TE-­‐261 DESAIN DAN IMPLEMENTASI SIX-STEP COMUTATION PADA SISTEM KONTROL MOTOR BLDC 1,5 kW Sutedjo1), Ony Asrarul Qudsi2), Suhariningsih3),dan Diah Septi Yanaratri4)

  

 

DESAIN DAN IMPLEMENTASI SIX-STEP COMUTATION PADA SISTEM

KONTROL MOTOR BLDC 1,5 kW

  

Sutedjo1), Ony Asrarul Qudsi2), Suhariningsih3),dan Diah Septi Yanaratri4)

1,2,3,4

  Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Jl. Raya ITS - Kampus PENS Sukolilo, Surabaya, 60111

  1

  2

  3 E-mail: sutedjo@pens.ac.id , ony@pens.ac.id , nuning @pens.ac.id ,

  4

  diahsepti@pens.ac.id

  

ABSTRACT

This paper presents details design of 3 phase inverter for speed control BLDC motor.

  

BLDC motors are included in synchronous motors with permanent magnets, so this motor

is equipped with a hall-efect sensor to detect the rotor position. With the data from hall-

efect, the inverter can supply the electrical energy into the motor under synchronous

conditions. In this study used a VSI for setting BLDC motor speed. Output setting of 3

phase inverter using the six-step comutation method because this method is simple and easy

to implement. Output setting of the inverter using the six-step method will produce PWM

output wave in square with a 120° commutation. Duty cycle setting on the PWM signal will

change the inverter output, so will affect the speed of the BLDC motor. This concept is

implemented using ARM STM32F407VGT6 microcontroller. Then open-loop testing is

done by variying duty cycle value from 0% to 95% so that the speed response will change.

While close-loop testing is done by providing motor speed feedback to the microcontroller

to provide duty cycle response which setting automatically according to the specified speed

setpoint. Based on the results obtained, the method motor speed control of BLDC is able to

provide a speed response in accordance with the setpoint value specified.

  Keywords: BLDC Motor, Inverter, Six-step comutation

ABSTRAK

  

Makalah ini menyajikan detail desain dari inverter 3 fasa untuk pengaturan kecepatan

motor BLDC. Motor BLDC termasuk dalam motor sinkron dengan permanen magnet,

sehingga motor jenis ini dilengkapi dengan sensor hall-efect untuk mendeteksi posisi rotor.

Dengan data posisi rotor dari hall-efect, maka inverter dapat mensuplai energi listrik

kedalam motor pada kondisi sinkron. Pada penelitian ini digunakan sebuah VSI (Voltage

Source Inverter) untuk pengaturan kecepatan motor BLDC. Pengaturan tegangan output

inverter 3 fasa menggunakan metode six-step comutation karena metode ini cukup

sederhana dan mudah untuk diimplementasikan. Pengaturan tegangan output inverter

menggunakan metode six-step akan menghasilkan gelombang keluaran PWM (Pulse Width

Modulation) yang berbentuk kotak dengan komutasi sebesar 120°. Pengaturan duty cycle

pada sinyal PWM akan mengubah nilai output dari inverter, sehingga akan berpengaruh

pada kecepatan motor BLDC. Konsep ini diimplementasikan menggunakan microcontroller

ARM STM32F407VGT6. Kemudian pengujian open-loop dilakukan dengan memvariasikan

nilai duty cycle dari 0% hingga 95% sehingga didapat nilai respon kecepatan terhadap

perubahan duty cycle. Sedangakan pengujian close-loop dilakukan dengan memberikan

umpan balik kecepatan motor kepada microcontroller sehingga memberikan respon pada

pengaturan duty cycle secara otomatis sesuai dengan setpoint kecepatan yang ditentukan.

Berdasarkan hasil yang telah diperoleh, metode pengaturan kecepatan motor BLDC dengan

metode yang diusulkan mampu memberikan respon kecepatan sesuai dengan nilai setpoint

yang ditentukan.

  Kata Kunci: Motor BLDC, Inverter, Six-step comutation

  

 

PENDAHULUAN

  Motor BLDC saat ini telah banyak digunakan karena motor ini memiliki performa yang baik, kecepatan tinggi, responsif, handal dan lebih efisien. Karena kelebihannya tersebut maka motor BLDC sering digunakan di industri-industri, penggerak kendaraan listrik dan lain sebagainya. Motor BLDC merupakan motor listrik synchronous AC tiga fasa. Perbedaan pemberian nama ini terjadi karena motor BLDC memiliki back EMF (BEMF) yang berbentuk trapezoid sedangkan BLAC memiliki BEMF berbentuk sinusoidal. Meskipun demikian keduanya memiliki struktur yang sama. Jika dibandingkan dengan motor DC, MOTOR motor BLDC memiliki biaya perawatan yang lebih rendah dan kecepatan yang lebih tinggi karna motor jenis ini tidak menggunakan brush. Sedangkan jika dibandingkan dengan motor induksi, motor BLDC torsi awal yang lebih tinggi karena rotor terbuat dari magnet permanen. Akan tetapi, pengendalian motor BLDC jauh lebih rumit untuk kecepatan dan torsi yang konstan karena tidak adanya brush yang menunjang proses komutasi.

  Six-step comutation adalah metode pengaturan motor BLDC yang umum digunakan. Karena metode ini sederhana dan mudah untuk diimplementasikan.

  Dikatakan six step karena pada satu periode gelombang tebagi menjadi 6 bagian yaitu 2 bagian positif (+), 2 bagian float (0), dan 2 bagian negatif. Gelombang ini digunakan untuk proses komutasi pada motor. Pada penelitian ini, metode six-step comutation akan diterapkan pada inverter 3 fasa sebagai Power Electronic Convertion (PEC). Metode ini akan menjalankan proses switching driver mosfet inverter. Pengaturan kecepatan dapat dilakukan dengan menguba nilai duty cycle PWM (Pulse Width Modulation) yang berbentuk trapezoidal. Topologi pengaturan kecepatan motor BLDC yang diusulkan dapat dilihat pada gambar 1.

  Pada gambar 1, metode six-step comutation akan diimplemntasikan dan diuji coba pada motor BLDC 1,5 kW dengan pengaturan open-loop dan close-loop. Pada pengujian open-loop sangat memungkinkan motor BLDC dapat dikontrol secara manual. Sedangkan pada pengujian close-loop motor akan diuji coba pada nilai (set point) kecepatan tertentu sehingga motor dapat berada pada kecepatan konstan sesuai dengan nilai setpoint secara adaptif.

  

 

Gambar 1. Topologi pengaturan kecepatan motor BLDC

  Dengan dua pengujian ini performa metode kontrol yang diusulkan dapat memberikan gambaran mengenai konsep dan implementasi pengaturan kecepatan motor BLDC.

SIX-STEP COMUTATION INVERTER

  Acuan untuk mendesain inverter 3 fasa adalah spesifikasi dari motor yang digunakan, sehingga rangkaian inverter 3 fasa dirancang dengan daya minimal sebesar 1500 W. Dalam perencanaannya, tegangan masukan inverter diatur dengan menggunakan duty cycle PWM mulai dari 0% sampai 80% dengan frekuensi konstan. Pada rangkaian inverter 3 fasa, terdapat 2 jenis frekuensi kerja yaitu frekuensi switching dan frekuensi pencacahan. Frekuensi switching adalah frekuensi keluaran tiap fasa. Sedangkan frekuensi pencacahan adalah frekuensi yang bekerja pada MOSFET untuk mencacah gelombang sehingga dapat diatur agar memiliki keluaran yang sesuai dengan yang diharapkan. Frekuensi switching diatur bekerja konstan pada frekuensi 30 Hz dan frekuensi pencacahan pada 100 kHz.

1. Perhitungan daya inverter 3 fasa dengan efisiensi 80% dirumuskan menggunakan persamaan (1).

    _!"# !

  100% (1)

  = _!"

  !

  

 

  keterangan: :Efisiensi. P out :Daya keluaran. P in :Daya masukan. Dengan mengasumsikan efiiensi dari inverter 80% maka, daya maksimal yang inverter 3 fasa adalah 1875 Watt.

2. Perhitungan arus nominal untuk menentukan tipe MOSFET

  Menghitung arus nominal bibutuhkan agar pemilihan komponen sesuai dengan kebutuhan perencanaan. Perhitungan yang digunakan menggunakan persamaan (2). _!"#"$ =

  ! ^!"#"$ _{! !"#"$}

  (2)                          = ^!"## _!"                          = 31,25   keterangan:

  I motor : Arus yang dibutuhkan motor. P motor : Daya yang dibutuhkan motor.

  V motor : Tegangan yang dibutuhkan motor.

  Dari perhitungan ini didapatkan arus nominal yang akan mengalir melalui MOSFET adalah sebesar 31,25 A sehingga MOSFET harus mampu menahan arus minimal sesuai dengan perhitungan. Jenis MOSFET yang memiliki parameter arus di atas 31,25 A adalah tipe IRFP150N dengan kemampuan arus sebesar 42 A dan tegangan sebesar 100 V.

  Pengaturan inverter 3 fasa yang diusulkan pada penelitian ini menggunakan PWM keluaran sinyal persegi (square) dengan komutasi sebesar 120°. Penyusunan rangkaian sebagai inverter 3 fasa dapat dilihat pada Gambar 2. Pengaturan dengan komutasi 120° dapat diartikan bahwa dalam 360°, setiap sakelar akan ON selama 120° dan akan OFF selama 240°. Bentuk komutasi dalam skala waktu dapat dilihat pada gambar 3.

  

 

Gambar 2. Rangkaian sebagai inverter 3 fasa

  Gambar 3. Bentuk komutasi dalam skala waktu

  Untuk membentuk keluaran gelombang komutasi 120° diatur melalui

  

microcontroller. Pengaturan dapat dilakukan dengan menggunakan sensor untuk

  menentukan kapan sakelar harus ON atau OFF, untuk motor BLDC digunakan 3 buah

  

hall sensor sebagai penentu waktu kerja sakelar. Kombinasi penyaklaran dapat dilihat

pada Tabel 1.

  

 

Tabel 1.

  Pengaturan Sakelar Inverter 3 Fasa Untuk Putaran Motor BLDC Hall Sensors Phase Switches

  Value (H3 H2 H1) 1 0 0 A – B S1 ; S2; S6

  1 1 0 A – C S1 ; S3 ; S2 0 1 0 B – C S4 ; S3 ; S2 0 1 1 B – A S4 ;S3 ; S5 0 0 1 C – A S4 ; S6 ; S5 1 0 1 C – B S1 ; S6 ; S5

   

  Setiap sakelar pada inverter 3 fasa terkonduksi berpasangan sebesar 60° sesuai urutan seperti pada Tabel . Pada saat posisi hall [101] sakelar yang terkonduksi adalah S1,S5,S6 sehingga VDC akan mengalir melalui S1 dan S5 menuju kumparan A – B dan kembali melalu S6. Pada saat posisi hall [100] sakelar yang terkonduksi adalah S1,S2,S6 sehingga VDC akan mengalir melalui S1 menuju kumparan A – C dan kembali melalui S2 dan S6. Pada saat posisi hall [110] sakelar yang terkonduksi adalah S1,S2,S3 sehingga VDC akan mengalir melalui S1 dan S3 menuju kumparan B – C dan kembali melalui S2. Pada saat posisi hall [010] sakelar yang terkonduksi adalah S2,S3,S4 sehingga VDC akan mengalir melalui S3 menuju kumparan B – A dan kembali melalui S2 dan S4. Pada saat posisi hall [011] sakelar yang terkonduksi adalah S3,S4,S5 sehingga VDC akan mengalir melalui S3 dan S5 menuju kumparan C – A dan kembali melalui S4. Pada saat posisi hall [001] sakelar yang terkonduksi adalah S4,S5,S6 sehingga VDC akan mengalir melalui S5 menuju kumparan C – B dan kembali melalui S4 dan S6.

PENGUJIAN DAN ANALISA

  Pengujian dilakukan untuk melihat kesesuaian metode yang telah didesain dengan hasil implementasi. Secara umum dilakukan pengujian pada metode six-step

  

comutation yang diusulkan, kemudian dilakukan pengujian secara terintegrasi pada

  inverter yang telah dibuat baik secara open-loop dan close-loop.Gambar 4 menunjukkan implementasi dari metode yang telah didesain.

  

 

  (b) (a)

  (c)

  Gambar 4. (a) Rangkaian Pembacaan Sinyal Hall Effect Sensor; (b) Rangakain inverter 3 fasa untuk motor BLDC; (c) Rangakaian mikrokontroler ARM STM32F407VG dan driver six-step comutation inverter

  Pada Gambar 4 (c) terdapat 6 PORT yang digunakan untuk menghasilkan sinyal penyulutan MOSFET dan 3 PORT untuk menerima sinyal dari hall effect sensor. Sinyal penyulutan untuk sisi high side (H1,H2,H3) secara berurutan terhubung pada GPIOC.1, GPIOC.3, dan GPIOA.1. Sedangkan untuk sisi low side (L1,L2,L3) secara berurutan terhubung pada GPIOC.6, GPIOC.7, dan GPIOC.8 Sinyal masukan hall effect sensor secara berurutan terhubung pada GPIOB.3, GPIOB.5, dan GPIOB.7. Pada perancangan modul mikrokontrol ini juga terdapat PORT PA.0 sebagai input Analog to Digital

  Converter (ADC) untuk pengaturan kecepatan motor BLDC.

  Dalam pengujian sinyal keluaran dibutuhkan rangkaian pembacaan hall effect sensor. Rangkaian pembacaan hall effect sensor ditunjukkan pada Gambar 4 (a). Pada Gambar

  

 

  4 (a) terdapat 3 buah resistor pull up yang nilainya masing-masing 220 Ω. Resistor pull

  

up mendapatkan sumber sebesar 3V dari mikrokontroler dan juga terhubung degan hall

effect sensor yang masuk ke mikrokontrol pada PORT GPIO. Pada rangkaian ini juga

  terhubung dengan sumber 5V sebagai tegangan aktivasi hall efect sensor.

  1. Pengujian Sinyal PWM Six-Step Comutation pada Kontroler Pada penelitian ini, sebelum membangkitkan sinyal berdasarkan konfigurasi hall

effect sensor, dilakukan pembangkitan berdasarkan timming waktu terlebih dahulu.

  Sinyal PWM akan dibangkitkan secara berulang dan terus menerus melalui modul mikrokontroler. Agar pada tiap fasa tidak ada mosfet sisi high dan low yang menyala secara bersamaan, maka diperlukan dead time (waktu mati) agar tidak terjadi short

  

circuit ketika sinyal PWM disulutkan ke rangkaian inverter. Pengujian dilakukan

  dengan menggunakan oscilloscope pada masing-masing fasa sisi high dan low yang akan ditunjukkan pada Gambar 5(a) untuk Ch1 dan Ch1N (fasa R), Gambar 5(b) untuk Ch2 dan Ch2N (fasa S), dan Gambar 5(c) untuk Ch3 dan Ch3N (fasa T).

  (b) (a)

  (c)

  

Gambar 5. (a)Pulsa keluaran PWM Ch1 dan Ch1N; (b) Pulsa keluaran PWM Ch2

dan Ch2N; (c) Gambar 7. Pulsa keluaran PWM Ch3 dan Ch3N

  Dari Gambar 5(a),(b), dan (c) pengamatan pulsa keluaran pada Ch1, Ch2, dan Ch3 dapat digambarkan perbedaan masing-masing pulsanya. Untuk tiap fasa high dan fasa

  

low memiliki perbedaan sudut penyulutan sebesar 120°. Dan untuk masing-masing Ch

  

 

  32.6 51 658 70 33,6

  29 53 583

  50

  24

  1.9

  31.2 52 627 60 28,8

  2.0

  2.0

  25.6 55 515 40 19,2

  33.6 50 679 80 38,4

  2.1

  34.5 50 697 90 43,2

  2.2

  35.9 51 726 95 45,6

  2.3

  1.7

  1.5

  antara high dan low memiliki nilai dead time sebesar 60°. Urutan penyulutan dapat dilihat pada Tabel 2.

  

Data Pengujian Variabel Masukan Dan Keluaran Motor BLDC Menggunakan Sumber

Accu

  Tabel 2. Perbedaan sudut penyulutan sisi high dan low pada masing-masing Ch1, Ch2, dan Ch3

  SUDUT FASA 60 120 180 240 300 360 T R' S T' R S'

  2. Pengujian Sistem secara Open-loop Pengujian rangkaian inverter 3 fasa open loop dilakukan dengan memberikan tegangan masukan konstan melalui pengaturan perubahan nilai duty cycle secara bertahap. Data dilakukan dengan memberikan masukan sumber sebesar 48V dari nilai

  

duty cycle 0% sampai duty cycle 95%. Pengujian dengan dilakukan dengan

  menghubungkan 4 buah accu 12V secara seri, sehingga tegangan yang dihasilkan sebesar 48V. Sisi poisitf (+) dan negatif (-) accu dihubungkan langsung ke inverter sebagai sumber. Nilai duty cycle diubah bertahap dari 0% sampai 95% sehingga didapatkan data seperti pada Tabel 3.

  Tabel 3.

  D(%) Vdc (Volt)

  20.3 54 400 30 14,4

  Idc (Ampere)

  Vac (Volt)

  Iac (Ampere) rpm

  10 4,8

  0.8

  12.0 54 239 20 9,6

  1.1

  36.85 52 749

  

 

Dari data yang diamati, dapat digambarkan menjadi grafik agar lebih mudah diamati.

  Respon arus terhadap perubahan duty cycle pada saat pengujian dilakukan, dijelaskan pada Gambar 6.

  

Grafik Respon Arus Terhadap Duty Cycle

₃  

Sumber Accu

) ₂   (A rus 1   A _{0   0   10   20   30   40   50   60   70   80   90   95}  

  Duty Cycle (%)

Gambar 6. Respon Arus Masukan Motor BLDC Terhadap Perubahan Duty Cycle

Menggunakan Sumber Accu

  Grafik Respon Kecepatan Terhadap ₁₀₀₀   Duty Cycle Sumber Accu ) ₅₀₀   n (rpm ta ₀   epa _{0   10   20   30   40   50   60   70   80   90   95}   ec

  K Duty Cycle (%)

  

Gambar 7. Respon Kecepatan Motor BLDC Terhadap Perubahan Duty Cycle

Menggunakan Sumber Accu

  Respon kecepatan terhadap perubahan duty cycle pada saat pengujian dilakukan, dijelaskan pada Gambar 7. Berdasarkan gambar 6 dan 7 menunjukkan bahwa metode yang diusulkan dapat dioperasikan pada kondisi open-loop.

  3. Pengujian Sistem secara Close-loop Secara konsep, pengujian rangkaian inverter 3 fasa secara close-loop dilakukan agar motor dapat berputar pada kecepatan putaran konstan. Pada pengujian ini, nilai kecepatan yang diharapkan adalah dapat bertahan pada 450 rpm. Secara teknis, pada mikrokontroler dimasukkan program agar duty cycle dapat berubah secara otomatis setelah throtle gas diinjak. Variabel perhitungan akan mengatur agar kecepatan dapat

  

 

  dipertahankan pada 450 rpm. Apabila pembacaan kecepatan lebih dari 450 rpm, maka variabel perhitungan akan otomatis mengurangi nilai duty cycle dan akan menyesuaikan agar kecepatan motor tdak melebihi 450 rpm. Kondisi yang sama juga terjadi apabila kecepatan motor dibawah 450 rpm. Maka, variabel perhitugan akan otomatis menambah nilai duty cycle dan akan menyesuaikan agar kecepatan motor dapat mencapai 450 rpm. Data dari pengujian ini dapat dilihat pada Tabel 4.

  Tabel 0. Data Variabel Masukan Dan Keluaran Motor BLDC Secara Terkontrol Dengan Variasi

  Pembebanan BEBAN D(%) Vdc Idc Vac Iac Rpm

  Free Run (Tanpa beban 1) 55,74 26,76

  2

  23 43 450 Free Run (Tanpa beban 2) 22,3 10,70 1.3

  23 55 450 6 kg 30,66 14,72

  2

  22.5 67 450 200kg 68,17 32,72 22

  24 61 450 Pada gambar 8, dapat dilihat bahwa dengan variasi pembebanan yang berbeda, maka diperlukan nilai duty cycle yang berbeda-beda agar motor dapat berputar 450 rpm.

  Pada masing-masing pembebanan, dapat diberikan tambahan beban yang lebih besar lagi karena masih memiliki sapre duty cycle.

  Nilai Duty Cycle Pada Variasi Beban 200 kg _68.17   6 kg _30.66   Free Run (Tanpa Beban 2) _22.3   Free Run (Tanpa Beban 1) _{0   20   40   60   80   55.74}  

  Duty Cycle (%)

Gambar 8. Perbandingan Pemakaian Duty Cycle Pada Variasi Pembebanan

  Dengan bertambahnya berat beban yang dibawa motor, maka kebutuhan torsi motor juga akan meningkat. Peningkatan kebutuhan torsi ini berbanding lurus dengan konsumsi arus, sehingga semakin berat beban yang dibawa motor, maka semakin besar pula arus yang dikonsumsi oleh motor.

  

 

SIMPULAN

  Berdasarkan data hasil pengujian sistem menggunakan metode yang diusulkan, penggunaan metode six-step comutation dapat diterapkan pada kontrol motor BLDC. Penerapan metode ini juga harus mempertimbangkan dead time (waktu mati) agar tidak terjadi short circuit ketika sinyal PWM disulutkan ke rangkaian inverter. Metode ini juga memungkinkan untuk diaplikasikan pada kondisi close-loop sehingga motor selalu berada kecepatan yang konstan walaupun kondisi beban berubah-ubah.

  REFERENSI

Windarko, Novie Ayub, et al. "Optimized PI constant for current controller of grid

connected inverter with LCL filter using genetic algorithm." Electrical Engineering and Informatics (MICEEI), 2014 Makassar International Conference on. IEEE, 2014.

  

Raharja, L. P. S., Arief, Z., & Windarko, N. A. (2017). Reduction of Total Harmonic

Distortion (THD) on Multilevel Inverter with Modified PWM using Genetic Algorithm. EMITTER International Journal of Engineering Technology, 5(1), 91- 118.

  Lee, Seung-Tae, and Jin Hur. "Detection Technique for Stator Inter-Turn Faults in BLDC Motors Based on Third-Harmonic Components of Line Currents." IEEE Transactions on Industry Applications 53.1 (2017): 143-150.

  Masmoudi, Mourad, Bassem El Badsi, and Ahmed Masmoudi. "DTC of B4-inverter-fed BLDC motor drives with reduced torque ripple during sector-to-sector commutations." IEEE Transactions on Power Electronics 29.9 (2014): 4855-4865.

  

Ozturk, Salih Baris, William C. Alexander, and Hamid A. Toliyat. "Direct torque

control of four-switch brushless DC motor with non-sinusoidal back EMF." IEEE Transactions on Power Electronics25.2 (2010): 263-271.

Rao, A. Purna Chandra, Y. P. Obulesh, and Ch Sai Babu. "Mathematical modeling of

BLDC motor with closed loop speed control using PID controller under various loading conditions." ARPN Journal of engineering and applied sciences 7.10 (2012): 1321-1328.

Al-Mashakbeh, Atef Saleh Othman. "Proportional integral and derivative control of

brushless dc motor." European Journal of Scientific Research 35.2 (2009): 198-203.

  TE-68