Perancangan Pengendali Kecepatan Motor Menggunakan Konverter DC-DC 4-Kuadran dengan Pengendali Arus PI dan Pengendali Kecepatan I-P

Firman Sasongko

Konverter dc-dc 4-kuadran merupakan konverter dc-dc yang dapat bekerja secara bidirectional baik arus maupun tegangan kerjanya, sehingga sangat cocok untuk aplikasi kendali motor yang membutuhkan kecepatan dan torque dalam dua arah. Skema konverter dc-dc 4-kuadran untuk pengendalian motor dapat dilihat pada Gambar 1. Pengendalian kecepatan motor dapat dilakukan dengan mengendalikan arus jangkar. Hal ini memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan pengendalian kecepatan secara langsung. Salah satunya adalah dapat membatasi arus ketika terjadi hubung singkat sehingga konverter masih dapat bekerja dengan baik. Pengendalian motor berdasarkan pengendalian arus dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.

Skema konverter dc-dc 4-kuadran untuk pengendalian motor dc

Skema konverter dc-dc 4-kuadran untuk pengendalian motor dc

Pengendalian kecepatan motor berdasarkan pengendalian arus

Pengendalian kecepatan motor berdasarkan pengendalian arus

Dengan memasukkan parameter-parameter motor dan beban serta parameter kendali arus dan kecepatan, maka dapat kita gambarkan diagram blok sistem seperti terlihat pada Gambar 3.

Diagram blok motor dc terkendali arus

Diagram blok motor dc terkendali arus

Untuk memudahkan dalam menganalisis pengendali arus dan pengendali kecepatan maka dapat dilakukan penyederhanaan sistem diatas menjadi dua buah sistem seperti terlihat pada Gambar 4 dengan mengasumsikan pengendali arus telah bekerja dengan baik dan juga pada Gambar 5 dengan mengasumsikan pengendali kecepatan telah bekerja dengan baik.

Diagram blok pengendali kecepatan

Diagram blok pengendali kecepatan

Diagram blok pengendali arus

Diagram blok pengendali arus

Dari diagram blok diatas dapat kita tuliskan persamaan fungsi transfer sebagai berikut:

Persamaan 1

Persamaan 1

Terlihat bahwa sistem menjadi lebih sederhana untuk dianalisis. Dengan memasukkan parameter pengendali Gc(s) dan Gω(s) yang sesuai akan kita dapatkan respon sistem pengendali kecepatan dan pengendali arus yang diinginkan. Pengendali PID dan variannya telah lama digunakan di industri-industri karena kehandalan dan kesederhanaannya dalam penggunaannya. Pengendali ini dapat kita terapkan pada sistem pengendali motor dengan konverter dc-dc 4-kuadran.

Sistem pengendali yang diusulkan adalah berupa pengendali PI pada arus dan pengendali I-P pada kecepatan. Blok diagram pada Gambar 4 dengan menambahkan kendali I-P serta blok diagram pada Gambar 5 dengan menambahkan kendali PI dapat dilihat pada Gambar 6  dan Gambar 7.

Diagram blok pengendali tegangan dengan I-P

Diagram blok pengendali tegangan dengan I-P

Diagram blok pengendali arus dengan IP

Diagram blok pengendali arus dengan IP

Dengan menggunakan diagram blok seperti diatas maka persamaan dapat dituliskan sebagai berikut:

Persamaan 2

Persamaan 2

Dari persamaan terlihat bahwa sistem sekarang menjadi orde dua sehingga penentuan parameter sistem dapat dilakukan dengan menentukan maksimum overshoot serta settling time dari sistem. Maksimum overshoot yang diusulkan dalam tulisan ini adalah sebesar 1% untuk kedua pengendali sementara settling time untuk pengendali kecepatan sebesar 0.1 s dan pengendali arus sebesar 1 ms. Pengendali arus disini harus bekerja lebih cepat dari pengendali tegangan sehingga settling time-nya lebih kecil.

Maksimum overshoot dan settling time sistem dapat ditentukan dari persamaan dibawah [2]

M_p=e^{-\frac{\zeta \pi}{\sqrt{1-\zeta^2}}}

t_s = \frac{4}{\zeta \omega_n}

Persamaan 3

Dimana untuk sistem pengendali kecepatan didapatkan nilai sebagai berikut:

Persamaan 4

Persamaan 4

Sementara untuk pengendali arus didapatkan nilai sebagai berikut:

Persamaan 5

Persamaan 5

Parameter motor yang digunakan dalam tulisan ini adalah sebagai berikut [3]:

Dengan memasukkan parameter diatas pada persamaan 4 dan 5, serta dengan penentuan nilai maksimum overshoot dan settling time maka akan kita dapatkan parameter-parameter Ki dan Kp kedua sistem sebagai berikut:

Persamaan 6

Persamaan 6

Untuk melihat respon sistem serta bandwidth dari sistem yang diusulkan dapat kita lakukan uji masukan undak satuan seperti terlihat pada Gambar 8. Respon pengendali terhadap masukan undak satuan serta bode plotnya ditunjukkan pada gambar dibawah. Dapat kita lihat bahwa pengendali arus bekerja jauh lebih cepat dari pengendali kecepatan. Hal ini sesuai dengan kriteria yang diusulkan dimana settling time ts pada pengendali arus adalah 1ms sementara pada pengendali kecepatan adalah 0.1s. Bode plot kedua sistem menunjukan bahwa pengendali arus memiliki bandwidth sebesar 7114 Hz sementara pengendali kecepatan memiliki bandwidth sebesar 6.4 Hz.

Untuk melihat respon sistem terhadap gangguan yang dalam hal ini dapat berupa perubahan sumber tegangan Ed pada pengendali arus dan perubahan torque beban pada pengendali kecepatan, dapat kita lakukan uji undak satuan seperti terlihat pada Gambar 9.

Gambar 8

Respon sistem terhadap masukan undak satuan serta diagram bode pada pengendali arus (kiri) dan pada pengendali kecepatan (kanan)

Respon sistem terhadap gangguan undak satuan serta diagram bode pada pengendali arus (kiri) dan pada pengendali kecepatan (kanan)

Respon sistem terhadap gangguan undak satuan serta diagram bode pada pengendali arus (kiri) dan pada pengendali kecepatan (kanan)

Hasil Simulasi Pengendali Kecepatan Motor Menggunakan Konverter DC-DC 4-Kuadran

Simulasi yang dilakukan menggunakan software PSIM® dengan rangkaian seperti terlihat dibawah. Dengan memasukkan parameter motor dan kendali maka akan kita dapatkan hasil simulasi dimana kecepatan motor dapat dikendalikan dengan pengaturan kecepatan referensi.

Rangkaian simulasi yang dilakukan dengan menggunakan PSIM®

Rangkaian simulasi yang dilakukan dengan menggunakan PSIM®

Hasil simulasi dengan referensi kecepatan positif:

Respon kecepatan (atas) dan respon arus (bawah) terhadap perubahan referensi 600 rpm s.d. 800 rpm

Respon kecepatan (atas) dan respon arus (bawah) terhadap perubahan referensi 600 rpm s.d. 800 rpm

Hasil simulasi dengan referensi kecepatan bolak-balik:

Respon kecepatan (atas) dan respon arus (bawah) terhadap perubahan referensi 100 rpm s.d. -100 rpm

Respon kecepatan (atas) dan respon arus (bawah) terhadap perubahan referensi 100 rpm s.d. -100 rpm

Hasil simulasi dengan referensi kecepatan yang melebihi rating kecepatan motor:

Respon kecepatan (atas) dan respon arus (bawah) terhadap perubahan referensi 1500 rpm s.d. 1700 rpm

Respon kecepatan (atas) dan respon arus (bawah) terhadap perubahan referensi 1500 rpm s.d. 1700 rpm

Dari Gambar 11, Gambar 12, dan Gambar 13 dapat terlihat bahwa kecepatan motor dapat mengikuti referensi kecepatan yang diberikan dengan cukup baik. Respon kecepatan yang terjadi telah sesuai dengan kriteria yang diusulkan yaitu dengan settling time sebesar 0.1 s. Respon arus terhadap arus referensi yang diberikan dari pengendali kecepatan dapat bekerja dengan baik seperti terlihat pada gambar diatas.

Referensi

[1]   Dahono P.A., “DC Drives System”, Lecture’s Note. LPKEE. Bandung. 2009.

[2]   Ogata K., “Modern Control Engineering”, 3nd Edition Chapter 8&10. Prentice Hall Inc. United States. 1997.

[3]   Ahmed F.I., El-Tobshy T.M., et. al., “P-I and I-P Controllers In A Closed Loop For DC Motor Drives”, IEEE PCC NAGAOKA.,1997.

About konversi

This blog is a blog made by the students of the Laboratory Of Electric Energy Conversion, ITB. This blog shall be the place for us to write our researches and projects. Feel free to read any of the contents of this.
This entry was posted in Electrical Drives, Power Electronics. Bookmark the permalink.

20 Responses to Perancangan Pengendali Kecepatan Motor Menggunakan Konverter DC-DC 4-Kuadran dengan Pengendali Arus PI dan Pengendali Kecepatan I-P

  1. JS says:

    Kayaknya angka-angkanya perlu lebih realistis Mas, kalau settling time untuk speed sampai 0.1s, apa shaftnya nggak bakal rawan patah tuh.
    Selain itu, transfer function elemen umpan balik biasanya juga nggak betul-betul orde-0 dan linear.
    Kalau sudah melibatkan low pass filtering, pole elemen umpan balik ini bisa sedikit mengacaukan aksi kontroler, karena sensitifitas di arah umpan balik lebih tinggi daripada arah maju.

  2. Firman says:

    iya betul sekali, ini penentuan parameternya tidak sesuai dengan praktik di lapangan,bebannya kecil sekali disetnya, hanya sekedar membuktikan bagaimana kendalinya bisa bekerja sesuai referensi. terima kasih atas komentarnya

  3. rizki says:

    gaya kow enk …

  4. andihendra says:

    kayaknya saya udah mulai ngerti kenapa sinsis begitu penting…

  5. fendy_zutrisna says:

    Semua pelajaran di elektro juga penting kok, baru kerasa waktu buat Tugas Akhir,,
    Buat adik2 kelas,, belajar yang serius dulu di tingkat 1 dan 2, supaya semester ke depannya tidak ada kendala yang berarti dalam belajar .. ^_^

  6. candraag says:

    sama seperti pertanyaan saya dulu, sebetulnya tanda ® pada PSIM® itu artinya apa?
    Kendali digital yang dalam implementasinya membutuhkan keakuratan, artinya membutuhkan bit yang besar. apakah untuk merealisasikan topology di atas bisa menggunakan mikrokontroller 8-bit?

  7. P. A. Dahono says:

    Tanda itu artinya trademark, artinya PSIM adalah merk dagang yang terdaftar. R adalah singkatan dari registered.
    8 bit bisa saja tergantung pada akurasi yang diinginkan. banyak orang mengimplimentasikan pengendali motor dengan mikro 8 bit.

  8. ardy says:

    Salutt….!
    Ternyata disini ada t4 nongkrongnya anak elektro.Aq lg nyari referensi TA. Mengenai Inverter 3 phase, ada yang tau ga’ bagaimana cara pemasangan MOSFET yang baik dan benar agar tdk cepat panas ato jebol. soalnya dari beberapa pengalaman pemakaian MOSFET klopun sudah dipasangi heatsink ato diparalel, tetap aja umurnya tidak bertahan lama. ato ada jenis MOSFET yg “tahan banting” ? mohon pencerahannya. salam kenal ardy, elektro
    ITS.
    ardyjoecole@yahoo.com

  9. P. A. Dahono says:

    yang disalahin jangan MOSFETnya, tetapi yang dipakai.
    MOSFET panas biasanya karena:
    i) rangkaiannya banyak mengandung induktansi parasit (kabelnya kepanjangan)
    ii) losses pada dioda freewheel terlalu besar
    Solusinya adalah dengan memperbaiki wiring (buat sependek mungkin) dan pasang kapasitor yang baik pada dc bus. Untuk mengurangi losses karena dioda freewheel, coba periksa dead-time yang digunakan.

    salam

  10. Deny says:

    ah .. klo cuma teori PID n simulasi sc dah biasa, byak makalah yang ngebahas soal simulasi. alias cuma angan2 tp jarang yang bisa diaplikasikan. kadang perbandingn hasilny simulasi&praktek sangat jauh. coba buktikan secara praktis dengan parameter yang rill, artinya anda beli motor 3 ph dan komponen pendukung sendiri terus diteliti… gmn hasilnya??? pasti pusing ente..!! klo berhasil … ente emang pinter…
    GOOOD LUCK

  11. Konversi says:

    @Deny: maafkan karena percobaan untuk kasus ini belum sempat dilakukan. Untuk artikel yang lainnya sudah dilakukan, kalo praktikumnya sesuai dengan parameter yang digunakan insya Allah benar🙂, selama ini untuk praktikum bisa-bisa aja, kalopun ada masalah bisa diatasi. Salam…

  12. gp rizki says:

    rangkaian pengendali arusnya seperti apa?, wassalam

  13. pekik says:

    ada banyak macam pengendali arus, yang sederhana adalah hysteresis dan PI control.

  14. Ari Arbangi says:

    ya silakan lha kalian kalian yang kuliah pada mikir,tapi jangan cuma mikir untuk tugas skripsi ato ngejar nilai tugas,cobalah praktek tu jngan cuma main itung itungan aja banyak angka yang ada yang mbaca males karna bikin mumet,bikin ke inverter/converter/encoder/resorver,saya teknisi pabrik saya sering berhubungan dengan barang2 spti itu,tpi yang saya sayangkan dari yang semua saya gunakan gag ada satupun produk anak negri,ya maaf ni saya sih cuma kuli PT tu cuma sekedar ungkapan,

  15. dhan_t46 says:

    mas tolong skematiknnya gimana itu. pusing saya lihat rumusnya. kok resistor bisa masuk matematik. sama kalo ada bahasa pemrogramannya tolong di share mas

  16. dahono says:

    Ari: Kalau sudah industrialisasi, itu sudah bukan tugas mahasiswa lagi. Urusannya lebih kompleks lagi karena menyangkut pemodalan, infrastructure, dan kebijaksanaan pemerintah

  17. gunawan says:

    mas tolong …aku punya motor listrik treko pengendali motornya rusak punya skemanya tidak?… atau skema penggantinya…. terima kasih…. klo ada kirim ke emailku

  18. dahono says:

    treko itu apa?

  19. yoga says:

    Bisa minta tolong, untik kasih rangkaian elektronya? Saya bingung sinkronkan.dengan hardware elektronya. Saya gak ada gambaran tentang elektronya

  20. lukmi says:

    mas bsa kirim saya simulasi PSIMnya rangkaian di atas k email saya???
    klo cuma baca, saya kurang paham,,,harus di coba juga simulasinya, baru bsa sinkron apa yg saya baca dg percobaannya,,,

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s