6

BAB 2

LANDASAN TEORI

2.1 PID

PID (Proportional Integral Derivative) Controller merupakan kontroler

untuk menentukan kepresisian suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik

adanya umpan balik / feed back pada sistem tersebut. Komponen PID terdiri dari

3 jenis, yaitu Proportional, Integratif, dan Derivatif. Ketiganya dapat dipakai

bersamaan maupun sendiri-sendiri, tergantung dari respon yang kita inginkan

terhadap suatu plant.

Gambar 2.1 Blok Diagram PID Controller

Ada 3 macam control PID yaitu control PI, PD, dan PID. PI adalah

kontrol yang menggunakan komponen proportional dan integratif. PD adalah

kontrol yang menggunakan komponen proportional dan derivatif. Dan PID

adalah kontrol yang menggunakan komponen proportional, integratif, dan

derivatif.

7

2.1.1 Kontrol PI

2.1.1.1 Kontrol Proportional

Kontroller merupakan sebuah penguat input sehingga hasil pada output

tidak semakin menjadi kecil pada sebuah sistem. Output proportional adalah

hasil pekalian antara konstata proposional dengan nilai error nya. Perubahan

yang terjadi pada sinyal input akan menyebabkan sistem secara langsung

mengubah output sebesar konstata pengalinya.

U(t) = Kp e(t)

Gambar 2.2 Blok diagram Kp

Jika nilai Kp kecil, controller proporsional hanya mampu melakukan

koreksi kesalahan yang kecil, sehingga akan menghasilkan respon sistem yang

lambat.

Gambar 2.3 Nilai Kp kecil

8

Jika nilai Kp besar, respon sistem menunjukan semakin cepat mencapai

keadaan yang stabil, tetapi juga memungkinkan motor berputar diatas set point.

Gambar 2.4 Nilai Kp besar

2.1.1.2 Kontrol Integratif

Kontroller proporsional tidak akan mampu menjamin output dari sistem

akan menuju ke keadaan yang diinginkan kalau sebuah plant tidak memiliki

unsur integrator. Pada controller integral, respon kepada sistem akan meningkat

secara kontinu terus-menerus kecuali nilai error yang diintegralkan dengan

batasan atas t dan batasan bawah 0 (nol).

U(t) = Ki ∫

e(t) dt

Pada diagram blok controller integral, menunjukan hubungan antara nilai

error dengan output. Kontorller integral membantu menaikan respon sehingga

menghasilkan output yang diinginkan.

Gambar 2.5 Blok diagram control Integral

9

Gambar 2.6 Penggunaan Kp dan Ki

2.1.2 Parameter Kontrol PI

Ada beberapa parameter dalam menentukan suatu sistem close loop, yaitu

rise time, overshoot, settling time, dan steady state error. Rise time adalah waktu

yang dibutuhkan oleh output plant yang melebihi 90% dari tingkat yang

diinginkan saat pertama kali sisem dijalankan. Overshoot adalah seberapa besar

peak level lebih tinggi dari steady state, untuk membuat normal lagi steady state.

Settling time adalah waktu yang dibutuhkan sistem untuk meng-konvergenkan

steady state. Steady state error adalah perbedaan antara steady state ouput

dengan output yang diinginkan.

Respon Rise Time Overshoot Settling Time S-S Error

Kp Turun Naik - Turun

Ki Turun Naik Naik Hilang

Tabel 2.1 tabel pengaruh Kp dan Ki

10

Kp berguna untuk mengurangi rise time. Sedangkan Ki berguna untuk

menghapuskan steady state error.

Gambar 2.7 Respon sistem

2.2 Motor DC

Motor DC (direct current) merupakan salah satu jenis motor yang paling

banyak digunakan dalam dunia eketronika maupun robotika. Umumnya motor

banyak digunakan untuk aplikasi peralatan yang memerlukan gerak memutar

secara konstan, misalnya kipas angin, bor listrik, mesin gerinda, pompa air,

mixer, dan lain sebagainya. Untuk memutar motor DC cukup diberi tegangan DC

saja, sedangkan untuk mengatur arah perputaran, tinggal membalik polaritas

tegangan nya saja. Ada beberapa jenis motor DC yang terdapat saat ini, yaitu

motor stepper, motor servo., dan motor DC biasa.

11

2.2.1 Motor Stepper

Motor stepper adalah motor DC yang gerakannya bertahap (step per step)

dan memiliki tingkat akurasi yang tinggi tergnatung pada spesifikasinya. Motor

stepper mampu berputar untuk setiap step nya dalam satuan sudut. Makin kecil

sudut step nya, maka pergeakan motor tersebut semakin presisi. Motor stepper

biasa digunakan untuk aplikasi alat yang cukup menggunakan torsi kecil, seperti

motor untuk penggerak piringan CD, motor untuk printer karena alat-alattersebut

membutuhkan tingkat kepresisian yang tinggi. Secara umum, ada 2 jenis motor

stepper, yaitu bipolar dan unipolar. Motor stepper unipolar terdiri dari dua buah

motor yang masing-masing mempunyai du abuah kumparan sedangkan motor

stepper bipolar terdiri dari sebuah motor dengan dua buah kumparan.

Motor stepper memiliki beberapa keuntungan, antara lain :

Stabil. Dapat menjalankan beban gesekan dan inersia.

Tidak membutuhkan umpan balik.

Harga nya murah dan mudah untuk mengontrol nya.

Mudah untuk mensetting dan menggunakannya.

Cukup aman apabila ada beban yang menahannya, maka motor

akan berhenti.

Tahan lama.

Memiliki torsi yang baik saat kecepatan rendah, dapat

mengerakan apa saja tanpa perlu gear.

Sangat akurat pergerakannya.

Tetapi motor stepper juga memiliki beberapa kelemahan, antara lain :

12

Efisiensi yang rendah. Motor akan tetap bergerak dengan torsi

yang besar walaupun beban yang dibawa nya tidak kecil.

Torsi berbanding lurus dengan kecepatannya. Semain pelan motor

berputar, maka torsi nya akan semakin kecil juga.

Tidak ada report apabila ada error pada pergerakan motor.

Motor akan cepat panas apabila diputar secara cepat.

Motor akan menimbulkan suara yang berisik saat dipaksa berputar

dengan cepat.

Gambar 2.8 Motor Stepper

Sumber : http://roohmadi.wordpress.com/2011/03/19/interfacing-motor-stepper-

dengan-vb-6-0/

2.2.2 Motor Servo

Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem closed feedback dimana

posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian control yang ada di

dalam motor servo. Motor ini terdiri dari sebuah motor, serangkian gear,

13

potensiometer, dan rangkaian kontrol. Motor servo biasa bergerak mencapai

sudut tertentu saja dan tidak kontinu seperti motor DC. Motor servo mempunyai

torsi yang cukup besar, biasa digunakan untuk aplikasi pada pergerakan lengan

robot, pada mainan mobil remote kontrol, dan lain sebagainya.

Motor servo memilik beberapa keunggulan, antara lain :

Output yang besar walaupun bentuk nya kecil.

Memiliki encoder untuk member tahu apabila ada error.

Efisiensi yang tinggi.

Memiliki torsi yang besar.

Selain itu motor servo juga memiliki beberapa kelemahan, antara lain :

Membutuhkan proses tuning untuk menstabilkan feedback nya.

Motor akan terus bergerak walaupun ada sesuatu yang

menahannya.

Lebih kompleks dalam menggunakannya karena membutuhkan

encoder.

Brush nya mempunya umur pakai 2000jam, sehingga dibutuhkan

service.

Apabila membawa beban berlebihan, motor akan rusak.

14

Gambar 2.9 Motor Servo

Sumber : https://electrocontrol.wordpress.com/tag/motor-servo/

2.2.3 Motor DC Biasa

Motor DC biasa adalah motor DC yang paling banyak digunakan pada

mainan-mainan anak, karena mudah untuk menjalankannya. Motor DC memiliki

daya putar yang tinggi dan torsi yang besar, sehingga biasa digunakan juga untuk

pengerak robot. Untuk memutar motor DC hanya tinggal menghubungkan kedua

kutub nya ke catu daya. Kecepatan putar motor DC dihitung dengan satuan rpm

(rotation per minute).

Gambar 2.10 Motor DC

Sumber : http://www.tokomini4wd.com/index.php?do=detail&id=tm15256-

hyperdash2motor&mtd=

15

2.3 Mesin CNC

CNC (Computer Numerical Controlled) adalah sebuah komputer yang

deprogram untuk mengerjakan tugas tertentu sesuai dengan yang diperintahkan

atau di desain oleh komputer. Mesin CNC sangat berhubungan dengan CAD

(Computer Aided Design), dimana biasanya program CAD digunakan untuk

mendesain dan mesin CNC digunakan untuk mengimplementasikan hasilnya

menjadi bentuk nyata. Mesin CNC dibangun untuk menjawab tantangan di dunia

manufaktur modern dimana dunia membutuhkan mesin untuk proses manufaktur

yang mampu menghasilkan produk secara teliti, akurat dan presisi sertac epat.

Mesin CNC memiliki 3 buah motor untuk mengatur pergerakan dari

outputnya. Motor ini bergerak untuk 3 arah yaitu sumbu X, sumbu Y, dan sumbu

Z. Motor ini dikendalikan oleh sebuah driver untuk mengatur pergerakan motor

agar presisi. Output dari mesin CNC ini dapat berupa spidol, mesin bor, mesin

las, mesin grafir, dan lain sebagainya.

Gambar 2.11 Mesin CNC

16

2.4 Mikrokontroller AVR

Mikrokontroller adalah sebuah prosesor yang berfungsi untuk mengontrol

suatu benda supaya bisa bekerja sebagaimana mestinya. Mikrokontroller

memiliki memory yang berguna untuk menyimpan program yang telah dibuat

sebelumnya sesuai dengan keinginan programmer. Mikrokontroller menjadi otak

dari alat-alat lainya.

Mikrokontroller AVR memiliki arsitektur RISC (Reduced Instruction Set

Computing) 8 bit, sehingga semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits

word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus instruksi clock.

AVR dikelompokan kedalam 4 kelas, yaitu ATtiny, keluarga AT90sxx, keluarga

ATMega, dan keluarga AT86RFxx. Dari semua kelas yang membeakan hanya

ukuran on-board memori, on-board peripheral dan fungsinya. Dari segi

arsitektur dan instruksi yang digunakan mereka bisa dikatakan hamper sama.

Gambar 2.12 Blok Diagram AVR

17

2.4.1 ATMega 8

ATMega8 merupakan microcontroller low-power CMOS 8-bit yang

berarsitektur AVR RISC. Dengan mengeksekusi instruksi dalam single-clock

cycle, ATMega 8 mencapai kecepatan yang mendekati 1 MIPS per Mhz, yang

memungkinkan desainer mendesain sistem yang bisa mengoptimalkan power

consumtion dengan kecepatan pemrosesan data.

Mikrokontroler ATMega 8 mempunyai beberapa fitur antara lain yaitu

130 instruksi, 32 register umum, High Endurance Non-Volatile Memory

segments yang dimana data dan program akan tersimpan di memori walaupun

mikrokontroler tidak diberi tegangan listrik dalam jangka waktu yang lama, 8 K-

Bytes Flash memory yang dapat ditulis dan dihapus sebanyak 10.000 kali, 512-

Byte EEPROM (Electronic Eraseable Programable Read Only Memory) yang

dapat ditulis dan dihapus sebanyak 100.000 kali, 1 K-Byte Internal SRAM,

Penyimpanan data tahansampai 20 tahun dengan kondisi pada suhu 85oC atau

100 tahun pada suhu 25oC, Boot Code opsional dengan mode penguncian bits In-

System Programming mandiri oleh On-Chip Boot Program untuk operasi True

read-While-Write, Program dapat dikunci dengan software security, memiliki

two 8-Bit timer/counter, one 16-Bit Timer/Counter, Real time counter dengan

oscillator terpisah, 3 jalur PWM, 8 kanal ADC dalampaket TQFP dan

GFN/MLF, 6 kanal ADC dalam paket PDIP, byte oriented dengan 2 kabel serial

interface, USART yang dapat di program, mode master/slave SPI Serial

Interface, Watchdog Timer yang dapat di program dengan On-Chip Oscillator,

On-Chip Analog komparator. ATMega8 juga memiliki special microcontroller

features seperti Power-on Reset dan Programmable Brown-out Detection,

18

Internal calibrated RC Oscillator, Sumber interrupt external dan internal, dan 5

mode sleep yaitu Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, dan

Standby.

Gambar 2.13 ATMega8

19

Gambar 2.14 Blok Diagram ATMega8

20

Gambar 2.15 Konfigurasi Pin ATMega8

Keterangan pin ATMega8 :

VCC Merupakan pin input yang berfungsi untuk mengaktifkan

mikrokontroller.

GND Merupakan pin Ground.

Reset merupakan pin yang digunakan untuk me-reset

mikrokontroller.

Port B (PB7..PB0) XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2

Merupakan 8-bit-directional I/O port. Setiap pinnya dapat

menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output

buffers dari Port B memiliki symmetrical drive characteristics

dengan high sink dan source capability. Sebagai input, pin dari

port B adalah tri-stated dimana saat kondisi reset diaktifkan

maupun saat clock tidak berjalan.

21

Tergantung saat seting clock selection fuse, PB6 dapat

digunakan sebagai input untuk inverting oscillator amplifier dan

input untuk internal clock operating circuit dan PB7 dapat

digunakan sebagai output dari inverting oscillator amplifier.

Apabila Internal calibrated RC Oscillator digunakan

sebagai sumber chip clock, PB7..6 digunakan sebagai input dari

TOSC2..1 untuk asynchronous timer/counter2 apabila AS2 bit

didalam ASSR telah di seting.

Port C (PC5..PC0)

Port C adalah sebuah 7-bit bi-directional I/O port dengan

internal pull-up resistor (di pilih untuk setiap bit). Output buffers

dari port C memiliki symmetrical drive characteristics dengan

high sink maupun source capability. Sebagai input, pin dari port C

adalah externally pulled low yang membuat sumber arus apabila

resistor pull-up aktif. Pin dari port C adalah tri-stated saat kondisi

reset aktif maupun clock sedang tidak berjalan.

PC6/RESET

Apabila RSTDIBL fuse telah diprogram, PC6 dapat

digunakan sebagai pin I/O. Apabila RSTDIBL fuse tidak

terprogram, PC6 digunakan sebagai pin reset.

Port D (PD7..PD0)

Port D adalah 8-bit bi-directional I/O Port dengan resistor

pull-up (dipilih untuk setiap bit). Output buffer dari port D

22

memiliki symmetrical drive characteristics dengan high sink

maupun source capability. Sebagai input, pin port D adalah

externally pulled low yang membuat sumber arus apabila resistor

pull-up aktif. Pin dari port D adalah tri-stated dimana saat kondisi

reset aktif maupun saat clock tidak berjalan.

AVCC merupakan pin untuk input tegangan ADC.

AREF merupakan pin input untuk tegangan referensi untuk ADC.

2.5 Transistor

Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat,

sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan,

modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam

kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya

(FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber

listriknya. Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus

yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2

terminal lainnya. Transistor adalah komponen yang sangat penting dalam dunia

elektronik modern. Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam

amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik

stabil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaian digital, transistor

digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat

dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan

komponen-komponen lainnya. Ada 2 tipe transistor yang ada saat ini, yaitu

Bipolar Junction Transistor (BJT) dan Field Effect Transistor (FET).

23

Gambar 2.16 Simbol Transistor

2.5.1 FET

FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis

pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET,

arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion

zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah

Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah perbatasan

ini dapat diubah dengan perubahan tegangan yang diberikan, untuk mengubah

ketebalan kanal konduksi tersebut. Lihat artikel untuk masing-masing tipe untuk

penjelasan yang lebih lanjut.

FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated

Gate FET (IGFET) atau juga dikenal sebagai Metal Oxide

Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET). Berbeda dengan IGFET, terminal

gate dalam JFET membentuk sebuah dioda dengan kanal (materi semikonduktor

antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET

menjadi sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk

sebuah dioda antara grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung

24

vakum) bekerja di "depletion mode", keduanya memiliki impedansi input tinggi,

dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan input.

FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan depletion

mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan

source saat FET menghantarkan listrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai

contoh: dalam depletion mode, gate adalah negatif dibandingkan dengan source,

sedangkan dalam enhancement mode, gate adalah positif. Untuk kedua mode,

jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara source dan drain akan

meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semua dibalik. Sebagian

besar IGFET adalah tipe enhancement mode, dan hampir semua JFET adalah

tipe depletion mode.

2.6 Regulator tegangan DC

Regulator adalah IC (Integrated Circuit) yang berfungsi untuk meregulasi

besarnya tegangan DC sesuai dengan karakteristik regulator tersebut. IC

Regulator terdiri dari 3 pin, yaitu input, output, dan ground. Regulator digunakan

untuk menurunkan tegangan DC. Bentuk fisik dari regulator adalah seperti

gambar berikut.

25

Gambar 2.17 Regulator

2.6.1 Regulator 7805

Gambar 2.18 Regulator 7805

7805 adalah sebuah regulator yang berfungsi menurunkan tegangan DC

menjadi +5 Volt.

2.6.2 Regulator 7812

Gambar 2.19 Regulator 7812

26

7812 adalah sebuah regulator yang berfungsi menurunkan tegangan DC

menjadi +12 Volt.

2.7 H-Bridge

Gambar 2.20 H-Bridge

IC IR2184 merupakan sebuah half-bridge driver. Half-bridge driver merupakan

sebuah H-bridge yang hanya menggunakan dua buah transistor.

2.8 PWM ( Pulse Width Modulation )

Pulse Width Modulation adalah sebuah perangkat yang dapat

mengendalikan cepat lambatnya perputaran motor atau mengontrol sebuah

lampu. Sebagai contoh sebuah motor DC diberi tegangan sebesar 20 volt, maka

motor tersebut akan berputar sebesar 200 RPM. Namun saat kita menginginkan

berputar sebesar 100 RPM kita tidak bisa memberikan tegangan sebesar 10 volt,

karena cepat lambatnya perputaran motor tidak berbanding lurus dengan

tegangan input. Maka dari itu diperlukan PWM untuk mengatur perputaran

motor.

27

2.9 Schmitt Trigger

Schmitt trigger merupakan suatu rangkaian yang dapat mendeteksi

tegangan input yang melintasi suatu peringkat tertentu. Selain itu schmitt

trigger sangat berguna untuk pengkondisi sinyal segitiga ataupun bentuk

gelombang lainnya, maka output schmitt trigger akan menghasilkan suatu

keluaran gelombang segi empat dengan pinggiran naik dan pinggiran turun yang

tajam. IC 74LS14 merupakan salah satu jenis IC yang memiliki 6 buah inverter

dengan schmitt trigger. Fungsi dari IC ini adalah sebagai pembalik dan pemantap

atau untuk mendeteksi taraf dan membentuk kembali pulsa-pulsa yang buruk

pada bagian tepinya (membentuk sinyal kotak). Adapun konfigurasi pena IC

74LS14 ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 2.21 Schmitt Trigger

Sumber :

http://2.bp.blogspot.com/_8TwySHINLow/SateaSGPm7I/AAAAAAAAANM/yQCvu6eIFZ

8/s1600-h/7414.bmp