Perancangan dan Simulasi Direct Torque Control pada Motor Induksi menggunakan Sliding Mode Control Mahmed Fadhillah

Perancangan dan Simulasi Direct Torque Control pada Motor

Induksi menggunakan Sliding Mode Control

Mahmed Fadhillah

Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, email: fadil1912@gmail.com

Abstract – Pada tugas akhir ini akan coba diterapkan metode pengontrolan kecepatan motor induksi 3 phasa menggunakan Sliding Mode Direct

Torque Contro(SMDTC) yang merupakan

pengembangan dari metode DTC klasik. Metode kontrol ini akan di implementasikan secara langsung melalui mikrokontroler ATMEGA32 yang terhubung dengan rangkaian inverter dan plant motor induksi. Mikrokontroler digunakan untuk mengirim sinyal kontrol dan melakukan penyulutan inverter. Sumber 3 phasa diubah menjadi sumber tegangan DC melalui rangkaian rectifier. Sumber DC sebagai input inverter akan di ubah menjadi catu daya AC untuk mencatu motor induksi 3 phasa. Dari pengimplementasian metode kontrol Sliding Mode Direct Torque Control ini diharapkan hasil respon motor yang konstan. Hasil respon saat menggunakan kontroller yaitu rise time 3 Sec dan settling time 3,5 Sec

Kata Kunci: DTC, SMDTC, Inverter 3 phasa, Motor induksi 3 phasa

I PENDAHULUAN

Motor induksi 3 phasa saat ini sering digunakan pada industri dengan berbagai aplikasi. Hal ini disebabkan karena motor induksi 3 phasa memiliki keunggulan diantaranya handal, tidak ada kontak antara stator dan rotor kecuali bearing, tenaga yang besar, daya listrik rendah dan hampir tidak ada perawatan, tetapi motor induksi 3 phase memiliki kelemahan pada pengontrolan kecepatan karena kecepatanya hanya bergantung pada frekuensi input sedangkan sumber yang ada memiliki frekuensi yang konstan, untuk mengubah frekuensi input lebih sulit dari pada mengatur tegangan input, dengan ditemukannya teknologi inverter maka hal tersebut menjadi mungkin dilakukan.

Pengaturan kecepatan motor induksi 3 phasa dengan kontroller merupakan close loop control yang umum digunakan di dalam pengaturan kecepatan motor induksi karena memberikan respon kecepatan yang lebih baik daripada open loop control. Namun hal ini membutuhkan perhitungan matematik yang rumit dan komplek dalam menentukan parameter yang sesuai, agar diperoleh kinerja motor yang bagus.

Simulink pada program matlab dapat digunakan untuk mensimulasikan pengaturan kecepatan yang berbasis DTC ini. Setelah melakukan simulasi, dilakukan implementasi pada perangkat kerasnya dengan menggunakan mikrokontroler agar hasi simulasi dapat diimplementasikan pada real plant. .

II Direct Torque Control

Direct Torque Control (DTC) adalah kontrol berdasarkan fluks stator dalam kerangka seferensi stator tetap menggunakan kontrol langsung dari switching inverter.

Ide dasar dari DTC adalah perubahan torsi sebanding dengan slip antara fluk stator dan fluk rotor pada kondisi fluk bocor stator tetap. Hal ini banyak dikenali untuk pengaturan torsi dan fluk cepat dan robust. Pada motor induksi dengan rotor sangkar untuk waktu tetap rotor menjadi sangat besar, fluk bocor rotor berubah perlahan dibanding dengan perubahan fluk bocor stator. Oleh karena itu, pada keadaan perubahan yang cepat fluk rotor cenderung tidak berubah. Perubahan cepat dari torsi elektromagnetik dapat dihasilkan dari putaran fluk stator, sebagai arah torsi. Dengan kata lain fluk stator dapat seketika mempercepat atau memperlambat dengan menggunakan vektor tegangan stator yang sesuai. Torsi dan fluk kontrol bersama-sama dan decouple dicapai dengan pengaturan langsung dari tegangan stator, dari error respon torsi dan fluk. DTC biasanya digunakan sesuai vektor tegangan dalam hal ini untuk memelihara torsi dan fluk stator dengan dua daerah histerisis, yang menghasilkan perilaku bang bang dan variasi prosedur frekuensi pensaklaran dan ripple fluk, torsi dan arus yang penting.

... (1)

dimana = Persamaan tegangan stator untuk persamaan space vektor dari motor induksi adalah : ... (2)

... (3)

... (4)

... (5)

Persamaan direct fluk control untuk bentuk persamaan fluk stator adalah : ... (6)

dengan mengabaikan Rs maka didapat ... (7) r r r r r

j

dt

d

i

R

'

'

'

0

=

+

ψ

−

ω

ψ

dt

d

i

R

v

s s s s

ψ

+

=

r m s s s

=

L

i

+

L

i

'

ψ

s m r r r

=

L

i

'

+

L

i

'

ψ

s s s s

_v

_R

_i

dt

d

−

=

ψ

t

v

_s s

=

∆

∆

ψ

(

2

)

3 2 _{() () ()} ) (t VS t S ta S ta vs = a + b + c

Persamaan torsi pada direct torque control yaitu :

... (8)

Dari persamaan 8 bisa diketahui fluks rotor mengikuti fluks stator dengan waktu yang konstan στr.

... (9)

sehingga persamaan fluk stator

... (10) Stator fluks dan torsi estimasi didapatkan dari persamaan 11, dan pada sumbu d dan q

... (11) ,

Blok diagram sistem DTC untuk motor induksi ditunjukkan pada gambar 1, Skematik DTC sangat sederhana dalam konfigurasi dasarnya, terdiri dari hysteresis kontroller, torque dan flux estimator dan switching tabel. Konfigurasinya lebih sederhana dari sistem vektor kontrol karena tidak adanya transformasi antara stationary frame dan synchronous frame.

Gambar 1 Prinsip dasar DTC

2.1 Sliding Mode Control (SMC)

Sliding mode control diperkenalkan sebagai alternatif yang memungkinkan untuk menerapkan robust control, dengan mengambil keuntungan dari karakteristik switching "on-off" inverter untuk mengontrol mesin elektrik. namun hal ini menyebabkan kerugian besar yaitu frekuensi switching yang berubah-ubah. Untuk mendapatkan frekuensi switching tetap, digunakan modulasi space vector yang mempertahankan karakteristik yang bagus dari sliding mode control. Penerapan pada waktu diskret digital signal processing juga membutuhkan perubahan untuk memperbaiki hasil pengolahan. Sliding mode control didesain untuk beroperasi melebihi variabel yang sama seperti digunakan pada metode DTC Untuk meningkatkan performa putaran motor induksi pada kondisi ada gangguan, kontrol putaran dengan sliding mode control akan diuraikan, dimana jenis kontrol ini robust pada saat terjadi

gangguan dengan variasi parameter dan torsi beban berubah. Persamaan umum torsi elektromekanik pada motor induksi diberikan:

e L m m T T B dt d J ω + ω + = ... (12) Dimana B dan J adalah koefisien gesekan viscous dann konstanta Inersia dari motor. TL adalah torsi beban dari luar dan

ω

m _{adalah putaran rotor mekanik}

dalam frekuensi sudut. Te adalah torsi elektromagnetik dari motor induksi yang diberikan dengan persamaan :

(

ds qs qs ds

)

e

i

i

P

T

=

λ

−

λ

2

2

3

... (13) Persamaan elektromekanik 12 dapat diubah menjadi: m

+

a

m

+

d

=

bT

e •

ω

ω

_{... (14)} dengan : J T d J b J B a= = = L ; 1 ;

Sesuai dengan persamaan elektromekanik diatas dengan kondisi ada gangguan adalah:

(

)

m

(

) (

)

e m=−a+∆a − d+∆d + b+∆bT • ω ω _{... (15)} Dimana:

d

dan

b

a

∆

∆

∆

,

,

_{adalah menyatakan kondisi}

taktentu dari parameter a, b, dan d sebagai penyataan parameter J dan B.

Untuk menentukan kesalahan/selisih putaran motor diberikan dengan persamaan:

( )

t

( )

t

t

e

m m *

)

(

=

ω

−

ω

_{... (16)} Dimana:

( )

t

m *

ω

_{adalah putaran acuan/referensi.}

Dengan menurunkan persamaan 16 dalam fungsi waktu didapatkan:

( )

( )

() () () ) ( * t x t f t ae t t t e = m − m =− + + • • • ω ω _{... (17)}

Dengan memisahkan komponen

f

(t

)

dan

x

(t

)

dari persamaan 17 didapatkan menjadi:

) ( ) ( ) ( ) ( * * t t d a t bT t f _{e m m} • − − − = ω ω _{... (18)} Dan x(t) penambahan perubahan diberikan

dalam persamaan: sr r s r s m elec L L L t ψ ψ δ δ sin 2 3 = r s r L L r r

p

s m

ψ

στ

ψ

+

=

1

∫

−

=

v

s

i

R

s

dt

s

(

)

ψ

(

)

(

s jis

)

p T= Ψ ⋅ − 2 5 . 1

(

sdisq sqisd

)

p T = Ψ −Ψ 2 5 . 1 ( )* Im 2 2 3 s s i p T= ψ

) ( ) ( ) ( ) ( * t bT t d a t bT t x = e −∆ ωm−∆ −∆ e _{... (19)} Variable sliding mode dengan komponen integral

diberikan dengan persamaan:

(

h a

)

eτ dτ t e t S t ) ( ) ( ) ( 0

∫

− − = ... (20) Dimana h adalah konstanta penguat. Untuk menentukan alur putaran (speed trajectory tracking), dengan menggunakan asumsi dan persamaan berikut :

Asumsi 1. harga h dipilih sehingga (h−a) menjadi negatip dan h<0, kemudian sliding surface diberikan dengan persamaan :

(

)

0 ) ( ) ( ) ( 0 = − − =et

_∫

h a eτ dτ t S t ... (21) Berdasar hasil pengembangan switching surface, keberadaan kontrol switching dijamin keberadaan di sliding mode, kontrol putarannya diberikan dengan persamaan:

f(t)= he(t)−βsgn

(

S

( )

t

)

... (22) Dimana:

β _{= konstanta penguat switch}

S(t) = variable sliding yang ditentukan melalui persamaan 23 dan tanda sgn(.) adalah fungsi signum yang didifinisikan sebagai:

( )

( )

( )

_{( )}

   < − > + = 0 1 0 1 sgn t S bila t S bila t S ... (23) Asumsi 2:

Penguat β dipilih sehingga β≥x(t) untuk semua kondisi. Ketika sliding mode terjadi pada sliding surface persamaan 21,

( )

=

( )

=0 • t S t S _{, dan tracking} error

e

(t

)

bergerak konvergen secara eksponen menuju ke nol.

Gambar 2 Sliding Surface berada pada sliding mode

Sesuai dengan parameter motor induksi dari persamaan 15, bila asumsi 1 dan asumsi 2 dibuktikan sebagai batasan putaran persamaan 22 akan mendahului putaran mekanik rotor

ω

m _sehingga

tracking kesalahan putare

( )

t m

( )

t m

( )

t

• −

=ω ω*

an conderung menuju ketitik nol hingga menuju kondisi

takberhingga.Pembuktian dari teorema diatas dapat menggunakan teori stabilitas Lyapunov. Fungsi Lyapunov adalah: ) ( ) ( 2 1 ) (t S t S t V = ... (24)

)

(

)

(

)

(

t

S

t

S

t

V

• •

=

_{... (25)}

Dengan menggunakan persamaan 25, maka didapatkan:

(

)

(

) (

)

[

]

[

]

( )

( )

[

]

( )

( )

[

]

(

)

0

.

sgn

.

sgn

.

.

.

)

(

)

(

)

(

≤

−

−

≤

−

=

−

+

−

=

−

+

=

−

−

+

+

−

=









₋

₋

=

=

• • •

S

x

t

S

x

S

he

x

t

S

he

S

he

x

f

S

ae

he

x

f

ae

S

e

a

h

e

S

t

S

t

S

t

V

β

β

β

Persamaan 20, 15, 22 dan asumsi 2 telah digunakan dalam pembuktian diatas. Akhirnya torsi referensi

*

e T dapat ditentukan dengan mensubtitusikan persamaan 16 dan 22 sehingga didapatkan:

      _{− + + +} = het St a • d b Te m m * * * 1 ₍₎ β_{sgn( ())} ω ω ... (26)

III PERANCANGAN SISTEM

Dalam perancangan ini akan dibuat simulasi dan implementasi dari metode SMDTC

3.1 Perencanaan Program Simulasi SMDTC

Berdasarkan dari referensi model dengan simulink dari kontrol kecepatan motor induksi tiga fasa dengan metode SMDTC adalah sebagai berikut:

Gambar 3 Blok simulink SMDTC

Gambar 3 merupakan blok simulasi dari pengimplementasian metode SMDTC pada motor induksi.

3.2 Perancangan Implementasi SMDTC

Untuk mengimplementasikan Sliding Mode Direct Torque Control (SMDTC) pada pengaturan

kecepatan motor induksi tiga fasa dibutuhkan 2 mikrokontroler yang berisi program kontroler Sliding Mode dan program penyulutan inverter. Hal ini dilakukan karena kedua program tersebut sama-sama menggunakan pewaktuan timer yang tersedia dalam mikrokontroler, jadi apabila kedua program tersebut dimasukkan kedalam 1 mikrokontroler maka frekuensi yang dihasilkan untuk penyulutan inverter tidak akan presisi. Gambar 4 menunjukkan diagram alir perancangan :

Gambar 4 Diagram alir implementasi SMDTC

Dari diagram alir diatas, maka dalam perancangan sistem dibagi menjadi beberapa tahapan – tahapan yang dilakukan secara runtun. Tahap pertama adalah merancang hardware Direct Torque Control (DTC) yang terdiri dari inverter 3 phasa, driver inverter 3 fasa gerbang NOT, Mikrokontroler, Rangkaian Penyearah, dan Power Supply. Adapun rangkaian pendukung lainnya yaitu rangkaian Gerbang AND yang digunakan untuk membuat PWM modifikasi. Tahap berikutnya adalah perancangan software

(switching table), sinyal PWM mikrokontroler dan

software SMDTC. Kemudian pada tahap terakhir akan

dilakukan pengujian hardware dan software SMDTC pada motor induksi.

3.2.1Perancangan Sofware Implementasi DTC

Program SMDTC yang akan dibuat dalam bahasa C dan dimasukkan kedalam mikrokontroler ATMEGA32 nantinya akan memberikan set point dan sinyal kontrol Sliding Mode dan sinyal kontrol PID kepada mikrokontroler ATMEGA16 yang berisi program DTC agar respon kecepatan motor induksi dapat mendekati nilai set point yang diinginkan. Kedua sinyal tersebut dikeluarkan oleh kontroler utama melalui port D4 dan D5 berfungsi sebagai penghasil sinyal analog. Gambar 5 menunjukkan flowchart program SMDTC.

Gambar 5 Flowchart program pada

mikrokontroler 1

Kontroler kedua yang mengendalikan penyulutan inverter menerima set point dari kontroler utama melalui port A0 untuk frekuensi dan port A1 untuk duty cyclenya, kedua port itu merupakan merubah sinyal analog yang dikirim oleh kontroler utama menjadi sinyal digital. Gambar 6 menunjukkan flowchart program yang dimasukkan kedalam mikrokontroler kedua.

Gambar 6 Flowchart program mikrontroler

IV IMPLEMENTASI DAN ANALISA

Pada bagian ini akan dibahas mengenai data – data hasil simulasi dan implementasi langsung pada plant motor induksi.

4.1 Pengujian Simulasi

Untuk hasil dari simulasi ini nilai kecepatan referensi yang ditentukan pada saat tanpa beban dan disesuaikan dengan kecepatan nominal dari motor induksi 3 phasa yang digunakan pada implementasi, sehingga dapat dibandingkan kecepatan motor saat menggunakan kontroler dan tanpa menggunakan kontroler.

Gambar 7 Respon motor induksi saat menggunakan

DTC kondisi tanpa beban

Gambar 7 menunjukkan kecepatan motor menggunakan kontroler DTC tanpa beban pada saat start, dengan set point atau referensi sesuai dengan spesifikasi hardware yang ada. Dengan menggunakan DTC pada saat start motor tanpa beban memerlukan 0,11 sec untuk memperoleh kecepatan yang konstan, dengan respon yang ada sudah memperbaiki hasil dari respon yang sebelumnya, namun dengan menggunakan DTC tanpa kontroler SMDTC, respon tidak kokoh terhadap perubahan beban.

Gambar 8 Respon motor dengan kontroler SMDTC

kondisi tanpa beban

Gambar 8 menunjukkan kecepatan motor menggunakan kontroller SMDTC tanpa beban pada saat start. Dengan SMDTC pada saat start motor tanpa beban memerlukan 0,085s untuk mencapai steady state, terjadi overshoot, namun hal ini membuat respon motor lebih kokoh terhadap perubahan torsi beban. Dalam gambar 7 dan gambar 8 diperlihatkan perbandingan respon kecepatan dengan dan tanpa menggunakan kontroler tanpa beban. Berikut ini pada gambar 9 adalah respon dengan menggunakan DTC dibebani 0,4 x torsi motor.

Gambar 9 Respon motor dengan DTC dengan beban

Dari respon yang terlihat, kecepatan motor saat menggunakan DTC tidak dapat mencapai setpoint. sehingga diperlukan kontroller untuk metode DTC pada pengaturan kecepatan dengan beban. Gambar 10 adalah hasil akhir pengaturan kecepatan motor dengan metode SMDTC. Hasil yang diperoleh yaitu settling time yang cepat (0,9 sec) dengan torsi beban 0,4 x torsi motor. Meskipun terjadi overshoot namun sistem ini sangat stabil pada perubahan beban dan referensi kecepatan.

Gambar 10 Respon motor dengan kontrol SMDTC

dengan beban

4.2 Pengujian Implementasi kontroler SMDTC

Pengujian ini dilakukan dengan terlebih dulu mengamati respon sistem tanpa kontroler dengan memberikan nilai set point dalam kecepatan dan kemudian nilai umpan balik kecepatan hasil keluaran

tachogenerator diterima oleh mikrokontroler dan data

perbandingan keduanya dikirimkan ke PC melalui koneksi serial. Grafik respon motor tanpa kontroler ditunjukkan oleh gambar 11.

Gambar 11 Respon motor tanpa kontroler

Dari grafik dapat dilihat bahwa respon plant saat tanpa menggunakan kontroler tidak mampu mencapai set

point 1300rpm dan terus berosilasi.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 150015001500 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 TIME RPM Respon motor Set point

Gambar 12. Respon motor dengan kontroler SMDTC

Grafik pada gambar 12 menunjukkan respon kecepatan motor induksi dengan kontroler SMDTC saat diberi set point 1400rpm, respon motor yang terlihat dapat mencapai set point dengan waktu naik 3s settling time 3,5 s dan terus berosilasi disekitar nilai set point.

V KESIMPULAN

Melalui proses perancangan, pembuatan, sampai dengan pengujian hardware , dari data yang didapat melalui simulasi maka dapat dsimpulkan metode kontrol DTC dengan SMDTC sama-sama memiliki respon yang cepat dan stabil dengan hasil yaitu respon motor induksi akan mencapai set point pada 0,85s dengan kondisi tanpa beban. Namun apabila pengujian dilakukan dengan torsi beban maka terlihat bahwa respon motor saat menggunakan kontrol SMDTC lebih kokoh karena responnya masih bisa mencapai set point dibandingkan saat menggunakan kontrol DTC klasik respon motor tidak mampu mencapai steady state. Dari hasil simulasi dengan menggunakan SMDTC dihasilkan pengaturan kecepatan yang kokoh terhadap beban dibandingkan menggunakan DTC klasik.

Pada data hasil implementasi hardware,respon motor saat tanpa menggunakan kontroler tidak dapat mencapai steady state dan selalu berosilasi, dengan menggunakan kontroler SMDTC hasil yang didapatkan lebih bagus karena dapat mencapai set

point yang diinginkan dengan settling time 3,5 s

walaupun terus berosilasi

REFERENSI

[1] [1] Bimal K. Bose,” Modern Power Electronics and AC drives”, Prentice Hall PTR, 2002. [2] D. Casadei, Giovanni Serra,” FOC and DTC: two

variable scheme for induction motors torque control”, Trans. On Power Electronics, Vol. 17, No. 5, September 2002.

[3] D. Casadei, G. Serra, A. Tani, and L.Zarri, “Assessment of direct torque control for induction motor drives”, Buletin of the Polish academy of science tech. sciences, vol. 54, No.3,2006.

[4] I. Takahashi, T. Noguchi,” A new quick-response and high-efficiency control strategy of an induction motor”, IEEE, Trans. Ind. Appl., IA-22(5): 820-827, 1996.

[5] M. Abid, Y. Ramdani, A. Aissaoui, A. Zeblah,” Sliding mode speed and flux control of an induction machine”, Journal of Cybernetics and Informatics, ISSN: 1336-4774, vol. 6, 2006. [6] Ned Mohan,” Electric drives an integrated

approach”, MNPERE, Minneapolis, 2003. [7] Ned mohan,” Advance electric drives analysis,

control and modeling using simulink”, MNPERE, Minneapolis, 2001.

[8] O. Barambones, A. J. Garrido, F.J. Maseda. “A robust field oriented control of induction motor with flux observer and speed adaptation”. Proc. IEEE-ATFA, 2003.

[9] Petar R. Matic, Branko D. Blanus, Slobodan N Vukosavic,“A novel direct torque control and flux control algorithm for the induction motor”,IEEE, 2003.

[10] T. Brahmananda Reddy, D. Subbarayudu, J. Amarnath,” Robust sliding mode speed controller for hybrid SVPWM base direct torque control of induction motor”, World Jurnal of Modelling and Simulation, ISSN 1 746-7233, England, vol 3, 2007.

[11] Wilfrid Perruquetti, Jean Pierre Barbot,” Sliding mode control in Engineering”, Marcel and Dekker, Inc. New York-Basel, 2002.

[12] Arman Jaya, Mauridhi Heri Purnomo, Soebagio, “Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tanpa Sensor Kecepatan Menggunakan Metode Fuzzy Sliding Mode Control Berbasis Direct Torque Control”, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, ITS. 2009.

RIWAYAT HIDUP

Mahmed Fadhillah, akrab dipanggil Fadil, lahir di Banjarmasin pada tanggal 19 Desember 1986.. Pada masa anak – anak penulis sempat mengenyam pendidikan di sekolah dasar negeri Kebun Bunga 6, Banjarmasin kemudian penulis melanjutkan studinya di SMPN 6 Banjarmasin. Setelah lulus dari Sekolah Menengah Atas Negeri (SMAN) 7– Banjarmasin, penulis melanjutkan pendidikan tingkat tinggi di Jurusan Teknik Elektro ITS dengan cara lintas jalur dari Diploma III Elektronika dan Instrumentasi UGM. Penulis memfokuskan konsentrasinya pada bidang studi Teknik Sistem Pengaturan (TSP). Pada bulan Ju1i 2011 penulis mengikuti seminar dan ujian tugas akhir pada bidang studi Teknik Sistem Pengaturan (TSP), Jurusan Teknik Elektro, FTI – ITS sebagai salah satu persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana Teknik.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1800 Time R PM Respon motor Set point