RANCANG BANGUN PENGENDALI KECEPATAN MOTOR DC 0,75 KW 160 VOLT DENGAN KONTROLER PID ANALOG.
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
v
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN
ABSTRAK ...i
KATA PENGANTAR ...ii
DAFTAR ISI ...v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ...xi
BAB I PENDAHULUAN 1.1. ... La tar Belakang...1
1.2. ... Ru musan Masalah ...2
1.3. ... Ba tasan Masalah ...3
1.4. ... Tu juan ...4
1.5. ... M etodologi Penelitian ...4
1.6. ... Si stematika Penulisan ...5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. ... M otor DC ...7
2.1.1. ... Pe ngertian Motor DC ...7
2.1.2. ... Ke gunaan Motor DC...8
(2)
2.1.3. ... Pri
nsip Kerja Motor DC ...9 2.1.4. ... K onstruksi Motor DC...10 2.1.5. ... Je
nis-jenis Motor DC ...11 2.1.6. ... Pe
ngaturan Kecepatan Motor DC ...12 2.2. ... Se
nsor Optocoupler ...13 2.3. ... S
CR ...15 2.4. ... O
P-AMP ...16 2.4.1. ... Pe
ngertian Op-amp ...16 2.4.2. ... O
p-amp Ideal ...16 2.4.3. ... Pe
nguat Diferensial ...17 2.4.4. ... Di
agram Op-amp ...18 2.4.5. ... In
verting ...20 2.4.6. ... No n Inverting...21 2.4.7. ... Su mmer / Penjumlah ...22 2.4.8. ... Di fferentiator ...22
(3)
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
vii
2.4.9. ... Int egrator ...24 2.5. ... Si
stem Kontrol ...25 2.6. ... K
ontroler Analog ...29 2.6.1. ... O
n/Off Controller ...30 2.6.2. ... Pr oportional Controller ...33 2.6.3. ... Int egralController ...36 2.6.4. ... Pr
oportional-IntegralController ...42 2.6.5. ... De rivative Controller ...45 2.6.6. Proportional-Integral-Derivative Controller
(PID Controller) ...50 2.7. ... Pe
ngaruh PID Controller Pada Sistem Kontrol ...52 2.8. ... Tu
ning Kontroler ...54 2.9. ... A
nalisis Nilai Karakteristik Sistem ...55
BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT
3.1. ... Fl ow Chart Perancangan dan Pembuatan Alat ...59 3.2. ... Pe
(4)
3.3. ... Pe
rancangan dan Pembuatan Power Supply ±15 Volt DC ...61 3.4. ... Pe
rancangan dan Pembuatan Kontroler PID ...63 3.5. ... Pe
rancangan dan Pembuatan Driver Motor ...70 3.6. ... Pe
rancangan dan Pembuatan Sensor Optocoupler ...72 3.7. ... M
otor DC 0,75 KW...74
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. ... Pe ngujian dan Pengukuran ...77 4.1.1. ... Pe
ngujian Power Supply ...77 4.1.2. ... Pe
ngujian Sensor Optocoupler ...79 4.1.3. Pengujian Kontroler PID dengan KP = 10, Ki = 1 KD = 10
pada Pembebanan Kontinyu dengan Beban Resistif ...81 4.2. ... Ha
sil Pengujian dan Pengukuran ...84 4.2.1. ... Ha sil Pengujian dan Pengukuran Power Supply ...84 4.2.2. ... Ha sil Pengujian dan Pengukuran Sensor Optocoupler...87 4.2.3. Hasil Pengujian dan Pengukuran Kontroler PID dengan
KP = 10, Ki = 1, KD = 10 pada Pembebanan Kontinyu
dengan Beban Resistif ...88 4.3. ... Pe
(5)
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
ix
4.3.1. ... Pe
mbahasan Power Supply ...90 4.3.2. ... Pe
mbahasan Sensor Optocoupler ...91 4.3.3. ... Pe
mbahasan Kontroler PID ...92
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. ... Ke simpulan ...93 5.2. ... Sa
ran ...94
DAFTAR PUSTAKA ...95 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Motor DC ...7 Gambar 2.2. Kaidah Tangan Kiri Flemming ...9
(6)
Gambar 2.3. Prinsip Kerja Motor DC ...9
Gambar 2.4. Rangkaian Motor DC Penguat Terpisah ...11
Gambar 2.5. Penguat Diferensial ...18
Gambar 2.6. Diagram Blok Op-amp ...19
Gambar 2.7. Skematik Diagram Simbol Op-amp...19
Gambar 2.8. Inverting Amplifier...21
Gambar 2.9. Non Inverting Amplifier ...21
Gambar 2.10. Rangkaian Penjumlah dengan Hasil Negatif ...22
Gambar 2.11. Rangkaian Differential Op-amp ...23
Gambar 2.12. Rangkaian Integrator Op-amp Sederhana ...25
Gambar 2.13. Diagram Blok Sistem Lup Tertutup...26
Gambar 2.14. Diagram Blok Sistem Kontrol Lup Terbuka ...26
Gambar 2.15. Sistem Kontrol Otomatis ...27
Gambar 2.16. Kurva Transfer On / Off Controller ...31
Gambar 2.17. On / Off Controller ...32
Gambar 2.18. Kurva Transfer Kontrol Proporsional ...33
Gambar 2.19. Kontroler Proporsional ...34
Gambar 2.20. Hubungan Input / Output dari Integral Controller ...37
Gambar 2.21. Op-amp Integrator ...39
Gambar 2.22. Integral Controller ...40
Gambar 2.23. Parallel Proportional-Integral Controller ...42
Gambar 2.24. Series Proportional-IntegralController ...44
(7)
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
xi
Gambar 2.26. Basic Op-amp Differentiator ...47
Gambar 2.27. Practical Differentatior ...49
Gambar 2.28. Proportional-Integral-Derivative Controller (PID Controller) ...51
Gambar 2.29. Karakteristik Respon Dinamis ...57
Gambar 3.1. Flow Chart Perancangan dan Pembuatan Alat ...59
Gambar 3.2. Diagram Blok Pengendali Kecepatan Motor DC ...60
Gambar 3.3. Rangkaian Power Supply ±15 Volt DC ...61
Gambar 3.4. Realisasi Power Supply ±15 Volt DC ...63
Gambar 3.5. Rangkaian Kontroler PID Analog Menggunakan Op-amp ...64
Gambar 3.6. Rangkaian Error Detector...64
Gambar 3.7. Rangkaian Kontroler PID ...66
Gambar 3.8. Realisasi Kontroler PID Menggunakan Op-amp ...70
Gambar 3.9. Rangkaian Driver Motor ...71
Gambar 3.10. Realisasi Driver Motor...72
Gambar 3.11. Transformator Step Down dan Dioda Bridge ...72
Gambar 3.12. Rangkaian Sensor Optocoupler ...73
Gambar 3.13. Realisasi Rangkaian Sensor Optocoupler ...74
Gambar 3.14. Motor DC 0,75 KW MIKI PULLEY ...76
Gambar 4.1. Rangkaian Pengujian Power Supply +15 Volt to CT ...78
Gambar 4.2. Rangkaian Pengujian Power Supply -15 Volt to CT ...78
Gambar 4.3. Rangkaian Pengujian Sensor Optocoupler...80
(8)
Gambar 4.5. Rangkaian Pengujian Kontroler PID pada Beban Kontinyu
dengan Beban Resistif ...82
Gambar 4.6. Realisasi Pengujian Kontroler PID ...83
Gambar 4.7. Kapasitor ...83
Gambar 4.8. Beban Resistif ...84
Gambar 4.9. Realisasi Hasil Pengujian Power Supply +15 Volt to CT ...85
Gambar 4.10. Realisasi Hasil Pengujian Power Supply -15 Volt to CT ...86
Gambar 4.11. Grafik Hasil Pengukuran Sensor Optocoupler ...87
Gambar 4.12. Grafik N(RPM) Terhadap VL ...89
Gambar 4.13. Grafik Vf Terhadap Vsp...89
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Parameter Op-amp ...20
(9)
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
xiii
Tabel 4.1. Hasil Pengukuran Power Supply +15 Volt to CT ...85
Tabel 4.2. Hasil Pengukuran Power Supply -15 Volt to CT ...86
Tabel 4.3. Hasil Pengukuran Sensor Optocoupler...87
(10)
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Motor DC atau motor arus searah yaitu motor yang sering digunakan di dunia industri, biasanya motor DC ini digunakan sebagai penggerak seperti untuk menggerakan belt conveyor, pengangkat beban, ataupun sebagai mesin penggulung, dan lain-lain. Hal ini dikarenakan motor DC memiliki keunggulan seperti torsi awal yang besar dan metode pengontrolan putarannya sederhana. Motor DC memerlukan suplai tegangan searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik.
Selama ini kenyataannya kecepatan motor DC mengalami penurunan akibat dari pembebanan pada motor DC. Sehingga menyebabkan putaran dari motor DC menjadi lambat. Untuk mengatasi hal ini maka diperlukan suatu perancangan sistem pengendali kecepatan motor DC agar motor DC tersebut berjalan sesuai dengan kecepatan yang diharapkan. Agar sistem pengendali kecepatan motor DC lebih baik maka diperlukan kontroler yang dapat mengendalikan sistem tersebut. Selain itu dengan adanya pengendali dapat mengatasi gangguan-gangguan yang akan terjadi baik dari motor DC maupun gangguan dari luar misalnya berat material yang berlebihan dari kapasitas yang ditentukan. Selain itu salah satu tugas komponen kontroler adalah mereduksi sinyal kesalahan, yaitu perbedaan antara sinyal set point (sinyal yang diatur) dan
(11)
2
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
sinyal aktual / process variable yang dibandingkan melalui umpan balik. Tujuan dari sistem kontrol ini yaitu untuk mendapatkan sinyal aktual yang senantiasa diinginkan sama dengan sinyal acuan yang di atur (set point). Sehingga keberadaan kontroler atau pengendali dalam sebuah sistem kontrol mempunyai kontribusi yang besar terhadap prilaku sistem.
Kontroler yang digunakan untuk mengatasi hal tersebut yaitu dengan menggunakan kontoler PID. Kontroler PID adalah kontroler berumpan balik yang paling populer di dunia industri. Kontroler PID terbukti dapat memberikan performa kontrol yang baik meski mempunyai algoritma sederhana yang mudah dipahami. Hal krusial dari penggunakan kontrol PID yaitu tuning atau pemberian parameter P (proporsional), I (integral), dan D (differential) agar didapatkan respon sistem yang diinginkan. Sehingga dengan menggabungkan kontrol P, I, D dapat memberikan keuntungan yaitu dapat memperbaiki respon transien, menghilangkan error steady state, dan memberikan efek redaman.
Dari latar belakang yang telah dijelaskan maka penulis mengambil judul
tugas akhir “Rancang Bangun Pengendali Kecepatan Motor DC 0,75 KW 160
Volt dengan Kontroler PID Analog”.
1.2. Rumusan Masalah
Rumusan masalah dari tugas akhir ini yaitu : 1. Memahami apa itu kontroler PID ?
2. Bagaimana perancangan sistem untuk pengendali kecepatan motor DC menggunakan kontroler PID analog?
(12)
3. Bagaimana merealisasikan pembuatan alat untuk pengendali kecepatan motor DC dengan kontroler PID analog?
4. Bagaimana mensetting tuning atau pemberian nilai untuk masing-masing parameter proporsional, integral, dan derivatif dengan metode
Trial and Error?
5. Bagaimana pengujian dan analisis (pembahasan) alat pengendali kecepatan motor DC dengan menggunakan kontroler PID apakah
output sesuai dengan yang dikehendaki ? (pada saat diberi beban putaran pada motor DC tidak mengalami penurunan).
1.3. Batasan Masalah
Batasan masalah dalam tugas akhir ini adalah :
1. Perancangan sistem / diagram blok untuk pengendali kecepatan motor DC dengan kontroler PID analog.
2. Perancangan dan realisasi pembuatan alat pengendali kecepatan motor DC dengan kontroler PID analog.
3. Tuning atau menentukan parameter P, I, D untuk kontroler PID dengan menggunakan metode Trial and Error.
4. Pengujian dan analisis alat kontroler PID untuk pengendali kecepatan motor DC dengan pembebanan kontinyu berupa beban resistif.
5. Motor DC yang digunakan yaitu motor DC merk MIKI PULLEY SYD-750 dengan besarnya daya SYD-750 watt, tegangan jangkar 160 volt, dan tegangan medan 175 volt.
(13)
4
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
6. Kontroler PID analog menggunakan op-amp LM741.
1.4. Tujuan
Tujuan dari tugas akhir ini yaitu : 1. Memahami tentang kontroler PID.
2. Merancangan sistem untuk pengendali kecepatan motor DC menggunakan kontroler PID analog.
3. Merealisasikan pembuatan alat untuk pengendali kecepatan motor DC dengan kontroler PID analog.
4. Mampu mensetting tuning atau pemberian nilai untuk masing-masing parameter proporsional, integral, dan derivatif dengan metode Trial and Error.
5. Mampu menguji dan menganalisis alat pengendali kecepatan motor DC dengan menggunakan kontroler PID analog (saat diberi beban kecepatan putaran pada motor DC tidak berkurang).
1.5. Metodologi Penelitian
Metode penelitian untuk tugas akhir ini adalah : Studi literatur
Dengan mempelajari materi mengenai sistem kendali, motor DC dan kontroler PID.
(14)
Bimbingan
Dengan melakukan bimbingan dengan dosen pembimbing yang dimulai dari pengajuan judul untuk tugas akhir, bimbingan untuk pembuatan laporan, perancangan dan pembuatan alat, sampai dengan pengujian dan analisis alat.
Perancangan sistem pengendalian
Merancang sistem pengendali kecepatan motor DC dengan menggunakan kontroler PID analog dengan metode Trial and Error. Pembuatan alat
Pembuatan alat kontroler PID seperti power supply, kontroler PID analog menggunakan op-amp, driver motor DC, dan sensor optocoupler
sebagai umpan balik. Pengujian dan analisis
Pengujian dan analisis terhadap sistem pengendali kecepatan motor DC dengan menggunakan kontroler PID analog dengan metode Trial and Error.
1.6. Sistematika Penulisan
Untuk memudahkan pembacaan dan pemahaman terhadap laporan tugas akhir ini, maka diberikan sistematika penulisan laporan tugas akhir sebagai berikut :
(15)
6
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
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini akan diuraikan mengenai teori-teori yang berkaitan dengan perancangan dan pembuatan alat seperti motor DC, driver motor DC dengan SCR, op-amp, sistem kendali, kontrol PID, sensor optocoupler.
BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT
Pada bab ini akan diuraikan mengenai perancangan sistem dan realisasi pembuatan alat untuk pengendali kecepatan motor DC menggunakan kontroler PID analog menggunakan op-amp.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini berisi tentang data hasil pengujian alat dari sistem pengendali kecepatan motor DC menggunakan kontroler PID analog dengan menggunakan metode Trial and Error dan analisis dari hasil output sistem pengendali menggunakan kontroler PID analog.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Pada bab ini berisi kesimpulan tentang tugas akhir yang telah dilakukan berdasarkan data-data yang di dapat, serta saran dan kritik yang membangun untuk pengembangan tugas akhir di masa yang akan datang.
(16)
BAB III
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT
3.1. Flow Chart Perancangan dan Pembuatan Alat
Gambar 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
(17)
60
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
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
Gambar 3.2. Diagram Blok Pengendali Kecepatan Motor DC KONTROLER PID Rangkaian Driver Motor DC MOTOR DC Optocoupler / Sensor Kecepatan
(18)
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.
(19)
62
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
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
(20)
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.
(21)
64
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
Di bawah ini gambar rangkaian kontroler PID analog menggunakan op-amp.
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.
(22)
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
(23)
66
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
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 masing-masing kontroler, sehingga mendapatkan output secara keseluruhan yaitu :
Vout = Kpverror + Ki dt + KD + Vo
(24)
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 =
(25)
68
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
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 amp U3 akan dimasukkan pada op-amp 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.
(26)
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.
(27)
70
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
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.
(28)
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.
(29)
72
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
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
(30)
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
(31)
74
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
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
(32)
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
(33)
76
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
(34)
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Kesimpulan dari pembuatan dan pengujian kontroler PID analog ini yaitu : 1. Kontrol PID merupakan gabungan dari kontrol proportional, integral, dan
derivative yang dapat mengurangi error steady state, mempercepat respon sistem dan mengurangi osilasi pada sistem.
2. Perancangan sistem dan pembuatan alat untuk pengendali kecepatan motor DC menggunakan kontroler PID terdiri dari power supply 15 volt, sensor
optocoupler sebagai umpan balik / feedback, rangkaian driver motor DC dengan menggunakan SCR BT152-600R, kontroler PID analog dengan menggunakan IC LM741, dan motor DC MIKI PULLEY 750 Watt 160 volt sebagai plant.
3. Tunning yang dilakukan dalam kontrol PID ini yaitu dengan metode Trial and Error, dimana besarnya nilai KP, Ki, dan KD ditentukan dengan rumus Kp =
;
Ki =;
KD = RD.CD .4. Berdasarkan hasil pengujian dan analisis / pembahasan, didapatkan besar nilai dari tiap-tiap parameter KP, Ki, dan KD yaitu KP = 10, Ki = 1, dan KD = 10. Penggunaan kontroler PID dengan nilai KP = 10, Ki = 1, dan KD = 10 menghasilkan tegangan set point yang linier dengan perubahan beban
(35)
94
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
yang kontinyu dan tegangan masukan untuk belitan medan pada motor. Sehingga apabila motor diberi beban yang besar secara kontinyu, maka besarnya tegangan set point akan menjadi naik, begitu pula dengan tegangan masukan untuk belitan medan akan naik pula, sehingga putaran pada motor tidak akan berkurang.
5.2. Saran
Dari pembuatan dan pengujian yang telah dilakukan dalam pembuatan tugas akhir ini, maka penulis dapat memberikan beberapa saran pada kontroler PID ini.
1. Kontrol PID yang dibuat pada tugas akhir ini masih menggunakan kontrol PID analog, sehingga tingkat kerusakannya lebih tinggi, karena masih menggunakan komponen elektronika yang sensitif.
2. Pembebanan pada motor DC ini masih kurang maksimal, sehingga perlu dicari lagi solusi untuk mengatasi hal tersebut.
3. Untuk kedepannya diharapkan dapat dikembangkan lebih jauh lagi untuk mengatasi kekurangan-kekurangan dari kontroler PID analog ini dengan menggunakan kontroler PID digital seperti menggunakan mikrokontroler ataupun PLC.
(36)
DAFTAR PUSTAKA
Elektronika, T. (2008). Op-Amp (Operational Amplifier). [Online]. Tersedia:
http://elektrokita.blogspot.com/2008/10/op-amp-operational-amplifier.html [10 Juni 2012].
Eniman, Y.S. (1998). Diktat Kuliah Sistem Kendali . Bandung : Teknik Elektro, Institut Teknologi Bandung.
Herlambang. (2010). Silicon Controlled Rectifier (SCR). [Online]. Tersedia: http://www.nubielab.com/elektronika/analog/silicon-controlled-rectifier-scr [10 Juni 2012].
Jacob, J. M. (1998). Industrial Control Electronics, Applications and Design.
Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall.
Laksono, H.D. (2010). Dasar Sistem Kendali Dengan Matlab. Padang.
Mercubuana. Teori Aplikasi Op-amp. [Online]. Tersedia: http://journal.mercubuana.ac.id/data/2_Op-amp.pdf [10 Juni 2012].
Sari, R. P. Penalaan Parameter Kontrol PID Dengan Metode Heuristik. Surabaya: Teknik Fisika ITS Surabaya. Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
Shatomedia. (2012). Optocoupler. [Online]. Tersedia:
http://shatomedia.com/2009/01/optocoupler/[10 Juni 2012].
Sidyanto, W. (2008). Kontrol Posisi Motor DC Dengan Kontroler PID Analog. Tugas Akhir pada Teknik Elektro Universitas Kristen Petra Surabaya : tidak diterbitkan.
Sumardjati, Prih, dkk. (2008). Teknik Pemanfaatan Tenaga Listrik. Jakarta : Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah, Departemen Pendidikan Nasional.
Universitas Pendidikan Indonesia. (2011). Pedoman Penulisan Karya Ilmiah. Bandung: UPI Press.
(1)
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
(2)
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
(3)
(4)
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
Kesimpulan dari pembuatan dan pengujian kontroler PID analog ini yaitu : 1. Kontrol PID merupakan gabungan dari kontrol proportional, integral, dan
derivative yang dapat mengurangi error steady state, mempercepat respon sistem dan mengurangi osilasi pada sistem.
2. Perancangan sistem dan pembuatan alat untuk pengendali kecepatan motor DC menggunakan kontroler PID terdiri dari power supply 15 volt, sensor
optocoupler sebagai umpan balik / feedback, rangkaian driver motor DC dengan menggunakan SCR BT152-600R, kontroler PID analog dengan menggunakan IC LM741, dan motor DC MIKI PULLEY 750 Watt 160 volt sebagai plant.
3. Tunning yang dilakukan dalam kontrol PID ini yaitu dengan metode Trial and Error, dimana besarnya nilai KP, Ki, dan KD ditentukan dengan rumus
(5)
yang kontinyu dan tegangan masukan untuk belitan medan pada motor. Sehingga apabila motor diberi beban yang besar secara kontinyu, maka besarnya tegangan set point akan menjadi naik, begitu pula dengan tegangan masukan untuk belitan medan akan naik pula, sehingga putaran pada motor tidak akan berkurang.
5.2. Saran
Dari pembuatan dan pengujian yang telah dilakukan dalam pembuatan tugas akhir ini, maka penulis dapat memberikan beberapa saran pada kontroler PID ini.
1. Kontrol PID yang dibuat pada tugas akhir ini masih menggunakan kontrol PID analog, sehingga tingkat kerusakannya lebih tinggi, karena masih menggunakan komponen elektronika yang sensitif.
2. Pembebanan pada motor DC ini masih kurang maksimal, sehingga perlu dicari lagi solusi untuk mengatasi hal tersebut.
3. Untuk kedepannya diharapkan dapat dikembangkan lebih jauh lagi untuk mengatasi kekurangan-kekurangan dari kontroler PID analog ini dengan menggunakan kontroler PID digital seperti menggunakan mikrokontroler ataupun PLC.
(6)
DAFTAR PUSTAKA
Elektronika, T. (2008). Op-Amp (Operational Amplifier). [Online]. Tersedia:
http://elektrokita.blogspot.com/2008/10/op-amp-operational-amplifier.html [10 Juni 2012].
Eniman, Y.S. (1998). Diktat Kuliah Sistem Kendali . Bandung : Teknik Elektro, Institut Teknologi Bandung.
Herlambang. (2010). Silicon Controlled Rectifier (SCR). [Online]. Tersedia: http://www.nubielab.com/elektronika/analog/silicon-controlled-rectifier-scr [10 Juni 2012].
Jacob, J. M. (1998). Industrial Control Electronics, Applications and Design.
Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall.
Laksono, H.D. (2010). Dasar Sistem Kendali Dengan Matlab. Padang.
Mercubuana. Teori Aplikasi Op-amp. [Online]. Tersedia: http://journal.mercubuana.ac.id/data/2_Op-amp.pdf [10 Juni 2012].
Sari, R. P. Penalaan Parameter Kontrol PID Dengan Metode Heuristik. Surabaya: Teknik Fisika ITS Surabaya. Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
Shatomedia. (2012). Optocoupler. [Online]. Tersedia: http://shatomedia.com/2009/01/optocoupler/[10 Juni 2012].
Sidyanto, W. (2008). Kontrol Posisi Motor DC Dengan Kontroler PID Analog. Tugas Akhir pada Teknik Elektro Universitas Kristen Petra Surabaya : tidak diterbitkan.
Sumardjati, Prih, dkk. (2008). Teknik Pemanfaatan Tenaga Listrik. Jakarta : Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah, Departemen Pendidikan