Desain Sistem Kendali dan Analisa Vibrasi Struktur Reaction Wheel pada Satelit Tipe Cubesat

seminar Nasional Pascasarjana xll

_-

lrs,

Surabaya 12 Juli

zafi

ISBN No. 979-S4s-027A-1

DESAIN SISTEM

KEI\DALI

DAN ANALISA YIBRASI STRUKTUR

REACTION

WIIEEL

PADA SATELIT TIPE

CT}BESAT

Hendro Nurhadi*, r Nyoman

sutantra, Rika Dwi H.e, yongki

Hendranata

'Jurusan Teknik Mesin, _{Fahtltas Tebtologi Industri, Institut Tefuologi S-eptluh Nopember, Surabaya, Indonesia} Email : hdnur hadi@me. i*. ac.

i{

Pada makalah

ini

akan dibahas mengenai

_{,mffir.action}

_{wheel dan wheel drive component} sebagai actuator dari ADCS yang bertugas mengarahkao satelit sesuai keperluan. permasalahan _yang

g{a1 dibahas mengenai bagaimanaka}r perencanaan reaction wheel sebagai actuator dari ADCS

(Attitude Determination Contrl System) pada satelit dengan shrdi efek peningkatan kecepatan angular pada reaction wheel terhadap fiekuensi natural yang terjadi, dan bigaimana peraucangan system kendali pada _{reaction wheel untuk mengatur} kecepatan putaran _{motor, mengafur}

_{t"*myairom*tu.}

angular yang dapat dihasilkan_serta respon _{dari gerak satelit akibat} perubahan _{momentum angular dari} reaction wheel. Sistem kendali yang digunakan adalah PID _{dan kekuatan struktur diketahrii} dengan menggunakan metode elemen hingga yang disimulasikan dengan ANSYS 12. Dari analisa systim kendali serta simulasi ANSYS dapat diperoleh suatu desain system reaction wheel yang

tite6a

sebagai _{actuator dari ADCS untuk mengatur posisi} hadap _{dari saielit, mengetahui karakterist'ik respon}

dmi system control reaction wheel pada satelit tersebut, mengetahui tekuatan stnrktur dmi beban putar dinamik dan frekuensi pada reaction wheel dan _{mengetahui karakteristik frekuensi natural} pada reaction wheel yang berguna untuk perancanganjitter guna _{penoparg dari reaction wheel}

1. Pendahuluan

Indonesia merupakan negara kepulauan yang

memiliki

cakupan

wilayah yang

sangat luas.

Kondisi

geografis

Indonesia

begitu

menakjubkan, terbentang

dari

Sabang sampai

Merauke,

ssrta

terletak

di

bentangan garis

lftatulistiwa.

Memperhatikan

wilayah

yang

demikian

luas

dan

strategis tersebut,

sudah

selayaknya Indonesia membutuhkan

suatu

alat

yang dapat digunakan untuk pengamatan objek,

keamanan

laut

dan pertahanan, dan tentu untuk

komunikasi,

baik

_fixed,

wireless,

maupun

komunikasi radio yaifu satelit.

satelit

sebagai wahana

luar

angkasa

membutuhkan komponen-komponen

khusus

yang

cocok

untuk

lingkungan daerah kerjanya.

Di

daerah hampa

udara satelit harus

mampu

untuk bergerak dan

menentukan orientasinya

secara

otomatis. sehingga didalam

satelit

terdapat Attrtude Determination

control

system

(ADCS)

yang

berperan dalam

mengarahkan

orientasi

dari

satelit

relatif

terhadap

burni

ataupun terhadap matahari. sebagai sensor dari

ADCS

biasa digunakan glroscop€,

sun

sensor,

dan

stars sensor. Kemudian informasi

akan

diolah dalam ADCS sehingga dihasilkan perintah

kepada actuator

berupa Reaction

Wheel.

Perancangan

dari

Reaction f|lheel

dan

wheel

Drive

component sangat diperlukan

karena

komponen

ini

merupakan kaki tangan dari satelit

yang

bertugas mengarahkan

satelit

sesuai

keperluan.

Perancangan

sudah pernah

dilakukan

oleh

(Espen

oland

dan Rune sclanbusch, 2007) dari

m-242

Departement

_{of scientific}

_{computing, Electrical}

Engineering

and

space Technology

_di

Narvik

university collage Norwegia. Dimana

dalam perancangannya telah dimasultkan batasan massa dan volume yang telah ditentukan sebelumnya,

Dan dapat ditentukan ketinggian yang mungkin

untuk satelit

berdasarkan persamaan untuk

perancangan

_misi

cubesat. Rancangan reaction

wheel kemudian disimulasikan unfuk

ukuran

satelit

yang

berbeda

dan

menampilkan

kemampuan manuyer arah.

Perancangan juga pernah dilakukan oleh

LApAl.i

mengenai Desain Reaction

wheel

dan

wheel

Drive

Electronic

untuk

satelit

LAPAN-A2.

Perancangan _{dilakukan untuk kebutuhan actuator} pada TUBSAT.

untuk

perancangan _{wheel Drive}

Electronik-nya digunakan

simulasi

untuk

menentukan

respon

dari

putaran motor

yang

telah

ditentukan.

sehingga

dapat

diketatrui

performa

_dari

reaction

wheel

tersebut

berdasarkan dari hasil simulasi. (prabowo,20 1 0)

Penelitian mengenai

vibrasi pada

Reaction

wheel

pernah _{dilakukan oleh (R.}

_A.

_Masterson,

D.

W.

Miller,

dan

R.

L.

Grogon,

2009)

dari

Massachusetts

Institute

of

Technology. Dalam

penelitian

ini

digunakan

reaction wheel

pada

satelit

Huble untuk

mengetahui

bagaimana

karakteristik

getarannya,

Kemudian

dilakukan

pengujian secara

empirik

dengan rnsnempatkan

reaction wheel

pada pengeksitasi getaran dan

diperoleh

_safik

hubungan

putaran,

frekuensi

natural dan Power Spectral Density.

Pada

paper

ini,

perancangan

yang

digunakan adalah mengikuti hukum kekekalan momenfum

angular.

Wheel

haru>a

canal

rnen,. rm:laJl

momenfum angular _{)'ang dihreilkan}

oirn

_=arelit

yang

merupakan s-varat

unruk

mem'1,;si >a:eiit

berputar

dari

keadaan

equllib,nur

i:*a:;sil\ a.

Sistem kendali yang digunalian aceian

PiD iarl

kekuatan

struknrr

,Jrliemhu:

.iengan

menggunakan

metode elernen

hlngga

_{) ang}

disimulasikan dengan

A*\S\"S

1:,

Dari

anah.a system

kendali serta simulasi

A\S\-S

iapar

diperoleh suatu desain sr

stem

reecnon u heel

yang bekerja sebagai actuator dan A

ilc

S unruk

mengatur

posisi

hadap

dari

sareiit. mengemhui

karakteristik respon dari s\ stem conrrol reaction

wheel pada

satelit

tersebur

mengetahui

kekuatan struktur dari beban

puur

dinamik dan

frekuensi pada reaction

u'heei

dan mengemhui

karakteristik frekuensi narural pada

reacrion

wheel yang

berguna

unruk

perancangan _iiner

guna penopang dari reaction u heel.

2. Persamaan Gerak Reaction ll-heel

Reaction r,vheel

adalah

sebuah acruaror ) ang

berada pada satelit yan,_s gunanva menjalankan

perintah

yang

berasal

dari

Amirude

Determination

Control

Sr,stem TADCS

l.

Cara kerjanya

yaitu

dengan memurar u'heel dengan

kecepatan angular tertentu

unruk

mendapatkan

momentum angular yang cukup unnrk memutar

orientasi satelit.

'riq

-rrt'

(a)

(b)

Gambar 2. (a) wheel tampak atas. tbt *heel tampdk bav,ah

Perancangan dari wheel sesuai hukum kekekalan

momentum angular, dimana rvheel harus dapat

menyimpan momentum angular _J-ang dihasilkan

oleh

satelit

yang

merupakan

sl,arat

untuk

mernbuat

satelit

berputar

dari

keadaan

equilibrium

static-nya.

Bila

satelit

tidak

mengalami percep

atan angular

S'

-

rl

.

atarJ kecepatan angular satelit konstan

f

₌

ronst*.:

maka besar torsi yang terjadi pada satelit adalah:

f prf a i

!-r-Dimanadr,-''*i=i

maka !t""r-t

.: = a

js

E

t#,r;5i*:i;..

...{2) Jika

Strn,nar Nasional Pascasarjana Xll

_-

lTS, Surabaya 12 Juli Zalz ISBN No. 979-545 -A27A-1

Maka

Dari persamaan (3) diketahui

jika

reaction wheel

mengalami penambahan kecepatan angular maka

unfuk

menjaga

nilai

L

tetap

konstan sesuai

dengan

hukum

kekekalan momentum angular,

maka satelit harus

memiliki

kecepatan angular

)'ang berlawanan dengan arah kecepatan reaction

wheel dan

jika

satelit tidak mengalami perubahan

momentum angular atau

L

*

0 maka momenfum

angular yang

dimiliki

oleh reaction wheel harus

sama dengan momentum angular yang

dimiliki

oleh satelit.

Nilai

minus reaction wheel

menandakan arah kecepatan

angular satelit dan reaction

wheel

berlawanan.

... Untuk perhitungan momen inersia dari satelit

dapat dilakukan

dengan penjumlahan momen

inersia

masing-masing komponen

dari

satelit. Persamaan momen inersia pada

disk dan

pada ring:

sehingga didapatkan persamaan:

Dari

persamaan

7

(Departement

of

Aeronautics

and

Astronautics,

Massachusetts

Instifute

of

Technology) dapat dilakukan perancangan untuk

mencari reaction wheel dengan skema dimensi

seperti gambar berikut:

A

*

ho,r*

l'pv,1

Gambar i. Skema dimensi dari wheel

Untuk

mencegah kecepatan

angular

yang

dimiliki

oleh

satelit mengalami saturasi akibat

perputarannya,

maka

digunakan acfuator yaifu

magnetorquer.

Caru

kerjanya

dengan memanfaatkan medan magnet yang

dirniliki

oleh

bumi untuk menghasilkan torsi pada satelit. Torsi

terjadi karena adanya gaya lorentz akibat medan magnet

bumi

menernbus

fluk

kumparan yang

dialiri

arus listrik.

F = q, {u H S} .r...r..rt..e...rr...r...r(8) Dimana

F

adalah gaya

lorent yang

dihasilkan

oleh

muatan

q

dengan kecepatan

v

yang

melewati kumparan. Dan medan magnet bumi B

menembus

fluk

yang dihasilkan oleh kumparan

bermuatan tersebut,

jika

_,f

-

q, ir dengan volume

dari kawat

kumparan adalah

A.dl

dan jumlah

muatan yang dibawa per

unit

volume adalah x.

Maka

x.A.dI

adalah muatan

yang

bergerak sepanjang kawat kumparan. Sehingga gaya total

akibat muatan tersebut adalah:

dF

₌

q,

tu

H

Si,{k,.'t.

dj}

=

j

x

E.

_{*,

d$;1....(9) Dimana arus

listrik

I:J.

Maka persamaan gaya medan magnet setiap elernen adalah

dF

₌

{r

x

s},

di...r...r....r...(10)

Sehingga

total

gaya

yang

dihasilkan

oleh

kumparan tersebut adalah

F - *lt X ff, f ...o...e...r.t....,r,...rr.r...(1 1)

Dimana besar gaya lorent

- d,

-.x.. !, *.-\

"r

* # x

"Sll

= Lf

H Sr!r* ...a..*...a..r..*...t. .(12)

Maka torsi yang dihasilkan adalah

EA -{lI

i-r i I

x

Sj

$ =

ffi., ,b. J,

S,Stx

ffi ...(13)

Sehingga besar

torsi total

dengan

jumlah lilitan

adalah

N

f -

;f ' .+, it. .8, 5f 1tF...,...,.,...,...,....,...,...(14)

Jumlah magnetorquer yang dipasang pada satelit

adalah

3

buah

unfuk

menanggulangi saturasi putaran arah x, y, dan z.

(Ali,

2006)

3. Persamaan

Motor

Sebagai penggerak

dari

reaction wheel

maka

diperlukan

adanya

motor

sebagai pernbangkit

torsi

untuk menciptakan kecepatan angular dan

mampu

menyimpan momenfum

angular

yang

dimiliki

oleh satelit.

Gambar 2.6 _free body f:*

{' "F

$drtrinar Nasional Pascasarjana Xll

_-

lTS, Surabaya 12

Juli

ZA12 ISBN No. 979-545-027A-1

tersebut. dan

i

adalah arus listrik. Dari persamaflfi

(16) maka didapat persamaan sebagai berikut:

J. J

g

=

:,"

r

*

.ffr {t'}

*

se {;r} _{J,...-...i...(17)}

Cr

[

"-Dimana torsi yang dihasilkan oleh motor adalah

L, {r} =

Ff, i i:f J...r...,...r....*.o.r...r...i...(l B) Sehingga dapat

diketahui

besarnya

torsi

yang

tercipta

bergantung

pada

besarnya

arus

yang

diberikan. Dengan koefisien

pengali

$f{ dalam satuan mNm/A

Selain

itu

motor

juga

dapat mengalami tegangan

balik akibat

gaya elektromagnetik yang timbul

saat rotator berputar terhadap stator yang akan

mempengaruhi

nilai

dari

arus yang

diberikan

pada motor. Tegangan

ini

biasa disebut back-emf

dengan

simbol

8s.

Berikut

ini

adatah persamaannya

r6, I . i {*

#gt"IJ = fd* .rr...tr...r..r...r...r..(19)

Dimana

I{e

adalah konstanta back

emf

dengan

satuan

Ylrad/s.

_e*

adalah

faktor

pengali yang

akan

juga

berpengaruh

pada

nilai

arus

yang

diberikarl. ff; dan _"&e memiliki besar yang sama.

Untuk

persamanfi geralarya

maka

biasanya kita mengamati perputaran yang t€fjadi

akibat berputarnya rotator. Yaitu sebagai berikut

ri$l tr*

/tr =

J" j

rrr [":.i

- T'; i'"'i i

1"1rfi, \.f"i' _{r' gt (-i./' rl o..e .r...(2} l)

Dari

persamaan (17) dan

_QD

tersebut nantinya

dapat digabungkan menjadi

I

sistem kerja motor

untuk jenis DC motor. Diman a

J

adalah bes arnya

momen inersia dari rotator motor. Dan

rp

adalah

torsi balik

yangdisebabkan

oleh

gesekan pada

rotator motor. (Zhang, 2008)

.i$ dd 5' ,F r lA ii' l- tr-tgl {J ' dr 4. Simulasi

Langkah pertama

yang

dilal,rukan

adalah

peftmcangan dimensi reaction wheel, pemilihan

magnetorquer

dan

motor, kennrdian

mencari

persamaan. Dari persamafln tersebut dimodelkan

dan dibuat blok diagram untuk simulasikan.

set

pertama adalah mensimulasikan pemodelan

system

kerja reaction wheel

dengan simulasi

close-loop tanpa

menggunakan

PI

controller,

simulasi close-loop menggunakan

PI

controller.

Set

kedua,

mensimulasikan

_uji

kestabilan

msnggunakan metode

root

locus. Set ketiga dan

keempat, mensimulasikan kekuatan strukfur dan

,.3 # ,. lr',. tilr I { dr lr' l-"ai r - - Li '+.d .,.: n

''i-i'#ffi-

!' --ffie.

tL,W*

\..'l{ii,ffi.#{s/ ' '5anui&Fr L'E

diagram pada motor

F

- F*,.-+a1 - * f $'n

; c,rt r\L.i ' #rSL f i...(16)

Dengan

L

adalah

nilai

induktansi dari motor. R

adalah hambatan dalam yang

dimiliki

oleh motor

ru-244

I--,J v ill I--(1 s) (20) Q2)

frekuaensi getaran menggunakan metode elemen

hingga dan analisa getaran.

Berikut adalah hasil simulasi close-loop tanpa PI controller:

Seminar Nasional Pascasarjana XII

_-

lTS, Surabaya 12 Juli zA12 l$BN No. 979 -545-A27A-1

Gambar 8. Grafik Root Locus

4$ 3* 21:) tI fs lrl ?0 l0 4B S!.staE l:@ *arr {I b--{.58+6.S Birnplqr o-tBS Or,.tutt*I 55, Frcflarcy(rdhEc} s.(E .9. d T ac E -r u Bsd Ards

Gambor 4. Grafik Root Locus

{iialik Hs+e@lc* Angurar S*t*;:i

W-ib (ai

Gambar 5. Grafik Kecepaton Angular Satelit

*r**tr i{**sp.*?ar Argr:lar .Sr;ilui E irips

Fj{d*n iEt

Gambor 6. GrSk Kecepatan Angular Euler Satelit

*c*iik $*r$*,i P,ngr.llar E*ier

liliil ,,4:4ii

WeAu{c}

Gambar 11. Grafik Kecepatan Angular Euler Satelit

S*duf Angular Ettler

-6 * ,l tl il I.: I r.l r, lt t, 1t tlt f u" tx 'I I t\t

'li

i: u ,"r::;;,,;-'ii , -, ,. .1,+,-c jj :l]ll,L':,i--1.;i I i --l I I -1 I I l i i\ ,d i, fl'.* I J I Sf*: rai

Garubar 7. Grafik Sudut Angular Euler

ktelit

Berikut

adalah hasil simulasi

PI

controller:

_**ldeur

close-loop dengan

ii"r1***Lruro':iilr'r

Gambar 12. Grafik Sudut Angular Euler Satelit

5.

Hasil

K*rnparast Ke6€pata* Anguiar B*dy-Frame Pt vs non-Pl Controller

g 'il1 j:-:-:- -' ': ; +1 --",,';-'j

;

"r-+:^

.si--\t"@

ailv 8 .:: t J d;V-i :Ji.-s, 's ii I :,^_3' ur o) -.r -@ E ). IE L EN G .E

Gambar 9. Grafik Kecepatan Angular Satelit

s l- I Pnk: -1 .ffi + 3.08i System: cltsalhopPl Gain: 0 D*tqlbry 0.48 O\'etrshodt%I tI.S ."1.4 -'\.? -i -8.tr ,il.t" -it.4 -rl I i

Gambar 13. Komparasi Kecepatan Angular satelit closed

Loop Non PI dan PI

1*.1;::';;:.1i.*-.:i fi,riijl;t Ar-..r;l;lnl iir:;l',. g:l.rutr** Fr! u* n*n ill fi(;r*lr;ll*i

; -.-_, I

i

,,',....-'',y.q]-;p....-.''.*-...'*"..'-.'^;.

I

Gambar 14. Grafik Komparasi sudut Angular satelit pada Closed Loop PI Dan NonPl

Tabel 1: Kara*leristik Respon Yang Terjadi dari simulasi

t:

Gambar 15. Hasil simulasi Berupa Deformasi Pada Analisa

Seminar Nasional Pasca$arjana Xll

_-

lTS, Surabaya 12 Juli zalP

ISBN No. 979-54S-0Z7A-1

6. Kesimpulan

sistem kendali

Reaction

wheel

menggunakan

kendali

PI

anti

wind-up

ber.hasil memenuhi

criteria

desain yang diinginkan, koefisien yang

digunakan dari

Kp

:

0.15 dan

Ti

:

200, respon

close

loop anti

windup lebih

baik dari

pada close-loop biasa

tetapi memiliki rise time

dan settting

time yang lebih

lambat nanrun masih

masuk dalam criteria desain. sedangkan

closed-loop

biasa

belum

dapat memenuhi

criteria

sehingga diperlukan adanya kontroler yang dapat mengendalkan respon yang terjadi.

Dari

hasil analisa struktur statis didapatkan

bahwa deformasi

dan

tegangan

yang te{adi

sangat kecil sehingga wheel masih dalam kondisi

baik dengan kondisi operasi yang telah dilakukan

Dengan bertambahnya putaran pada wheel

maka deformasi dan tegangan akan meningkat

secara eksponensial dan frekuensi natural juga

meningkat. Peningkatan

tidak terlalu

signifikan

karena putaran yang digunakan cukup

kecil dengan dimensi geometri wheel yang kecil pula.

7.

Daftar

Pustaka

Arjomandi,

Dr.

Maziar

&,

Mr.

Brad

Gibson,

Design, (2010).

Build

and Launch

of

a

Small

Satellite

Based

on

Cubesat

Standards, Australia, Adelaide University.

Aydinlioglu,

Ali.

(2006).

Production

of

Electromagnetic

_{coils for Attitude}

_contror

of

a Pico

Satellite, Aachen:

University

of

Applied Sciences.

Datadog System,

Pulse

Width

Modulation

e\IfM)

Tutorial, 2005.

Dekens,

E.H., G.F. Brouwer,

J.

Bouwmeester,

J.M.

Kuiper,

(2A10). Development

of

a

Nano-Satelilite Reaction

Wheel

System

with

Cornmercial

Off-The Shelf

Motors,

Noordwijk,

The

Netherlffid, Faculty

of

Aerospace Engineering,

Chair

of

Space System Engineering.

Derman, Hakki

o,

1ggg, 3-Axis Attitude

control

of

a

Geostationary Satellite,

Middle

East

Technical University.

Holmes,

Eric

8.,

2AA4,

Attitude

Controls Team

Final

Report, Journal

af

Space Systems

Design (2004),74-77,

Masterson,

R.A.,

D.

Miller, R.

L.

Grogon,

Development

and

validation

of

R.eaction

Wheel

Disturbance

Model:

Empiricat

Model,

Massachusetts

Institute

of

Technology.

Oland, Espen

_&

Rune

Schlanbusch, (200?).

Reaction

Wheel Design

for

CubeSats,

Narvik:

Department

of

Scientific

Computing, Electrical Engineering

and

Space

Technology

Narvik

University College" :,. ,: ir rri .:. .):. .,:.: ..::. t... 'i,@{lrrr{d,.{ed Cii, r, .:!is'i.iniil'lt&4:i;r I ..f: . : l-Jb-iit&r:r*st lsi;,idlilirsbqi r l&h &ts.: , t&r!: 1 ..",.i.'..

Gambar 16. Hasil simulasi Berupa Tegangan pada Analisa Struktur Statis 'e

,*gi$

ic, I $ e $ $ ti E s

Gambar 17. Frelatensi Natural Dari Hasil Simulasi Madet

Wheet

Parameter Roll Pitch Yaw

Non-Pl PI Non-Pl PI Non-Pl PI

Cvershoot {?,6} 54.6 54.5 7.73 54.S ,1.54

Settling Tin.te isi 3.87 :.6t

Rise Tim* isI u, i:, U,I L n 1c ,! trn aal

Steady Staie Errori?4i 0.3 it i { nnc n t? _{u, iY 0.5i}

f

seminar Nasionat pascasarjana Xlt

_-

trs, surabaya

12

Juri 2912

I

,sBN No. e7e_545-027G1

I

P*,

Robert A.,(2001).

The

Desigrr

of

pID

I

Controller, Klipsch School of Electrical and

I

Computer Engineering.

!

Prabowo, Gunawan

S,

Hasan

Mayditiq fubal

I

Yusuf,

(2010).

Analisa Desain

Wheel

I

Drive

Electronic (WDE)-LAPAN

untuk

I

Pengep[angan

Satelite

LAPAN-A2,

!

nogor, Pustekelegen-LAPAN.

!

Reaction Wheel Design

(LW,WF),

Departement

I

of

Aeronautics

and

Astronautics,

I

Massachusetts Institute of Technology.

I

Slamet,

Widodo,

(2004).

Uji

Getar

untuk

I

Memenuhi Salah Satu Persyaratan Roket

I

Peluncur PSLV, Pasca Sarjana Bidang

Ilmu

I

Teknik Mesin" Universitas Lndonesia.

I

SSBV

Space

&

Ground

System:

Cubesat

I

Magnetorquer Rod.

I

rrinar5anto

,

Robertus

Heru, Wahyudi

Hasbi,

I

Ayom Widipaminto, Mohamad Mukhayadi,

|

(2005).

Draft

of

LAPAN-TUBSAT

I

Technical Documentation

Microsatellite

I

For

Surveillancg Technical

University

of

I

gerlin

I

zlung,Wenbo and

Wei

Zhan,Q008). Sensitivity

I

Analysis

of

Motor

PWM

Control,

San

I

Fransisco,Proceeding

of the

World

I

99..1*"ss

on

Engineering

and

Computer Science.