Ringkasan Tugas Akhir/Skripsi
Nama, NPM : Muhammad Aldo Setiawan, 1006681533
Pembimbing : Dr. Prawito
Judul(Indonesia) : Sistem identifikasi karakteristik motor DC berbasis mikrokontroler
Judul(Inggris) : Dc Motor Characteristic Identification System Based on Microcontroller
ABSTRAK
“Sistem identifikasi karakteristik motor DC berbasis mikrokontroler” merupakan sebuah instrumen untuk mengukur seluruh karakteristik dari motor DC (brushed). Dengan sistem yang embedded berbasis mikrokontroler yang terintegrasi, alat tersebut mampu mendapatkan seluruh karakteristik motor DC yang meliputi No load Current , Stall Current , Stall Torque ,Starting Voltage, Maximum Speed, Maximum Power, Maximum Efficiency, Motor Resistance, Motor Rating Voltage, Torque Constant, Back EMF Constant, Grafik kecepatan terhadap tegangan, Grafik torsi terhadap kecepatan, Grafik daya mekanik yang dihasilkan terhadap kecepatan, dan Grafik Respon Kecepatan Motor terhadap waktu. Untuk mendapatkan seluruh data karakteristik dari motor DC maka dilakukan pengambilan data dengan sensor gaya, sensor arus, dan rotary encoder, Dan disaat bersamaan memberikan variasi tegangan yang terukur pada motor DC yang diukur. Pengukuran pada saat kondisi kecepatan nol (stall) juga dilakukan untuk untuk mendapatkan seluruh karakteristik motor DC. Pengolahan, teknik pengambilan data, dan juga pemberian voltase pada motor DC diatur oleh mikrokontroler yang berisi algoritma teknik pengukuran dan perhitungan data yang didapatkan dari motor DC. Pembuktian kinerja alat dilakukan dengan cara melakukan pengukuran pada 3 sampel motor DC dan membandingkan dengan data referensi, sehingga disimpulkan bahwa alat mampu mendapatkan seluruh karakteristik motor DC dengan cara yang mudah dan simpel.
Kata Kunci :
Karakteristik, Mikrokontroler, Motor DC, Pengukuran, Sensor, Stall, Torsi. ABSTRACT
"Dc Motor Characteristic Identification System Based on Microcontroller" is an instrument for measuring the characteristics of the DC motor (brushed). With a microcontroller-based embedded systems that are integrated, it is able to obtain all the characteristics of a DC motor which includes No load Current, Current Stall, Stall Torque, Starting Voltage, Maximum Speed, Maximum Power, Maximum Efficiency, Motor Resistance, Motor Rating Voltage, Constant Torque , Back EMF Constant, Speed vs Voltage Graph, Torque vs Speed graph, Power Output vs Speed Graph, Speed vs Time graph (Motor Respons). To get all the data characteristic of the DC motor data collection is performed using the force sensor, current sensor, and a rotary encoder, where at the same time give measurable voltage variations measured in a DC motor. Measurements at zero speed when condition (stall) are also performed to obtain all the characteristics of DC motor. Processing, data collection techniques, and also the provision of a regulated DC voltage to the motor, are controlled by a microcontroller that contains the algorithms of the measurement techniques
and the calculation of data obtained from the DC motors, so that as one instrument that is able to identify the characteristics of the DC motor. Performance verification of the system is done by measuring the characteristic of 3 samples of DC Motor, and by comparing the results with reference data provided by vendor. So it can be concluded that the system that has been developed by the author is able to obtain all the characteristics of a DC motor with an easy and simple way.
Keywords :
Characteristic, DC Motor, Measurement, Microcontroller, Sensor, Stall, Torque.
1. Pendahuluan
Berawal dari kegiatan penulis pada bidang robotika untuk mengikuti kompetisi, penggunaan motor DC sangat sering ditemui dan diperlukan data yang cukup dari karakteristik motor DC yang akan digunakan. Berbagai karakteristik dari motor DC sangat penting dikarenakan dalam pengendalian suatu robot maupun suatu alat diperlukan data yang cukup agar hasil gerakan yang dihasilkan oleh aktuator (motor DC) dapat presisi dan sesuai dengan yang diharapkan. Namun terdapat kendala bila menggunakan motor DC bekas pakai ataupun membeli motor DC dengan harga yang murah namun tidak memiliki data spesifikasi yang memadai. Sementara itu untuk komponen mekanikal-elektrikal seperti motor DC, performanya akan mengalami degradasi terhadap waktu [2] . Maka dari itu
karakteristik dari motor DC tersebut juga akan berubah sehingga diperlukan pengetesan ulang dari motor DC yang akan digunakan. Hal tersebut dilakukan agar dapat dilakukan kalibrasi dalam pemberian sinyal kontrol yang akan diberikan pada motor DC bila aktuator tersebut digunakan pada sistem yang membutuhkan gerakan presisi. Untuk mengatasi masalah degradasi kemampuan motor DC, ataupun ketiadaan datasheet dari sebuah motor DC yang ingin digunakan, dan juga mendapatkan parameter-parameter untuk mengendalikan motor DC, maka penulis merancang alat untuk mengukur seluruh karakteristik yang dibutuhkan untuk dalam penggunaan motor DC antara lain data voltase terhadap RPM, Arus maksimum, torsi maksimum, waktu respon motor terhadap step function dan berbagai turunan besaran yang bisa didapatkan dengan data tersebut. Dalam penelitian ini penulis merancang suatu “Sistem Identifikasi Karakteristik Motor DC Berbasis
Mikrokontroler”. Dimana Sistem identifikasi yang dirancang diharapkan
mampu mendapatkan data-data karakteristik motor DC sehingga dapat mengatasi masalah dimana terdapat Motor DC yang tidak memiliki data spesifikasi yang baik.
Terdapat beberapa batasan dalam pembuatan Sistem Identifikasi Karakteristik Motor DC Berbasis Mikrokontroler, antara lain adalah:
1. Motor DC yang diukur merupakan tipe brushed DC Motor
2. Motor DC yang diukur maksimal memiliki torsi maksimum sebesar 20 Kg-cm
3. Motor DC yang diukur memiliki jenis output shaft “D Shaft” 4. Pengukuran yang menghasilkan data sebagai berikut.
Untuk data karakteristik motor yang didapatkan dari alat yaitu No load Current , Stall Current , Stall Torque ,Starting Voltage, Maximum Speed, Maximum Power, Maximum Efficiency, Motor Resistance, Motor Rating Voltage, Torque Constant, Back EMF Constant, Grafik kecepatan terhadap tegangan, Grafik torsi terhadap kecepatan, Grafik daya mekanik yang dihasilkan terhadap kecepatan, dan Grafik Respon Kecepatan Motor terhadap waktu.
Sehingga adapun beberapa tujuan yang ingin dicapai dalam pembuatan tugas akhir ini yaitu
• Merancang suatu sistem alat identifikasi karakteristik motor DC
yang mampu bekerja secara otomatis
• Membuat program pada alat agar dapat melakukan rangkaian
pengukuran secara otomatis
• Mendapatkan seluruh data karakteristik umum motor DC dan
dapat di simpan pada alat, atau dikirim ke PC melalui Komunikasi serial UART.
2. Teori Singkat
Pada bagian ini akan dibahas secara singkat teori yang digunakan pada perancangan Sistem Identifikasi Karakteristik Motor DC Berbasis Mikrokontroler. Dimana hanya akan dijelaskan beberapa poin teori yang cukup penting untuk menentukan metode yang digunakan.
Dalam perancangan alat identifikasi motor DC , maka harus dipahami terlebih dahulu apa saja parameter yang akan diukur. Berikut ini merupakan beberapa parameter dasar yang didapatkan saat pengukuran
• Kecepatan angular (angular velocity)
• Rating tegangan operasi motor ( Motor Voltage Operation Rate) • Torsi Kritis
• Arus pada lilitan
Saat motor dalam kondisi bekerja terdapat persamaan fisika yang terdapat pada motor DC tersebut. Persamaan berikut adalah
! = !!"!"+!"+!!! (2.3)
!! = !!!− !!−! (2.4)
Dengan beberapa asumsi dan manipulasi aljabar dari kedua persamaan tersebut, sehingga didapatkan persamaan 2.13, yaitu disaat motor bergerak dengan kondisi tanpa beban yang diaplikasikan pada rotor. Kondisi tersebut adalah no load velocity atau !!
!! = !! !+ !!!!
!
!!
(2.13) Maka untuk kondisi voltase yang diberikan adalah tetap maka didapatkan beberapa persamaan berikut berdasarkan persamaan-persamaan sebelumnya.
! =!! − !+ !!!!
! ! (2.15)
Dari persamaan tersebut sehingga bisa dikembangkan menjadi persamaan lainnya seperti persamaan daya dan efisiensi karena sudah menddapatkan nilai torsi pada tiap kecepatan kontinyu.
3. Perancangan Sistem
Pada bagian perancangan sistem ini akan menjelaskan bagaimana perancangan dari keseluruhan sistem identifikasi motor DC yang dibuat secara singkat.
Berikut ini merupakan blok diagram prinsip kerja sistem secara keseluruhan.
Mikrokontroler
Sensor arus
Rotary Encoder Unit Pengukur Torsi SD Card LCD Input Pengguna data data Motor DC (objek alat) current position force PWM & logic Driver Motor Voltage UART Komunikasi serial Power (Baterai) To ADC Gambar 3. 1 Blok diagram prinsip kerja sistem secara umum
Sistem identifikasi motor DC yang dirancang merupakan sistem yang terintegrasi sebagai instrumen yang mampu mengukur dan mengidentifikasi karakter dari sebuah motor DC. Prinsip kerja dari alat secara umum berdasarkan blok diagram pada Gambar 3.3 yaitu, mengolah pengambilan data dari 3 sensor yaitu sensor arus, gaya dan posisi dari objek disaat yang bersamaan memberikan variasi voltase pada motor DC sebagai objek yang diidentifikasi. Pengolahan dan teknik pengambilan data dan juga pemberian voltase pada motor DC diatur oleh mikrokontroler yang berisi algoritma teknik pengukuran dan perhitungan data yang didapatkan dari motor DC, sehingga menjadi satu kesatuan instrumen yang mampu mengidentifikasi
motor DC dengan antar muka pengguna yang mudah dapat terlihat pada Gambar 3.2.
Gambar 3. 2 Deskripsi Perangkat Antarmuka Pengguna
Terdapat parameter dasar yang didapatkan sebelum diolah oleh sistem, antara lain adalah:
• Dinamika motor
Dalam hal ini yang dimaksudkan adalah posisi, kecepatan dan akselerasi dari motor. Data tersebut didapatkan dengan menggunakan rotary encoder E40H. Maka dari itu seluruh data dinamika yang didapatkan berbasis rotasional.
• Arus
Arus yang didapatkan oleh alat merupakan arus yang dikonsumsi oleh motor. Data yang didapatkan dengan menggunakan mikrokontroler merupakan data secara real time arus yang dikonsumsi oleh motor. Dengan menggunakan sensor ACS712 yang memiliki data output berupa rentang tegangan maka data tersebut diolah oleh mikrokontroler dengan menggunakan fitur ADC.
• Torsi
Torsi yang terukur pada alat identifikasi yang dirancang merupakan torsi pada saat kondisi motor berada pada kondisi kecepatannya adalah 0. Dimana hal tersebut berarti torsi yang
terukur merupakan stall torque seperti yang telah dibahas pada bagian 2.1.2 pada bab 2. Implemntasi agar mendapatkan nilai stall torque yaitu dengan cara menggunakan sensor gaya FS1500NS. Stall Torque dapat terukur saat shaft motor dihubungkan tegak lurus terhadap batang logam sehingga menekan sensor gaya tersebut.
• Voltase
Pada alat identifikasi motor yang dirancang voltase yang dimaksud merupakan voltase rerata yang dihasilkan oleh PWM. Tanpa menggunakan sensor voltase yang diberikan ke motor dapat selalu terukur karena menggunakan mikrokontroler. Persentase dari PWM yang dihasilkan dapat mewakilkan voltase dengan cara melakukan perhitungan dan kalibrasi sebelumya
Dengan menggunakan 4 data parameter sederhana yang dijelaskan diatas, serta mengolah lebih lanjut akan didapatkan banyak parameter dan karakteristik dari sebuah motor yang dapat direpresentasikan. Berikut ini merupakan Hasil keseluruhan data karakteristik yang akan didapatkan dengan menggunakan alat identifikasi motor DC yang dirancang.
Perangkat yang memegang peranan cukup penting dari alat identifikasi yang dirancang adalah perangkat mekanik dari alat. Sistem mekanik yang dirancang memiliki beberapa tujuan spesifik agar motor dapat diidentifikasi secara sempurna, diantaranya adalah,
- Mampu mengunci motor pada posisi yang tepat dan presisi terhadap sensor
- Dapat menerima berbagai variasi ukuran dari motor yang akan diukur
- Menempatkan sensor pada posisi yang presisi dan rigid
- Menampung seluruh komponen elektrik pada posisi yang efisien dan kompak menjadi satu kesatuan sebuah sistem elektrik-mekanik.
Gambar 3. 3 Ilustrasi sistem mekanik dari alat
Untuk mendapatkan seluruh hasil data tersebut maka dibutuhkan alur pengambilan data karena terdapat beberapa pengukuran yang membutuhkan hasil dari pengukuran lainnya terlebih dahulu.
Gambar berikut merupakan alur pengambilan data dari “Automatic Test”yang direpresentasikan dalam bentuk flowchart. Antara pilihan program pengukuran otomatis dan manual perbedaan yang sangat mendasar dapat terlihat jelas pada flowchart dimana pada pengukuran manual terdapat proses input manual nilai rating voltage yang merupakan acuan voltase untuk beberapa pengukuran
START (Automatic Test) Update tegangan Baterai Apakah baterai mencukupi Kembali ke menu utama tdk ya Pengambilan data kecepatan terhadap tegangan Pengambilan data kondisi “no load”
Pengukuran “Starting Voltage” Pengukuran kondisi “Stall” Pengambilan data “Rise Time” Menghitung data
dan alokasi data ke EEPROM Selesai
(Kembail ke Menu Utama)
Gambar 3. 4 Flowchart Program “Automatic Test”
.
4. Data Hasil
Pada Bagian ini akan dijelaskan singkat mengenai hasil yang didapatkan dari pengukuran salah satu sampel motor DC yang diukur yaitu motor DC bermerek pololu (50:1 Metal Gearmotor 37Dx54L mm).
Gambar 4. 1 Tegangan vs Kecepatan (Motor Pololu)
Grafik yang didapatkan dari pengambilan data menunjukkan bahwa motor tidak memiliki hasil bahwa kecepatan motor tidak linear terhadap voltase yang diberikan. Hal tersebut sesuai dengan teori dimana motor memiliki tegangan balik yang dihasilkan, dan semakin cepat Pada saat pengambilan data voltase yang diberikan akan berhenti dengan kondisi tertentu, yaitu kondisi dimana kenaikan kecepatan pada motor dibawah 2% dari kecepatan motor sebelumnya. Untuk mendapatkan seluruh data karakteristik motor DC yang dibahas pada Hasil data selanjutnya, sistem identifikasi motor DC yang penulis rancang melakukan suatu rangkaian prosedur pengukuran yang dimulai dari tegangan operasi (Operating Voltage). Dikarenakan menggunakan asumsi bahwa motor DC yang digunakan sebagai objek pengukuran tidak memiliki spesifikasi atau datasheet maka dibutuhkan tegangan referensi dimana beberapa pengukuran akan dijalankan berdasarkan tegangan referensi tersebut atau yang diasumsikan sebagai Operating Voltage. Dengan menggunakan tegangan operasi (Operating Voltage) yang digunakan adalah nilai tegangan terakhir yang di plot pada tegangan terhadap
0 2 4 6 8 10 12 0 50 100 150 200 250
Tegangan vs Kecepatan Motor (Pololu)
Kecep
ata
n (
Rpm)
kecepatan, sehingga bisa didapatkan hasil parameter motor berikut ini dari pengukuran.
Tabel 4. 1 Hasil Pengukuran Karakteristik Motor DC
Karakteristik Nilai
Operation Voltage (Volt) : 12
No Load Current (Ampere) : 0,46
Stall Current(Ampere) : 5,17
Stall_Torque (N-m) : 1,11
Starting Voltage (Volt) : 0,9
Max Speed (Rpm) : 235
Max Power (Watt) : 6,84
Max Efisiensi (percent) : 26,21
Motor Resistance (Ohm) : 2,76
Torque Constant (N-m / Amp) : 0,26
Back EMF Constant Volt/(Rad/s) : 0,49
Parameter yang telah didapatkan pada tabel diatas hanya bisa dibandingkan dengan referensi pada beberapa parameter saja karena ketersediaan data referensi. Berikut ini merupakan data spesifikasi sampel Motor DC yang diukur.
Dari data diatas ternyata hasil didapatkan terdapat perbedaan dimana hasil yang didapatkan untuk stall torque yang sedikit lebih kecil dan free run current dan stall current yang lebih besar dari referensi, sehingga dapat disimpulkan bahwa motor yang diukur sudah memiliki efisiensi yang lebih rendah dari kondisi baru / sesuai data spesifikasi.
Gambar 4. 3 Kecepatan vs Torsi (Motor Pololu)
0 50 100 150 200 250 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Kecepatan vs Torsi (Pololu)
To
rsi (
N.m)
Gambar 4. 4 Daya Output terhadap Kecepatan (Motor Pololu)
Berdasarkan data uang didapatkan terlihat bahwa Torsi terhadap kecepatan pada motor mempunyai hubungan yang linear. Dimana hasil tersebut sesuai dengan permodelan motor ideal yang terdapat pada gambar 4.19. Data yang didapatkan dari motor tersebut namun merupakan data perkiraan atau perhitungan, yakni bukanlah data torsi yang diambil secara real terhadap kecepatan. Data tersebut didapatkan dengan rumus yang telah dikemukakan pada teori dasar pada persamaan (2.13) dan begitu juga untuk plot daya yang dihasilkan merupakan hasil perhitungan yang didapatkan dengan persamaan (2.15). Oleh karena itu dengan menggunakan data Stall berupa arus maksimum dan torsi maksimum penulis dapat menghasilkan data daya dan torsi yang kontinyu.
0 50 100 150 200 250 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
Kecepatan vs Daya (Pololu)
Daya
(Watt
)
Gambar 4. 5 Contoh Grafik Daya Keluaran Motor dan Torsi Motor terhadap Kecepatan[4]
Selanjutnya pengambilan data dilakukan hampir sama dengan pengambilan data No Load Current dimana memberikan tegangan sebesar Voltage operation pada motor dengan kondisi tanpa beban sehingga didapatkan grafik berikut.
Gambar 4. 6 Rise Time pada Voltage Operation (Motor Pololu)
Untuk mendapatkan grafik tersebut penulis melakukan pengambilan data setiap 10 mili sekon untuk 1 data, dalam waktu 2 detik pengambilan data yang dilakukan didapatkan 200 data. Dengan resolusi pengambilan data 100
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0 50 100 150 200 250
Kecepatan vs Waktu (Pololu)
Kecep
ata
n (
RPM)
sample per detik seperti itu didapatkan sebuah grafik rise time yang siap dianalisa dan diambil nilai Time Constant dari nilai tersebut.
5. Kesimpulan dan Saran
Dari pembuatan “Sistem identifikasi motor DC untuk autotuning digital controller” dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain yaitu :
a. Data karakteristik dari motor DC dapat di hasilkan dengan serangkaian pengukuran dan pengolahan data oleh alat tersebut. b. Kualitas dan kepresisian sistem mekanis dari alat memiliki
perngaruh dalam akurasi data yang didapatkan oleh alat
c. Karakteristik motor DC yang didapatkan dapat dijadikan acuan dalam pembuatan suatu alat yang menggunakan motor DC tersebut. d. Pengukuran motor dalam kondisi “Stall” dapat menghasilkan nilai
perkiraan Torsi dan Daya secara kontinyu terhadap kecepatan
e. Program dan Algoritma yang diterapkan dapat menghasilkan alat yang dapat melakukan rangkaian pengukuran karakteristik motor DC secara otomatis
f. Seluruh data karakteristik yang biasa digunakan dari motor DC dapat di simpan pada EEPROM Mikrokontroler dan juga dapat dikirim ke PC melalui UART
Dalam pembuatan sistem identifikasi motor DC untuk autotuning digital kontroler masih banyak kekurangan, maka dari itu adapun beberapa saran dan anjuran yang mungkin dapat diimplemntasikan untuk kedepannya pada alat yang telah dibuat.
a. Membuat set-up mekanik yang lebih baik dengan cara mengganti sistem penjepit motor dengan sistem yang lebih rigid dan juga penghubung antara encoder dengan shaft motor yang lebih presisi. b. Membuat sistem pengukur torsi yang tidak hanya mengukur torsi
pada saat kondisi stall saja, namun menggunakan sistem pengukur torsi yang berbasis friksi, sehingga dapat melihat secara real torsi yang diberikan oleh motor pada tiap kecepatan.
c. Menggunakan LCD Graphic berbasis pixel, sehingga dapat menampilkan data plot grafik secara langsung pada alat
6. DaftarAcuan
[1] James Kirtley, 2004. Electric Motor Handbook. McGraw-‐Hill Companies. [2] Li Wang, Zaiwen Liu, Hong Xue and Bo Wan, “Life Prediction of DC Motor using Time Series Analysis based on Accelerated Degradation Testing” in Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology. Beijing : 2013, pp. 1
[3] http://hyperphysics.phy-‐
astr.gsu.edu/hbase/magnetic/motdc.html.Diakses pada 21 April 2014 [4] DC Motor -‐ Javier R Movellan. http://mplab.ucsd.edu/tutorials/DC.pdf. Diakses pada 25 April 2014
[5] Haliday resnick, 2007. Fundamental of Physics 8th Edition. Wiley. [6] Datasheet ACS712 -‐ Fully Integrated, Hall Effect-‐Based Linear Current Sensor IC.
http://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/ACS712-‐ Datasheet.ashx Diakses pada 10 Januari 2014
[7] http://www.pololu.com/product/1444 Diakses pada 21 April 2014 [8] Datasheet Encoder E40 Fully Integrated Hall Effect-‐Based Linear Current Sensor IC.
http://www.autonics.com/upload/data/E40_CAT_ENG_130808.pdf Diakses pada 28 Februari 2014
[9] Fred G Martin, 1992. Robots Builder Guide (2nd Edition) [10] Automated, Full Load Motor Testing at Production Speeds.
http://www.atidayton.com/articles/pdfs/digitorque.pdf Diakses pada 20 Februari 2014
[11] Bohumil Skala, “The Torque Measurement Based on Various
Principle”, Faculty of Electrical Engineering University of West Bohemia in Pilsen, pp 21-‐22, 2004
[12]https://moodle.fp.tul.cz/nano/pluginfile.php/2476/mod_resource/cont ent/3/FPM_Piezo_lecture1.pdf Diakses pada 24 Februari 2014
[13] Datasheet FSS -‐ Low Profile Force Sensor.
http://sensing.honeywell.com/honeywell-‐sensing-‐force-‐sensors-‐line-‐guide-‐ 008151-‐4-‐en.pdf Diakses pada 12 April 2014
![Gambar 4. 5 Contoh Grafik Daya Keluaran Motor dan Torsi Motor terhadap Kecepatan [4]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/4115429.2811719/14.892.160.733.497.937/gambar-contoh-grafik-keluaran-motor-torsi-terhadap-kecepatan.webp)
