontroler yang digunakan yaitu kontroler PID
analog menggunakan op-amp. Sedangkan op-amp yang digunakan adalah LM741
yang akan didesain dan membentuk kontroler proportional, integral dan
derivative. IC op-amp LM741 ini mendapatkan suplai tegangan sebesar + 15 volt
dan -15 volt dari power supply yang telah dirancang.
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
64
Di bawah ini gambar rangkaian kontroler PID analog menggunakan opamp.
Gambar 3.5. Rangkaian Kontroler PID Analog Menggunakan Op-amp
Bagian pertama dari kontroler PID yaitu error detector yang merupakan
rangkaian difference amplifier. Error detector ini berfungsi untuk menghitung
sinyal error yang terjadi.
Gambar 3.6. Rangkaian Error Detector
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
65
Pada rangkaian error detector di atas, op-amp akan mendapatkan dua
input yaitu set point (SP) dan nilai aktual atau process variable (PV). Nilai set
point (SP) didapatkan dari rangkaian pembagi tegangan menggunakan
potentiometer 10kΩ dengan suplai tegangan 15 volt sehingga mendapatkan
tegangan yang nilainya dapat berubah sesuai dengan nilai tahanan potentiometer.
Sedangkan nilai aktual atau process variable (PV) didapatkan dari output
tegangan dari sensor optocoupler. Nilai set point (SP) akan diatur dengan
mengubah potentiometer sehingga mendapatkan nilai yang sama dengan besaran
nilai dari process variable (PV). Untuk menghitung output rangkaian di atas,
maka rangkaian tersebut dapat dianggap sebagai rangkaian inverting dan
rangkaian non inverting amplifier. Dengan menjumlahkan tegangan output dari
inverting amplifier dan non inverting amplifier akan didapatkan output dari
rangkaian.
Vout = -
Vpv +
Dengan memberikan nilai yang sama pada masing-masing resistor yaitu Rf = Ri =
R1 = R2 = 22kΩ, maka nilai tegangan output akan menjadi Vout = Vsp - Vpv.
Tegangan output tersebut adalah sinyal error yang akan dimasukkan ke
rangkaian kontroler proportional, integrator, dan differentiator, sehingga error
tersebut akan mendapatkan aksi pengontrolan. Bagian lain dari rangkaian
kontroler yaitu kontroler itu sendiri yang terdiri dari rangkaian proportional,
integrator, dan differentiator. Bagian ini akan mengolah sinyal error yang
dihasilkan dari perbedaan nilai set point (SP) dan process variable (PV) sampai
error bernilai nol. Di bawah ini gambar rangkaian kontroler PID.
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
66
Gambar 3.7. Rangkaian Kontroler PID
Rangkaian di atas akan mendapatkan tegangan input dari sinyal error yang
berasal dari error detector. Sinyal error inilah yang merupakan selisih antara set
point dan process variable. Op-amp U5 adalah rangkaian inverting summer yang
berfungsi untuk menjumlahkan nilai output dari masing-masing kontroler
proportional, integral, derivative dan membalikan tegangan output dari masingmasing kontroler, sehingga mendapatkan output secara keseluruhan yaitu :
Vout = Kpverror + Ki
dt + KD
+ Vo
Dimana
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
67
Kp =
, proportional band (gain)
Ki =
, integration constant
KD = RD.CD , derivative constant
Vo = offset integrator initial charge
Dari persamaan di atas akan terlihat tidak ada nilai minus karena op-amp
U5 yang membalik nilai tersebut dengan rangkaian inverter.
Op-amp U2 adalah rangkaian proportional controller karena pada
dasarnya rangkaian ini adalah inverting amplifier tetapi outputnya dimasukkan ke
op-amp U5. Maka pada bagian ini sinyal error akan mendapatkan suatu
penguatan (gain) sebesar :
Kp =
Dengan R2 adalah resistor variabel (potensiometer) dengan nilai 100kΩ dan nilai
R1 yaitu 10kΩ, maka dapat dihitung harga maksimal dari penguatan (gain) atau
konstanta proportional (Kp) yaitu :
KP =
= 10
Sedangkan nilai minimum penguatan (gain) atau konstanta proportional (Kp)
dengan batas minimum R1 = 10kΩ adalah :
KP =
=1
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
68
Dengan mengubah nilai resistor variabel (potensiometer) R2 akan didapatkan nilai
Kp yang dapat diatur dari konstanta 1 sampai 10.
Op-amp U3 merupakan rangkaian integrator controller, rangkaian tersebut
akan menghasilkan suatu konstanta Ki yang disebut dengan integration constant.
Nilai ini yang diatur sehingga menghasilkan suatu konstanta dengan nilai tertentu.
Pengaturan dapat dilakukan dengan memberikan nilai pada resistor variabel Ri
dan juga pada kapasitor Ci. Output dari op-amp U3 akan dimasukkan pada opamp U5 yang merupakan rangkaian inverting summer yang akan membalik hasil
dari integrator, sehingga nilai konstanta Ki akan bernilai positif.
Perhitungan untuk menentukan harga konstanta Ki adalah sebagai berikut :
Ki =
Dengan memasukan nilai Ri = 100k ohm dan Ci = 100μF, dengan batas minimum
Ri = 10kΩ:
Dengan memberikan nilai Ri = 100 kΩ didapatkan :
Ki =
= 0,1
Dengan memberikan nilai Ri = 10 kΩ didapatkan :
Ki =
=1
Sehingga didapatkan nilai Ki antara 0,1 sampai 1 yang diperoleh dari pengaturan
nilai resistor variabel.
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
69
Op-amp U4 merupakan rangkaian differentiator, rangkaian tersebut akan
menghasilkan suatu konstantan KD yang disebut dengan derivative constant.
Rangkaian ini pada dasarnya merupakan rangkaian inverting amplifier dan
menghasilkan output yang bernilai negatif. Pengaturan dapat dilakukan dengan
memberikan nilai pada resistor variabel RD dan juga pada kapasitor CD. Output
dari op-amp U3 akan dimasukkan pada op-amp U5 yang merupakan rangkaian
inverting summer yang akan membalik hasil differentiator, sehingga nilai
konstanta KD akan bernilai positif. Untuk perhitungan nilai konstanta KD dapat
dicari dengan rumus :
KD = RD . CD
Dengan memasukan nilai RD = 100kΩ ohm dan CD = 100 μF didapatkan:
KD = 100k . 100μ
= 10
Dengan memasukan nilai RD = 10kΩ didaptkan
KD = 10k . 100μ
=1
Dengan batas minimum dari RD = 10k ohm
Nilai KD untuk rangkaian tersebut dapat diatur, sehingga dapat
memberikan nilai konstanta KD dari 1 sampai 10.
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
70
Gambar 3.8. Realisasi Kontroler PID Menggunakan Op-amp
3.5.
Perancangan dan Pembuatan Driver Motor
Untuk menggerakan rotor motor DC diperlukan tegangan kira-kira 160
volt DC dan arus yang dihasilkan dari op-amp kontroler PID sangat kecil sekitar
10 mA. Sehingga driver motor yang sesuai untuk menggerakan motor DC 750 W
yaitu menggunakan thyristor / SCR tipe BT152-600R. Karena tegangan maksimal
dari SCR tipe BT152-600R sekitar 600 volt dan arus ke anoda 13 A. Karena pada
saat starting motor, arus yang diperlukan oleh motor sekitar 10 A. SCR tipe ini
memiliki 3 kaki, yaitu anoda, katoda, dan gate. Kaki anoda dihubungkan dengan
input dari sumber DC 220 volt, kaki katoda dihubungkan dengan kumparan
medan pada motor DC, sedangkan kaki gate dihubungkan dengan output dari
kontroler PID sebagai trigger. SCR ini bersifat sama dengan saklar yaitu apabila
kaki gate mendapatkan sinyal masukan dari kontroler PID maka akan on.
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
71
Berikut spesifikasi dari SCR BT152-600R :
Tegangan maksimal (Vmax)
600 V
Arus RMS maksimal (IT(RMS))
20 A
Arus gate (IGT)
32 mA
Arus holding (IH) maximal
20 mA
Ton
2 μs
Toff
70 μs
Gambar berikut adalah gambar dari driver motor menggunakan SCR tipe
BT152-600R.
Gambar 3.9. Rangkaian Driver Motor
Sumber tegangan DC untuk anoda pada SCR ini berasal dari tegangan
PLN yang diserahkan oleh dioda bridge, kemudian arus mengalir ke kapasitor.
Fungsi dari kapasitor yaitu sebagai pengaman, selain itu berfungsi untuk
penghilang riak gelombang dari gelombang DC yang dihasilkan oleh dioda.
Karena dioda hanya dapat menghilangkan siklus negatif dan tidak menghilangkan
bukit dan lembah dari gelombang DC.
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
72
Gambar 3.10. Realisasi Driver Motor
Gambar 3.11. Transformator Step Down dan Dioda Bridge
3.6.
Perancangan dan Pembuatan Sensor Optocoupler
Sensor optocoupler ini digunakan untuk feedback (umpan balik) dari
motor DC ke process variable atau nilai aktual dari rangkaian error detector pada
kontroler PID. Sensor optocoupler ini membaca RPM motor dengan
menghasilkan tegangan variabel. Semakin cepat motor berputar maka semakin
besar pula tegangan yang dihasilkan oleh sensor optocoupler, begitu juga
sebaliknya. Pada sensor ini terdapat transmiter yaitu LED dan receiver yaitu
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
73
phototransistor yang terletak pada satu tempat (dalam satu sensor). Pada bagian
poros motor diberikan kertas yang berfungsi sebagai objek media yang akan
dibaca oleh sensor optocoupler. Transmiter akan memancarkan sinar infra merah
pada saat mengenai objek berwarna putih yaitu kertas. Kemudian akan diterima /
dipantulkan oleh receiver berupa phototransistor dari sensor optocoupler dan
dirubah menjadi pulsa dan menghasilkan tegangan.
Berikut gambar rangkaian sensor optocoupler.
Gambar 3.12. Rangkaian Sensor Optocoupler
Pada rangkaian di atas dijelaskan bahwa tegangan Vcc (tegangan input)
sebesar 15 volt. Namun tegangan input (Vcc) yang dibutuhkan oleh sensor
optocoupler yaitu 5 volt. Untuk mengatasi hal tersebut digunakan rangkaian
pembagi tegangan dengan masing-masing nilai hambatannya yaitu 100Ω dan
200Ω. Sehingga walaupun tegangan input yang diberikan sebesar 15 volt pada
sensor optocoupler, namun keluaran tegangan setelah melalui rangkaian pembagi
tegangan yaitu hanya sebesar 5 volt. Arus masuk ke sensor optocoupler dan
transmitter yang berupa LED akan memancarkan sinar infra merah saat mengenai
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
74
objek putih (kertas) pada poros motor, kemudian akan dipantulkan / diterima oleh
receiver berupa phototransistor. Berikutnya phototransistor dan transistor
2N3904 yang terhubung secara Darlington akan menghasilkan tegangan yang
cukup di resistor 470 Ω dengan besarnya tegangan maksimal 5 volt. Keluaran
tegangan inilah yang akan menjadi input untuk process variable (PV) pada
rangkaian error detector di kontroler PID sebagai umpan balik atau feedback.
Gambar 3.13. Realisasi Rangkaian Sensor Optocoupler
3.7.
Motor DC 0,75 KW
Motor DC yang akan menjadi plant dalam tugas akhir ini yaitu MIKI
PULLEY MOTOR DC. Motor DC ini merupakan salah satu motor DC tipe
penguat terpisah, karena lilitan kutub magnetnya mendapatkan sumber arus dari
luar bukan berasal dari motor sendiri. Untuk menggerakan motor DC ini
memerlukan sumber tegangan kira-kira 160 VDC untuk kumparan jangkar dan
175 VDC untuk kumparan medan. Pada motor DC ini terdapat dua buah lilitan
yaitu lilitan jangkar / armature dan juga lilitan medan. Lilitan jangkar diberi
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
75
simbol huruf A (+) dan B (-) sedangkan lilitan medan diberi simbol huruf J (+)
dan K(-). Kedua lilitan ini harus mendapatkan sumber tegangan agar motor dapat
berputar. Sumber tegangan untuk motor DC ini berasal dari driver motor DC yaitu
dari kaki katoda pada SCR.
Berikut ini spesifikasi dari MIKI PULLEY MOTOR DC.
Merk
: MIKI PULLEY DC MOTOR
Type
: SY D – 750
Daya
: 0,75 KW
Putaran
: 2500 rpm
Tegangan jangkar
: 160 volt
Arus jangkar
: 6 ampere
Tahanan jangkar
: 540 ohm
Tegangan medan magnet
: 175 volt
Arus medan magnet
: 0,27 ampere
Tahanan medan
: 586 ohm
Momen inersia rotor (J)
: 0,004 kg.m2
Torsi
: 2,92 N.m
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu
76
Gambar 3.14. Motor DC 0,75 KW MIKI PULLEY
Irvan Nur Ardiansyah, 2012
Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor Dc 0,75 Kw 160 Volt Dengan Kontroler Pid Analog
Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu