PERANCANGAN SISTEM PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI 3 PHASA DENGAN DIRECT TORQUE CONTROL (DTC) MENGGUNAKAN SLIDING MODE CONTROL (SMC) BERBASIS ALGORITMA GENETIKA - ITS Repository
PERANCANGAN SISTEM PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI 3 PHASA DENGAN
DIRECT TORQUE CONTROL (DTC)
MENGGUNAKAN SLIDING MODE CONTROL (SMC) BERBASIS ALGORITMA GENETIKA M. Nur Faizi 2213202002 Dosen Pembimbing: Dr. Ir. Mochammad Rameli Eka Iskandar, ST., MT. PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN TEKNIK SISTEM PENGATURAN JURUSAN TEKNIK ELEKTRO-ITS
Kelebihan Motor Induksi
- Mempunyai Kontruksi Yang Kokoh dan Sederhana -Harganya Relatif Lebih Murah Bila Dibandingkan Dengan Jenis Motor Lainnya.
- Mudah Perawatannya
Kekurangan Motor Induksi
Latar Belakang
- Pengontrolannya Lebih Kompleks Bila Dibandingkan Dengan Motor DC
- Non Linier
Latar Belakang Penelitian Terkait Penelitian Terkait Oleh Ramesh, T., Kumar, A[3]
Direct Torque Control (DTC), Proportional Integral (PI) dan Metode Fuzzy Logic Controller (FLC). Permasalahan
Kecepatan motor induksi Hasil
Dapat menghasilkan respon kecepatan cepat mencapai steady state akan tetapi menimbulkan fluktuasi ripple fluks dan torsi yang tinggi[3].
Latar Belakang Penelitian Terkait Penelitian Terkait Oleh Ahammad, T., Beig, R. A [5]
Metode Sliding Mode Control (SMC), Direct Torque Control (DTC) Permasalahan Kecepatan, fluktuasi ripple fluk dan torsi
Hasil ripple
Dapat meminimalkan dan fluktuasi torsi dibandingkan dengan DTC konvesional, namun belum bisa sepenuhnya mengatasi permasalahan fenomena chattering yang dapat memberikan pengaruh pada akurasi pengaturan[5].
Sliding Mode Control Berbasis Algoritma Genetika Metode Kontrol Yang Digunakan Metode Kontrol Yang Digunakan Latar Belakang
Latar Belakang Rumusan Masalah Rumusan Masalah Kemampuan sistem dalam meminimalkan fluktuasi ripple fluks dan torsi
Berpengaruh terhadap Berpengaruh terhadap stabilitas sistem pengaturan kecepatan motor induksi
Latar Belakang Batasan Masalah Batasan Masalah
Plant yang dikontrol merupakan motor induksi 3 phasa dalam bentuk
model d-qRuang lingkup yang dibahas yaitu permasalahan respon kecepatan
pada saat steady state, kemampuan sistem dalam mengatasi perubahan beban dan meminimalkan fluktuasi ripple fluk dan torsi- Parameter plant tetap
Optimasi parameter Sliding Mode Control (SMC) dilakukan secara off-
line menggunakan Algoritma Genetika
Latar Belakang Tujuan Tujuan
Sistem pengaturan yang dirancang diharapkan mampu menghasilkan
kecepatan putaran motor yang diinginkan sesuai dengan referensi.
Algoritma Genetika bisa menghasilkan (gain K) yang optimal untuk
parameter Sliding Mode Control (SMC). Dengan demikian diharapkan
dapat memberikan hasil yang baik dalam usaha mengatur kecepatan
motor induksi 3 phasa dalam hal meminimalkan fluktuasi ripple fluks
dan torsi terutama pada saat steady state.Latar Belakang Kontribusi Kontribusi
Menerapkan metode SMC berbasis Algoritma Genetika untuk
meningkatkan stabilitas pada sistem pengaturan motor induksi 3 phasa serta meminimalkan fluktuasi ripple fluk dan torsi.Memberikan sumbangan pemikiran dan referensi akan sebuah
metode kontrol yang mana dalam penelitian ini digunakan Sliding
Mode Control (SMC) berbasis Algoritma Genetika yang diharapkan mampu men-Tuning parameter SMC yaitu gain K.
Latar Belakang Metodologi Metodologi St udi Lit erat ur Pem odelan Sist em Perancangan Kont roler
Penerapan Kont roler Pada Sist em
Penguj ian dan AnalisaModel d-q Motor Induksi 3 Phasa Konsep pengontrolan motor induksi Konsep pengontrolan motor induksi
- pengontrolan motor induksi 3 fasa dapat di lakukan seperti pada
pengontrolan motor DC yaitu dengan metode pengontrolan vektor
ruang (space vector). - Pengontrolan vektor ruang (space vector) adalah mentransformasikan
elemen tiga fasa kerangka referensi tetap (a,b,c) menjadi elemen dua
fasa kerangka referensi tetap ( α,β) kemudian menjadi elemen dua fasa kerangka referensi berputar (d,q).
Model d-q Motor Induksi 3 Phasa Pemodelan P emodelan M Motor otor I Induksi nduksi Sistem Koordinat
Perubahan sistem koordinat stasioner tiga fasa (a,b,c) menjadi sistem
koordinat dua fasa yang berputar (d,q) dipisahkan menjadi dua langkah yaitu: Transformasi Clarke dan Transformasi Park. b s x s x s
120 R s
2
Model d-q Motor Induksi 3 Phasa Transformasi Clarke Transformasi Clarke
2 k Dengan k , Transformasi Clarke:
3
1
1
2
1
2
1
3
a s
1
2
3
X s X s
X cs X bs X as k
a, b, c α q x s x s
x
ds x qsR s
R
e
dModel d-q Motor Induksi 3 Phasa Transformasi Clarke Transformasi Clarke iqr Lm iqs Ls qs Lm idr ids Ls ds
. . . .
iqs Lm iqr Lr qr ids
Lm idr Lr dr
. . . .
Persamaan fluks stator dan rotor:
LM L r qr r e ) ( Rr dr i _
R
V . ). ( . p i
R V . . . Persam aan t egangan pada st at or dan rot or qr p dr r e qr i r
R
qrRangkaian ekivalen ds- qs dari m ot or I nduksi qs p ds e qs i s R qs V . . . p i
Gam bar Rangkaian Ekivalen Mot or I nduksi Tiga Fasa Sum bu d- q Model d-q Motor Induksi 3 Phasa
Vdr
Rs s L qs e .
Vds ds i _
Vqr
Rr qr i _
LM L r dr r e ) (
Rs s L ds e .
Vqs qs i _
V . ). ( . dt d p
) (
.
Lr Lm iqs e .
qr RrKecepatan medan putar:
J 2 P L T em T r
Kecepatan elektris rotor:
2
J L T em T m
Kecepatan mekanik rotor:
Per sam aaan Tor si: Sedangkan unt uk kecepat an:
3 ds i qs ds i ds P em T
2
Model d-q Motor Induksi 3 Phasa
Direct Torque Control (DTC) Diagram Blok Diagram Blok Direct Torque Control Direct Torque Control (DTC) (DTC) Fluks Referensi Fluks Kontroler
- _ Tabel Inverter
MI Torsi
Switching
Referensi- Torsi Kontroler
_
Va Vb
Sektor
Vc ib Fluks Estimator Fluks dan Torsi Estimator icTorsi Estimator
- 1
Tem e HTem cTem
- 1
Gambar Kontroler Histerisis Torsi Tiga Level
Kontroler Histerisis Torsi Kontroler Histerisis Torsi em HT em T em cT em T em cT em HT em T em cT
e jika
1 e jika e jika
1 Output kontroler histerisis torsi: Direct Torque Control (DTC)
Direct Torque Control (DTC) Kontroler Histerisis Fluks Kontroler Histerisis Fluks c s
- 1
Output kontroler histerisis fluks: e s c 1 jika e H
s s s c
1 jika e H s s s
- 1
H s
Gambar Kontroler Histerisis Fluks Dua Level
V2 (110) V3 (010)
V4 (011) V5 (001)
V6 (101) V1 (100)
Sektor 1
Sektor 2
Sektor 3 Sektor 4 Sektor 5 Sektor 6 Sektor Fluks Stator Sektor Fluks Stator Direct Torque Control (DTC)
Direct Torque Control (DTC)
V3 tg+ V3 n+
(FN,TN) (FN,TT) r n+ tg+
V2 V2
r (FN,TT) (FN,TN) n+
V4 V4
V1 (FN,TN)
(FT,TN) r
V1 (FT,TT) r
(FN,TT) tg+
V6 V5
(FT,TN)
V5 r
V6 r (FT,TN)
(FT,TT) c
(FT,TT) b a
V3 V3
(FT,TN)
(FT,TT) r
V2 r
V2 tg+ (FT,TT)
(FT,TN)
V4 V4 (FN,TT)
(FT,TT)
V1 V1 r r n+
(FN,TN) (FT,TN) V5 tg+
(FN,TT)
V6 V6
V5 r
(FN,TN) tg+ n+ (FN,TT) r
(FN,TN) n+
e
d f
Gambar Vektor Tegangan Saat Fluks Stator Dalam a) sektor 1, b) sektor 2, c) sektor 3, d) sektor 4, e) sektor 5,
Inverter Sumber Tegangan Inverter Sumber Tegangan Dioda Bridge Rectifier Link Filter
Inverter Sa Sb Sc S’a S’b S’c a b c
MI
Gambar Rangkaian Inverter Tiga Fasa
aN cN ca cN bN bc bN aN ab v v v v v v v v v
cN bN aN bn cN bN aN an
V V
V V
V V
V V 3 /
1 3 / 2 3 /
1 3 / 1 3 /
1 3 / 2
Direct Torque Control (DTC)
Tegangan untuk line to line: Tegangan phasa:
- 2/3V
- 1/3V dc 2/3V dc -1/3V dc
- 2/3V dc 1/3V dc 1/3V dc
- 1/3V dc -1/3V dc 2/3V dc
4 S’a,Sb,Sc
V
4 (011)
5 S’a,S’b,Sc
V
5 (001)
V
6 Sa,S’b,Sc 1/3V dc -2/3V dc 1/3V dc
6
(101)
7 Sa,Sb,Sc
V
7 (111) Direct Torque Control (DTC)
Tabel Kondisi Tabel Kondisi Switching Switching Inverter
3 (010)
3 S’a,Sb,S’c
V
V
Sektor Switch (on)
V a
V
b
V c Vektor Tegangan
S’a,S’b,S’c V (000)
1 Sa,S’b,S’c 2/3V dc -1/3V dc -1/3V dc
1 (100)
2 (110)
2 Sa,Sb,S’c 1/3V
dc
1/3V
dc
dc
V
Inverter
α(1) Sektor 2 α(2) Sektor 3 α(3) Sektor 4 α(4) Sektor 5 α(5) Sektor 6 α(6)
1 1 v 2 V 3 v 4 v 5 v 6 v 1 v V7 v v 7 v v 7
- 1
V 6 V1 v 2 v 3 v 4 v 5
3 v 4 v 5 v 6 v 1 v 2 V 7 v v 7 v v 7 v
- 1
- 1
V 5 v 6 v 1 v 2 v 3 v 4 Sinyal masukan untuk tabel switching diperoleh dari nilai output fluks dan torsi histerisis serta nilai dari sektor fluks stator (α).
Tabel Switching Tabel Switching
Direct Torque Control (DTC)
1 V
- + -
- + --
-
s Estimator Estimator
R
s
R
s
V
s
V
s
i
ke i i
s
abc
i
T_est
V abc ke V _est alpha s
Torsi Estimasi s
Sudut Estimasi dan Fluks Estimasi
abc
V
abc
Gambar Diagram Blok Estimator Direct Torque Control (DTC) i
Direct Torque Control (DTC)
Direct Torque Control (DTC) Blok V ke V abc
Blok Fluks stator estimasi dan Sudut fluks stator
1 1
V as 1
Fluks stator estimasi:
V s
2
2 k
V bs
2
2
1
1
V s
s s s
3 3
V cs
2
2
Sudut fluks stator: Blok i ke i abc
s
1
1
1
tan
ias 1
i s
s
2
2
k
ibs
1
1 Blok T_estimasi
i s
3
3
ics
2
2
3 P ( . . )
T em s i s s i s
2
2 Dengan k Pada Tranformasi Clarke:
2 k
3
Sliding Mode Control (SMC) Sliding Mode Control pada intinya memilih suatu masukan sinyal kontrol u(t)
untuk sistem. Terutama sistem non linier, yang akan membawa dinamika sistem
masuk kedalam suatu permukaan luncur (sliding surface), dan selanjutnya akan
menyebabkan status sistem meluncur (sliding) ke titik seimbang. u(t) outputPlant Kontrol
x(t)
referensiPermukaan Luncur
Sliding Mode Control (SMC) Ada 2 tahap dalam perancangan metode SMC:
1. Perancangan sliding surface
Sliding Surface dirancang dengan membuat tanggapan sistem dengan persamaan:
( x ) Sx Dimana Vektor koefisien sliding surface.
S [ s ..... s ] 1 n
Dengan subtitusi persamaan diatas, didapatkan persamaan sliding: ( x ) s x ( t ) s x ( t ) ... s x ( t )
1
1
2 2 n n
Sliding Mode Control (SMC)
2. Perancangan Sliding mode
Pada perancangan ini sinyal kontrol u(t) dibuat dengan menggunakan syarat T
kestabilan lyapunov, yaitu: Sinyal kontrol dipisah menjadi dua bagian, sinyal kontrol u dan u n eq u ( t ) u u
eq n
x trayektori x chattering x (t ) d
Sliding Surface S=0
Algoritma Genetika Algoritma Genetika (AG) adalah algoritma pencarian yang
berdasarkan pada mekanisme sistem natural yaitu genetika dan
seleksi alam. Dalam aplikasi algoritma genetika, variable solusi
dikodekan dalam struktur string yang merepresentasikan barisan
gen yang merupakan karakteristik dari solusi permasalahan.Komponen-Komponen Algoritma Genetika:
1. Skema Pengkodean
2. Nilai Fitness (mengevaluasi kromosom)
3. Seleksi Orang Tua (Roulette wheel)
4. Pindah Silang (One-cut point)
5. Mutasi
6. Elitisme
7. Penggantian Populasi
Algoritma Genetika Start Inisialisasi Populasi
Membangkitkan populasi awal
Dekodekan Kromosom Evaluasi Individu
Evaluasi solusi
Fitnees Y Pemenuhan Optimum End Kriteria? Solusi T Seleksi
Membentuk generasi baru
Pindah Silang Mutasi
Gambaran Umum Sistem Sumber a I a
V I b V b Tegangan 3
INVERTER MI Fasa C c c
V I dq abc S c S S a b qs qs
V I
- T T ds
- _
- Estimator
- _ Kontroller
- _
- r
- + eq
- - dt dt
- + ref -
- + 100 s
- - e
- + K +
- - - + +
- – Algoritma Genetika
- Respon kecepatan rotor
Pada grafik respon kecepat an rot or m ot or induksi t erdapat overshoot.
- Respon torsi elektromagnetik
- Respon kecepatan rotor
- Respon torsi elektromagnetik
- Respon Fluks
- Respon Arus Stator Motor Induksi
- Respon kecepatan rotor
- Respon Torsi Elektromagnetik
- Respon Fluks
- Respon Arus
V I ds e e
Torsi SMC
Kontroller Switching
e
T est
DTC Tabel
e K Fluks
GA GA
est
r
Perancangan SMC Kont r oler dirancang unt uk m engat asi m asalah pengat uran kecepat an m ot or induksi 3 phasa.
Untuk mendapatkan sinyal kontrol ekuivalen, definisikan error putaran rotor e
ref
Langkah berikutnya adalah menentukan fungsi permukaan luncur (Sliding Surface) s e e
Untuk membuat permukaan luncur menuju 0 pada waktu tak hingga, maka diturunkan
s terhadap waktu, didapatkan : Dengan mensubtitusikan e kedalam persamaan e maka:
s e e
ref
s e ref
Perancangan SMC Turunan pertama didapatkan
r du
r r dt
Turunan kedua didapatkan
Sinyal kontrol ekuivalen dapat ditulis: r du
1
r r
U e J
eq r eq
dt
100 s
Turunan ketiga didapatkan e du
1
e e
Dan sinyal kontrol natural dapat ditulis: dt
1
U ( K . sign e e ) n
100 s 1
Kedua sinyal kontrol dijumlahkan
T U U ref eq n
Perancangan SMC 1 1
T e J ( K . sign e e )
ref r eq
100 s
1 100 s
1
du du r
J
1 T
1
du dt
1
100 s
1
Gam bar Diagram Blok Perancangan SMC
Perancangan SMC + + GA GA K K ss
U eq
U eq
U n U n T ref
T ref e e
1 100
1 s
Diagram Blok Sliding Mode Control
) 1 100 1 . . (
s K e e sign GA U T eq ref
Kecepat an m encapai steady state sekit ar 1800rpm pada saat 0.5 det ik.
Simulasi Model Motor Induksi
Respon awal t orsi elekt rom agnet ik dengan overshoot m aksim al m encapai - 40.13 Nm sam pai 77.74 Nm
Simulasi Model Motor Induksi
Motor induksi Dengan Kontroler DTC-SMC-GA
Respon kecepat an m encapai nilai referensi yang dit ent ukan yait u 1000rpm . Nilai konst ant a wakt u 0.2094 det ik dan nilai Settling time
(τ)
Motor induksi Dengan Kontroler DTC-SMC-GA
49.18 Nm 0.01946 detik 6.262 Nm 3.668 Nm
1.467 Wb 1.453 Wb 1.462 Wb 0.008 detik
Motor induksi Dengan Kontroler DTC-SMC-GA
1.467 Wb 1.453 Wb
Motor induksi Dengan Kontroler DTC-SMC-GA
32.41 A
2.86 A
perbandingan respon kecepatan motor induksi dengan kontroler berbeda
perbandingan respon kecepatan motor induksi dengan kontroler berbeda
perbandingan respon kecepatan motor induksi dengan kontroler berbeda
perbandingan respon kecepatan motor induksi dengan kontroler berbeda
Kesimpulan
1. Proses pengont rolan m odel m ot or induk si DTC dengan
Algoritma Genetika
kont roler SMC berbasis dapat m em berikan respon kecepat an rot or yang m em bent uk grafik respon sepert i karakt er ist ik sist em orde pert am a.
Selain it u grafik respon m am pu m encapai nilai kecepat an acuan yang diber ikan yait u 1000,1100 dan 1200rad/ m dengan rat a- rat a settling time yait u 0,5618 det ik.
2. Desain DTC- SMC berbasis Algoritma Genetika dapat m em inim alkan flukt uasi ripple t orsi pada saat steady state yait u sebesar 2.594 Nm j ika dibandingkan dengan DTC- SMC t anpa Algoritma Genetika flukt uasi ripple t orsi yang dibangkit kan sebesar 3.201 Nm .
Kesimpulan
3. Penggunaaan kont roler DTC- SMC berpengaruh t erhadap respon fluks st at or dim ana pada saat steady state awal fluk t uasi ripple yang dibangk it kan kecil yait u 0.017 Wb dibandingkan dengan dengan DTC- FLC yait u sebesar 0.04 Wb. Dan nilai 0.017 Wb t ersebut m asih bisa dim inim alisasi
Algoritma Genetika
dengan DTC- SMC berbasis yait u sebesar 0.014 Wb.
4. Dengan digunakan kont roler DTC- SMC dan DTC- SMC berbasis Algoritma Genetika respon kecepat an m ot or induksi ham pir t idak m engalam i perubahan kecepat an dari referensi yang diber ik an pada saat t erj adi perubahan beban j ika dibandingkan dengan DTC- FLC. Wakt u respon kecepat an dan t orsi m encapai steady state lebih cepat . Saat dit erapkan beban pada saat wakt u 1.5 det ik respon t orsi m encapai steady state yait u 1.55 det ik. Sedangkan pada DTC- FLC respon t orsi m encapai steady state yait u
DAFTAR PUSTAKA DAFTAR PUSTAKA
1. Mochammad Rameli .(2014), “Bahan Kuliah Pegaturan Mesin Listrik: Motor
Listrik ”. Teknik Sistem Pengaturan, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,Surabaya.
2. Mochammad Rameli. (2014), “Bahan Kuliah Pegaturan Mesin Listrik: Pengaturan Vektor Motor Induksi
”. TekniK Sistem Pengaturan, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,Surabaya.
3. Ramesh, T., Panda, K. A. (2012), “Direct Flux and Torque Control of There
Phase Induction Motor Drive Using PI and Fuzzy Logic Controllers for Speed Controller for Regulator and Low Torque Ripple
”. Department of Electrical Engineering, National Institute of Tecnology, India.
4. Hu, F.C., Hong, B. R., Liu, H.C. (2014), “Stability analysis and PI controller tuning for a speed sensorless vector-controlled induction motor drive”,
30th Annual Conference of IEEE Inds. Elec., Society, IECON, vol.1, 2-6 Nov, Korea.
5. Ahammad, T., Beig, A.R., Al-Hosani, K. (2013), “An Improved Direct Torque
Control of Induction Motor with Modified Sliding Mode Control Approach”.
DAFTAR PUSTAKA DAFTAR PUSTAKA
6. Aguilar, G.M., Cortez, L. (2012), “Implementation of the Direct Torque
Control (DTC) in current model, with current starting limiter”. Faculty of Sciences of the Electronics, BUAP Puebla, Mexico.
7. Sun, D. (2010), “Sliding Mode Direct Torque Control for Induction Motor with Robust Stator Flux observer ”, IEEE 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, China.
8. Trzynadlowski, M. A. (2001 ),“Control of Induction Motors”, Academic Press, Nevada.
9. Robyns, B., Franscois, B., Degobert, B., Hautier, P. J. (2012), “Vector Control of Induction Machines Desentisitation and Optimisation through Fuzzy
Logic”, Springer, France.
10. Bose, K. B. (2002) ,“Modern Power Electronics and AC Drives”, Prentice Hall, Knoxville.
DAFTAR PUSTAKA DAFTAR PUSTAKA
11. Ned, M. (2001), “Advanced Electric Drives”, MNPERE, United States of America.
12. Cao-Minh, T., Chakraborty, C., Hori, Y. (2009), “Efficiency Maximization of
Induction Motor Drives for Electric Vehicles Based on Actual Measurement of Input Power ”. Department of Electrical Engineering, University of Tokyo, Japan.
13. Wong, C. C., Chang, Y. S. (1998), “Parameter Selection in the Sliding Mode
Control Design Using Genetic Algorithms”. Department of Electrical Engineering, Tamkang University, Taiwan.
14. Hermawanto, D. (2007), “Algoritma Genetika dan Contoh Aplikasinya”.
Komunitas eLearning IlmuKomputer.com
15. Goldberg, D. E. (1989), “Genetic Algorithms in Search, Optimization and
Machine Learning”. Addison-Wesley.