KONSTRUKSI, SIMULASI SISTEM KENDALI POSISI...

90 ISSN 0216 - 3128 Taxwim, dkk.

KONSTRUKSI, SIMULASI SISTEM KENDALI POSISI CATUDAYA SUMBER ELEKTRON BERBASIS MIKRO-KONTROLER PADA MBE

Taxwim, Eko Priyono, SamintoPuslitbang Teknologi Maju - BATAN, Yogyakarta

ABSTRAK

KONSTRUKSI, SIMULASI SISTEM KENDALI POSISI CATU DAYA SUMBER ELEKTRON BERBASISMIKROKONTROLER PADA MBE. Telah dilakukan konstruksi dan simulasi sistem kendali posisi catusumber elektron daya berbasis mikrokontroler pada MBE. Sistem kendali ini dibuat menggunakanbahasa pemrograman assembler yang digunakan untuk mengendalikan gerakan motor dc yang dikopeldengan trafo variak. Dengan sistem kendali posisi ini memungkinkan untuk mengontrol posisi darigerakan motor tersebut dari 0 derajat sampai dengan 300 derajat. Sistem pengaturan dilakukan denganmenentukan nilai posisi kenaikannya diikuti menekan tombol UP untuk menaikkan tegangan variak padaposisi tertentu sedangkan tombol DN untuk menurunkan tegangan. Setiap kali kenaikan ditentukandengan pengisian nilai dalam derajat posisi pada tombol keypad. Sebagai contoh hasil eksperimen untukmasukan 100 diperoleh posisi akhir juga 10 derajat pada tegangan variak sebesar 46 volt dengankesalahan 0 %, untuk masukan 300 derajat, posisi akhir juga 300 derajat pada tegangan variak sebesar241 volt dengan kesalahan 0 %, sehingga memudahkan untuk mengetahui posisi motor dc tersebut secarabertahap dengan prioritas tertinggi pada penurunan tegangan. Pemrograman dengan mikrokontrolerdibuat agar lebih mudah memodifikasi program sesuai dengan keperluan pengendalian danpengembangan selanjutnya. Manfaat penelitian ini untuk pengembangan sistem kontrol manual menjadidigital dan dapat diterapkan pada pengaturan catu daya sumber elektron secara bertahap dan juga dapatdigunakan untuk sistem pengaturan tegangan lainnya yang berbasis mikrokontroler. Dari hasileksperimen diperoleh kesalahan 0 % sehingga dapat disimpulkan bahwa sistem kendali digital ini lebihakurat dibandingkan dengan system kendali analog.

Kata kunci : Konstruksi, simulasi, kendali posisi, catu daya sumber elektron MBE

ABSTRACT

THE CONSTRUCTION OF MICROCONTROLLER BASED SIMULATION POSITION OF CONTROLSYSTEM FOR ELECTRON SOURCE POWER SUPPLY OF ELECTRON BEAM MACHINE. Theconstruction of microcontroller based simulation position of control system for electron source powersupply of electron beam machine have been done. The control system is designed using assemblerprogramming language to control the movement of dc motor which is coupled with the variac transformer.The position control system can control the position of the dc motor movement from 0 degrees up to 300degrees. The control system conducted by determining the increasing position and followed by pressingthe UP button to increase the voltage on certain position while DN button is to decrease it. The increasingof position is determined with the data entry of value in degree position on keypad. For example, the resultof experiment for 10 degrees data entry, obtained final position were10 degrees at voltage of variac was46 volt with 0% failure and for 300 degrees data entry obtained, final position 300 degrees at voltagevariac was 241 Volt also 0% failure. So that can be known easily, the dc motor position with the highestpriority on voltage decreasing. Programming using micro controller is meant to make easy inmodification of the program according to the controlling needs and the future development. The utilizationof this research is to develop the manual control system to digital control system and it can be applied onthe controlling of other voltage based on microcontroller. From experiment done, it’s found that thefailure is 0 %, so that it can be concluded that digital control system more accurate compared to theanalog control system.

Key words: Construction, simulation of position control, electron source power supply of EBM

PENDAHULUAN 3TM-BATAN telah berhasil melaksanakansalah satu program bidang iptek nuklir yaitu

pembuatan mesin berkas elektron 350 keV/10 mAP

Prosiding PPI - PDIPTN 2005Puslitbang Teknologi Maju - BATAN

Yogyakarta, 12 Juli 2005


yang merupakan salah satu land mark Batan.Sumber elektron merupakan salah satu bagianpenting dari MBE yaitu sebagai sistem pembangkitelektron. Sumber elektron yang digunakan padaumumnya adalah dari bahan padat yang disebutkatoda panas (hot chatode) yaitu tungsten, tantalumdan LaB6. Bentuknya beragam seperti hair pain,helix, spiral, dan bolt chatode. Pada dasarnyasumber elektron terdiri dari : filamen (kawattungsten), katoda dan anoda pierce yang berlubanguntuk memungkinkan berkas elektron dapatmelewatinya. Proses yang mula-mula terjadi padasumber elektron adalah terlepasnya elektron darikatoda menjadi elektron bebas. Terlepasnyaelektron tersebut dapat disebabkan oleh adanyamedan listrik yang kuat, proses fotolistrik, radiasipartikel pengion maupun emisi termionik. Padasumber elektron jenis termionik, elektron bebasterbentuk karena emisi termionik dari katoda yangdipanaskan menggu-nakan aliran listrik searah.Elektron bebas yang telah dihasilkan oleh katodaselanjutnya harus dibentuk menjadi berkas dandikeluarkan dari ruang sumber elektron. Untukmengarahkan elektron bebas dari katoda ke celahdigunakan elektroda pendorong yang berpotensialnegatif. Dalam perjalanannya menuju anodasumber elektron, berkas elektron cenderungmenyebar (divergen) akibat adanya gaya tolakmenolak antara muatan sejenis yang dimiliki olehmasing-masing elektron. Oleh karena itu elek-trodapemfokus sangat berperan untuk memfokuskanagar berkas elektron menjadi terfokus danselanjutnya dapat melewati celah sumber elektron.Anoda yang juga berfungsi sebagai celah keluaransumber elektron harus dapat menarik elektronsebanyak-banyaknya dari ruang sumber elektron.Oleh karena itu anoda diberi tegangan positif[1].

Dari keterangan diatas dan untuk mewujud-kan sistem pengaturan sumber elektron makasistem pengaturanya digunakan trafo variak yangdikopel dengan motor dc agar dapat diaturtegangannya yang selanjutnya denganmenggunakan sistem kendali pada perancangan iniagar dapat mengatur besarnya arus filament dantegangan anoda katoda. Karena sumber elektronterletak pada daerah tegangan tinggi makadiperlukan cara pengendalian dan pengaturanterhadap catu daya sumber elektron yang khusus.Untuk itu diperlukan suatu teknik pengendalianjarak jauh untuk melindungi instrumen teganganrendah dari aliran tegangan tinggi serta untukmenjaga keselamatan operator dalammengoperasikan MBE

Agar dapat diwujudkan suatu sistem pengen-dalian yang aman dan dapat diprogram, maka

diperlukan suatu peralatan kendali berbasis mikrokomputer, yaitu digunakannya mikrokontroler dansistem kendali posisi sebagai sistem pengendalian-nya. Pada penelitian sebelumnya telah digunakansuatu rangkaian mikrokontroler untukmenggerakkan putaran motor dc, dimana putaranke kanan dan ke kiri dilakukan dengan merubahpotensial kutub-kutub motor dari positif ke negatifdan sebaliknya Pada penelitian yang sekarangdilakukan, driver motor diberi masukan digital darimikrokontroler untuk menggerakkan putaran motordc ke kanan atau ke kiri. Dengan penggunaanmikrokontroler yang terpogram tersebut telahmampu digunakan sebagai sistem kontrol otomatissecara digital yang lebih baik, praktis, lebihekonomis dan juga dapat dikembangkan untuksistem otomatisasi dengan memanfaatkan fasilitasport I/O yang tersedia pada mikrokontrolertersebut.

Dalam perancangan sistem kendali posisi inipengaturan arus filamen dan tegangan anodakatoda sumber elektron dilakukan dengan kendaliposisi pada variak. Untuk menaikkan suatu nilaitertentu lebih terkendali karena akan dikontrol olehkendali posisi pada motor variak, yang setiap kalimenaikkan telah dipilih nilai pada posisi tertentuseperti ditunjukkan oleh monitor 7 segment denganmeng-isikan nilai melalui keypad yang telahdisediakan. Perancangan ini menggunakan bahasapemrograman assembler pada mikrokontroler yangdibuat sedemikian rupa sehingga untuk setiap kalikenaikan dikontrol oleh sistem kendali posisi yangditampil-kan dalam bentuk angka menyatakandalam derajat posisi sehingga memudahkan untukpemantauan secara bertahap dengan prioritastertinggi menurun-kan tegangan. Dalam makalahini dibahas hasil perancangan dan pengujiannyasecara simulasi. Alat ini nantinya bisa dipasangkanpada sistem MBE untuk mengendalikan catu dayasumber elektron.

TATA KERJA

Konstruksi Sistem Kendali Posisi

Sistem kendali sumber elektron yangditunjukkan disini pada dasarnya adalah sistemkendali posisi variak yang diputar oleh motor DCmenggunakan mikrokontroler sebagai komponenutama dalam pengendaliannya. Secara umumbagian-bagian yang terlibat dalam sistem inidinyatakan dalam diagram blok pada Gambar 1.

Sistem kendali yang digunakan diatasmenggunakan sistem kendali kalang tertutup



Taxwim, dkk. ISSN 0216 - 3128 92

(closed loop) yang memungkinkan untuk dapatmengoreksi nilai error[2]. Sistem kendali posisi inimenggunakan piringan yang dilengkapi garis-garisberjarak 2 derajat radial (rotary encoder) yangdigunakan sebagai unit penghitung posisi gerakanmotor dc, sehingga sudut masukan yang diberikan

sebagai input akan dibandingkan dengan nilaikeluaran dari posisi tersebut sebagai koreksi.Mikrokontroler sebagai control prosesing unit akanmelaksanakan semua perintah yang diberikansesuai dengan program yang telah ditanam.

Gambar 1. Diagram blok sistem kendali.

Rangkaian Mikrokontroler AT89C51 Se-bagai Kendali Posisi

Mikrokontroler ini digunakan sebagai peng-olah data untuk membaca nilai sudut masukan danarah putaran, membandingkan nilai sudut masukandengan posisi sudut putaran variak, dan mengen-dalikan relai pelewat pulsa. Nilai sudut masukandan arah putar dibaca melalui sistem papan tombol

pada sistem minimal. Hasil pembacaan ini jugaditampilkan pada penampil 7-segmen dua digit.Nilai yang dimasukkan lewat papan tombol dannilai yang ditampilkan pada 7-segmen eqivalendengan nilai tertampil dikalikan sepuluh, karenasudut putaran dirancang dengan nilai kelipatansepuluh (sudut putaran terkecil sepuluh derajat).Blok diagram rangkaian sistem minimal denganmikro-kontroler ditunjukkan pada Gambar 2[3].




Pulsa dari Optocoupler

U77447

7 1 2 65 313 12 1

11

09 15 1

4

4

INA

INB

INC

IND

RB

IL

TOU

TA

OU

TB

OU

TC

OU

TD

OU

TE

OU

TF

OU

TG

BI/

RB

O

6

8

C1

33pF

9

2

PULUHAN

5

7-SEGMEN

U5

AT89C51

9

18

19

20

2930

3140

12345678

2122232425262728

1011121314151617

3938373635343332

RST

XTAL2

XTAL1 GN

D

PSENALE/PROG

EA/VPPVCC

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7

P2.0/A8P2.1/A9

P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15

P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INTOP3.3/INT1P3.4/TOP3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD

P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7

L

12MHz

VCC

C310uF/16V

C2

33pF

7

port pengaktif indikator error negatif

Relay pelewat pulsa ke penguat

VCC

4 Err

R3

10k

0

3

SATUAN

Relay pengatur arah putar

START

R

U67447

7 1 2 65 31

31

211 10 9 15 14

4

INA

INB

INC

IND

RB

IL

TOU

TA

OU

TB

OU

TC

OU

TD

OU

TE

OU

TF

OU

TG

BI/

RB

O

7-SEGMEN

Reset

END

1 CLR

7-SEGMEN

Gambar 2. Blok diagram rangkaian sistem minimal.Pada sistem minimal ini port 1

mikrokontroler digunakan untuk membaca tombol-tombol dengan susunan matrik 4x4, jadi ada 16tombol yang terdiri atas:

a. Tombol angka 0 sampai dengan 9 untuk nilaisudut masukan.

b. Tombol R (Right) dan L (Left) untuk mengaturarah putar motor.

c. Tombol CLR (clear) untuk menghapus nilaimasukan.

d. Tombol start untuk mulai menjalankan motorsesuai dengan nilai masukan.

e. Tombol end untuk menghentikan motor kapansaja.

f. Tombol Err untuk menampilkan nilai errorpositif.

g. Tombol End untuk interupsi (pengaman).

Tombol end tidak diambil dari port 1, tetapidari port 3.4 (T0), karena tombol ini digunakanuntuk interupsi program yaitu membuat portpengendali relai berlogika “1” (relai terputus)kapan saja. Dengan terputusnya relai maka arus kepenguat dapat diputus dengan menekan tombol inikapan saja. Dengan terputusnya arus ini,

diharapkan motor dapat dihentikan secara paksadengan tombol ini. Sedangkan susunan relai untukmenentukan arah putar dan melewatkan pulsa darirangkaian pembangkit gelombang kotak sepertiterlihat pada Gambar 3.

Dalam cangan bangun ini, setiap relaidiaktifkan dengan memberikan logika “0” padadriver relai. Sebagai driver relai digunakan transis-tor tipe PNP 9012 seperti pada Gambar 4.

Port 2.0 dikendalikan oleh tombol R (Right)dan L (Left) pada papan tombol. Jika tombol Rditekan maka output port 2.0 berlogika “1”,sehingga relai tidak aktif dan akan melewatkanpulsa positif untuk memutar motor searah jarumjam. Sedangkan jika tombol L ditekan port 2.0akan berlogika “0” sehingga relai aktif danmelewatkan pulsa negatif untuk memutar motorberlawanan arah jarum jam. Port 2.1 dan 2.2dikendalikan oleh tombol START, END, danprogram dalam mikrokontroler. Dalamperancangan disini port 2.1 digunakan untukmengaktifkan relai yang melewatkan pulsa yangdigunakan untuk menggerakkan motor. Sedangkanport 2.2 digunakan untuk menyalakan LED jikaarus ke motor diputus atau terjadi error negatif(posisi motor melebihi posisi yang diinginkan).




output (input bagi penguat)pulsa negatif

18

3

pulsa positif1

8

3

port 2.1 mikrokontroler

port 2.0 mikrokontroler

..

Gambar 3. Susunan relai pemilih arah putar dan pelewat pulsa.

port mikrokontroler

koil relay

1k

VCC

IN4002

12

Q1

9012

Gambar 4. Driver relai.

Dalam perancangan ini gerakan motordibuat per step sewaktu menuju posisi variak yangdiinginkan. Hal ini karena kenaikan tegangan danarus yang diperlukan oleh sumber elektron sedikitdemi sedikit, tidak bisa langsung diberi kenaikantegangan dan arus yang signifikan. Jika hal inidilakukan akan merusak sumber elektron tersebut.Sehingga untuk keperluan ini pulsa penggerakmotor dibuat dengan duty cycle yang kecil. Jikatombol END ditekan maka port 2.1 dan port 2.2akan berlogika “1”, sehingga relai pelewat pulsaterputus. Dengan demikian arus yang masuk kepenguat juga terputus sehingga motor berhenti.

Rangkaian Pembangkit Gelombang Kotak

Rangkaian pembangkit gelombang kotak inidisusun dengan menggunakan IC 555 yang telahumum digunakan. Gelombang kotak yangdihasilkan ini digunakan untuk memutar motorsetelah melalui penguat. Untuk memutar motor ke

arah berlawanan maka keluaran dari rangkaian inidibalik polari-tasnya menggunakan rangkaianinverting op-amp. Untuk menentukan besarnya tON

dan tOFF pada ge-lombang kotak tersebut digunakannilai R variabel, sehingga lebar pulsa mudahdiubah-ubah. Dalam penelitian ini dirancang tON

dan tOFF masing-masing mendekati nilai 2 dan 1.5detik dengan menggu-nakan R1 = 5 k, R2 =10k, dan C 220F [4].

Sistem Pembaca Posisi (Rotary Encoder)

Sistem pembaca posisi berfungsi untukmengetahui seberapa jauh hasil pergerakan porosvariak terhadap titik awalnya. Sistem pembacaposisi ini memanfaatkan piranti semikonduktorberupa dioda infra merah (infrared emiting diode)dan fototransistor yang terkemas dalam opto-coupler[5]. Untai pembaca posisi seperti terlihatpada Gambar 5a.




74LS14 1 2

15k

Pulsa ke mikrokontroler

74LS14 1 2

VCC

100

D9 IRED

Fototransistor

3 2

1

Gambar 5a. Untai pembaca posisi.

Gambar 5b. Piringan.Prinsip kerja sistem pembaca posisi adalah

variak memutar piringan yang ada diantara diodainframerah dan fototransistor. Piringan ini terdiriatas bagian bergaris gelap dan bagian bergaristerang (tembus cahaya) yang masing-masingberjumlah 180. Saat bagian bergaris gelap beradadiantara dioda inframerah dan fototransistor, makasinar inframerah yang dipancarkan oleh diodainframerah tidak sampai ke fototransistor.Akibatnya tidak ada arus basis yang mengalir kefototransistor. Hal ini mengakibatkant transistordalam keadaan OFF dan tegangan kolektormendekati tegangan catu dayanya. Keadaansebaliknya akan terjadi jika diantara dioda inframerah dan fototransistor terdapat bagian piringanbergaris terang. Sinar inframerah akan mencapaifototransistor. Pada saat fototransistor dikenaicahaya inframerah maka akan timbul arus basis dantransistor dalam keadaan ON. Pada keadaan ONini, tegangan kolektor akan mendekati nol.

Transisi posisi ON-OFF pada fototransistortidak berjalan secara tegas. Untuk itu diperlukan

pembalik (inverter) schmitt trigger 74LS14 sebagaipenegas posisi ON dan OFF. Selain itu inverter inijuga berfungsi sebagai buffer penguat aruswalaupun tidak terlalu besar, sehingga hasilkeluaran inverter schmitt trigger 74LS14 berupapulsa-pulsa yang frekuensinya menurutpersamaan [1]:

60

nvf (1)

dengan v = kecepatan putar (rpm)

n = jumlah celah

Keluaran inverter schmitt trigger 74LS14 yangberupa pulsa dimanfaatkan untuk mengetahuiseberapa jauh poros berputar dari titik semula.Makin jauh poros berputar, makin banyak pulsayang dihasilkan. Karena piringan yang dibuatterdiri atas 180 garis gelap dan 180 garis terangmaka ada 180 kemungkinan posisi yang masing-




masing berjarak 2o, sehingga resolusi yangdiharapkan bernilai maksimal 2o.

Sistem Penguat Daya (Amplifier)

Penguat daya digunakan untuk menguatkanpulsa dari rangkaian pembangkit pulsa sehinggadapat digunakan untuk menggerakkan motor.

Transistor pada bagian output dibuat paralel empatkarena arus yang ditarik motor besar. Meskipundalam data sheet disebutkan Ic transistor 4 ampere,pada kenyataannya transistor ini tidak bertahanlama meskipun dirancang untuk menghasilkan arussebesar 2 ampere. Oleh karena itu digunakan empattransistor yang diparalel. Dengan demikiantransistor tidak cepat panas dan bisa bertahan lama.

Q12

-VCC

R2

D1212

Q3

Q6

Q5

D81 2

D1312Q11

input

Q7

D5

1 2

D3

12

Q1

Q4

D112

output

Q8

D6

1 2

D71 2

Q10

+VCC

Q9

D1412

D4

12

D212 D91 2

D1112Q2

R1

D101 2

Gambar 6. Rangkaian penguat daya.Transistor yang digunakan dalam

perancangan penguat ini adalah sebagai berikut.

Q1, Q3, Q2, dan Q4 digunakan transistor BD135 (NPN) dan BD 136(PNP). Pemilihantransistor seri ini karena dari data sheetdiketahui memiliki hFE cukup besar ( >40) danUCEO max 45 volt[2].

Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, Q10, Q11, dan Q12digunakan transistor TIP 3055 (NPN) dan TIP2955 (PNP). Transistor ini digunakan padabagian output karena transistor ini memiliki Icyang besar (dari data sheet diketahui Icmaksimum sebesar 4 ampere, hFE >20, UCEO

maks 70 volt)[2].

PRINSIP KERJA SISTEM KENDALIPOSISI

Cara kerja sistem kendali secara garis besardapat dijelaskan sebagai berikut (lihat Gambar 1).Sudut masukan dan arah putaran dimasukkanmelalui keypad/papan tombol pada sistem minimalmikrokontroler. Setelah ditekan tombol start makamikrokontroler akan mengaktifkan relai sehinggapulsa yang telah dipilih oleh mikrokontroler iniakan dilewatkan dan dimasukkan ke penguat.Selanjutnya pulsa yang telah dikuatkan inidigunakan untuk menggerakkan motor yangakhirnya untuk memutar variak. Pada sumbu variakdipasang piringan (lihat Gambar 5b) yang tepinyadiberi garis-garis gelap dan terang. Garis gelapterang ini dibuat selang-seling setiap dua derajat,sehingga total ada 180 garis terang dan 180 garisgelap. Garis-garis ini akan dibaca oleh optocouplerdan diubah menjadi pulsa-pulsa. Pulsa-pulsa yangdihasilkan optocoupler ini dibaca dan dihitung olehmikrokontroler. Hasil penghitungan ini olehmikrokontroler dibandingkan dengan nilaimasukan. Pada saat hasil penghitungan sama




dengan nilai masukan maka mikrokontroler akanmemutuskan relai yang melewatkan pulsa yangmengakibatkan motor akan berhenti dan variakjuga berhenti pada posisi yang dikehendaki (sesuaimasukan)

Setelah arus diputus ada kemungkinanmotor DC tidak langsung berhenti maka adakemungkinan terjadi kesalahan posisi. Oleh karenaitu digunakan algoritma sistem kendali yang akanmenghitung nilai kesalahan posisi tersebut sampaimotor benar-benar berhenti. Hasil perhitungan inidisimpan sebagai nilai error yang akandijumlahkan pada proses pengaturan posisiberikutnya. Kesalahan posisi melebihi yangdiinginkan dihitung sebagai kesalahan negatif,sehingga jika dijumlahkan dengan nilai masukansudut yang baru, nilai kesalahan ini akanmengurangi nilai masukan sudut yang barutersebut. Sedangkan jika kesalahan posisi terjadisebelum motor mencapai posisi yang dimaksud,maka nilai kesalahan ini dihitung sebagaikesalahan positif, dan bersifat menambah nilaimasukan sudut selanjutnya. Untuk lebih jelasnyadapat dilihat pada bagan alir pada Gambar 7.

Gambar 7. Algoritma pengendalian posisi motor.

Program Pembaca Papan Tombol

Program untuk pembacaan papan tombol inimenggunakan metode scaning. Tombol-tombolyang akan dibaca disusun secara matriks 4 baris x 4baris. Masing-masing baris dihubungkan ke portP1.4 sampai dengan P1.7 dan masing-masingkolom dihubungkan ke port P1.0 sampai denganP1.3, lihat Gambar 2 beserta penjelasannya.

Untuk memeriksa tombol-tombol 1,4,7,danR, mana yang ditekan maka dikirimkan logika “0”pada Port 1.0, kemudian hasilnya dibaca pada P1.4,P1.5, P1.6, dan P1.7, selanjutnya data akanditampilkan pada system penampil (7 segment)

Program Pengaktif Relai

Untuk mengaktifkan relai, dilakukan denganmemberikan logika “0” pada driver relai dan logika“1”memutus relai. Dalam hal ini digunakan duaport untuk mengatur relai dan satu port untukindikator nilai error negative lihat Gambar 2 danGambar 3 beserta penjelasannya

Program Pembaca Posisi Motor

Program pembaca posisi motor ini meman-faatkan fasilitas Timer dari mikrokontroler yangdifungsikan sebagai pencacah (counter). Jumlahpulsa yang dihasilkan optocoupler dibaca dandihitung melalui pencacah ini. Dalam perancanganini digunakan Timer1 sebagai pencacah untukmembaca dan menghitung pulsa yang dihasilkanoptocoupler. Program pembaca posisi iniberhubungan dengan data masukan dari papantombol dan juga pengaturan relai, sehinggainstruksi dalam program ini berupainstruksi/perintah membandingkan data masukandengan hasil pembacaan setiap saat. Jika datapembacaan sudah sama dengan data masukan makaperintah untuk mematikan relai pelewat pulsa akandilakukan sehingga motor akan berhenti.Kesalahan (error) akan diperhitungkan denganmembandingkan nilai masukan dan pembacaanposisi sebagai koreksi berikutnya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Bagian ini memaparkan hasil pengujianyang telah dilakukan serta analisanya. Pengujiandilakukan pada bagian tertentu yang dianggapperlu. Hal-hal yang diamati dapat berupa leveltegangan pada suatu bagian dari sistem dan jugaunjuk kerja dari sistem yang telah dibuat.




Pengujian Sistem Pembaca Posisi

Pengujian dilakukan dengan mengamatilevel tegangan pada beberapa titik, sebagaimanaterlihat pada Gambar 8. Titik-titik tersebut adalahtegangan catu daya (Vcc), tegangan dioda infra

merah (Vd), tegangan kolektor (Vc), teganganemiter (Ve), tegangan kolektor-emiter (Vce), dantegangan keluaran schmit trigger 74LS14 (Vout).

Hasil pengamatan masing-masing titik dapatdilihat pada Tabel 1.

Vd D9

IRED

15k

Fototransistor3

21

Ve

74LS14

1 2

VCC

74LS14

1 2

Vc

100

Vout

VcePulsa ke mikrokontroler

Gambar 8. Titik-titik pengujian pada rangkaian pembaca posisi.

Tabel 1. Hasil pengamatan sistem pembaca posisi.

Titik-titik PengamatanKondisi Sistem Pembaca Posisi

Tertutup Terbuka

Vcc (V) 5 5

Vd (V) 1,4 1.4

Vc (V) 4,7 0,2

Ve (V) 0 0

Vce (V) 4,7 0,2

Vout (V) 5 0

Dari Tabel 1 dapat dicari arus yang mengalirpada dioda infra merah (Id) dengan persamaan:

R

VdVccId

(2)

Sehingga diperoleh Id sebesar 20 mA. Jadidioda bekerja sesuai dengan kemampuannya yaitusekitar 20-25 mA yang mengakibatkan cahaya inframerah yang dihasilkan mempunyai intensitas yangcukup besar. Untuk fototransistor, kondisinyasangat dipengaruhi oleh ada tidaknya cahaya inframerah yang ditangkap. Pada saat ada penghalangyang menghambat cahaya infra merah, tegangankolektor-emiter (Vce) sebesar 4,7 volt. Kondisidemikian merupakan kondisi OFF dari transistor,sehingga tidak ada arus yang mengalir ke emiter,

kalaupun ada, nilainya sangat kecil. Karenakeluaran diambil dari titik kolektor maka keluaranopto-coupler akan berlogika “1”

Pada saat tidak ada penghalang, cahaya akansampai ke fototransistor. Pada kondisi ini tegangankelektor-emiter (Vce) sebesar 0,2 volt. Kondisi inimerupakan kondisi ON dari transistor. Karenategangan kolektor sama dengan tegangan kolektor-emiter yaitu sebesar 0,2 volt maka keluaranoptocoupler berlogika “0”.

Pengujian Pembangkit Gelombang Kotak

Pengujian pembangkit pulsa (gelombangkotak) dimaksudkan untuk mengetahui tegangankeluaran dari gelombang kotak yang dihasilkan.Dalam teori IC timer 555 disebutkan bahwa




tegangan keluaran yang dihasilkan mendekati nilaiVcc yang digunakan dikurangi 1,7 volt[5]. Dalamperancangan ini digunakan Vcc sebesar 12 volt,sehingga secara teoritis tegangan keluarannyasebesar 10,3 volt. Dari hasil pengujian diperolehdata tegangan yang dihasilkan 10 volt. Nilai inimendekati nilai teoritis tersebut. Jadi IC yangdigunakan masih dalam kondisi baik. Dalamperancangan ini digunakan motor DC 12 volt, danagar putaran motor tidak terlalu cepat tegangantersebut dapat dikurangi, sehingga ketepatan posisimenjadi lebih mudah diatur. Sedangkan waktu ON(tON) dan waktu OFF (tOFF) dari gelombang kotakyang dihasilkan dapat dihitung. Dalamperancangan ini digunakan R1 = 5 k, R2 = 10k, dan C = 220 uF, jika dihitung diperolehwaktu on sebesar 2,29 detik dan waktu off 1,52detik[5].

Dari hasil pengujian diperoleh waktu on 1,8detik dan waktu off 1,3 detik. Dari hasil ini dapatdiketahui hasil pengujian hampir sama dengan nilaiteoritisnya. Jadi dapat dikatakan komponen yang

digunakan dalam kondisi baik. Kemudian untukmenghasilkan pulsa negatif untuk memutar motorke arah berlawanan digunakan penguat invertingmenggunakan op amp.

Secara ringkas data hasil pengujianpembangkit pulsa ini dapat dilihat pada Tabel 2.

Dari hasil ini terlihat bahwa Vout untukpulsa negatif lebih kecil, konsekuensinya putaranmotor menjadi lebih lambat. Tetapi hal ini tidakmemberikan masalah yang berarti karena yangdikendalikan adalah posisi bukan kecepatan. Voutpulsa negatif lebih kecil disebabkan adanya susuttegangan di dalam komponen op amp.

Pengujian Penguat Daya

Pengujian penguat dimaksudkan untukmengetahui berapa arus yang dihasilkan. Pengujiandilakukan dengan memberi input berupa pulsa(gelombang kotak) yang dihasilkan dari Timer 555dan output diberi beban berupa motor. Dari hasilpengujian diperoleh data seperti pada Tabel 3.

Tabel 2. Data hasil pengujian pembangkit pulsa.

tON (s) tOFF (s) IOUT (mA) VOUT(V)

Pulsa positif 1,8 1,3 75 10

Pulsa negatif 1,8 1,3 60 7,5

Tabel 3. Hasil Pengujian Penguat Daya

Pulsa Positif Pulsa negatif

VOUT tanpa beban (V) 8 7,5

VOUT berbeban (V) 7 5,5

IOUT (A) 1,65 1,4

Dari pengujian ini diketahui bahwa penguatyang dirancang sudah mampu menguatkanmasukan yang besarnya dalam orde mA menjadikeluaran dalam orde ampere, sehingga keluaranpenguat ini mampu menggerakkan motor yangdigunakan untuk memutar variak. Vout pulsanegatif lebih kecil dibanding pulsa positif karenadari inputnya tegangan pulsa negatif lebih kecilyang disebabkan kondisi op amp inverting yangkurang baik.

Pengujian Ketepatan Posisi

Untuk mendapatkan sistem kendali sumberelektron dengan cara mengendalikan posisi danarah putar motor DC, maka akan disajikan

pengujian ketepatan posisi putar motor tersebut.Pengujian ini dilakukan untuk mengetahuiketepatan posisi putar terhadap nilai masukannya.Jadi variabel yang di-gunakan adalah nilaimasukan sudut putar. Peng-ujian dilakukan untukberbagai macam sudut masuk-an mulai dari sudutterkecil 10o sampai 300o. Setelah motor mencapaiposisi yang dimaksud, kemudian dilakukanpengamatan terhadap tegangan keluaran variakyang diputar oleh motor DC tersebut. Hasilpengamatan tegangan ini nantinya dipakai untukmengetahui berapa derajatkah variak harus diputaruntuk menghasilkan tegangan yang diinginkan.

Hasil pengujian ketepatan posisi sudut putarvariak dapat dilihat pada Tabel 4. Dari hasil ini



Taxwim, dkk. ISSN 0216 - 3128 100

diperoleh hasil ketepatan posisi variak seratuspersen (kesalahan 0). Hal ini karena perancanganputaran sumbu variak dibuat lambat dengan caramenambah roda gigi yang lebih besar pada sumbuvariak dibandingkan roda gigi pada sumbu motor.Karena piringan untuk sensor posisi dipasang pada

sumbu variak maka kecepatan sudut piringan samadengan kecepatan sudut sumbu variak, sehinggatidak diperlukan hitungan perbandingan putaransumbu motor terhadap putaran sumbu variak,karena yang dikendalikan adalah posisi putaranvariak.

Tabel 4. Hasil pengamatan ketepatan posisi (posisi awal 0o)

Masukan (0) Posisi akhir (0) Kesalahan (0) Tegangan variak (V)

10 10 0 4620 20 0 5230 30 0 6040 40 0 6550 50 0 7460 60 0 8170 70 0 8780 80 0 9490 90 0 100100 100 0 107110 110 0 115120 120 0 121130 130 0 127140 140 0 133150 150 0 139160 160 0 147170 170 0 153180 180 0 160190 190 0 166200 200 0 174210 210 0 181220 220 0 187230 230 0 193240 240 0 200250 250 0 207260 260 0 215270 270 0 222280 280 0 228290 290 0 235300 300 0 241

KESIMPULAN

Dari hasil penelitian tersebut dapat diambilkesimpulan sebagai berikut.

1. Perancangan simulasi sistem kendali catu dayasumber elektron yang telah dibuat memberikanhasil yang baik, untuk masukan 10o diperolehposisi akhir juga 10o pada tegangan variaksebesar 46 volt dengan kesalahan 0 %, untukmasukan 300o , posisi akhir juga 300o padategangan variak sebesar 241 volt dengankesalahan 0 %.

2. Dalam perancangan ini kecepatan putar sumbuvariak diturunkan dengan cara memasang rodagigi yang lebih besar pada sumbu variak.Dengan diturunkannya kecepatan putar sumbuvariak maka pengendalian posisi menjadi lebihmudah, karena dengan kecepatan yang kecil,pembacaan posisi oleh optocoupler benar-benartepat dan setelah arus diputus motor langsungberhenti pada posisi yang dimaksud.

3. Cara lain yang digunakan dalam perancanganini untuk membuat motor bisa langsungberhenti setelah arus diputus adalah dengan



101 ISSN 0216 - 3128 Taxwim, dkk.

cara memberikan arus yang tidak terlalu besar,sehingga putaran motor tidak terlalu kuat.

4. Hasil perancangan simulasi sistem kendali catudaya sumber elektron dibuat agar lebih mudahmemodifikasi program sesuai dengan keperluanpengendalian dan pengembangan selanjutnya.

DAFTAR PUSTAKA

1. Kumpulan Makalah Seminar Sehari RancangBangun Mesin Berkas Elektron 500 KeV/ 10mA; PPNY-BATAN; Yogyakarta; 1996.

2. DONALD P. EEKMAN; Automatic ProcessControl; John Wiley and Sons, New York;1958.

3. PUTRA, A.E., Belajar MikrokontrolerAT89C51 /52/55 Teori dan Aplikasi, GavaMedia, Yogyakarta, 2002.

4. PAYNTER, R. T., Introductory ElectronicDevices and Circuits, Prentice-Hall Inc., NewJersey,1997.

5. M. STANLEY LIVINGSTONE and JOHN P.BLEWETT; Particle Acceleration; McGRAW-HILL BOOK COMPANY; New York; 1962.

6. Kumpulan Data Penting KomponenElektronika, “Paduan acuan cepat IC linier,TTL, CMOS”, Multi Media, Jakarta, 1985



KONSTRUKSI, SIMULASI SISTEM KENDALI POSISI...

Documents

Transcript of KONSTRUKSI, SIMULASI SISTEM KENDALI POSISI...