Kendali Kecepatan PMSM 3 Fasa Berbasis Jaringan Syaraf Tiruan
dengan Penggerak Tanpa Sensor Posisi Rotor
Sumadi
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Lampung Jl. S. Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung 35145
Email : [email protected] Abstract
A little of using synchronous motors for industry application tend to increase their applications and researches, especially for Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM). With this type of synchronous motors is more possible to take their speed control electronically.Using rotor position sensors for PMSM need to synchronize their rotor position relation to excitation pulse to get motor circles. Rotor position sensors need more money and tend to reduce system reliability. Eliminating these rotor position sensors is done by transformation speed pulse information to rotor position pulse information and by established the electric initial condition of rotor position. Artificial Neural Nets (ANNs) as part of Controllers could handle speed regulation in synchronous motors.
Keywords: PMSM, ANNs, rotor position sensors, initial condition of rotor position.
Pendahuluan
Masih sedikitnya penggunaan motor sinkron magnet permanen (PMSM) pada aplikasi industri memberikan kecen-derungan untuk mengembangkan pema-kaiannya5,7,8,9, juga dimungkinkan penga-turan kecepatan secara elektronik6,7. Penggunaan JST4 untuk kendali kece-patan dikarenakan kelebihan-kelebihan yang dimilikinya, diantaranya :
1. Memiliki kemampuan belajar sehingga bersifat adaptif dan tidak perlu diprogram
2. Arsitekturnya yang bersifat paralel 3. Kemampuan toleransi gangguan (fault
tolerant) untuk mengatasi gangguan yang mungkin terjadi.
Penelitian ini bertujuan untuk:
1. Mencari arsitektur JST yang akan dipergunakan untuk pengendalian kecepatan PMSM.
2. Memperoleh informasi posisi sudut rotor dari informasi kece-patan, sehingga sensor posisi su-dut rotor dapat dihilangkan.
Metode Penelitan
Untuk memperoleh hasil seperti yang diharapkan, pada penelitian ini dilakukan antara lain berupa pemodelan dan konfigurasi sistem, simulasi perangkat lunak dan implementasi pada perangkat keras berupa pembuatan perangkat keras. Baik simulasi maupun implementasi keduanya melibatkan pemrograman kom-puter, simulasi dilakukan dengan Math-Lab 5.1 dan implementasi menggunakan bahasa Pascal.
Konfigurasi dan Pemodelan Sistem2
Untuk melakukan pengendalian kecepata pada Motor sinkron magnet permanen ini, kita menggunakan model persamaan
dtd r d q dt d q s q ri v = + λ +λ θ (1.1) r dt d q d dt d d s d ri v = + λ +λ θ (1.2) dt o d o s o ri v = +
λ
(1.3) ' ' ' 0 dtd kd kd kdi r +λ
= (1.4) ' ' ' 0 dtd kq kq kqi r +λ
= (1.5) denganθ
r =ω
rt.Untuk memudahkan simulasi seringkali persamaan mesin dinyatakan dalam kuantitas dasar, yakni variabel fluks lingkup per detik ψ's dan reaktansi x's, menggantikan λ's dan L's. Semuanya ini didasarkan pada nilai frekuensi dasar ωb,
sehingga: ψ=ωbλ dan x=ωbL, dimana
rated b =2πf
ω rad listrik per detik, frated
adalah frekuensi nominal mesin.
Sehingga persamaan (1.1) s.d. (1.5) dapat kita nyatakan sebagai:
r d q dt d q s q ri v = +
λ
+λ
ω
(1.6)dengan mengetahui bahwa:
ψ
mq =ω
bLmq(iq +ikq' ) (1.7)ψ
q =xlsiq +ψ
mq (1.8) ls mq q q x i =ψ
−ψ
(1.9) diperoleh : d b r b q dt d ls mq q s q x r vψ
ω
ω
ω
ψ
ψ
ψ
+ + − = ( ) (1.10)integralkan suku ψq, diperoleh :
dt x r v mq q ls s d b r q b q
∫
− + − =ψ
(ψ
ψ
)ω
ω
ω
ψ
(1.11)Secara simultan kita juga memperoleh untuk persamaan (1.12) sampai persamaan (1.16), yaitu dt x r v mq q ls s d b r q b q
∫
− + − =ψ
(ψ
ψ
)ω
ω
ω
ψ
(1.12) dt x r v md d ls s d b r d b d∫
− + + =ψ
(ψ
ψ
)ω
ω
ω
ψ
(1.13) dt x r v ls s b∫
+ = 0 0 0ω
ψ
ψ
(1.14) =∫
(
−)
dt x r kq mq lkq kq b kq ' ' ' 'ω
ψ
ψ
ψ
(1.15)(
)
∫
− = dt x r kd md lkq kq b kd ' ' ' 'ω
ψ
ψ
ψ
(1.16) dimana : + = ' ' kq kq ls q MQ mq x x xψ
ψ
ψ
, dan + + = ' ' ' m lkd kd ls d MD md i x x xψ
ψ
ψ
(1.17) ls lkq mq MQ x x x x 1 1 1 1 ' + + = , dan ls lkd md MD x x x x 1 1 1 1 ' + + = (1.18)Gambar 1. Rangkaian ekivalen qdo PMSM Dengan arus yang mengalir pada rangkaian ekivalen,
, ls mq q q x i =
ψ
−ψ
' ' ' lkq mq kq kq x i =ψ
−ψ
, mq d d x i =ψ
−ψ
' ' ' kd md kd x i =ψ
−ψ
(1.19) (i) sumbu-q q i q v + − s r + − d ωλ Lls mq L ' lkq L rlkq' + − ' kq i ' lkd L ' lkd r ' kd i ' m i md L rc L ls L q ωλ s r d i − + d v (ii) sumbu-d ls L s r o i − + o vKita harus melakukan transformasi koordinat dari sistem tiga fasa karena
motor bekerja dalam kerangka koordinat d-q,, yaitu: − − − = c b a o s d s q f f f f f f 2 1 2 1 2 1 2 3 2 3 2 1 2 1 0 1 3 2 (1.20)
dengan persamaan gerak rotor yang menyebabkan terjadinya putaran adalah :
(
T T T)
dt H t t damp mech em b b e r∫
+ − = − 0 ) (ω
ω
ω
ω
( 1.21)Agar diperoleh kondisi operasi yang diinginkan, kondisi mula θr(0), θe(0)dan
) 0 (
δ harus ditentukan terlebih dahulu.
Penerapan JST untuk kendali kece-patanPMSM 3 FASA
Seperti diketahui dalam pengendalian kecepatan PM brushless DC motor ataupun PMSM, sensor posisi rotor adalah bagian yang sangat penting untuk memperoleh urutan komutasi yang benar pada belitan stator. Informasi sudut rotor ini diperlukan untuk menggerakan (drive) transistor pada inverter tiga fasa7.
Gambar 2. Kendali PMSM dengan sensor posisi sudut rotor. Pada motor dengan sumbu rotor yang
pendek, enkoder hampir tidak dapat dipasang, solusinya adalah dengan memperoleh informasi posisi sudut rotor ini secara listrik. Ini dimungkinkan bila
kita dapat melakukan transformasi informasi kecepatan dari enkoder menjadi informasi posisi sudut rotor sehingga sensor posisi rotor dapat dihilang-kan4,5,9,10.
Gambar 3. Kendali PMSM tanpa sensor posisi sudut rotor Voltage Source Inverter Rectifier A C Rotor Position + Speed Sensor Motor Control θr r ω ref ω Drive signal PMSM encoder Voltage Source Inverter Rectifier A C Tranformasi speed to Posisi rotor Motor Control θr r ω ref ω Drive signal PMSM encoder
Pada metode lama, informasi posisi sudut rotor θini diperoleh melalui enkoder optik, karena dari enkoder ini terdapat informasi kecepatan dan posisi sudut rotor. Untuk motor dengan sumbu rotor yang pendek dan berukuran besar, pema-sangan enkoder optik ini hampir tidak memungkinkan lagi6.
Pemecahannya adalah dengan mengusa-hakan informasi posisi sudut rotor ini langsung secara listrik, yakni dengan mentransformasi informasi kecepatan
yang diperoleh dari encoder optik ke posisi rotor agar diperoleh sinyal peng-gerak yang identik. Jadi, enkodernya hanya berisi informasi kecepatan saja3,10. Perhatikan persamaan (1.12) dan (1.13), parameter kecepatan wr/wb diperlukan
untuk menghasilkan tegangan stator. Pada sisi rotor kecepatan rotor ini dapat diperoleh dengan mengintegrasi persa-maan (1.22), yatu;
(
)
damp mech em b r b T T T dt d P J − + = ω ω ω / 2 pu (1.22)Pada saat motor bergerak dengan kecepatan ωr(t), besar posisi sudut rotor
) t (
r
θ terus bertambah secara periodik bersamaan dengan waktu. Meskipun θr(t) terus bertambah, tetapi nilai Cosθr(t)dan
) t (
Sinθr tetap terbatas (antara –1 sampai 1). Nilai-nilai Cosθr(t)dan Sinθr(t)dalam simulasi dihasilkan dari osilator frekuensi sehingga dapat dilakukan tranformasi abc
ke qdo dengan penetapan kondisi mula yang benar.
Secara matematis, transformasi kecepatan )
t (
r
ω ke posisi rotor θr(t)dapat diperlihatkan berupa perubahan nilai-nilai
) t (
Cosθr dan Sinθr(t)secara periodik dalam model PMSM 3 Fasa. Dalam persamaan trigonometri kita mempunyai hubungan;
∫
− = t o r r r t Sin t d t Cosθ
( )θ
( )θ
( ) (1.23)∫
= t o r r r t Cos t d t Sinθ
( )θ
( )θ
( ) (1.24) Selanjutnya kita cari relasi antara persamaan 1.23) dan 1.24) diperoleh :=−
∫
t o r r r t Sin t t dt Cosθ
( )θ
( )ω
( ) (1.25) dengan cara yang sama, diperoleh :=
∫
t o r r r t Cos t t dt Sinθ
( )θ
( )ω
( ) (1.26) dengan dθ
r(t)=ω
r(t)dtPersamaan (1.25) dan (1.26) mengandung arti bahwa perubahan posisi rotor, yaitu
) (t
Cos
θ
r dan Sinθ
r(t), adalah proses integrasi kecepatan posisi rotor ωr(t) sebanyak dua kali selama selang waktu t – t dan berbanding lurus denganperubahan posisi rotor itu sendiri. Besar perubahannya antara –1 sampai 1.
Dalam simulink hal ini dapat kita formulasikan2 sebagai blok osc (osilator frekuensi), yaitu :
Gambar 4. Implementasi Simulink Persamaan (1.25) dan (1.26)
Posisi sudut rotor tidak diperoleh langsung, karenanya kita harus membe-rikan wref secara ekternal. Jaringan Syarat Tiruan didalam Motor Control hanya sebagai pengendali kecepatan dengan dua input dan satu ouput, yaitu: kecepatan referensi dan umpan balik kecepatan dari sensor kecepatan (enkoder) yaitu wr , serta output kecepatan rotor wr. Arsitektur JST yang digunakan adalah Backpropa-gation Feedforward Network dengan target pada output layernya, agar proses belajar offline menjadi lebih cepat4. Arsitektur JST terdiri dari 3 layer, dengan input wref adalah p{1} dan west adalah p{2}, output wr adalah y{1}, umpan balik output y{1} ke input p{1}, target diberikan pada layer{3} adalah a{3}. Penggunaan fungsi aktivasi sigmoid pada layer{1} dengan 4 neuron untuk meng-atasi perubahan parameter dan energi masukan ke motor. Pada layer{2}dengan 3 neuron dan layer{3}dengan 1 neuron menggunakan fungsi aktivasi poslin agar diperoleh output layer yang telah linear, masukan internal pada layer{3} berupa umpan balik output y{1} dengan pemberian target pada layer{3} ini di-maksudkan untuk mempercepat proses linearisasi, sehingga output y{1} memiliki error yang kecil. Pengembalian output y{1} yang telah mengalami pengurangan error pada layer{3} ke input layer{1}, diharapkan akan diperoleh
output layer {3} dengan error yang semakin kecil.
Simulasi MathLab 5.1, dengan Simulink, Control System Blockset, Neural Nets Blockset dan Powersystem Blockset, sedangkan implementasi sensorless drive, menggunakan IC TTL dan pengendalian kecepatan dengan Komputer (PPI
8255A ).
Informasi Data Kecepatan
Data kecepatan diambil secara online, dengan duty cycle ke komputer, diperoleh data seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Data Kecepatan diambil secara online dengan duty cycle ke computer
No. Data duty cycle Kecepatan (rpm) 1 0 0 2 1 408 3 2 545 4 3 612 5 4 750 6 5 822 7 6 841 8 7 857 9 8 955 10 9 968 11 10 1000
S
1
S
1
oduct
Pr
Dot
1 -wb 1Thetar
_
Cos
wb 2Thetar
_
Sin
oduct
Pr
Dot
Sin
Cos
wb wrPenggerak Tanpa Sensor Posisi Rotor
Pulsa penggerak 3 fasa diperoleh melalui transformasi informasi kecepatan ke informasi posisi sudut rotor dengan caramelewatkan sinyal kecepatan ke suatu tripler frekuensi yang digeser fasanya 1200, sehingga membentuk pulsa 3 fasa pada suatu FF, lalu diteruskan ke pembagi 3, agar frekuensinya sinkron
terhadap kecepatan. Setelah diperbaiki dengan schmitch trigger diteruskan ke program counter, dengan demikian sensor posisi rotor dapat dihilangkan3,10.
Hasil Dan Pembahasan
A. Simulasi Dilakukan Pada Simulink
Mathlab 5.1:
Gambar 5. Model Simulasi PMSM 3 Fasa dengan Pengendali JST
Gambar 6. Respon kecepatan dan arus dengan JST pada 1000 rpm (1 pu)
6p wr vA vB vC 6p_gen Neural Network Model PMSM Inv 3p Filter6 wr_est Display Kecepatan wr_ref 0 0.5 1 1.5 -1 0 1 w r/ w b i n p u Kecepatan pu 0 0.5 1 1.5 -10 0 10 ia i n p u Waktu (detik) Arus ia(t)
B. Implementasi Perangkat Keras:
Gambar 7. Blok Kendali PMSM secara lengkap, dengan Keluaran JST dari PC sebagai masukan ke Program Counter
Gambar 8. Perbandingan penggunaan sensor posisi rotor
MS
INVERTER
DRIVER PWM DUTYCYCLE
PROGRAM COUNTER PC ENKODER L c 1 Fasa SPEED COMMAND S p e e d to ro to r p o sit io n
Tabel 2. Perbandingan Penggerak
Dengan sensor posisi rotor Tanpa sensor posisi rotor Encoder sensor kecepatan dan posisi sensor kecepatan saja Waktu mencapai
tunak
Cepat (>3 milidetik) Agak lambat
Respon Cepat (>2 milidetik) Agak lambat
Daya tahan
terhadap
Hubung singkat
Tidak ada ada
Biaya Sama Sama
Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi dan imple-mentasi “Kendali Kecepatan PMSM 3. Fasa berbasis Jaringan Syaraf Tiruan dengan Penggerak tanpa Sensor Posisi Rotor”, ini dapat disimpulkan ;
1. Pengendalian kecepatan PMSM 3 Fasa dapat dilakukan dengan mengatur duty cycle tegangan masuk stator melalui pengaturan sudut komutasi switching inverter.
2. Pengendali JST dapat mengikuti perubahan skema kendali dari skema dengan sensor posisi ke skema tanpa sensor posisi, dengan arsitektur JST yang sesuai.
3. Kendali Kecepatan PMSM 3 Fasa berbasis JST dengan penggerak tanpa sensor posisi dapat diterapkan, dengan konsekuensi respon yang agak lambat dengan biaya yang sama disisi sensor.
Daftar Pustaka
1. Ong, C.M. 1998. Dynamic Simula-tion of Electric Machinery using MatLab. Prentice Hall.
2. Demuth, H, 1998. User Guide, Neural Net Toolbox, Power System Blockset, For Use with MatLab, The Mathworks, Inc.
3. Joos, G, 1990. MRA PWM Technique, IEEE Transc. On Power electronic, Vol. 4.
4. Kung, SY, 1993. Digital Neural Networks, Architecture and Imple-mentation, Capter 10. Prentice Hall Inc.
5. Mizutani, R, 1998. Current Model-Based sensorless Drive of Salient Pole PMSM at Low Speed and Standstill, IEEE Transc. on Ind. App, vol 34.
6. Novonty, DW, 1996. Vector Control and Dynamics of AC Drives. Clarendon Press-Oxford.
7. Ranganathan, V.T., 1994. PMSM and Control Schemes, Implementasion in DSP, capter 5, Analog Device.
8. Schuler, 1993. Modern Industrial electronics. Mc Graw Hill.
9. Suk Lee, J, 1997. Stator flux oriented sensorless IM Drive for Optimum Low Speed Performance. IEEE Transc. on Ind. Appl, vol 33.
10. Sumadi, Iyas, M. Desember 2000. Kendali Kecepatan Motor Sinkron Magnet Permanen 3 Fasa dengan Pengindera Kecepatan berbasis Jaringan Syaraf Tiruan, Seminar-2 thesis S2.
