1
1PROYEK AKHIR
Rancang Bangun Rangkaian
Boost Converter
Terkontrol Berbasis PI-Fuzzy
Logic
Controller
Untuk Menyuplai Motor DC Pada Mobil Listrik
(Subjudul : Software)
Grandis Prima Havilandi NRP.7309.030.012
DosenPembimbing: Renny Rakhmawati, ST, MT
NIP: 19721024.199903.2.001 Ainur Rofiq Nansur, ST, MT
NIP: 19640713.198903.1.005
PROGRAM STUDI D3 TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2012
ii
PROYEK AKHIR
Rancang Bangun Rangkaian
Boost Converter
Terkontrol Berbasis
PI-Fuzzy
Logic
Controller
Untuk Menyuplai Motor DC Pada Mobil Listrik
(Subjudul : Software)
Grandis Prima Havilandi NRP.7309.030.012
DosenPembimbing: Renny Rakhmawati, ST, MT
NIP: 19721024.199903.2.001 Ainur Rofiq Nansur, ST, MT NIP: 19640713.198903.1.005
PROGRAM STUDI D3 TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA
INSTITUT TEKNOLOGISEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2012
iii
Untuk Menyuplai Motor DC Pada Mobil Listrik
(Subjudul : Software)
Oleh:
Grandis Prima Havilandi NRP. 7309030012
Proyek Akhir ini Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Ahli Madya
di
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Disetujui oleh:
Tim Penguji Proyek Akhir Dosen Pembimbing
1. Indhana Sudiharto, ST, MT 1. Renny Rakhmawati, ST, MT
NIP. 19660227.199403.1.001 NIP. 19721024.199903.2.001
2. Arman Jaya, ST, MT 2. Ainur Rofiq Nansur, ST, MT
NIP.19660208.198903.1.002 NIP. 19640713.198903.1.005
3. Rusiana, ST, MT
NIP. 19570126.199003.2.001
Mengetahui: Ketua Program Studi D3 Teknik Elektro Industri
Novie Ayub Windarko,ST,MT,Ph.D NIP. 19751114.200003.1.001
i
Mobil listrik adalah termasuk salah satu aplikasi dari disiplin ilmu electric drives, yang dapat didefinisikan sebagai konversi energi listrik ke energi mekanik. Dalam penelitian ini, penggerak dari mobil listrik yang digunakan adalah motor DC, karena motor DC itu lebih mudah untuk diatur kecepatannya dari pada motor AC. Jenis konverter daya yang digunakan dalam aplikasi penggerak mobil listrik ini adalah Boost Converter berbasis PI – Fuzzy, karena mampu menghasilkan efisiensi tinggi, rangkaian sederhana, tanpa transformer dan tingkat ripple yang rendah pada arus masukan.
Rancang bangun rangkaian boost converter berbasis PI -
fuzzy logic controller ini difungsikan untuk menaikkan tegangan secara terkontrol untuk menyuplai kecepatan motor DC pada mobil listrik saat beban berubah-ubah. Kontrol PI – fuzzy digunakan untuk mengatur tegangan output boost melalui pengontrolan sudut penyulutan rangkaian switching nya sehingga kecepatan motor DC akan konstan pada referensi tegangan output yang diinginkan. Kata kunci: Electric drives, boost converter, PI – Fuzzy Logic Controller.
ii
of disciplines, which can be defined as the conversion of electrical energy into mechanical energy. In this study, driver of electric car uses the DC motor, because it is easier to set the speed than the AC motor. Types of power converters used in electric car propulsion applications is Boost Converter-based PI – fuzzy logic controller, being able to produce high efficiency, simple circuit, with no transformer and low levels of ripple on the input current.
Boost converter circuit design based PI – fuzzy logic controller is enabled to raise the voltage which is controlled to supply the DC motor speed on electric cars at the variable load. PI – fuzzy controller is used to adjust the voltage output of the boost which is control the ignition angle of the switching circuit, so that dc motor speed will be constant according to the output voltage reference.
Keywords: Electric drives, boost converter, PI – Fuzzy Logic
iii
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan ridho-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan buku proyek akhir yang berjudul ” Rancang
Bangun Rangkaian Boost Converter Terkontrol Berbasis PI - Fuzzy Logic Controller Untuk Menyuplai Motor dc Pada Mobil Listrik (Subjudul : Software)”.
Buku ini disusun sebagai gambaran proyek akhir yang akan kami kerjakan. Buku ini berisi tentang alasan pemilihan judul dan proses menstabilkan putaran mobil listrik pada beban yang berubah-ubah dengan cara menstabilkan tegangan output boost converter.
Selama pembuatan buku ini kami telah banyak memperoleh bimbingan dan arahan. Oleh karena itu kami mengucapkan banyak terima kasih kepada :
1. Renny Rakhmawati, ST, MT selaku dosen pembimbing 1 Tugas Akhir.
2. Ainur Rofiq Nansur, ST, MT selaku dosen pembimbing 2 Tugas Akhir.
3. Teman-teman, serta semua pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu per-satu.
Dengan menyadari keterbatasan ilmu kami, tentu buku ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu kami selaku penulis dengan senang hati menerima kritik dan saran yang bersifat membangun dari para pembaca buku ini.
Surabaya, Juni 2012
Penyusun
iv menyampaikan rasa terima kasih kepada:
1. Allah SWT, karena dengan ridho dan karunia Nya saya telah menyelesaikan projek akhir ini.
2. Nabi Muhammad SAW, Beliau yang selalu menjadi motivasi dan panutan dihidupku.
3. Kedua orang tua, Bapak dan Ibu yang selalu tanpa kenal lelah mendukung saya dari segala hal.
4. Kedua dosen pembimbing, Ibu Renny Rakhmawati, ST, MT dan Bapak Ainur Rofiq, ST, MT atas segala perhatian dan bimbingan yang telah diberikan sehingga Proyek Akhir ini dapat terselesaikan.
5. Para ’alim ulama’ yang menjadi panutan saya di zaman sekarang.
6. Semua Guru dan Dosen yang telah memberikan saya ilmu baik formal maupun non formal.
7. Semua teman – teman saya yang selalu menginspirasi saya lewat keseriusan dan candanya.
8. Seluruh keluarga D3 ELIN 09, yang banyak berjasa buat hidup saya.
9. Seluruh warga PENS ITS meliputi karyawan, warga jurusan lain, staff, satpam dan Pak OB yang selalu memberikan fasilitas istimewa belajar saya.
10. Seluruh pihak yang tidak dapat kami sebutkan satu-persatu atas bantuan yang telah diberikan selama ini.
Penulis berharap semoga bantuan dan keikhlasan penyelesaian Proyek Akhir ini mendapat barokah dari Allah SWT.
v
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
ABSTRAK ... iii
KATA PENGANTAR ... v
UCAPAN TERIMA KASIH ... vi
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ... xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Tujuan ... 2 1.3. Metodologi ... 2 1.4. Perumusan Masalah ... 4 1.5. Batasan Masalah ... 5 1.6. Sistematika Pembahasan ... 5 1.7. Tinjauan Pustaka ... 6
BAB II TEORI PENUNJANG 2.1. Motor DC ... 9
2.1.1. Motor DC Shunt ... 11
2.1.2. Rangkaian PWM ... 12
2.2. Kontrol PI ... 13
2.2.1. Kontroler Proporsional (P) ... 13
2.2.2. Kontroller Integral (I) ... 14
2.3. Kontrol Fuzzy ... 15
2.3.1. Fuzzyfikasi ... 16
2.3.2. Kumpulan Aturan Fuzzy ... 16
2.3.3. Fungsi Keanggotaan Membershipfuntion ... 17
2.3.4. Fungsi Implikasi Fuzzy ... 18
2.3.5. Defuzzyfikasi ... 19
2.3.6. Pemodelan control Logika Fuzzy ... 19
2.4. Karakteristik Beban Non - Linier ... 20
2.5. Mikrokontroller ... 24
2.5.1. Mikrokontroller AVRAT Mega 16 ... 24
vi
2.5.6. Port Sebagai Analog Digital Converter (ADC) . 32
2.5.7. Timer / Counter ... 34
BAB III PERENCANAAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT Lunak 3.1. Konfigurasi Sistem ... 39
3.2. Sistem Open Loop ... 41
3.3. Sistem Close Loop Dengan Kontrol Tipe PI ... 44
3.4. Sistem Close Loop Dengan Kontrol Tipe Fuzzy ... 46
3.5. Pembuatan Algoritma PI Fuzzy ... 47
3.5.1. Perencanaan Program Fuzzy ... 47
3.5.2. Fungsi keanggotaan ... 50
3.5.3. Rule Base ... 51
3.5.4. Membership Funtion ... 52
3.5.5. Flowchart ... 54
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1.Pengujian Sistem Minimum Mikrokontroller ... 57
4.2. Pengujian ADC ... 58
4.3 Pengujian Rangkaian dan Sambungan ... 61
4.4 Pengujian Sensor tegangan ... 62
4.5 Pengujian Sensor kecepatan ... 64
4.6 Pengujian Respon Kontrol PI - Fuzzy ... 65
4.7 Kesesuaian Antara Perencanaan dan Hasil ... 66
BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 67 5.2. Saran-saran ... 67 DAFTAR PUSTAKA ... 68 LAMPIRAN ... 69
vii
1.1. Blok Diagram Kontrol ... 3
2.1. Kaidah Motor DC ... 11
2.2. Rangkaian Motor DC Shunt ... 12
2.3. Output Dari PWM ... 13
2.4. Kurva PI Kontroller ... 15
2.5. Struktur Dasar Dari Kontrol PI - Fuzzy ... 16
2.6. Fungsi Keanggotaan Trigular Function ... 17
2.7. Fungsi Keanggotaan Trapezoidal Function ... 18
2.8. Chip ATMEGA 16 Buatan ATMEL ... 25
2.9. Blok Diagram Arsitektur ATMEGA 16 ... 27
2.10. Pin – pin AVR ATMEGA 16 ... 28
2.11. Peta Memori Flash ... 30
2.12. Peta Memori SRAM ... 31
2.13. Blok Diagram Timer Counter ... 35
2.14. Timing Diagram Timer / Counter, Tanpa Prescaling ... 37
2.15. Timing Diagram Timer / Counter, Dengan Prescalling ... 37
3.1. Blok Diagram Kontrol ... 39
3.2. Blok Diagram Sistem Secara Open Loop ... 42
3.3. Rangkaian Simulasi Open Loop Pada Saat Beban Bawah ... 42
3.4. Hasil Gelombang Output Saat Batas Bawah Beban 56 kg ... 43
3.5. Rangkaian Simulasi Open Loop Pada Saat Beban Atas ... 43
3.6. Hasil Gelombang Output Saat Batas Atas Beban80kg ………..……… 44
3.7. Blok Diagram Sistem Dengan Kontrol tipe PI... 44
3.8. Blok Diagram Sistem Secara Close Loop Dengan Kontrol PI ... ... 46
3.9. Boost Converter Dengan Kontrol PI Fuzzy ... 46
3.10. Gelombang Output Boost Converter Dengan Kontrol PI Fuzzy ... 47
3.11. Flowchart Logika Fuzzy ... 48
viii
3.15. Rule Base Fuzzy ... 52
3.16. Membershipfunction Error ... 53
3.17. Membershipfunction Derror ... 54
3.18. MembershipFuntion Output ... 54
3.19. Flowchart Utama Sistem ... 54
3.20. Flowchart Sistem ... 55
4.1. Pengujian Minimum Sistem ATMEGA 16 ... 58
4.2. Fluk 41B ... 61
4.3. Rangkaian Sensor Tegangan ... 62
4.4. Sensor Rotary Encoder Pada AS Roda Dan Driver ... ... 64
4.5. Pembacaan Sensor Kecepatan Pada LCD Saat Tanpa Beban ... 64
4.6. Respon Kontrol Yang Terekam Pada Hyperterminal Pada Codevision ... 65
ix
2.2. Beberapa Tipe Fungsi Implikasi Fuzzy ... 19
3.1. Hasil Simulasi Open Loop ... 44
3.2. Rule Base Fuzzy ... 51
4.1. Data Pengujian ADC Internal Mikrokontroller ... 60
4.2. Data Pecobaan Sensor Tegangan ... 63
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Mobil listrik adalah kendaraan penumpang untuk pribadi, yang beroperasi pada jalan raya, dan untuk kenyamanan umumnya menggunakan roda empat dan yang digerakkan secara elektrik. Mobil listrik termasuk salah satu bagian dari disiplin ilmu pengemudian elektrik (electric drives), yang dapat didefinisikan sebagai konversi energi listrik ke energi mekanik, serta cara-cara pengaturannya. Komponen utama mobil listrik adalah motor listrik sebagai penggerak, baterei sebagai sumber energi, sistem control sebagai pusat kendali, dan konverter daya sebagai peralatan elektrik atau rangkaian elektrik yang mengubah kebutuhan variabel sumber energi dengan kebutuhan variabel mobil listrik melalui switching devices.
Motor arus searah (motor dc) adalah salah satu jenis motor yang telah ada selama lebih dari seabad. Munculnya motor DC membawa perubahan besar pada dunia mesin listrik yang sebelumnya telah ada motor AC karena motor dc mempunyai keunggulan dalam kemudahan untuk mengatur dan mengontrol kecepatan dibandingkan motor ac (motor bolak-balik yang bekerja memerlukan suplay tegangan bolak balik ). Motor dc dapat berfungsi sebagai motor apabila didalam motor listrik tersebut terjadi proses konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik. Motor dc itu sendiri memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Pada motor dc kumparan medan disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
a) Tegangan dynamo-meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan.
b) Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
Prinsip kerja motor dc adalah daerah kumparan medan yang yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya berlangsung melalui medan magnet, dengan demikian medan magnet disini selain berfungsi sebagai tempat untuk menyimpan energi, sekaligus berfungsi sebagai tempat berlangsungnya proses perubahan energi. Dengan mengacu pada hukum kekekalan energi. Proses energi listrik = energi mekanik + energi panas + energi didalam medan magnet.
Topologi konverter daya yang cocok dalam aplikasi penggerak mobil listrik ini adalah Boost Converter terkontrol karena mampu menghasilkan efisiensi tinggi, rangkaian sederhana, tanpa transformer dan tingkat ripple yang rendah pada arus masukan. Boost converter terkontrol ini difungsikan untuk menaikkan tegangan dan mencatu dengan tegangan yang konstan. Konverter ini didesain terkontrol karena sebagai pengaturan kecepatannya dengan megatur frekuensi sudut penyulutan pada proses switching nya.
1.2 Tujuan
Mendesain dan membuat konverter terkontrol untuk mengatur kecepatan motor dc dengan menaikkan tegangan input sebagai penggerak mobil listrik, sehingga tercipta konverter untuk mobil listrik yang aplikatif, handal, fleksibel dan effisien untuk pengembangan mobil listrik.
1.3 Metodologi
Untuk pembuatan Proyek Akhir ini dilakukan prosedur atau langkah-langkah pengerjaan yang dapat diuraikan sebagai berikut: 1.3.1 Studi Literatur
1) Mempelajari teori dasar yang berhubungan dengan topik yang dibahas dalam tugas akhir ini dan berusaha mempelajari permasalahan yang dihadapi.
2) Pengambilan dan pengumpulan data serta dasar teori yang digunakan sebagai acuan dalam penyelesaian proyek akhir
antara lain motor dc, boost converter, kontrol PI, Kontrol fuzzy dan teori lainya yang terkait dalam penyelesaian proyek akhir ini.
1.3.2 Perencanaan Sistem
Setelah mempelajari literatur yang tersedia maka bisa dimulai dengan mengetahui prinsip kerja dari motor dc yang akan digunakan sebagai proyek akhir ini. Pada proyek akhir ini akan mengatur kecepatan motor dc.
1.3.2.a Fuzzy Logic Controller
Pada kontroler ini masukan diambil dari sinyal speed error (selisih antara putaran as referensi dan putaran as umpan balik yang dihasilkan oleh tacho meter) dan perubahan sinyal speed error (selisih sinyal error sebelumnya dengan sinyal error sekarang) sebagai masukan.
Masukan akan masuk ke kontrol fuzzy yang kemudian mengatur gain dari Kp, sedangkan gain Ki dibuat tetap. Keluaran dari kontrol ini akan mengatur sinyal trigger pada PWM.
PWM akan diatur duty cycle nya sampai putaran as sesuai dengan putaran as referensi. PWM ini memberikan sinyal pulsa ke boost converter. Berikut ini gambar 1.1 blok diagram secara keseluruhan.
1.3.2.b Batterai (Accu)
Pada proyek akhir ini dipilih baterai dengan spesifikasi tegangan 12V/36Ah yang diseri. Hal ini dikarenakan untuk menaikkan tegangan dengan perbandingan terlalu besar yaitu 1:3 namun mampu dioperasikan dalam sistem hingga sekitar 1 jam. Namun sebenarnya dalam perancangan secara teoritis dibutuhkan baterai dengan kapasitas 60Ah. Perhitungan kapasitas ini didasarkan pada kebutuhan dari waktu pengoperasian atau pemakaian dalam sistem. Desain perhitungan pemakaian aki
Efisiensi Boost converter = 80 %
Efisiensi = Pout Boost converter/Pin Boost converter Pin Boost converter = Pout Boost converter/Efisiensi.
Dari perhitungan diatas kita dapat mengetahui Arus masukan Boost converter yang nilainya sama dengan arus yang dikeluarkan aki:
Pin Boost converter = Vin . In Iin = Pin Boost converter/Vin
Jika Asumsi lama pemakaian dari mobil listrik sekitar 3 jam, maka kapasitas aki dapat dihitung dengan persamaan.
Ta = Iin x Lama pemakaian (jam) 1.4 Perumusan Masalah
Pada proyek akhir ini untuk mengetahui fungsi dari perbedaan antara teori pengendali dengan praktek yang berada di lapangan, yang diinginkan untuk mengatur kecepatan motor dc yang konstan meskipun ada beban yang sifatnya berubah-ubah. Adapun permasalahan yang akan dibahas pada proyek akhir ini adalah :
1. Pengonrolan sudut penyulutan pada PWM melalui PI –
Fuzzy logic Controller dan mendesain induktor pada
2. Apakah beban berubah mempengaruhi output boost converter.
3. Pengontrolan pada penyulutan tegangan output boost converter, yang mengacu pada set point tegangan yang telah ditentukan.
1.5 Batasan Masalah
Pada proyek akhir ini membahas tentang bagaimana cara mengatur kecepatan pada motor dc. Dengan cara memberikan input tegangan pada motor dc yang diatur melalui Boost Converter terkontrol. Sehingga kami membuat driver dan kontrol motor dc yang mencakup kontrol PI - Fuzzy juga sebagai pengatur pulsa ke motor.
1. Mobil listrik dibatasi penggunaanya dalam medan lurus saja, tidak menanjak dan turun.
2. Set point dari kecepatan mobil listrik juga dibatasi maksimal kecepatan diset saat tegangan output boost 48 V. 3. Membership Function dari kontrol fuzzy dibatasi maksimal
5.
4. Mobil tidak bisa berjalan mundur.
5. Set point sudah ditentukan, tidak bisa diubah. 6. Sistem control menggunakan PI-Fuzzy
7. Penggerak menggunakan sebuah motor dc untuk menggerakkan roda belakang
8. Penumpang dibatasi satu orang saja.
1.6 Sistematika Pembahasan
Sistematika pembahasan penyusunan Proyek Akhir ini direncanakan sebagai berikut:
BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini membahas pendahuluan yang terdiri dari latar belakang, tujuan, metodologi, batasan dan perumusan masalah, sistematika pembahasan Proyek Akhir dan tinjauan pustaka.
BAB II . TEORI PENUNJANG
Bab ini membahas teori-teori yang menunjang dan berkaitan dengan penyelesaian Proyek Akhir, antara lain teori tentang PI-Fuzzy, dan Boost Converter .
BAB III. PERENCANAAN DAN PEMBUATAN
Bab ini membahas tahap perencanaan dan proses pembuatan perangkat keras Proyek Akhir.
BAB IV. PENGUJIAN DAN ANALISA
Bab ini membahas secara keseluruhan dari sistem dan dilakukan pengujian serta analisa pada setiap percobaan perangkat keras. Mengintegrasikan seluruh sistem dan pengujian, kemudian berdasarkan data hasil pengujian dan dilakukan analisa terhadap keseluruhan sistem.
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini membahas kesimpulan dari pembahasan, perencanaan, pengujian dan analisa berdasarkan data hasil pengujian sistem. Untuk meningkatkan hasil akhir yang lebih baik diberikan saran-saran terhadap hasil pembuatan Proyek Akhir.
1.7 Tinjauan Pustaka
Pada referensi yang berjudul Desain penyearah 1 fase dengan
power factor mendekati unity dan memiliki THD minimum
menggunakan kontrol PID-fuzzy pada boost converter, Setyo Suka Wahyu, PENS-ITS, TA 2011. Didalam referensi tersebut terdapat beberapa kekurangan antara lain kontrol pada motor menggunakan kontrol derivative.
Dari referensi tersebut bertujuan untuk menelaah dan menghasilkan respon plan sistem kendali melalui proses perencanaan rangkaian boost converter terkontrol sehingga keluaran
yang dihasilkan sesuai dengan apa yang diharapkan, yaitu dapat mengendalikan output pada beban yang berubah-ubah. sehingga kami disini mencoba dengan mendesain rangkaian boost converter
terkontrol berbasis fuzzy pada beban motor dc, dimana kontrol ini berfungsi untuk mengatur tegangan input pada motor dc dengan mengontrol sudut penyulutan rangkaian switching nya, kontrol
derivative tidak cocok digunakan untuk mengontrol motor karena energi yang digunakan cukup besar, kontrol fuzzy memilki respon yang mendekati set poin, output bisa lebih dari satu dan lebih
smooth.
Refrensi yang kedua yaitu berjudul Rancang Bangun Becak listrik tenaga Hybrid dengan menggunakan kontrol PI-Fuzzy, Handoko, PENS-ITS, TA 2011. Pada refrensi kedua ini, sangat berkaitan erat dengan judul yang kami buat, yaitu bertujuan merancang kontrol PI-Fuzzy untuk mengatur kecepatan putar motor dc. Kontrol putaran motor dc pada judul ini digunakan untuk mengontrol output tegangan boost yang akan digunakan untuk mencharge battery, selain itu digunakan juga untuk menyulut driver yang akan mengatur putaran motor dc. Dengan adanya refrensi kedua ini sangat membantu kami dalam mengerjakan proyek akhir dikarenakan memiliki tujuan yang hamper sama.
BAB II
TEORI PENUNJANG
Analisa dan perhitungan sangat penting dilakukan sebelum merencanakan suatu sistem. Sehingga diperlukan teori penunjang sebagai pendukung kebenaran dari analisa yang dilakukan. Teori dasar pada proyek akhir ini diambil dari mata perkuliahan Power Quality dan Elektronika Daya.
Teori dan analisa penunjang yang lain diambil dari mata kuliah yang masih berkaitan dengan rangkaian Elektronika Daya antara lain : Pengaturaan Otomatis, Dasar Pengendali Cerdas,Mikrokontroller, Interface, Bahasa Pemrograman, Rangkaian Listrik, Mesin Listrik dan Rangkaian Elektronika, serta buku – buku literatur ( ada pada halaman Daftar Pustaka ).
Setiap pembahasan – pembahasan pada sub bab saling berkaitan dengan teori dan analisa yang pernah diberikan pada perkuliahan yang pernah didapatkan.
2.1 Motor DC
Motor arus searah (motor dc) adalah salah satu jenis motor yang telah ada selama lebih dari seabad. Keberadaan motor dc telah membawa perubahan besar sejak dikenalkan motor induksi yang nama lain dari motor listrik arus bolak balik (ac) karena motor dc mempunyai keunggulan dalam kemudahan untuk mengatur dan mengontrol kecepatan dibandingkan motor ac (motor bolak-balik yang bekerja memerlukan suplay tegangan bolak balik ). Motor dc dapat berfungsi sebagai motor apabila didalam motor listrik tersebut terjadi proses konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik. Motor dc itu sendiri memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Pada motor dc kumparan medan disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar).
Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
a) Tegangan dynamo - meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan
b) Arus medan - menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
Prinsip kerja motor dc adalah daerah kumparan medan yang yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya berlangsung melalui medan magnet, dengan demikian medan magnet disini selain berfungsi sebagai tempat untuk menyimpan energi, sekaligus berfungsi sebagai tempat berlangsungnya proses perubahan energi.
Dengan mengacu pada hukum kekekalan energi :
Proses energi listrik = energi mekanik + energi panas + energi didalam medan magnet.
Maka dalam medan magnet akan dihasilkan kumparan medan dengan kerapatan fluks sebesar B dengan arus adalah I serta panjang konduktor sama dengan L maka diperoleh gaya sebesar F, dengan persamaan sebagai berikut :
F = B I L dengan : (2.1)
F = Gaya magnet pada sebuah arus (Newton) B = Medan magnet (Tesla)
I = Arus yang mengalir (Ampere) L = Panjang konduktor (meter)
Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan berikut:
Gaya elektromagnetik: E = KΦN (2.2)
Torque: T = KΦIa
Dimana:
E =gaya elektromagnetik (volt)
Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit)
T = torque electromagnetik Ia = arus dinamo
K = konstanta persamaan
Arah dari gaya ini ditentukan oleh aturan kaidah tangan kiri, adapun kaidah tangan kiri tersebut dapat dilihat pada pada gambar 2.1 dibawah ini :
Gambar 2.1. Kaidah Motor DC
Ibu jari sebagai arah gaya (F), telunjuk jari sebagai fluks (B), dan jari tengah sebagai arus (I). Saat gaya (F) tersebut dibandingkan, konduktor akan bergerak didalam kumparan medan magnet dan menimbulkan gaya gerak listrik yang merupakan reaksi lawan terhadap tegangan sumber. Agar proses perubahan energi mekanik tersebut dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan sumber harus lebih besar dari pada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan perputaran pada motor. 2.1.1 Motor DC Shunt
Pada motor shunt, gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan dinamo. Oleh karena itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo. Berikut tentang kecepatan motor shunt :
Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torque tertentu setelah kecepatannya berkurang) dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin.
Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang)
atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah). Dapat dilihat pada gambar 2.2 dibawah ini :
Gambar 2.2
Rangkaian Motor DC Shunt
2.1.2 Rangkaian PWM
PWM atau Pulse width Modulation adalah salah satu teknik pemodulasian sinyal dimana besar duty cycle pulsa dapat diubah-ubah. PWM biasa digunakan untuk aplikasi-aplikasi analog yang menggunakan kontrol digital atau microcontroller, hal ini dikarenakan mikrokontroler tidak mampu menghasilkan tegangan analog secara langsung. Terdapat beberapa teknik untuk membangkitkan sinyal PWM, namun secara garis besar terbagi dalam 2 cara, yaitu pembangkitan sinyal dengan rangkaian analog dan dengan kontrol digital atau dengan mikrokontroler. Secara analog, pembangkitan sinyal PWM yang paling sederhana adalah dengan cara membandingkan sebuah sinyal segi tiga atau gigi gergaji dengan tegangan referensi seperti yang terlihat pada Gambar dibawah. Gelombang segitiga atau gigi gergaji sebagai frekuensi pembawa yang juga merupakan frekuensi sinyal output PWM. Sedangkan tegangan referensi adalah tegangan yang menentukan besarnya duty cycle dari output sinyal PWM.
Cara kerja dari komparator analog ini adalah membandingkan gelombang tegangan gigi gergaji dengan tegangan referensi seperti yang terlihat pada Gambar dibawah ini. Saat nilai tegangan referensi
lebih besar dari tegangan ramp (gigi gergaji) maka output komparator akan bernilai high atau saturasi mendekati Vcc. Namun saat tegangan referensi bernilai lebih kecil dari tegangan ramp, maka output komparator akan bernilai low atau cut off. Dengan memanfaatkan prinsip kerja dari komparator inilah, untuk mengubah duty cycle dari sinyal output cukup dengan mengubah-ubah besar tegangan referensi. Berikut ini hasil output dari PWM dapat dilihat pada gambar 2.3 dibawah ini
Gambar 2.3.
Output Dari PWM
2.2 Kontrol PI
PI (dari singkatan bahasa Proportional–Integral controller) merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Komponen kontrol PI ini terdiri dari dua jenis yaitu Proportional dan Integratif. Keduanya dapat dipakai bersamaan maupun sendiri-sendiri tergantung dari respon yang kita inginkan terhadap suatu plant.
2.2.1 Kontroler Proporsional (P) Pengaruh pada sistem :
1. Menambah atau mengurangi kestabilan.
2. Dapat memperbaiki respon transien khususnya : rise time, settling time
4. Mengurangi settling time.
Nb: untuk menghilangkan Ess, dibutuhkan KP besar, yang akan membuat sistem lebih tidak stabil
a) Persamaan matematis :
u(t) = KP . e(t) (2.3)
dimana KP : konstanta proporsional dalam Laplace
U(s)/E(s) = KP (2.4)
b) Dikenal juga sebagai : gain/penguatan 2.2.2 Kontroler Integral (I)
Pengaruh pada sistem :
1. Menghilangkan Error Steady State
2. Respon lebih lambat (dibandingkan dengan P)
3. Dapat Menambah Ketidakstabilan (karena menambah orde pada sistem).
4. Menaikkan settling time, sehingga mendekati 0 error steady state.
Persamaan matematis :
(2.5)
dimana Ki : konstanta integral
dalam Laplace (2.6)
t ie
t
dt
K
t
u
0)
(
)
(
s
K
s
E
s
U
i)
(
)
(
Perubahan sinyal kontrol sebanding dengan perubahan error. Semakin besar error, semakin cepat sinyal kontrol bertambah/berubah. Lebih jelasnya maka lihat gambar berikut.
Kontroler Proporsional memberi pengaruh langsung (sebanding) pada error. Semakin besar error, semakin besar sinyal kendali yang dihasilkan kontroler. Pada gambar 2.4 dibawah ini adalah kurva PI controller
Gambar 2.4. Kurva PI Controller
• Prosedur praktis
1. Berikan input step pada sistem 2. Dapatkan kurva respons berbentuk S 3. Tentukan nilai L dan T
4. Masukkan ke tabel berikut untuk mendapatkan nilai Kp, dan Ki
Kontrol PI : Kp = 0.9 x Ki = 0.27 x
2.3 Kontrol Fuzzy
Kontrol logika fuzzy merupakan salah satu bentuk kontrol cerdas (intelligent control). Penggunaan control logika fuzzy dapat menyelesaikan permasalahan pada system yang memiliki perilaku komplek. Struktur dasar dari Kontrol Logika Fuzzy dapat dilihat pada gambar 2.5 dibawah ini:
Gambar 2.5.
Struktur Dasar Dari Kontrol PI – Fuzzy
2.3.1 Fuzzyfikasi
Pada proses fuzzifikasi terjadi konversi variabel crisp kedalam variable fuzzy melalui teknik fungsi keanggotaan, dimana error dan delta error dipetakan kedalam rentang kerja semesta pembicaraan melalui persamaan berikut:
Qe(k) = G1*e(k) (2.7)
Qe(k) = G2*e(k) (2.8)
Pada unit fuzzifikasi ini terjadi proses transformasi dengan cara pemetaan ruang masukan dengan bantuan faktor penskala. Perbedaaan kecepatan (error) diskala dengan gain G1, sedangkan perbedaan perubahan kecepatan (delta error) diskala dengan gain G2. 2.3.2 Kumpulan aturan Fuzzy
Kumpulan aturan fuzzy terdiri dari beberapa aturan fuzzy yang dikelompokkan kedalam basis aturan yang merupakan dasar dari pengambilan keputusan (inference process) untuk mendapatkan aksi keluaran sinyal kontrol dari suatu kondisi masukan. Proses pengambilan keputusan menghasilkan sinyal keluaran yang masih dalam bentuk bilangan fuzzy, yaitu derajat keanggotaan dari sinyal kontrol. Basis aturan dari kontroller logika fuzzy dapat dilihat pada tabel 2.1. Fuzzifik asi Fuzzy rule - Base Defuzzifi kasi Data - Base
Tabel 2.1.
Rule base kontroller logika fuzzy
2.3.3 Fungsi Keanggotaan (Membership Function)
Fungsi keanggotaan Fuzzy merupakan fungsi untuk menyatakan tingkat keanggotaan fuzzy yang nilainya antara nol dan satu. Ada beberapa bentuk fungsi keanggotaan fuzzy, diantaranya adalah: segitiga (Triangular Function), trapezium (Trapezoid Function), sigmoid, gauss dan lain-lain. Bentuk fungsi keanggotaan yang dipakai pada paper ini yang digunakan adalah bentuk segitiga dan trapezium.
Definisi Triangular function secara matematika dapat dilihat pada gambar 2.6 dibawah ini :
Gambar 2.6.
Definisi Trapezoidal function secara matematika dapat dilihat pada gambar 2.7 dibawah ini:
Gambar 2.7.
Fungsi keanggotaan Trapezoidal function
2.3.4 Fungsi Implikasi Fuzzy
Pada umumnya aturan-aturan fuzzy dinyatakan dalam bentuk logika IF-THEN yang merupakan dasar relasi fuzzy (R). Relasi fuzzy dalam basis pengetahuan fuzzy didefinisikan sebagaifungsi implikasi fuzzy. Beberapa fungsi implikasi fuzzy terdapat pada tabel 2.2 dibawah ini.
Tabel 2.2.
Beberapa tipe fungsi implikasi fuzzy
2.3.5 Defuzzifikasi
Defuzzifikasi merupakan proses dimana suatu nilai fuzzy output dari fuzzy rule diambil dan dimasukkan kedalam suatu fungsi keanggotaan keluaran untuk mendapatkan hasil akhir yang disebut crisp output. Metoda defuzzifikasi yang umum digunakan adalah Centre of Gravity (COG) defuzzification , didefinisikan sebagai berikut:
dengan
y = nilai keluaran (output)
cj = nilai tengah da ri keluaran fungsi keanggotaan ke-j Uuj(u) = keluaran fungsi anggota
Uj = fuzzy set
R = jumlah aturan (rule) 2.3.6 Pemodelan Kontrol Logika Fuzzy
Pada paper ini dikembangkan control motor dc mengunakan Logika Fuzzy yang dibentuk kedalam 2 kontroler:
a) Fuzzy Speed Controller yang digunakan untuk mengontrol kecepatan motor .
b) Fuzzy Current Limitter yang digunakan untuk membatasi arus jangkar pada motor.
2.4 Karakteristik Beban Non-linier
2.4.1 Perencanaan Mobil Listrik
2.4.1.a Kecepatan
Kecepatan mobil listrik yang kami buat diharapkan mencapai kecepatan maksimum pada jalan lurus + 20 km/jam dengan memperhitungkan gaya gesekan antara roda dengan jalan, dan gaya aerodinamika.
2.4.1.b Massa
Massa total mobil beserta driver adalah 200 kg dengan rincian massa driver (pengendara) 70kg, rangka mobil 70 kg, 3 buah accu 39 kg (tiap aki sekitar 13 kg) , 1 buah motor brushed dc 15 kg, rangkaian driver 6 kg.
2.4.1.c Konsep Desain
Spesifikasi desain mobil listrik: Panjang mobil
- Panjang keseluruhan (body) : 185 cm - Panjang antar roda (depan belakang) : 95 cm Lebar mobil
- Body : 95 cm
- Antar roda (kanan kiri) : 77 cm Tinggi mobil
- Tanah ke chasis : 12,5 cm
- Tinggi body keseluruhan (termasuk rollbar) :113 cm - Mesin : Motor Brushed DC 48V/700W - Sistem Pengereman : Mekanik
- Ukuran velg : 14 inchi - Bodi : Besi + plastik
2.4.2 Teori Pendukung Rancangan Mekanik Mobil Listrik Pada mobil saat melaju mempunyai tiga buah macam gaya. Gaya ini sangat berpengaruh pada pendisaianan mobil apakah mobil akan sesuai dengan yang kita inginkan. Tiga buah macam gaya tersebut adalah sebagai berikut:
2.4.2.a Gaya gesekan pada roda
Gaya ini sangat dipengaruhi oleh koefisien gesek antara ban dengan lintasan serta kemiringan/tanjakan pada lintasan.
Persamaan untuk gaya gesek ini adalah sebagai berikut: Untuk kemiringan lintasan sama dengan 0 derajat
F = m.g.Cg.cos 0 (2.10)
= m.g.Cg
Untuk kemiringan lintasan sebesar Θ
F1 = m.g.Cg.cos Θ (2.11)
Dimana :
F = gaya gesek yang bekerja pada mobil (N) m = massa total mobil ( termasuk driver ) (kg) g = percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2) (m/s2) Cg = koefisien gesek
2.4.2.b Gaya berat pada mobil
Gaya ini bekerja pada saat mobil berada di kemiringan tertentu. Besarnya kemiringan sangat mempengaruhi besarnya gaya ini. Dengan m merupakan massa total mobil , g percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2), dan merupakan besarnya sudut kemiringan lintasan, maka besarnya gaya dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
2.4.2.b.1 Gaya gesekan udara ( gaya aerodinamika )
Gaya ini adalah gaya yang bekerja pada saat mobil melaju dan sangat dipengaruhi oleh kecepatan angin. Besarnya gaya ini dapat ditentukan sebagai berikut :
F3 = ½ CB ρA V2 (2.13)
Sehingga besarnya gaya total mobil saat melaju adalah :
Ftotal = F1+F2+F3 (2.14)
2.4.2.c Torsi Motor DC
Tenaga mekanis yang dibangkitkan oleh jangkar yang berputar pada kecepatan ωm rad/s adalah τωm dengan τ adalah torsi (elektromagnetik). Torsi ini ditimbulkan pada saat arus jangkar adalah ia pada tegangan (induksi) jangkar e, tenaga jangkar adalah e ia. Jadi τωm = e ia , menjadi : τ = F x s (2.15) = B.ia.l.s m.g.Cg.s Keterangan : τ = torsi (Nm) F = Gaya (Newton) s = Jarak (Meter)
m = massa total mobil ( termasuk driver ) (kg) g = percepatan gravitasi bumi (9,81 m/s2) (m/s2)
Cg = koefisien gesek pada brushed / komutator dan bearing B = Kerapatan fluks (Wb/ m2 )
L = Panjang konduktor (m)
Sehingga dari rumus diatas, didapatkan daya yang dibutuhkan oleh motor untuk menggerakkan mobil listrik dengan beban yang telah ditentukan.
Eb = x = C.
Keterangan :
Pout = Daya pada motor (Watt) Eb = Tegangan jangkar motor (Volt) ia = arus jangkar (A)
Z = Jumlah lilitan konduktor P = Jumlah kutub
N = Putaran motor (rpm)
a = P (untuk Lap Winding) atau a = 2 (untuk Wave Winding) Hubungan antara torsi dengan daya adalah :
Pout = T x ω (2.17)
= T.2.Nr
Jika kita gabungkan 2 persamaan di atas maka akan diperoleh :
Pout = T.2.Nr (2.18)
T =
T=
Substitusi persamaan 5 & 7
m.g.Cg.s = (2.19)
m
Keterangan :
Berdasarkan teori diatas, maka di dapatkan :
1. Chasis mobil menggunakan bahan pipa besi dan besi siku dengan prosentase 85%, digunakan pada bagian rangka utama. Plastik dengan prosentase 15%, digunakan sebagai bahan body bagian depan dan samping mobil.
2. Untuk penggerak dari mobil listrik menggunakan 1 Motor brushed DC 48 Volt, 700 Watt yang dipasang ke roda belakang. 3. Sistem Rem menggunakan pengereman secara mekanik
menggunakan disc brake sepeda motor jenis bebek, dipasang pada bagian As roda belakang mobil bagian kanan dan kiri.
2.5 MIKROKONTROLER
Semakin cepatnya perkembangan teknologi di zaman sekarang ini, khususnya dunia mikroelektronika, banyak kita temui penggunaan mikrokontroler pada berbagai peralatan. Mikrokontroler dapat kita gunakan untuk berbagai aplikasi misalnya pengendalian, otomasi industri, akuisiisi data dan sebagainya mulai dari sistem yang sederhana hingga sistem yang kompleks. Mikrokontroler ini sering digunakan karena memiliki beberapa keuntungan, diantaranya harga murah, dapat diprogram berulang kali, serta dapat kita program sesuai dengan keinginan. Salah satu mikrokontroler yang sedang berkembang adalah mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc processor) dari Atmel yang digunakan pada proyek akhir ini.
2.5.1 Mikrokontroler AVRAT Mega 16
AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit hasil pabrikan Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer) yang ditingkatkan.Pada mikrokontroler Hampir semua instruksi dieksekusi dalam waktu satu siklus clock. AVRAT Mega 16 mempunyai 32 register general-purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART, programmable Watchdog Timer, dan mode power saving. Selain itu AVR juga Mempunyai ADC dan PWM internal.AVR juga mempunyai In-System Programmable
Flash on-chip, yaitu memori program yang dapat diprogram ulang didalam sistem menggunakan hubungan serial SPI.1, Berikut ini pada gambar 2.8 contoh chip AMEGA 16.
Gambar 2.8
Chip ATMEGA 16 buatan ATMEL
2.5.2 Arsitektur Mikrokontroler AVR AT Mega 16
Untuk lebih jelas tentang arsitektur dari AT Mega 16 ditunjukan pada gambar 2.10 AT Mega 16 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat disainer sistem untuk mengoptimasi komsumsi daya versus kecepatan proses. Beberapa keistimewaan dari AVR AT Mega 16 antara lain:
1. Advanced RISC Architecture
a. 130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution
b. 32 x 8 General Purpose Fully Static Operation c. Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz d. On-chip 2-cycle Multiplier
2. Nonvolatile Program and Data Memories
a. 8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash b. Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits c. 512 Bytes EEPROM
d. 512 Bytes Internal SRAM
3. Peripheral Features
a. Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Mode
b. Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes.
c. One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare Mode, and Capture Mode
d. Real Time Counter with Separate Oscillator e. Four PWM Channels
f. 8-channel, 10-bit ADC
g. Byte-oriented Two-wire Serial Interface h. Programmable Serial USART
4. Special Microkontroler Features
a. Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection b. Internal Calibrated RC Oscillator
c. External and Internal Interrupt Sources
d. Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby and Extended Standby.
5. I/O and Package
a. 32 Programmable I/O Lines
b. 40-pin PDIP, lead TQFP, lead PLCC, and 44-pad MLF
6. Operating Voltages
a. 2.7 - 5.5V for AT Mega 16L b. 4.5 - 5.5V for AT Mega 16
Pada gambar 2.9 dibawah ini adalah blok diagram arsitektur ATMEGA 16.
Gambar 2.9
Blok Diagram Arsitektur ATMEGA 16
2.5.3 Konfigurasi Pin AVR AT Mega 16
Pin-pin yang terdapat pada Mikrokontroler AVR AT Mega 16 dengan jenis kemasan 40-pin DIP (dual in-line package) dapat dilihat pada gambar 2.5 Kemasan pin tersebut terdiri dari 4 Port yaitu Port A, Port B, Port C,Port D. Masing-masing Port terdiri dari 8 buah pin. Selain itu terdapat pula pin RESET, VCC, 2 buah GND, AVCC, XTAL1, XTAL2 dan AREF.2
Gambar 2.10
PIN – pin AVR ATMEGA 16
Keterangan dan penjelasan dari pin-pin AVR AT Mega 16 pada gambar 2.10 diatas adalah sebagai berikut :
1. VCC : Suplai tegangan digital 2. GND : Ground
3. Port A : Port A berfungsi sebagai masukan analog ke A/D (Analog /Digitalconverter) Port A juga dapat difungsikan sebagai 8-bit bi-directional port I/O, hal ini dapat dilakukan jika A/D konverter tidak digunakan. Pin-pin pada port ini dilengkapi dengan resistor-resistor internal pull-up. Ketika port A digunakan sebagai input, pull-up eksternal yang rendah akan menjadi sumber arus jika resistor-resistor pull-up diaktifkan. Pin-pin pada port A adalah tri-state ketika kondisi reset menjadi aktif sekalipun clock tidak aktif.
4. Port B : Port B adalah port I/O 8-bit bi-directional dengan resistor-resistor internalpull-up. Bufferoutputport B mempunyai karaketristik drive yang simetris dengan kemampuan sink dan source yang tinggi. Sebagai input, port B akan mempunyai pull jika resistor-resistor pull-up diaktifkan. Pin-pin pada port B merupakan jenis tri-state, yaitu ketika kondisi reset
AVR ATMEGA 16 menjadi aktif sekalipun clock tidak diaktifkan.
5. Port C : Port C adalah port I/O 8-bit bi-directional yang dilengkapi dengan resistor-resistor internal pull-up. Buffer output port C mempunyai karaketristik drive yang simetris dengan kemampuan keduanya sink dan source yang tinggi. Sebagai input, port C yang mempunyai pull-upeksternal yang rendah akan menjadi sumber arus jika resistor-resistor pull-up diaktifkan. Pin-pin pada port C adalah tri-state, yaitu ketika kondisi reset menjadi aktif seklipun clock tidak aktif. Jika antarmuka JTAG enable, resistor-resistor pull-up pada pin-pin PC5(TDI), PC3(TMS), PC2(TCK) akan diktifkan sekalipun terjadi reset.
6. Port D : Port D adalah port I/O 8-bit bi-directional dengan resistor-resistor internalpull-up. Buffer output pada port D mempunyai karaketristik drive yang simetris dengan kemampuan sink dan source yang tinggi. Sebagai input, port D mempunyai pull-up eksternal yang rendah, dan akan menjadi sumber arus jika resistor-resistor pull-up diaktifkan. Pin-pin pada port D adalah tri-state, yaitu ketika kondisi reset menjadi aktif sekalipun clock tidak aktif. 7. Reset : Sebuah low level pulsa yang lebih lama daripada
lebar pulsa minimum pada pin ini akan menghasilkan reset meskipun clock tidak berjalan. 8. XTAL1 : Inputinverting penguat Oscilator dan input intenal
clock operasi rangkaian.
9. XTAL2 : Output dari penguat invertingOscilator.
10. AVCC : Pin suplai tegangan untuk PortA dan A/D converter Sebaiknya eksternalnya dihubungkan ke VCC meskipun ADC tidak digunakan. Jika ADC digunakan seharusnya dihubungkan ke VCC melalui low pass filter.
2.5.4 Struktur Memori
Untuk memaksimalkan performa dan paralelisme dari sistem mikrokontroler, AVR menggunakan arsitektur Harvard (dengan memori dan bus terpisah untuk program dan data). Instruksi pada memori program dieksekusi dengan singlepipelininglevel. Ketika sebuah instruksi sedang dikerjakan, instruksi berikutnya diambil dari memori program.
AT Mega 16 memiliki 16K byte flash memori dengan lebar 1 atau 32 bit. Kapasitas memori tersebut terbagi manjadi dua bagian, yaitu bagian bootprogram dan bagian aplikasi program. Berikut ini gambar 2.11 sebuah peta memori flash.
Gambar 2.11
Peta memori Flash
Pada AT Mega 16 memiliki 32 register, 64 register I/O dan 1024 data internal SRAM yang dapat mengakses semua mode-mode pengalamatan. Pada gambar 2.12 dibawah ini sebuah peta memori SRAM.
Gambar 2.12
Peta memori SRAM
2.5.5 Port Sebagai Input/Output Digital
AT Mega 16 mempunyai empat buah port yang bernama Port A, Port B, Port C, dan Port D. Keempat port tersebut merupakan jenis bi-directional dengan pilihan internal pull-up. Tiap port mempunyai tiga buah register bit, yaitu DDxn, PORTxn dan PINxn. Huruf „x‟mewakili nama huruf dari port sedangkan huruf „n‟ mewakili nomor bit. Bit DDxn terdapat pada I/O address DDRx, bit PORTxn terdapat pada I/Oaddress PORTx dan bit PINxn terdapat pada I/O address PINx. Bit DDxn dalam register DDRx (DataDirectionRegister) menentukan arah pin.
Bila DDxn diset 1 maka Px berfungsi sebagai pinoutput. Bila DDxn diset 0 maka Px berfungsi sebagai pininput. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin masukan, dengan demikian maka resistor pull-up akan diaktifkan.
Untuk mematikan resistor pull-up, PORTxn harus diset 0 atau pin dikonfigurasi sebagai pin luaran. Pin port adalah tri-state setelah kondisi reset. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pinoutput maka pinport akan berlogika 1. Dan bila PORTxn diset 0 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pinoutput maka pinport akan berlogika 0. Saat mengubah kondisi port dari kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0) ke kondisi outputhigh (DDxn=1, PORTxn=1) maka harus ada kondisi peralihan apakah
itu kondisi pull-upenabled (DDxn=0, PORTxn=1)atau kondisi outputlow (DDxn=1, PORTxn=0). Pada umumnya kondisi pullupenabled dapat diterima sepenuhnya. Jika hal ini bukan suatu masalah, maka bit PUD pada register SFIOR dapat diset „1‟ untuk mematikan semua pull-up dalam semua port. Peralihan dari kondisi input dengan pull-up ke kondisi output low juga menimbulkan masalah yang sama. Kita harus menggunakan kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0) atau kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=0) sebagai kondisi transisi.
2.5.6 Port Sebagai Analog Digital Converter (ADC)
AT Mega 16 memiliki kelebihan berupa 10 bit internal ADC. ADC ini terhubung paada 8 channel multiplexer analog yang melewatkan 8 jenis masukan dari pin-pin pada port A. Piranti ini juga dilengkapi 16 kombinasi masukan tegangan differensial. Dua dari masukan differensial (ADC 1, ADC 0 dan ADC 2, ADC 3) juga dilengkapi dengan programmable gain stage. Pin-pin ADC ini juga memiliki rangkaian sample dan hold, yang membuat nilai masukan menjadi konstan hingga berakhir konversi. Waktu yang diperlukan ADC untuk menyelesaikan konversi adalah 60 –260 uS. ADC internal dapat diaktifkan dengan cara mengatur ADC enable bit, ADEN didalam ADCSRA. Tegangan referensi dan pemilihan input channel tidak akan berjalan sampai ADEN telahdiset. Hasil berupa 10 bit data disimpan didalam register-registerkhusus, yaitu ADC Data Registers (ADCH dan ADCL). Ketika konversi telah selesai maka ADC dapat meng-interupt diri sendiri. Saat ADC berada dalam posisi antara membaca register ADCH dan ADCL, maka interupsi akan aktif meskipun data yang telah dihasilkan hilang.
Hal-hal yang berhubungan dengan internal ADC pada AT Mega 16 sebagai berikut :
1. Channel Masukan ADC
Single Conversion Mode. Pada saat menggunakan mode Single Conversion Mode, harus selalu dipastikan telah memilih salah satu channel sebagai masukan. Untuk memindahkan channel masukan harus menunggu hingga ADC selesai melakukan konversi. Free Running
Mode: Sama seperti pada Single Conversion Mode, namun karena masukan ADC telah dimulai secara otomatis, maka hasil konversi ini merupakan cerminan dari hasil konversi yanglalu pada channel tersebut. Ketika memindah ke channel penguatan differensial, hasil dari konversi pertama memiliki akurasi yang buruk, sehingga disarankan untuk tidak menggunakan hasil konversi yang pertama.
2. Tegangan Referensi
Tegangan Referensi dari ADC (VREF) menunjukkan range konversi dari ADC. VREF dapat dipilih mulai dari AVCC, internal 2.56 V referensi, atau melalui pin AREF. AVCC terhubung dengan ADC melalui switch pasif, sementara internal 2.56 V dihasilkan dari internalbandgap (VBG) penguat internal dan pin AREF langsung terhubung ke ADC. Ketika menggunakan tegangan referensi eksternal (AREF) maka tidak diperbolehkan untuk menggunakan tegangan referensi internal. 3. Akurasi ADC
n-bitsingle-endedADC mengkonversi tegangan secara linier antara GND dan VREF dalam tingkat 2n (LSB). Kode terendah dibaca sebagai 0 dan kode tertinggi dibaca 2n – 1.
4. Offset
Penyimpangan dari perpindahan pertama (0x000 ke 0x001) dibandingkan dengan perpindahan ideal (pada 0.5 LSB). Nilai adalah 0 LSB.
5. Gain Error
Setelah menaikkan nilai offset, gainerror ada sebagai penyimpangan pada saat perpindahan terakhir (0x3FE ke0x3FF) dibandingkan dengan perpindahan yang ideal (pada 1.5LSB dibawah maksimum). Dengan nilai ideal 0 LSB.
6. Integral Non-Linearity (INL)
Setelah Offset dan Gainerror, INL adalah penyimpangan maksimum dari perpindahan aktual dibandingkan dengan perpindahan ideal untuk semua kode. Dengan nilai idealnya adalah 0 LSB.
7. Differential Non-Linearity(DNL)
Penyimpangan maksimum pada lebar perpindahan aktual (jarak antara dua batas perpindahan) terhadap lebar perpindahan ideal (1 LSB). Nilai idealnya adalah 0 LSB.
8. Hasil Konversi ADC
Setelah konversi selesai (ADIF dalam posisi high), hasil dari konversi ini dapat ditemukan di ADC Result Registers (ADCH, ADCL).Untuk Single-Ended Conversion, menghasilkan:
Dimana :
Vin= tegangan pada pin masukan Vref = tegangan referensi yang dipilih 2.5.7 Timer/Counter
Timer/couter adalah tujuan umum single channel, module 8 bit timer/counter. Beberapa fasilitas chanel dari timer/counter antara lain:
a. Counterchannel tunggal
b. Pengosongan data timer sesuai dengan data pembanding
c. Bebas glitch, tahap yang tepat Pulse Width Modulator (PWM). d. Pembangkit frekuensi
e. Eventcounterexternal
Gambar 2.13
Blok diagram timer counter
Gambar 2.13 diatas sebuah diagram blok timer/counter 8 bit ditunjukan pada gambar di bawah ini. Untuk penempatan pin I/O telah di jelaskan pada bagian I/O di atas. CPU dapat diakses register I/O, termasuk dalam pin-pin I/O dan bit I/O. Device khusus registerI/O dan lokasi bit terdaftar pada deskripsi timer/counter 8 bit. Mikrokontroler AVR AT Mega 16 memiliki tiga buah Timer/Counter, yaituTimer 0 (8 bit), Timer 1 (16 bit) dan Timer 2 (8 bit). Timer/Counter 1 dapat menghitung sampai dengan 65536, Timer/Counter 0 atau 2 hanya sampai dengan 256. Diagram Waktu Timer/Counter
Timer/counter sinkron clock timer (clkT0) oleh karena itu ditunjukan sebagai sinyal enableclock pada gambar 2.14 berikut. Gambar ini termasuk informasi ketika flaginterrupt dalam kondisi set. Pada Data timing digunakan sebagai dasar dari operasi timer/counter.
Gambar 2.14
Timing diagram timer/counter, tanpa prescaling
Sesuai dengan gambar 2.15 dibawah timing diagram timer/counter dengan prescaling maksudnya adalah counter akan menambahkan data counter (TCNTn) ketika terjadi pulsa clock telah mencapai 8 kali pulsa dan sinyal clock pembagi aktif clock dan ketika telah mencapai nilai maksimal maka nilai TCNTn akan kembali ke nol. Dan kondisi flagtimer akan aktif ketika TCNTn maksimal.
Gambar 2.15
Gambar 2.16
Timing diagram timer/counter, menyeting OCFO, dengan prescaller (fclk_I/O/8)
Pada gambar 2.16 diatas etika nilai ORCn sama dengan nilai TCNTn maka pulsa flagtimer akan aktif. TCNTn akan bertambah nilainya ketika pulsa clock telah mencapai 8 pulsa. Dan Pada gambar 2.17 dibawah kondisi akan berbalik (komplemen) kondisi ketika nilai TCNTn kembali kenilai 0 (overflow).
Gambar 2.17
Timing diagram timer/counter, menyating OCFO, pengosongan data timer sesuai dengan data pembanding, dengan prescailer
PI
BAB III
PERANCANAAN DAN PEMBUATAN
PERANGKAT LUNAK
3.1 Konfigurasi Sistem
Dalam membangun sistem rancang bangun Rancang Bangun Rangkaian Boost Converter Terkontrol Berbasis PI-Fuzzy Logic Controller Untuk Menyuplai Motor DC Pada Mobil Listrik dibutuhkan beberapa pendukung seperti yang terlihat pada gambar 3.1.
Gambar 3.1 Blok Diagram Kontrol
Pada kontroler ini masukan diambil dari sinyal speed error (selisih antara putaran as referensi dan putaran as umpan balik yang dihasilkan oleh tacho meter) dan perubahan sinyal speed error (selisih sinyal error sebelumnya dengan sinyal error sekarang) sebagai masukan.
Masukan akan masuk ke kontrol fuzzy yang kemudian mengatur gain dari Kp, sedangkan gain Ki dibuat tetap. Keluaran dari kontrol ini akan mengatur sinyal trigger pada PWM.
PWM akan diatur duty cycle nya sampai putaran as sesuai dengan putaran as referensi. PWM ini memberikan sinyal pulsa ke bosst converter. Set Point 48 FL C Boost Konv erter Trigger Mobil Listrik Sensor Tegangan Motor DC Shunt ACCU Gear Box
3.1.1 Boost Converter
Pada sistem ini, boost converter digunakan untuk menaikkan tegangan dari baterai (accumulator) yang bernilai 36V ke 48V yang digunakan untuk menyuplai motor.
3.1.2 Sensor Tegangan
Sensor tegangan dibangun dengan menggunakan resistor yang bertujuan sebagai pembagi tegangan, karena tegangan yang diukur besarnya lebih dari 5V.
3.1.3 Battery
Pada proyek akhir ini battery digunakan sebagai sumber energi utama untuk menyuplai mobil listrik battery ini dipilih dengan spesifikasi tegangan 12V/36Ah yang diseri sebanyak 3 buah sehingga tegangan menjadi 36V.
Pada proyek akhir ini dipilih baterai dengan spesifikasi tegangan 12V/36Ah yang diseri. Hal ini dikarenakan untuk menaikkan tegangan dengan perbandingan terlalu besar yaitu 1:3 namun mampu dioperasikan dalam sistem hingga sekitar 1 jam. Perhitungan kapasitas ini didasarkan pada kebutuhan dari waktu pengoperasian atau pemakaian dalam sistem. Desain perhitungan pemakaian aki:
Dari perhitungan diatas kita dapat mengetahui Arus masukan Boost converter yang nilainya sama dengan arus pada Induktor:
Iin = IL (Avg) Data yang diketahui : Vin = 36 V Vout = 48 V Io = 10 A Pout = 480 Watt R = = = 4,8 Ω Fs = 40 KHz ;
IL(Avg) = = = 13,33 A Jadi, Iin = IL(Avg) = 13,33 A
Jika Asumsi lama pemakaian dari mobil listrik sekitar 3 jam, maka kapasitas aki dapat dihitung dengan persamaan.
Ta = Iin x Lama pemakaian (jam) Lama pemakaian = Ta/Iin
= 36/13,33
= 2,7 Jam
Keterangan :
Ta = Lama pemakaian arus baterei (dalam Ah) 3.1.4 Rangkaian Totempole
Rangkaian Totempole digunakan sebagai kopling antara microcontroller dengan konverter DC-DC karena microcontroller tidak mampu mengendalikan konverter secara langsung.
3.1.5 Microcontroller ATmega 16
Microcontroller adalah otak dari kerja keseluruhan sistem.Pada proyek akhir ini digunakan microcontroller jenis Atmega16 yang memiliki 4 Port yang masing masing 8 bit. Pada sistemini microcontroller memproduksi sinyal PWM untuk switchingkonverter-konverter serta membaca tegangan yang dihasilkanuntuk dijaga nilainya.
3.2 Sistem Open Loop
Perencanaan sistem secara open loop bertujuan untuk mendapatkan nilai karekteristik dari plant yang dikontrol. Parameter yang diambil dari perancangan sistem secara open loop ini adalah sebagai berikut :
a. Nilai Set point (Volt) b. Nilai Present Value (Volt) c. Nilai Time Settling (s) d. Nilai Konstanta K e. Grafik output response
Blok diagram perencanaan sistem secara open loop ditunjukkan pada Gambar 3.2. Sedangkan Gambar 3.3 menunjukan Gambar perancangan sistem dengan disertai hardware.
Gambar 3.2
Blok diagram system secara open loop
Berikut ini simulasi open loop pada saat beban 56kg : Chopper-Fed DC Motor Drive (Continuous)
Read the Model Properties for initialization details Continuous pow ergui Vdc 36 V v + -Vd Torque Step 618.03 Torque (N.m) Torque selection Speed Step wm wref Iref Speed Controller Scope Reference Speed selection 6 Ref. Speed (rad/s)
Pulse Generator g D S Mosfet ? More Info Ls Filter m a k Diode m A+ F+ A- F-dc TL DC Machine 300 W / 48 V Iref Ia g Current Controller Ia <Speed wm (rad/s)> <Speed wm (rad/s)>
<Armature current ia (A)>
Va
Gambar 3.3
Rangkaian Simulasi Open Loop Pada Saat Beban Bawah Diketahui pada gambar 3.3 diatas adalah percobaan dengan beban 56 Kg, 1 Kg = 9,81 N.m, Jadi Torsi = 549,46 N.m. Pada gambar 3.4 dibawah ini adalah hasil outputnya
Output
Sehingga outputnya
Gambar 3.4
Hasil Gelombang Output Saat Batas Bawah Beban 56 kg. Berikut ini simulasi open loop pada saat beban 80 :
Chopper-Fed DC Motor Drive (Continuous)
Read the Model Properties for initialization details
Continuous pow ergui Vdc 36 V v + -Vd Torque Step 784.8 Torque (N.m) Torque selection Speed Step wm wref Iref Speed Controller Scope Reference Speed selection 6 Ref. Speed (rad/s)
Pulse Generator g D S Mosfet ? More Info Ls Filter m a k Diode m A+ F+ A- F-dc TL DC Machine 300 W / 48 V Iref Ia g Current Controller Ia <Speed wm (rad/s)> <Speed wm (rad/s)>
<Armature current ia (A)>
Va
Gambar 3.5
Rangkaian Simulasi Open Loop Pada Saat Beban Atas Diketahui pada gambar 3.5 diatas adalah percobaan dengan beban 80 Kg, 1 Kg = 9,81 N.m, Jadi Torsi = 784.8 N.m. Pada gambar 3.6 dibawah ini adalah hasil outputnya.
Hasil Outputnya
Gambar 3.6
Hasil Gelombang Output Saat Batas Atas Beban 80 kg. Pada table 3.1 dibawah ini didapatkan hasil simulasinya :
Tabel 3.1 Hasil simulasi open loop
No. Berat Orang
(Kg) Vout Boost (V) 1. 56 44.1 2. 67 43.841 3. 70 43.7 4. 74 43.388 5. 80 43
3.3 Sistem Close Loop dengan Kontrol Tipe PI
Tujuan dari pemasangan kontrol PI pada sistem adalah agar settling time lebih cepat sehingga posisi steady state lebih cepat terpenuhi dan menjaga agar selalu pada posisi steady state, (%ess=0). Blok diagram sistem dengan kontrol PI ditunjukkan pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7
Dari blok diagram diatas didapatkan close loop transfer function, yamg disajikan pada persamaan 3.1.
Jika i dipilih (tuning) sama dengan t , maka didapatkan persamaan 3.2.
Parameter yang diambil dari perancangan sistem secara close loop dengan kontrol PI ini adalah sebagai berikut :
1. Nilai Setpoint (Volt) 2. Nilai Present Value (Volt) 3. Nilai Time Settling (s) 4. Nilai Konstanta K 5. Grafik output response
Blok diagram perencanaan sistem close loop dengan kontrol PI ditunjukkan pada gambar 3.8. Sedangkan gambar 3.9 menunjukan Gambar perancangan sistem dengan disertai hardware.
Gambar 3.8
Blok diagram sistem secara close loop dengan kontrol PI (3.1)
3.4 Sistem Close Loop dengan Kontrol Tipe PI Fuzzy
Sama seperti kontrol PI, tujuan dari pemasangan kontrol pada sistem adalah agar settling time lebih cepat sehingga posisi steady state lebih cepat terpenuhi dan menjaga agar selalu pada posisi steady state, (%ess=0). Hanya saja digunakan Fuzzy Logic Kontroller untuk proses tuning dari Kp dan Ki. Blok diagram sistem dengan kontrol PI Fuzzy ditunjukkan pada Gambar 3.5
Gambar 3.9
Boost Converter Dengan Kontrol PI Fuzzy
Gambar 3.10
Pada gambar 3.10 hasil output diatas, masih kurang sesuai dengan set point 48, tetapi respon diatas menunjukkan kalu fuzzy responnya smooth dan berkat Ʈi di set 0.01 maka respon kembali ke set poinnya lebih cepat.
3.5 Pembuatan Algoritma PI Fuzzy
Perancangan perangkat lunak fuzzy Logic Controller secara rinci terdiri dari proses desain fuzzy inference system yang meliputi beberapa hal sebagai berikut:
3.5.1 Perencanaan Program Fuzzy
Dalam proses perancangan perangkat lunak (software) program fuzzy logic controller memerlukan program development yang digunakan untuk membangun parameter-parameter yang dibutuhkan dalam proses penulisan program fuzzy. Berikut ini gambar 3.11 adalah flowchart proses pengendali logika fuzzy secara lengkap beserta blok diagram kontroler secara lengkap
Gambar 3.11
