BAB II Tinjauan Pustaka_ 2011aas

5II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Pupuk dan Pemupukan

2.1.1 Sifat Fisik dan Mekanis Pupuk Granular

2.1.1.1 Pupuk Urea

Pupuk urea terbuat dari gas amoniak dan gas asam arang. Persenyawaankedua zat ini melahirkan pupuk urea dengan kandungan N hingga mencapai 46%.Urea termasuk pupuk yang higroskopis (mudah menarik uap air). Padakelembaban 73%, pupuk ini sudah mampu menarik uap air dari udara. Olehkarena itu, urea mudah larut dalam air dan mudah diserap oleh tanaman. Kalaudiberikan ke tanah, pupuk ini akan mudah berubah menjadi amoniak dankarbondioksida. Padahal kedua zat ini berupa gas yang mudah menguap. Sifatlainnya ialah mudah tercuci oleh air dan mudah terbakar oleh sinar matahari(Marsono dan Pinus Lingga, 2008).

Karakteristik pupuk Amonium Sulfat ((NH4)2SO4) menurut HoneywellInternational Inc (2008) seperti ditunjukkan pada Tabel 1.Tabel 1 Karakteristik pupuk Amonium Sulfat ((NH4)2SO4)

Kandungan kimia %NitrogenSulfurAsam bebas (H2SO4)Kadar air

21 min24 min0.1 max1.0 max

Rumus kimia (NH4)2SO4Berat molekul 132.14Angle of repose 35o

2.1.1.2 Pupuk NPK

Pupuk NPK merupakan salah satu pupuk majemuk yang mengandungunsur Nitrogen (N), Posfor (P) dan Kalium (K) dengan kadar yang beragam. Jenisdan kadar unsur yang dikandungnya berdasarkan negara asalnya. Sepertiamafoska I (12-24-12) dari Amerika Serikat, nitrofoska I (17.5-13-22) dariJerman, compound fertilizer (14-12-9) dari Jepang dan NPK Holland (15-15-15)

6dari Belanda (Lingga Pinus dan Marsono, 2008). Beberapa sifat fisik dari pupukNPK seperti ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 2 Karakteristik fisik pupuk NPKKarakteristik fisikBulk density Kg/m3 850 - 1000Angle of repose Degree 32o

color Red/pinkSumber : Zakady Chemiczne Police SA

2.1.1.3 Pupuk TSP

Pupuk TSP (triplesuperfosfat) merupakan pengganti DS saat hubunganIndonesia dengan Belanda kurang baik. TSP didatangkan dari Amerika Serikat.Kadar P2O5 46 48% dan umumnya berwarna abu-abu. Bentuknya berupa butiran(granulated) dan memiliki sifat larut dalam air serta reaksi fisiologinya netral(Lingga Pinus dan Marsono, 2008). Karakteristik fisik dan kimia pupuk TSPseperti ditunjukkan pada Tabel 3.Tabel 3 Karakteristik fisik dan kimia pupuk TSP

Sifat kimia %Phospat (P2O5)H2OSulfurBesi (Fe2O3)Aluminium (Al2O3)Magnesium (MgO)pHAsam sitrat

48.11.03.21.71.60.92.72.0

Bulk density 1100 kg/m3

Indeks keseragaman 55Angle of repose 31o 33o

2.1.2 Aplikasi Pupuk Granular

Perhitungan kebutuhan pupuk urea seperti ditunjukkan pada Tabel 4didasarkan pada tingkat produktivitas padi sawah. Pada tingkat produktivitasrendah (6 t/ha) dibutuhkan urea 300-400 kg/ha. Pada daerah yang memiliki data

7produktivitas padi dengan perlakuan tanpa pemupukan N, kebutuhan pupuk ureadapat dihitung dengan menggunakan Tabel 1. Misalnya, apabila tanaman padi disuatu lokasi menghasilkan gabah sebanyak 3 t/ha tanpa pemupukan N, sedangkantarget hasil adalah 6 t/ha, maka tambahan pupuk urea yang diperlukan adalahsekitar 325 kg tanpa penggunaan bagan warna daun (BWD) dan 250 kg denganBWD (Deptan, 2007).

Status P dan K tanah dikelompokkan menjadi tiga kelas, yaitu rendah,sedang, dan tinggi. Dari masing-masing kelas status P dan K tanah sawah telahdibuatkan rekomendasi pemupukan P (dalam bentuk SP-36) dan K (dalam bentukKCl). Tabel 5 dan 6 memuat rekomendasi umum pemupukan P dan K berdasarkanstatus hara tanah (Deptan, 2007).Tabel 4 Rekomendasi umum pemupukan nitrogen pada tanaman padi sawahTarget kenaikan rekomendasi

(kg/ha)produksi dari tanpapupuk N

Teknologi yangdigunakan

Rekomendasi(kg/ha)

N Urea

2,5 t/ha

Konvensional 125 275Menggunakan BWD 90 200Menggunakan BWD +2 t pupuk kandang/ha 75 175

3,0 t/haKonvensional 145 325Menggunakan BWD 112 250Menggunakan BWD +2 t pupuk kandang/ha 100 225

3,5 t/ha

Konvensional 170 375Menggunakan BWD 135 300Menggunakan BWD +2 t pupuk kandang/ha 125 275

Tabel 5 Rekomendasi pemupukan P pada tanaman padi sawahKelas status hara

P tanahKadar hara P tanahterekstrak HCl 25%

(mg P2O5/100 g)

Takaran rekomendasi(kg SP-36/ha)

RendahSedangTinggi

< 20

20 40> 40

100

7550

8Tabel 6 Rekomendasi pemupukan P pada tanaman padi sawah

Kelas status hara Ktanah

Kadar hara K tanahterekstrak HCl 25%

(mg K2O/100 g)

Takaran rekomendasipemupukan K (kg

KCl/ha)

RendahSedangTinggi

< 20

10 20> 20

100

5050

Hasil penelitian dari PT Pusri menunjukkan bahwa tanah dengan tanamanpadi yang kadar hara fosfatnya (P) rendah harus dipupuk 100 kg SP-36 per ha,yang kadar hara P-nya sedang dipupuk 75 kg SP-36 per ha dan yang P-nya tinggidipupuk dengan 50 kg SP-36 per ha. jadi dosis SP-36 untuk lahan sawah berbeda-beda, tergantung kandungan hara P dalam tanah. Tanah yang kadar harakaliumnya (K) rendah, dipupuk 100 kg KCl per ha, sedang kadar K-nya sedangsampai tinggi, cukup dipupuk 50 kg KCl per ha.

Table 7 menunjukkan dosis anjuran pupuk SP-36 dan KCl untuk padisawah berdasarkan status hara fosfat (P) dan kalium (K) pada lahan sawah. Untukhara N tidak dilakukan pembuatan peta status hara N karena umumnya kadar Ntanah di Indonesian rendah, sehingga secara umum harus dipupuk 250-300 kgurea per ha.

Hara N, P dan K yang ditambahkan ke dalam tanah harus dalam jumlahyang tepat. Jenis tanah, tingkat ketersediaan hara dalam tanah, kondisi iklim,varietas padi sawah yang ditanam dan cara pemberian pupuk akan sangatmenentukan ketetapan jenis dan dosis pupuk yang harus ditambahkan. Untukmenghasilkan padi sawah sebanyak 3 t/ha, dibutuhkan hara sekitar 54 kg N, 60 kgP2O5 dan 55 kg K2O/ha/musim (Djaenuddin et al. 2000 dalam BPPT-Sulbar,2009). Sebagai pembanding, hasil penelitian Idris et al. (2002) dalam BPPT-Sulbar (2009) menunjukkan bahwa pemupukan 90 kg N, 72 kg P2O5 dan 50 kgK2O/ha/musim menghasilkan gabah kering giling (GKG) 5.4 t/ha/musim.Kelebihan atau kekurangan hara tersebut akan mempengaruhi efisiensi hara akibatterganggunya absorbsi hara dalam tanah dan metabolisme tanaman

9Tabel 7 Anjuran pemupukan berimbang spesifik lokasi dengan menggunakanpupuk tunggal.

Kelas status hara tanah Anjuran pemupukan berimbang spesifik lokasiP K Urea SP-36 KClRendahSedangTinggi

RendahSedangTinggiRendahsedangTinggiRendahsedangTinggi

250250250250250250250250250

100100100757575505050

100505010050501005050

2.2 Pertanian presisi (Precision farming)Menurut Searcy (1997) pertanian presisi (precision farming) merupakan

salah satu cara penggunaan informasi lahan untuk mengatur input produksi secaratepat. Cara ini digunakan untuk mengetahui karakteristik tanah dan tanaman danuntuk mengoptimalkan input produksi sampai pada porsi yang terkecil. Filosopidari pertanian presisi adalah bahwa input produksi seperti pupuk, pestisida danlainnya harus diaplikasikan sesuai dengan kebutuhan tanaman dan sesuai denganlokasi yang membutuhkan. Menurut Arnholt, et al. (2001) bahwa pertanian presisimerupakan sistem pertanian yang didesain untuk memberikan data dan informasibagi petani sehingga dapat membantu dalam membuat suatu keputusan-keputusanpengolahan tanah berdasarkan lokasi. Dengan informasi ini, pertanian dapatmenjadi lebih efisien, memungkinkan penggunaan biaya yang lebih kecil danlebih menguntungkan.

Terdapat dua metode untuk mengaplikasikan pertanian presisi ataupertanian yang berorientasi lokasi (site-specific farming). Masing-masing metodemempunyai kelebihan dan dapat digunakan untuk saling melengkapi atau dapatdikombinasikan (Morgan, 1999 dalam Radite, 2001). Metode pertama, map-basedmencakup beberapa tahap: pembuatan grid sampling sebuah lahan, analisislaboratorium terhadap sampel tanah, penentuan peta berdasarkan lokasi padaperalatan dan terakhir penggunaan peta yang telah dibuat untuk mengontrolvariable-rate applicator. Pembuatan sampel dan penentuan posisi menggunakanDGPS (differential global positioning system). DGPS ini digunakan untuk

10

menentukan lokasi pemupukan. Metode kedua adalah sensor-based. Sensor yangdigunakan adalah yang bersifat real-time dan menggunakan kontrol berumpanbalik untuk mengukur kandungan hara. Signal kandungan hara tanah ataukaraktristik pemanenan digunakan untuk mengontrol variable-rate aplicator.Metode kedua tidak memerlukan sebuah GPS.

Pertanian presisi telah mejadi perhatian akhir-akhir ini karena berpotensiuntuk meningkatkan hasil panen dan mengurangi input produksi. Penguranganinput seperti nitrat tidak hanya mengurangi biaya produksi tetapi jugameminimalisir pengaruh buruk terhadap lingkungan seperti kandungan nitratdalam air tanah (Ehsani et al. 1999). Tetapi, pertanian presisi memerlukan datatentang tanah dan hasil panen sangat banyak sehingga memerlukan biaya yangmahal, waktu yang lama dan membosankan. Kenyataannya, dengan menggunakansensor, data tanah dan tanaman secara cepat dan murah dapat diperoleh danpengetahuan tentang hubungan antara parameter jenis tanah, tanaman, lingkungandan panen yang menjadi faktor utama di dalam penerapan teknik pertanian presisi.

Ehsani et al. (1999) dan Upadyaya (1993) menyimpulkan bahwa teknikoptik adalah sangat mungkin untuk menentukan kandungan nitrat dalam tanahdengan cepat. Penelitian Ehsani et al. (1999) mempelajari kemungkinanpenggunaan spektrum near-infrared untuk menentukan kandungan nitrat dalamtanah. Pengujian dilakukan di laboratorium dan di lahan menggunakan dua jenistanah untuk mendemonstrasikan spectrum NIR yang sesuai untuk mengukurkandungan nitrat dalam tanah. Hasilnya menunjukkan bahwa pengukurankandungan nitrat tanah bisa dilakukan dengan menggunakan spektrum NIR padaselang 1800 2300 nm, tetapi kalibrasi site-specific diperlukan untuk memetakanvariasi nitrat pada daerah yang luas.

Variable-rate technology (VRT) dan sistem aplikasi yang terintegrasimemberikan pengertian bahwa aplikasi pemupukan diberikan hanya dalam jumlahatau dosis tertentu berdasarkan lokasi yang membutuhkan. Secara argonomi,sistem variable-rate memberikan pengertian bahwa terget pemupukan didasarkanatas hasil pengujian tanah dan berhubungan dengan sistem informasi kandunganhara tanah. Secara ekonomi, sistem variable rate berhubungan dengan biaya yangharus dikeluarkan untuk pemupukan pada suatu areal pertanian. Pendekatan

11

lingkungan, sistem varible-rate membantu untuk mencegah pemupukan yangberlebihan yang dapat menyebabkan terjadinya masalah lingkungan(Wollenhaupt, et al, 1993 dalam Radite, 2001)

Menurut survei yang dilakukan oleh Arnholt, et al. (2001) di Ohiomenunjukkan bahwa penerapan pertanian presisi (precision farming) merupakanfaktor yang sangat penting untuk meningkatkan keuntungan petani. Komponen

sistem pertanian presisi yang banyak diterapkan adalah grid soil sampling danVRT. Aplikasi VRT untuk pupuk Phospor (P) dan Potasium (K) digunakan lebihdari 60% kelompok tani, sedangkan hanya sekitar 15% kelompok tani yangmenggunakan VRT untuk pupuk Nitrogen (N) dan hanya sedikit petani yangmenggunakannya untuk pupuk mikro. Tidak ada petani yang menggunakan VRTuntuk pestisida dan penanaman biji-bijian.

2.3 Metering Device dan Hopper

Terdapat banyak jenis metering device yang telah dikembangkan untukmemperoleh aksi pengukuran (metering) yang konsisten dan seragam. Alat-alattersebut umumnya dijalankan oleh ground wheel. Metering akan berhenti ketikaground wheel berhenti atau terangkat dari permukaan tanah. Metering devicesecara umum digolongkan kedalam dua jenis, yaitu aliran positif (positive flow)dan aliran grafitasi (gravity flow).

Auger-type metering device seperti pada Gambar 1a memiliki sebuah pipaclose-fitting auger dan auger (ulir) memiliki perpindahan per putaran yang relatifbesar. Loose-fitting atau floating-auger seperti ditunjukkan pada Gambar 1bsecara luas digunakan dalam penanganan hasil pertanian. Diameter dalam daritabung adalah sekitar 12.5 mm lebih besar dibandingkan dengan diameter ulir(auger). Daerah diantara dua ulir digunakan untuk memindahkan bahan ke ujunghopper, dimana ujung hopper berada pada ujung tabung atau menjatuhkan melaluipembuka outlet.

Edge-cell metering device ditunjukkan pada Gambar 2 . Jarak pemasanganroda metering diharapkan berada disepanjang hopper dan digerakkan dengansebuah poros. Lebar rotor berkisar antara 6 mm 32 mm dan bekerja dengankisaran kecepatan berbeda. Laju pengeluaran dari rotor dikendalikan denganmerubah kecepatan rotor.

12

Gambar 1 (a) Metering device tipe auger dan (b). Mekanisme penyaluran bahan(Srivastava, et al. 1994).

Gambar 2 Metering device tipe edge-cell (Srivastava, et al. 1994).Belt-type metering device adalah jenis metering device yang digunakan

ketika diperlukan laju putaran yang relatif besar dan menggunakan hopper yangbesar (Gambar 3). Beberapa unit memiliki kawat belt datar (umumnya terbuat daristailess steel) yang memindahkan bahan disepanjang dasar hopper. Laju keluarandikontrol melalui pintu yang dapat disetel dan berada di atas belt.

Gambar 3 Metering device tipe belt (Srivastava, et al. 1994).Metering device yang umum digunakan untuk aplikasi pestisida granular

terdiri dari sebuah ground-driven vane atau rotor bergalur (fluted rotor) yangdipasang di atas lubang pembuangan yang dapat disetel seperti pada Gambar 4 .

13

Hopper yang digunakan umumnya mempunyai dua atau empat lubangpengeluaran yang dapat digunakan secara terpisah atau bersamaan. Rotor tepasangdi dasar hopper sehingga memungkinkan menutup lubang hopper ketika rotortidak berputar. Idealnya, laju pengeluaran harus proporsional dengan kecepatanrotor sehingga laju aplikasi tidak akan dipengaruhi kecepatan maju. Hasilpengujian menunjukkan bahwa hal ini tidak berlaku, laju keluaran tidakproporsioanl dengan kecepatan maju. Hal ini dipengaruhi oleh karakteristik aliranbahan yang menyebabkan galur rotor tidak terisi sempurna (Srivastava, et al.1994).

Gambar 4 Metering device tipe positif feed fluted roll (Srivastava, et al. 1994).Setiap hopper untuk pemupukan dibagi menjadi dua bagian sub-hopper.

Bagian yang lebih besar merupakan bagian pupuk granular dan bagian yang lebihkecil merupakan tempat pestisida atau herbisida. Kedua bagian tersebut didesaindengan masing-masing outlet yang terpasang pada metering device sepertiditunjukkan pada Gambar 5. Pada bagian bawah dari hopper didesain dengankemiringan tertentu sehingga memudahkan pupuk granular mengalir denganbebas ke dalam metering device tanpa menggunakan sebuah pengaduk.

Setiap rotor dari metering device terdiri dari dua feeder pupuk dan satufeeder untuk pestisida dan terbuat dari karet. Feeder untuk pupuk memiliki palingsedikit 6 buah vanes (sirip) seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Kedua Feederpupuk tidak dipasang dalam satu garis tetapi bergeser sekitar setengah dari sudutvanes, sehingga mempunyai fase tunda sekitar 30o. Susunan bertujuan untukmengurangi puncak torsi dari motor dan fluktuasi keluaran pupuk ketika keduafeeder dioperasikan bersamaan (Radite, 2001).

14

Gambar 5 Bentuk dari sebuah metering device (Radite, 2001).

2.4 Motor DC dan Motor Servo

Motor DC (direct current) adalah motor yang menggunakan sumbertegangan searah. Terdapat beberapa jenis motor DC yang tersedia, diantaranyaadalah motor DC dengan koil medan dan motor DC dengan magnet permanen.Motor DC dengan koil medan membutuhkan arus yang lebih besar dari motormagnet permanen untuk mengatur medan magnet pada koil magnet. Oleh karenaitu, koil medan magnet mempunyai rentang kecepatan yang lebih luas dan torsiyang lebih besar. Motor DC magnet permanen tidak dapat mengubah besarnyamedan magnet sehingga rentang torsi dan kecepatannya kecil (Joni dan Budi,2006)

Motor DC Servo (DC-SV) pada dasarnya adalah motor DC magnetpermanen (DC-MP) dengan kualifikasi khusus yang sesuai dengan aplikasiservoing di dalam teknik kontrol. Dalam kamus Oxford, istilah servo diartikansebagai a mechanism that controls a larger mechanism. Sebuah motor DC-SVharus memiliki kemampuan yang baik dalam mengatasi perubahan yang sangatcepat dalam hal posisi, kecepatan dan akselerasi. Motor DC-SV juga dikehendakihandal beroperasi dalam lingkup torsi yang berubah-ubah. Beberapa tipe motorDC-SV yang dijual bersama paket drivernya telah memiliki rangkaian kontrolkecepatan yang menyatu di dalamnya. Putaran motor tidak lagi berdasarkantegangan supplay ke motor, namun berdasarkan tegangan input khusus yangberfungsi sebagai referensi kecepatan output (Pitowarno Endra, 2006).

15

Berdasarkan cara merangkainya, motor DC dengan koil medan dapatdibedakan menjadi 3 jenis, yaitu jenis seri, jenis shunt dan jenis gabungan. MotorDC jenis seri yang terbuat dari sedikit lilitan kawat besar yang dihubungkan seridengan jangkar. Jenis motor DC ini mempunyai karakteristik torsi awal danvariasi kecepatan yang tinggi. Ini berarti bahwa motor dapat memulaimenggerakkan beban yang sangat berat, tetapi kecepatan akan bertambah bilabeban turun. Motor DC dapat membangkit torsi awal yang besar karena arus yangsama melewati jangkar juga melewati medan. Jadi jangkar membutuhkan arusyang lebih banyak (untuk membangkitkan torsi lebih besar) dan arus ini jugamelewati medan (untuk menambah kekuatan medan). Oleh karena itu motor DCberputar cepat dengan beban ringan dan berputar lambat pada saat bebanditambahkan. Sifat istimewa dari motor DC seri adalah kemampuannya untukmemulai pergerakan pada beban yang berat.

Motor DC jenis shunt, kumparan medan shunt dibuat dengan banyaklilitan kawat kecil, sehingga akan memiliki tahanan yang tinggi. Motor shuntmemiliki rangkaian jangkar dan medan yang dihubungkan secara paralel yangakan memberikan kekuatan medan dan kecepatan motor yang sangat konstan.Motor shunt digunakan pada suatu sistem yang memerlukan pengaturan kecepatanyang baik (konstan). Dengan menambah rheostat yang dipasang seri denganrangkaian medan shunt, kecepatan motor dapat dikontrol di atas kecepatan dasar.Kecepatan motor akan berbanding terbalik dengan arus medan. Ini berarti motorshunt akan berputar cepat dengan arus medan rendah, dan bertambah pada saatarus ditambahkan.

Motor DC jenis gabungan (compound) menggunakan lilitan seri dan lilitanshunt yang umumnya dihubungkan dengan medan-medannya. Hubungan dualilitan ini menghasilkan karakteristik pada motor medan shunt dan motor medanseri. Kecepatan motor tersebut bervariasi lebih sedikit dibandingakn motor shunt,tetapi tidak sebanyak motor seri. Motor seri jenis gabungan juga mempunyai torsiyang agak besar, jauh lebih besar jika dibandingkan dengan motor shunt, tetapisedikit lebih kecil dibandingkan dengan motor seri. Keistimewaan dari carapenggabungan ini membuat motor jenis ini akan memberikan variasi penggunaanyang luas (Joni dan Budi, 2006)

16

2.5 Rotary Encoder

Untuk pengukuran posisi putaran yang lebih presisi dapat menggunakanrotary/shaft encoder. Secara umum prinsip kerja rotay encoder dapat diilustrasikan seperti pada Gambar 6. Dua buah sensor optis (Channel A/ danChannel B/ B) pendeteksi hitam dan putih digunakan sebagai acuan untuk

menentukan arah gerakan, searah jarum jam (clock-wise, CW) atau berlawananarah jarum jam (counter clock-wise, CCW). Sedangkan jumlah pulsa (baik A atauB) dapat dihitung (menggunakan prinsip counter) sebagai banyak langkah yangditempuh. Dengan demikian arah gerakan dan posisi dapat dideteksi dengan baikoleh rotary encoder (Pitowarno Endra, 2006).

Gambar 6 Prinsip kerja rotary encoderBiasanya encoder ini dipasang segaris dengan poros (shaft) motor. Gear

box, sendi atau bagian berputar lainnya. Bebarapa tipe encoder memiliki porosberlubang (hollow shaft encoder) yang didesain untuk sistem sambunganlangsung ke poros obyek yang dideteksi.

2.6 Mikrokontroller dan Smart Peripheral Controller (SPC)DT-51 merupakan development tools yang terdiri dari 2 bagian terintegrasi

yaitu perangkat keras dan perangkat lunak. Komponen utama perangkat kerasDT51 ialah mikrokontroler 89C51 yang merupakan salah satu turunan keluargaMCS-51 Intel dan telah menjadi salah satu standar industri dunia. Selainmikrokontroler, DT51 dilengkapi pula dengan EEPROM yang memungkinkanDT51 bekerja dalam mode stand-alone (bekerja sendiri tanpa komputer). Selainkomponen-komponen tersebut masih banyak fungsi-fungsi lain pada DT51, antaralain : timer, counter, RS-232 serial port, Programmable peripheral interface(PPI), serta LCD port. Perangkat lunak DT51 terdiri dari Downloader DT-51L danDebugger DT51D. Downloader berfungsi untuk mentransfer user program dariPC (Portable Computer) ke DT51, sedangkan debugger akan membantu user

16

2.5 Rotary Encoder







16

2.5 Rotary Encoder







17

untuk melacak kesalahan program. Mikrokontroler 89C51 adalah komponenutama dari DT51. Instruksi dan pin out 89C51 kompatibel dengan standar industriMCS-51. 89C51 mempunyai spesifikasi standar sebagai berikut :o CPU 8 bit yang dioptimasi untuk aplikasi kontrolo 4 Kbytes flash programmable and erasable read only memory (PEROM)o 128 bytes internal RAMo 2 buah 16 bit Timer / Countero Serial Port yang dapat diprogramo 5 sumber interupt dengan 2 level prioritaso On-chip oscillator

o 32 jalur input output yang dapat diprogramo 64K program memorio 64K data memori

Smart peripheral motor controller / SPC motor controller merupakansebuah modul pengendali motor DC dan motor stepper yang mampu digunakanuntuk mengendalikan kecepatan dan arah putaran 4 buah motor DC atau 2 buahmotor stepper. Modul ini dilengkapi dengan pengendali PID (proportionalintegral differential) untuk kendali motor DC yang bisa diatur (tuning) sendirioleh pengguna. Selain itu modul SPC motor controller ini juga dilengkapi dengankemampuan microstepping untuk motor stepper sehingga gerakan motor stepper

dapat lebih mulus dan tidak patah-patah tanpa mengurangi kemampuan torsimotor stepper.

Spesifikasi SPC motor controller sebagai berikut :o Daya diperoleh dari sumber catu daya dengan tegangan 9 12 Volt.o Mampu digunakan untuk mengendalikan kecepatan dan arah putaran 4 motor

DC atau 2 buah motor stepper.o Umpan balik speed encoder (frekuensi maksimum 10 kHz).o Mampu mendeteksi perubahan kecepatan dengan ketelitian hingga 0,1RPS

(rotation per second) atau 6 RPM (rotation per minute).o Kendali motor DC dapat dilakukan secara close loop PID maupun open loop.o Parameter PID, toleransi kesalahan, dan waktu sampling dapat diatur.

18

o Mendukung tipe step (untuk motor stepper): fullstep, halfstep, microstep4,microstep8, microstep16, dan microstep32.

o Kecepatan motor stepper sampai dengan 255 PPS (pulse per second).o Gerak motor stepper dengan ketelitian sampai dengan 0,1 (tergantung tipe

step dan ketelitian motor stepper).o Tersedia antarmuka UART RS232/TTL, I2C, dan Lebar Pulsa.o Pin input/output kompatibel dengan level tegangan TTL dan CMOS.o Kompatibel dengan modul-modul EMS H-Bridge.o Terdapat 4 set output PWM (pulse width modulation) 8-bit dengan frekuensi

600 Hz.o Terdapat 4 kanal ADC 8-bit dengan tegangan referensi 5 Volt dan sampling

rate maksimum 25 kHz.o Terdapat 4 pin general purpose input/output (GP I/O).

Jika modul SPC motor controller digunakan untuk mengendalikan motorDC, selain antarmuka UART dan IC, terdapat antarmuka lebar pulsa yang dapatdigunakan untuk mengendalikan kecepatan dan arah putaran motor DC. Padamodul SPC motor controller terdapat 4 jalur input lebar pulsa, dimana tiap jalurdapat mengendalikan 1 motor DC. Tiap jalur dapat menerima pulsa (pulsa positif /logika High) dengan lebar 2 ms 22 ms, dengan frekuensi maksimum 40 Hz.Motor akan berhenti jika pulsa yang diberikan memiliki lebar 12 ms. Jika pulsayang diberikan (misal: pada jalur 1) memiliki lebar 2 ms, maka motor DC (yangterhubung pada output ke-1) akan dikendalikan agar berputar pada kecepatanmaksimumnya searah dengan jarum jam (dengan kendali PID). Sebaliknya, jikapulsa yang diberikan memiliki lebar 22 ms, maka motor DC (yang terhubung padaoutput ke-1) akan dikendalikan agar berputar pada kecepatan maksimumnyaberlawanan arah dengan jarum jam.

Mulai lebar pulsa 2 ms sampai dengan 12 ms, setpoint kecepatan akanberubah secara linier mulai dari kecepatan maksimum sampai dengan berhentitotal. Demikian juga, mulai lebar pulsa 12 ms sampai dengan 22 ms, setpointkecepatan akan berubah secara linier mulai dari berhenti total sampai dengankecepatan maksimum, tetapi pada arah putaran motor sebaliknya. Kecepatanmaksimum putaran motor diatur melalui parameter melalui

19

antarmuka yang lain. Untuk lebar pulsa antara 2 ms sampai dengan 12 ms,setpoint kecepatan yang diberikan ke kendali motor sebesar:= [1]Untuk lebar pulsa antara 12 ms sampai dengan 22 ms, setpoint kecepatanyang diberikan ke kendali motor sebesar := [2]Modul SPC motor controller mampu menangkap perubahan lebar pulsa sebesar40 s. Jadi mulai lebar pulsa 2 ms sampai dengan 22 ms, total dibagi menjadi 500

level perubahan setpoint.

Gambar 7 SPC motor controlller dan mikrokontroller DT-51 minimum system

2.7 EMS 30A H-Bridge

EMS 30 A H-Bridge merupakan driver H-Bridge berbasis VNH3SP30yang didisain untuk menghasilkan drive 2 arah dengan arus kontinyu sampaidengan 30 A pada tegangan 5,5 Volt sampai 36 Volt (IC VNH2SP30 hanyasampai 16 V). Modul ini dilengkapi dengan rangkaian sensor arus beban yangdapat digunakan sebagai umpan balik ke pengendali. Modul ini mampu men-drivebeban-beban induktif seperti misalnya relay, solenoida, motor DC, motor stepper,dan berbagai macam beban lainnya.

Spesifikasi dari EMS 30 A H-Bridge adalah sebagai berikut:o Terdiri dari 1 driver full H-Bridge. Tersedia rangkaian current sense untuk IC

VNH2SP30.

o Mampu melewatkan arus kontinyu 30 A.o Range tegangan output untuk beban: 5,5 V sampai 36 V (IC VNH2SP30

hanya sampai 16 V).

20

o Input kompatibel dengan level tegangan TTL danCMOS.o Jalur catu daya input (VCC) terpisah dari jalur catu daya untuk beban (V

Mot).o Output tri-state.

o Frekuensi PWM sampai dengan 20 KHz.o Fault Detection.

o Proteksi hubungan singkat proteksi overtemperatureo Undervoltage dan overvoltage shutdowno Reverse Battery Protection.

o alur catu daya input (logika) terpisah dari jalur catu daya untuk beban.o Desain PCB standar industri dengan bahan 2 layer FR4 dan plated through

hole (PTH).o Kompatibel dengan SPC Gamepad Interface serta mendukung sistem

mikrokontroler.

Gambar 8 EMS 30A H-Bridge

21

Prinsip kerja dari EMS 30A H-Bridge seperti ditunjukkan pada tabelkebenaran dari modul H-Bridge

Tabel 8 Tabel kebenaran dari modul H-Bridge

Keterangan:H= High L = Low

X = dont care Z = High impedance (Tri state)2.8 Pengendalian Kecepatan Motor

Kontrol kecepatan motor dapat dilakukan dengan pengontrolan teganganyang diberikan pada lilitan jangkar. Metode ini dilakukan dengan memvariasikantegangan masukan motor. Metode yang lebih baik adalah menggunakan modulasilebar pulsa (PWM, pulse width modulation). Metode ini pada dasarnya melibatkansebuah sumber tegangan DC konstan, serta sebuah rangkaian elektronika untukmemotong-motong tegangan sedemikian rupa sehingga nilai rata-rata teganganyang dihasilkan dapat bervariasi (Bolton W. 2004)

Pulse Width Modulation (PWM) adalah salah satu teknik manipulasidalam pengemudian motor (perangkat elektornik berarus besar lainnya) yangmenggunakan prinsip cut-off dan saturasi. Transistor atau komponen switchingdidesain bekerja dengan karakteristik mirip linier namun sebenarnya

menggunakan teknik ON-OFF. Gambar 9 mengilustrasikan sinyal PWM versustegangan ekivalen liniernya (Pitowarno Endra, 2006).

22

Gambar 9 Bentuk tegangan PWM dan tegangan ekivalen liniernya

Terdapat banyak jenis driver/kontrol yang dapat digunakan untukmengontrol kecepatan motor DC seperti resistive type, transistor copper,modulasi lebar pulsa (PWM) dan sebagainya. Tetapi PWM lebih banyakdigunakan dengan berbagai alasan. Driver PWM bekerja menggunakangelombang persegi dengan variabel rasio on/off dan rata-rata waktu dapatdivariasi antara 0 100%. (Radite, 2001)

2.9 Proporsional Integral Derivatif (PID)

2.9.1 Kontrol Proporsional (Proportional Control)Kontrol proporsional merupakan metode pengontrolan yang dapat

membandingkan nilai keluaran kontrol dengan nilai kesalahan secaraproporsional. Artinya, elemen pengoreksi dari sebuah sistem kontrol akanmenerima sebuah sinyal yang proporsional dengan nilai koreksi yang dikehendaki(Bolton W, 2004)

Gambar 10 Diagram blok kontrol proporsional (kontrol P)Gambar 10 menunjukkan bahwa r adalah input, e adalah error, u adalah

sinyal keluaran kontroller dan Kp adalah konstanta proporsional. Kp berlakusebagai gain (penguat) saja tanpa memberian efek dinamik kepada kinerjakontroler. Jika dinyatakan dalam suatu persamaan, maka diperoleh:

eKu P ..(3)

Kp H(s)r e+-

u y

22








eKu P ..(3)

Kp H(s)r e+-

u y

22








eKu P ..(3)

Kp H(s)r e+-

u y

23

Menurut Pitowarno Endra (2006), penggunaan kontrol P memilikiberbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang tidak dinamik. Walaupun dalamaplikasi dasar sederhana, kontrol P mampu untuk mencapai konvergensi meskipunerror keadaan tenangnya (steady-state error) relatif besar.

2.9.2 Kontrol Proporsional Integral (Proportional Integral Control)Menurut Bolton W (2004), kontrol integral merupakan kecepatan

perubahan keluaran kontrol I yang proporsional dengan kesalahan masukan darisinyal e. menurut Pitowarno Endra (2006) bahwa kontrol integral berfungsi untukmenurunkan steady-state error yang dihasilkan oleh kontrol proporsional,sehingga kontrol I selalu dikombinasikan dengan kontrol P.( ) = ( ) .......................................................(4)Ki adalah konstanta Integral, sehingga,( ) = ...(5)Jika e(T) mendekati konstan maka u(t) akan menjadi sangat besar sehinggadiharapkan dapat memperbaiki kesalahan, jika e(t) mendekati nol maka efekkontrol I semakin kecil.

Kontrol I dapat memperbaiki respon steady-state, namun pemilihan Kiyang tidak tepat dapat menyeabkan respon transien yang tinggi sehingga dapatmenyebabkan ketidakstabilan sistem. Pemilihan Ki yang sangat tinggi dapatmenyebabkan keluaran akan berosilasi (Pitowarno Endra, 2006)

Gambar 11 Diagram blok kontrol Integral (kontrol I)Dengan sifat dasar kontrol P yang cenderung konvergen dan I yang dapatmemperbaiki respon steady-state maka kombinasi P-I dapat memberikan hasilyang lebih baik. Dalam diagram blok dapat dinyatakan seperti pada Gambar 12,

Sehingga persamaan keluaran ontrolnya dapat dinyatakan dalam,= . ( ) + (6)

Ki/s H(s)r e+-

u y

24

Gambar 12 Diagram blok kontrol proporsional-integral (P-I)2.9.3 Kontrol PID (Proportional Integral Derivative Control)

Menurut Pitowarno Endra (2006), kontrol PID merupakan kombinasi darikontrol proporsional (P), integral (I) dan Derivative (D) sehingga akan diperolehkontrol yang dapat menghasilkan respon yang terbaik.

Gambar 13 Diagram blok konrol PID

Sistem umpan balik (feedback) didesain untuk menghasilkan sebuahkemampuan untuk melakukan koreksi terhadap proses yang dikontrol sehinggadiperoleh sebuah variable proses (output) yang terukur (c) mendekati sebuah nilaiyang diinginkan (r) atau nilai set-point seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13.Hampir semua keluaran kontrol berumpan balik ditentukan oleh nilai error antaraset-point dan nilai variabel proses yang terukur. Error terjadi ketika terjadiperubahan pada set-point secara sengaja atau ketika terjadi perubahan variabelproses akibat terjadinya perubahan beban proses secara tiba-tiba.

Error e(t) adalah perbedaan antara set-point SP(t) dan hasil pengkuranPV(t) dan dapat dituliskan e(t) = SP(t) PV(t). Algoritma PID digunakan untuksistem kontrol loop tertutup dan juga menjadi dasar untuk banyak algoritmakontrol tingkat lanjut. PID di dalam kontroller digunakan untuk mengaturbeberapa variabel proses sehingga mendekati nilai set-point. Secara teori, keluarankontrol C(t) dapat ditulis sebagai berikut:( ) = ( ) + ( ) + ( ) + (7)

Kp

Ki/sH(s)r e+

-

+

+

u y

Kp

Ki/s

H(s)r e(t)+-

+

+

u cKp

25

Bentuk khusus algoritma PID dikenel dengan istilah posisional PID kontrol

karena signal kontrol dihitung berdasarkan referensi dari data sebelumnya (Co).jika variabel proses berubah-ubah secara cepat terhadap waktu seperti yang seringterjadi pada metering granular fertilizer, persamaan 7 tidak dapat digunakankarena derivative error (de(t)/dt) akan menjadi variabel yang kacau danmenyebabkan performa sistem menjadi buruk. Oleh karena itu, dalam aplikasibiasanya lebih sering menggunakan penurunan variabel proses PV(t) daripadaerror e(t), sehingga dapat dituliskan dalam persamaan( ) = ( ) + ( ) ( ) + ..(8)Dalam persamaan 8 melibatkan tiga konstanta yang dapat diatur nilainya danditambahkan secara bersamaan untuk menghasilkan keluaran kontrol C(t). dalampersamaan ini, Kp adalah konstanta proporsional, KI adalah konstanta integral danKD adalah konstanta derivative. Jika error yang dihasilkan besar atau errorberubah-ubah secara cepat maka kontroller akan berusaha untuk membuat koreksidengan menghasilkan sebuah nilai keluaran yang besar. Sebaliknya jika variabelproses sudah sama dengan set-point untuk beberapa waktu maka kontroller akanberhenti dengan sendirinya. Jika TS adalah interval sampel, maka persamaan PIDuntuk kecepatan kontrol dapat di tulis dalam bentuk persamaan 9 (Tham, 1999dalam Radite P.A.S, 2001):( ) = ( 1) [ ( ) ( 1)] + ( ) ( ) ( ) ( ) ...(9)

BAB II Tinjauan Pustaka_ 2011aas

Documents

Transcript of BAB II Tinjauan Pustaka_ 2011aas