kontrol servoposisi

Proses Actuator

Tranducer

+ -

masukan keluaran

Umpan balik

BAB V

PERCOBAAN IV

KONTROL SERVOPOSISI

5.1 TUJUAN

1. Mempelajari karakteristik plant servo posisi

2. Mengetahui prinsip kerja plant servo posisi

5.2 DASAR TEORI

Servoposisi adalah salah satu bagian dari suatu sistem yang disebut dengan

servomekanisme, dimana pengertian dari servomekanisme sendiri adalah suatu

sistem kontrol berumpan balik dengan keluaran berupa posisi, kecepatan atau

percepatan mekanik. Sedangkan istilah servomekanisme dan sistem pengontrolan

posisi (atau kecepatan atau percepatan) adalah sinonim.

Gambar 5.1 Servoposisi

Servomekanisme pada umumnya disingkat servo saja, adalah suatu alat

yang digunakan untuk menyediakan kontrol mekanis jarak jauh. Sebagai contoh,

suatu servo dapat digunakan pada suatu remote menurut perbandingan posisi yang

bersudut suatu tombol-atur yang koneksinya tidaklah mekanik tetapi tanpa kawat

atau elektrik.

Jenis yang paling umum servo adalah servo yang memberi kontrol

tergantung posisi. Servo biasanya secara parsial elektronik atau elektrik secara

alami, dengan menggunakan suatu motor elektrik yang menciptakan kekuatan

mekanis,. Pada umumnya, servo beroperasi pada prinsip umpan balik negatif, di

mana kontrol masukan dibandingkan dengan posisi sistem mekanik yang terukur

oleh beberapa macam transducer pada keluaran. Suatu ilmu pengetahuan sistem

jenis ini telah dikembangkan, dan dikenal sebagai teori kontrol.

Servo ditemukan banyak aplikasi (servo mengoperasikan motor yang

menggunakan suatu kontrol penjelajah) contohnya CNC menggunakan servo

untuk membuat gerakan mesin mengikuti alur alat yang diinginkan, Sistem Fly-

By-Wire dalam pesawat terbang menggunakan servo untuk menggerakkan

‘kontrol permukaan/surface control’ yang berfungsi mengendalikan pesawat

terbang. Radio-controlled pada pesawat terbang menggunakan servo untuk tujuan

yang sama.

Prinsip kerja dari sistem servomotor dapat dijelaskan sebagai berikut:

suatu komparator membandingkan tegangan masukan dengan tegangan umpan

balik, selisih tegangan ini yang sebanding dengan kesalahan posisi keluaran

digunakan oleh unit pemroses untuk menggerakkan actuator sedemikian sehingga

selisih tegangan ini semakin mengecil. Bila dilihat dari sisi keluaran, mekanisme

berkurangnya tegangan selisih sama halnya dengan mendekatnya posisi keluaran

terhadap posisi yang dikehendaki. Secara grafik mekanisme ini dapat

digambarkan:

Gambar 5.2 Kurva Tanggapan Plant Servomotor

Keluaran

Masukanposisi akhir

posisi awal

Waktu

.

Gambar 5.3 Modul B3510-J

Feedback (TP1) : Tegangan umpan balik sebagai tegangan masukan

Reference (TP2) : Tegangan keluaran Summing Amplifier (TP3) : Tegangan masukan yang digunakan untuk

mengetahui besarnya gain Loop Amplifier (TP4) : Tegangan keluaran yang digunakan untuk

mengetahui besarnya gain Switch : Untuk merubah mode fixed atau mode

variable Fixed : Untuk menunjukkan titik tengah lintasan

dari modul Variable : Mode yang mengikuti referensi pada

modul. Gain : Penguatan yang diperoleh dari

perbandingan Vout dengan Vin Referensi Slider : Peralatan yang terdiri dari 2 bagian yaitu

post tranduser (P1) sebagai posisi keluran dan referensi (P2) sebagai posisi masukan

Gambar 5.4 Rangkaian Detail

A. Power Supply Conditioning

Power supply ini terdiri dari beberapa dioda dan relay yang digunakan

untuk memproteksi daya seperti yang ada dalam dunia industri. Apabila 2 sumber

tegangan lepas atau tertukar dengan ground maka relay (K2) akan memutuskan

dan menghentikan daya ke modul.

B. Feference dan Feedback Generator

Reference dan Feedback Generator terdiri dari R3 ( resistor ) dan D5

(dioda) untuk menghasilkan level tegangan 10v untuk menggunakan feedback

potentiometer P1 ( digunakan untuk motor ) dan untuk refernce potentiometer P2.

C. Summing Node

Summing node merupakan suatu unit penguat penjumlah. Keleuaran dari

referensi dikurangi dengan keluaran dari feedback sinyal yang kemudian

dikuatkan.

D. Loop Amp.

Penguat sinyal kesalahan dan digunakan untuk mengontrol daya driver

motor. Pada loop amp memiliki tombol yang dapat digunakan untuk menentukan

nilai gain yang berbeda.

E. Power Amplifier.

Terdiri dari satu op amp yang digunakan untuk menguatkan daya dimana

keluarannya di buffer oleh transistordarlington.

Berdasarkan cara kerjanya, servoposisi memiliki beberapa macam sistem

operasi. Salah satunya adalah operasi on-off, dalam hal ini taraf tegangan

penggerak pada akumulator hanya mengenal dua keadaan, ada tegangan dan tidak

ada tegangan. Sebagai pengandali on-of digunakan penguat operasi yang

dioperasikan pada penguat lingkar terbukanya. Penguat lingkar terbukanya op

amp sangat besar, sehingga bila perubahan tegangan masukan cukup tinggi fungsi

op amp mendekati fungsi on off.

Penguat operasional merupakan penguat gain-tinggi yang dirancang untuk

melaksanakan tugas-tugas matematis seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian

dan pembagian. Semuanya bekerja dengan tegangan tinggi sampai setinggi 300V,

tetapi sanggup menyelesaikan berbagai perhitungan. Op-Amp adalah suatu

penguat berperolehan tinggi dikopel-langsung, yang umpan baliknya ditambahkan

untuk mengendalikan karakteristik keseluruhan. Op-amp digunakan untuk

membentuk fungsi-fungsi linier yang bermacam-macam dan sering disebut

sebagai analog . Termasuk dalam sistem servomotor ini. Penguat Op-Amp juga

mempunyai peran penting.

Terminal-terminal Op-amp :

Terminal catu daya.

Op-amp membutuhkan catu daya +V dan –V yang keduanya

dihubungkan ke supplay daya.

Terminal keluaran

Ujung tegangan keluaran Vo diukur terhadap ground, karena dalam

sebuah Op-amp hanya ada satu terminal keluaran. Batas keluaran Vo disebut

tegangan kejenuhan positip(+Vsat) dan batas bawahnya disebut tegangan

kejenuhan negatip (-Vsat).

Terminal-terminal masukan

Dalam Op-amp terdapat masukan bertanda (-) yang kemudian disebut

masukan inverting dan yang bertanda (+) disebut masukan non inverting.

Tegangan keluaran Vo tergantung pada perbedaan tegangan kedua terminal

tersebut.

Karakteristik Op-amp ideal :

1. Resistansi masukan Ri = tak terhingga

2. Resistansi keluaran Ro = 0.

3. Perolehan tegangan Av = - tak terhingga.

4. Lebar pita = tak terhingga.

5. Vo = 0 kalau V1 = V2 tidak tergantung pada besarnya V1.

6. Karakteristiknya tidak tergantung pada temperatur.

Penguat Membalik (Inverting Amplifier)

Rangkaian inverting amplifier adalah salah satu dari rangkaian Op-amp yang

paling luas digunakan . Rangkaian itu merupakan sebuah penguat yang gain

rangkaian tertutupnya dari Ei ke Vo ditentukan oler Rf dan Ri yang dapat

memperkuat isyarat AC dan DC. Untuk memahami kerja rangkaian diperlihatkan

pada gambar 5.2.

Tegangan Ed antara masukan (+) dan masukan (-) pada dasarnya nol.

Arus yang di alirkan antara terminal (+) dan (-) dapat diabaikan.

Gambar 5.5 Rangkaian penguat pembalik atau Op-amp inverting.

Ei = Ii x Ri

Eo = Io x Rf

Ii + Io = 0

+ = 0

= - , atau = -

Penguat tak-membalik (Non-inverting Amplifier)

Gambar 5.6 adalah sebuah penguat tak membalik yaitu tegangan keluaran Vo

mempunyai polaritas yang sama dengan tegangan masukkan Ei tahanan masukan

dari penguat pembalik adalah Ri, tahanan masukan masukan dari penguat tak-

pembalik luar biasa besarnya, biasanya melebihi 100 MOhm.

Karena tegangan Ed antara masukan (+) dan (-) dari Op-amp adalah nol kedua

masukan tersebut berada pada potensial X yang sama. Karenanya Ei tampak

melintasi Ri, Ei menyebabkan arus I mengalir seperti diberikan oleh I = Ei/Ri.

Arah I tergantung pada polaritas Ei.

Karenanya I mengalir melalui Rf dan penurunan tegangan melintasi Rf

dinyatakan oleh VRi dan dinyatakan sebagai

VRf= I(Rf) = x Ei .........................................................(5.1)

Tegangan Vo didapat dengan menambahkan penurunan tegangan melintas Ri

yang adalah Ei ketegangan melintasi Rf yang adalah VRf :

Vo = Ei +VRF

Vo = Ei + x Ei

Vo=(1 + ) Ei .................................................................(5.2)

Sehingga gain tegangannya adalah :

A= = 1 + ..................................................................(5.3)

Persamaan tersebut memperlihatkan bahwa gain tegangan dari sebuah penguat

tak pembalik menyamai besarnnya gain sebuah penguat pembalik (Rf/R1)

ditambah 1.

Gambar 5.6 Gambar rangkaian penguat tak-membalik

F. Motor DC

Sebuah motor servo merupakan sebuah motor dc, ac, atau motor dc tanpa

sikat yang dikombinasikan dengan sebuah perangkat sensor posisi. Motor arus

searah (DC) konvensional menggunakan sifat dan komutator mekanika yang

memerlukan perawatan yang teratur. Namun dengan dilakukannnya

pengembangan terhadap sikat dan komutator, banyak motor DC yang digunakan

dalam sisitem servo dapat dioperasikan hampir tanpa perawatan. Beberapa motor

DC menggunakan komutasi secara elektronika. Mereka dinamakan motor DC

tanpa sikat.

a) Konstruksi Motor DC

Suatu motor listrik , akan berfungsi apabila memiliki :

Kumparan medan, untuk menghasilkan medan magnet

Kumparan jangkar, untuk mengimbaskan ggl pada konduktor – konduktor

yang terletak pada alur-alur jangkar.

Celah udara yang memungkinkan berputarnya jangkar dalam medan

magnet.

Pada motor DC, kumparan yang berbentuk kutub sepatu

dinamakan stator ( bagian yang tidak berputar ). Stator ini menghasilkan

medan magnet, baik yang dibangkitkan koil atau magnet permanen.Dan

kumparan jangkar merupakan rotor ( bagian yang berputar ). Rotor ini

berupa sebuah koil dimana sebuah arus listrik mengalir. Bila kumparan

jangkar berputar dalam medan magnet, akan dibangkitkan tegangan (ggl)

yang berubah-ubah arah setiap setengah putaran, sehinggga merupakan

tegangan bolak-balik :

e=Emakssint .......................................................................(5.4)

Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang

disebut komutator dan sikat.

b) Prinsip Kerja Motor DC

Suatu motor listrik adalah suatu mesin yang mengubah tenaga listrik ke

tenaga mekanik. Kerjanya atas dasar prinsip bahwa apabila suatu penghantar yang

membawa arus diletakkan didalam suatu medan magnet, maka akan timbul gaya

mekanik yang mempunyai arah sesuai dengan hukum tangan kiri dan besarnya

adalah : F = B i l ( newton )

Gambar 5.7 Prinsip sebuah motor DC

Arus listrik mengalir ke koil melalui sikat-sikat yang selalu berhubungan

dengan komutator, yang ditekan oleh pegas. Pada posisi seperti pada gambar 5.7

(a), aliran arus pada koil akan menghasilkan medan magnet yang berlawan dengan

medan magnet dari stator, sehingga menyebabkan koil berputar ke arah yang

ditunjukkan oleh anak panah. Apabila aliran arus tetepa mengalir seperti pada

gambar 5.7 (a), koil akan diam pada posisi vertical setelah berputar sejauh 90o.

Apabila telah mencapai posisi seperti gambar 5.7 (b), komutator akan

menyebabakan aliran arus yang mengalir melalui koil berbalik dari arah semula.

Dengan demikian, aliran arus sekarang akan menghasilkan tolakan magnet yang

mutar koil sejauh 90o ke posisi seperti pada gambar 5.7 (c). Mekanisme ini terjadi

berulang-ulang.

Secara matematis, mekanisme diatas dapat digambarkan sebagai berikut:

+ +

Gambar 5.8 Prinsip kerja motor DC secara matematis

Berlaku hubungan-hubungan :

a). .....................................................................(5.5)

dimana :

Ia = Arus dalam jangkar

eb = GGL lawan (“Back EMF ) dari jangkar

Ra = Tahanan untai jangkar

b) eb = Z N x p/a volt ................................................(5.6)

c). Persamaan tegangan :

(i). Tegangan V berlawanan arah dengan EMF Eb

(ii). Didalam jangkar terjadi jatuh tegangan Ia Ra, jadi :

V=eb+Ia Ra .............................................................(5.7)

d). Kecepatan Motor DC ( N )

Dari persamaan tegangan motor DC :

eb = V - Ia Ra .........................................................(5.8)

atau

Z N x=V - Ia Ra ..........................................................(5.9)

Jadi

N= .................................................................(5.10)

dimana Eb = V - Ia Ra, maka :

N= ................................................................(5.11)

Jadi N = , dimana k = tetap.

Dari persamaan ini dapat dilihat bahwa kecepatan N berbanding terbalik

dengan ggl lawan Eb dan berbanding terbalik dengan fluksi .

c) Motor Steper

Bila suatu tegangan di pasang pada motor AC atau DC, maka

motor akan berputar secara terus menerus. Dalam hal inilh letak perbeedaan

Motor Steper, dimana pengoperasian motor ini berdasarkan pulsa listrik. Setiap

kali mengirim pulsa ke pengontrol elektronik, maka motor akan bergerak

“selangkah”, yaitu satu putaran sudut kecil. Ukuran langkah tersebut tergantung

pada perancangan motor. Motor akan berputar lebih cepat atau lambat dengan

mengirim lebih banyak atau sedikit pulsa dalam setiap detiknya.

Gambar 5.9 Karakteristik Motor Steper

Karakteristik kecepatan/torsi dapat dilihat pada gambar 5.8. Dari grafik

terlihat bahwa sumbu horizontal menggambarkan kecepatan sedangkan sumbu

vertikalnya menggambarkan torsinya, pada motor steper torsi bergantung pada

kecepatan begitu pula sebaliknya motor stepper akan berjalan pada kecepatan

yang diinginkan atau tidak berjalan sama sekali. Sedangkan pada jenis motor

lain,sebuah beban (torsi) akan dipasang dan karakteristik akan menunjukkan

seberapa cepat motor tersebut akan berjalan dengan beban sebesar itu.

d) Motor servo

Motor DC yang digunakan dalam sistem servo dinamakan servomotor DC.

Pada servomotor DC, rotor inersia dibuat sangat kecil, yang menghasilkan motor

dengan rasio torsi terhadap inersia sangat tinggi. Pada servomotor DC, kumparan

medan dapat dihubungkan secara seri dengan jangkar magnet ( armature) atau

kumparan medan tersebut dapat dipisah dari jangkar magnetnya, yang berarti

medan magnet dihasilkan secara terpisah. Bila medan magnet dihasilkan secara

terpisah, maka fluks magnet tidak tergantung pada arus jangkar magnet. Pada

beberapa servomotor DC, medan magnet dihasilkan oleh magnet permanen,

sehingga fluks yang dihasilkan konstan. Servomotor DC yang seperti itu

dinamakan servomotor DC magnet permanent. Servomotor dengan medan

magnet dengan medan magnet dibangkitakan secara terpisah, dan juga servomotor

DC magnet permanen dapat dikontrol oleh arus jangkar magnet. Dan hal ini

dinamakan control jangkar magnet servomotor DC. Jika arus jangkarnya dibuat

konstan dan kecepatan dikontrol oleh tegangan medan, motor DC tersebut

dinamakan motor DC dikontrol medan.

Gambar 5.9 merupakan skema pengontrolan kumparan magnet (jangkar)

servomotor DC. Torsi yang dihasilkan adalah berbanding lurus dengan hasil kali

dari arus kumparan Ia dan fluks celah udara ψ, yang berbanding lurus dengan arus

medan atau :

ψ=KfIf.......................................................................................(5.12)

Dengan Kf adalah konstanta, sehingga torsi T dapat ditulis sebagai:

T = Kf . If . K1 . Ia , dengan K1 adalah konstanta.

Θ

Gambar 5.10 skema pengontrolan kumparan magnet ( jangkar )

Jika medan arus konstan, flkus juga konstan dan torsi mempunyai arah

sesuai arus kumparan magnet sehingga :

T=KIa ...............................................................................(5.13)

Dimana apabila arah arus Ia dibalik maka tanda dari torsi akan berbalik

pula. Hal ini akan menyebabkan berbaliknya arah putaran motor.

Bila kumparan magnet berputar, maka tegangan akan sebanding dengan

hasil kali fluks dan kecepatan sudut yang diinduksikan pda kumparan magnet.

Untuk fluks yang konstan, tegangan induksi eb berbanding lurus dengan

kecepatan sudut dθ/dt, atau :

eb=Kb .......................................................................(5.14)

dengan eb adalah back EMF dan Kb adalah kontanta.

Seperti yang pernah disinggung diatas, sebuah motor servo dapat berupa

sebuah motor dc, ac, atau motor dc tanpa sikat yang dikombinasikan dengan

sebuah perangkat sensor posisi. Motor servo mempunyai tiga kabel masukan

yaitu satu kabel untuk suplai tegangan, satu kabel untuk ground, dan datu kabel

untuk masukan kontrol dimana sinyal-sinyal mengaktifkan input servo untuk

berada pada posisi tertentu. Servo dapat berputar pada batas yang ditentukan yang

besarnya sekitar 180o atau lebih. Motor servo mempunyai jenis yang beragam

sesuai dengan fungsinya masing-masing, misalnya motor servo hidraulik yang

pada dasarnya merupakan penguat daya hidraulik dengan pengontrolan katup

pandu dan aktuator. Kutub pandu adalah suatu katup imbang, yang berarti bahwa

semua gaya tekan yang bekerja padanya adalah setimbang. Keluaran daya yang

sangat besar dapat dikontrol dengan katup pandu yang posisinya dapat disetel

dengan daya yang sangat kecil. Kemudian ada juga motor servo dua fasa, motor

arus searah dengan pengontrolan jangkar dan motor arus searah dengan

pengontrolan medan.

Sebuah motor servo dikendalikan dengan mengirim kepada sistem servo

tersebut sebuah “pulsa“ dengan lebar bervariasi. Parameter dari pulsa ini adalah

pada pulsa tersebut memiliki sebuah lebar minimum, sebuah lebar maksimum dan

sebuah lebar rata-rata berulang. Karakteristik motor servo yang paling penting

adalah percepatan yang dapat diperoleh. Untuk suatu torsi yang bekerja, momen

inersia motor harus minimum. Karena motor servo bekerja pada kondisi yang

selalu berubah, maka selalu terjadi percepatan dan perlambatan. Motor servo

harus mampu menyerap energi mekanik maupun membangkitkannya.

Motor servo memiliki beberapa rangkaian kontrol dan sebuah

potensiometer yang dihubungkan dengan tungkai keluaran. Potensiomotor

mengijinkan rangkaian kontrol untuk memonitor sudut pada motor servo saat itu

juga. Jika tungkai terletak pada sudut yang benar, maka motor akan diam. Jika

rangkaian kontrol menemukan bahwa sudut dari motor tidak tepat maka,

rangkaian motor akan menggerakkan motor pada arah yang benar. Potensiometer

berfungsi sebagai sensor yang mengubah perubahan mekanik menjadi tegangan

dengan prinsip pembagi tegangan. Keluaran tungkai dari motor servo mampu

untuk bergerak kesuatu arah 180o.

Sejumlah power yang disuplai ke motor adalah proporsional tergantung

pada jarak yang ditentukan untuk bergerak. Maka, jika tungkai memerlukan

putaran yang menempuh jarak jauh, motor akan berputar pada kecepatan penuh.

Jika hanya berputar pada jarak yang dekat, maka motor akan berputar dengan

kecepatan yang lebih pelan. Hal ini dinamakan kontrol proporsional.

Macam-macam Motor Servo

Motor servo mempunyai jenis yang beragam sesuai dengan fungsinya

masing-masing yaitu :

1. Motor servo hidraulik

Motor servo hidraulik pada dasarnya merupakan penguat daya dengan

pengontrolan katub pandu dan actuator. Kutub pandu adalah suatu katub imbang,

yang berarti bahwa semua daya tekan yang bekerja padanya adalah seimbang.

2. Motor servo dua fasa

Motor servo dua fasa yang sering digunakan untuk servomekanisme

instrument, adalah mirip dengan induksi dua fasa. Motor ini mengggunakan rotor

sangkar. Rotor ini mempunyai rasio diameter-panjang yang kecil untuk

memperoleh karakteristik percepatan yang baik. Dalam beberapa penerapan

praktis servomotor dua fasa digunakan pada daerah daya dari 1-100 watt.

3. Motor servo DC

Motor servo yang digunakan dalam system servo dinamakan servo motor DC.

Pada servo motor DC, rotor inersia dibuat sangat kecil yang menghasilkan motor

dengan rasio yang sangat tinggi. Pada servo motor DC, kumparan medan dapat

dihubungkan secara seri dengan jangkar magnet (armature) atau kumparan medan

tersebut dapat dipisah dari jangkar magnetnya, yang berarti medn magnet

dihasilkan secara terpisah. Bila medan magnet dihasilkan secara terpisah, maka

fluks magnet tidak tergantung pada arus jangkar magnet. Pada beberapa servo

motor DC, medan magnet dihasilkan oleh magnet permanent sehingga fluks yang

dihasilkan konstan. Servo motor DC yang seperti itu dinamakan servo motor DC

magnet permanen, sehingga fluks yang dihasilkan konstan. Servo motor dengan

dengan medan magnet yang dibangkitkan secara terpisah dan juga motor DC

magnet permanent dapat dikontrol oleh arus jangkar magnet. Dan hal ini

dinamakan control jangkar magnet servo motor DC. Jika arus jangkarnya dibuat

konstan dan kecepatan dikontrol dengan tegangan medan, motor DC tersebut

dinamakan motor DC dikontrol medan.

G. Cara Kerja Modul B3510-J

Prinsip kerja dari modul ini adalah ketika terjadi perbedaan posisi antara

post transducer dengan referensi, maka akan terjadi perbedaan tegangan yang

ditunjukkan oleh tegangan di TP1 (feedback) dan TP2 (referensi). Perbedaan

tegangan ini dapat diketahui secara langsung pada TP3 (summing node) dan

dianggap sebagai error. Error tegangan ini kemudian dikuatkan oleh OP Amp

dengan nilai gain yang dapat kita atur. Hasil keluaran Op Amp ini digunakan

sebagai pengendali daya motor DC yang dipakai di modul ini.

Motor DC digunakan sebagai penggerak post tranducer hingga dicapai

posisi dimana tidak terjadi perbedaan antara tegangan antara post tranducer dan

referensi.

H. Karakteristik Umum Servo Posisi

Prinsip kerja dari modul ini adalah ketika terjadi perbedaan posisi antara

post transducer dengan referensi, maka akan terjadi perbedaan tegangan yang

ditunjukkan oleh tegangan di TP1 (feedback) dan TP2 (referensi). Perbedaan

tegangan ini dapat diketahui secara langsung pada TP3 (summing node) dan

dianggap sebagai error. Error tegangan ini kemudian dikuatkan oleh OP Amp

dengan nilai gain yang dapat kita atur. Hasil keluaran Op Amp ini digunakan

sebagai pengendali daya motor DC yang dipakai di modul ini.

Motor DC digunakan sebagai penggerak post tranducer hingga dicapai

posisi dimana tidak terjadi perbedaan antara tegangan antara post tranducer dan

referensi.

Pada modul B3510-J, terdapat reference dan feedback generator yang

terdiri dari R3 (Resistor) dan D5 (Dioda) untuk menghasilkan level tegangan 10V

pada skala 0 – 60, dengan mengatur posisi feedback potentiometer P1 dan

reference potentiometer P2.

5.3 PENGUJIAN ALAT

5.3.1 Alat dan Bahan

1. Modul B3510-J

2. Power Supply +15 V, Ground, -15 V

3. Voltmeter digital

4. Jumper

5. Stopwatch

5.3.2 Cara kerja

5.3.2.1 Karakteristik umum dari plant servo posisi.

5.3.2.1.1 Fixed

a. Menyiapkan modul B3510-J

b. Membuat rangkaian plant seperti pada gambar

c. Menentukan set point awal dengan mode variable

d. Mengukur tegangan pada TP1(posisi awal).

e. Mengukur tegangan pada TP2.

f. Mengukur tegangan pada TP3 sambil mengubah SW1 ke mode fixed.

g. Mengukur tegangan pada TP3 setelah P1 berhenti.

5.3.2.1.2 Variable


b. Membuat rangkaian plant seperti pada gambar

c. Menentukan set point awal dengan mode variable

d. Mengukur tegangan pada TP1(posisi awal).

e. Mengukur tegangan pada TP2.

f. Mengukur tegangan pada TP3 sambil memindah posisi P2 sebagai

reference sesuai yang dikehendaki.

g. Mengukur tegangan pada TP3 setelah P1 berhenti.

h. Mengulangi percobaan untuk setiap nilai set point yang berbeda.

5.3.2.2 Loop kontrol dengan gain bervariabel


b. Membuat rangkaian plant seperti pada gambar.

c. Mengatur gain pada posisi yang diinginkan.

d. Menentukan set point awal dengan mode variable.

e. Mengukur tegangan pada TP1 (posisi awal).

f. Memindah posisi P2 sebagai reference sesuai yang dikehendaki sambil

mencatat waktu perpindahan posisi P1 sampai berhenti.

g. Mengukur tegangan TP4 yang merupakan keluaran gain.

h. Mengulangi percobaan dengan gain yang sama, posisi yang sama,

namun arah perpindahan posisi P2 dibalik.

i. Mengulangi langkah (c) sampai (h) untuk setiap gain yang berbeda (dari

gain rendah sampai gain tertinggi) sebanyak 3 variasi.

5.3.3 Data percobaan

5.3.3.1 Data Karakteristik Umum Servo Posisi

5.3.3.1.1 Fixed

Tabel 5.1 Tabel data karakteristik umum servo posisi fixed

Voutput (volt) Vinput (volt)Error (volt)

PosisiSebelum Setelah

7,08 2,98 3,6 0 0-30

5.3.3.1.2 Variable

Tabel 5.2 Tabel data karakteristik umum servo posisi variable

Voutput

( volt )

Vinput

( volt )Posisi Keluaran

Error (volt )

Sebelum Setelah

6,4 2,8 0-30 30 3,6 0

3,9 8,6 30-10 20 4,7 0

2,9 0,73 30-60 30 2,17 0

5.3.3.2 Loop Kontrol dengan Gain Bervariabel

Tabel 5.3 Tabel loop kontrol dengan gain pada posisi variable

Gain PosisiTegangan

Keluaran (volt)Waktu (s)

A20-40 6,41 49,78

40-20 4,2 44,28

B20-40 12,9 13,28

40-20 14,2 11,23

C20-40 12,9 14,06

40-20 14,2 13,24

.

5.4 ANALISA DAN PEMBAHASAN

5.4.1 Karakteristik Umum Plant Servo Posisi

Gambar 5.11 Plant Servo

TP 1 : Tegangan Feedback yang digunakan untuk membandingkan dengan

refferensi agar diketahui errornya.

TP 2 : Tegangan refferensinya yang di gunakan sebagai patokan agar

output sesuai yang di harapkan.

TP 3 : Selisih tegangan antara TP 1 dengan TP 2 (error)

TP 4 : Tegangan keluaran yang digunakan untuk mengetahui besarnya gainTP 5 : Hasil akhir / output yang sudah dihasilkan dari suatu system diatas.

K : Kontrol yang digunakan untuk mengontrol plant yang ada.

P : Merupakan hardware yang akan di control oleh controller

S : Sensor, untuk mengumpan balikkan output dan di bandingkan dengan

refferensi sehingga output akan sesuai dengan yang diinginkan.

5.4.1.1 Mode Fixed

Tabel 5.4 Tabel data karakteristik umum servo posisi fixed

Voutput (volt) Vinput (volt)Error (volt)

PosisiSebelum Setelah

7,08 2,98 3,6 0 0-30

Dari data yang terdapat pada tabel 5.4 berikut P2 (reference) sebagai

masukan diposisikan pada posisi fixed, sedang keluaran adalah post transducer

(P1) yang berjalan sampai ke posisi 30 satuan yang merupakan titik tengah dari

panjang lintasan modul yang bisa dilalui oleh P2 dan P1. Hubungan antara Vinput

dengan Voutput, dapat dilihat dari nilai tegangan yang terukur pada summing node

(TP3). TP 3 merupakan error, dimana besarnya error adalah tegangan keluaran

dikurangi dengan masukan.

TP2 TP3 TP4 TP5

TP1

K P

S

Pada percobaan ini nilai yang terukur pada masukan pada posisi fixed

adalah 2,98 V dan tegangan keluaran adalah 7,08 V. Secara teoritis untuk

mendapakan nilai error dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :

Error = Voutput - Vinput .............................................................(5.15)

karena, Vinput = 2,98 V dan Voutput = 7,08 V, maka

Error = Voutput – Vinput

= 7,08 V – 2,98 V = 4,10 V

Dari perhitungan di atas diketahui nilai error yang terjadi sebesar 4,10 V, dimana

menunjukkan nilai error tegangan. Hal ini telah sesuai dengan data nilai error

tegangan hasil percobaan.

Pada percobaan terlihat bahwa sistem berusaha memperkecil error. Error

awal (TP3 sebelum) = 4,10 V diperkecil hingga menjadi error akhir (TP3 setelah)

= 0 V. Sistem melakukan ini agar output sistem sama dengan input yang

diinginkan.

Pada percobaan karakteristik umum servo posisi dengan SW1 pada posisi

fixed ini, ketika P1 semula pada posisi sembarang kecuali dititik tengah lintasan

(posisi fixed itu sendiri), kemudian jika dijalankan pada posisi SW1 fixed, P1 akan

selau berhenti pada posisi fixed (dalam plant yang digunakan adalah posisi 30

satuan) sesuai dengan setting-an plant dari pabrik pembuatnya. Jadi ketika P2

digeser, kedudukan P1 tidak akan berubah.

Pada percobaan ini juga menunjukkan penggunaan close loop sebagai

berikut :

output

Gambar 5.11 Close loop

-+ Error

inputPlantKontroller Plant

Sensor

Pada percobaan karakteristik servoposisi mode fixed menggunakan system

close loop, sehingga keluaran system digunakan sebagai acuan dalam

pengontrolan system. Keluaran dari servoposisi ini merupakan posisi yang kita

inginkan. Sedangkan masukan sistem ini berupa tegangan referensi yang

diinginkan.

5.4.1.2 Variable

Dari data yang terdapat pada tabel 5.2 berikut P2 (reference) digunakan

sebagai masukan sedang keluarannya adalah post transducer (P1) yang akan

berjalan dan akan dihitung posisi satuannya.

Tabel 5.5 Tabel data karakteristik umum servo posisi variable

Voutput (volt)

TP 1

Vinput (volt)

TP 2Posisi Keluaran

Error (volt )

Sebelum Setelah

6,4 2,8 0-30 30 3,6 0

3,9 8,6 30-10 20 -4,7 0

2,9 0,73 30-60 30 2,17 0

Ketika SW1 diubah ke variable, maka posisi akhir P1 akan selalu sama

dengan posisi P2 (reference) yang diatur. Inilah yang membedakan antara SW1

diset fixed atau variable, seperti yang akan di bahas pada analisis karakteristik

umum servo posisi untuk kondisi SW1 diset pada kondisi variable.

Dari tabel 5.5, terlihat bahwa terdapat error yang bernilai negatif , ini

terjadi karena terdapat nilai Voutput (TP2) yang lebih besar daripada Vinput

(TP1). Pada sistem perbedaan pada error sebelum (TP 3) menunjukkan perubahan

posisinya. Nilai error akan negatif jika sistem bergerak dari kanan ke kiri

sedangkan error positif karena sistem bergerak dari kiri ke kanan.

Pada percobaan dapat terlihat hubungan antara pergerakan posisi sistem

dengan tegangan keluaran. Untuk nilai tegangan masukan TP2 (reference) yang

terukur pada Voltmeter sebesar 2,8 V posisi P1 bergerak dari kiri ke kanan (0 ke

30), nilai tegangan keluarannya 6,4 V . Pada saat TP2 bernilai 8,6 V, P1 bergerak

dari kanan ke kiri (30 ke 10) dan tegangan keluaran bernilai 3,9 volt. Sedangkan

saat TP2 bernilai 0,73 V, posisi P1 bergerak dari kiri ke kanan (30 ke 60) dan

tegangan keluaran bernilai 2,9 V. Jadi, dapat dilihat bahwa jika P1 bergerak dari

kiri ke kanan maka sistem akan memberikan nilai tegangan keluaran yang

semakin besar karena nilai tegangan keluaran merupakan penjumlahan dari nilai

tegangan masukan dan nilai error, dengan polaritas tegangan masukan seluruhnya

positif. Namun, pada data hasil percobaan, saat TP2 bernilai 0,73 V dan posisi P1

bergerak dari kiri ke kanan (30 ke 60), tegangan keluaran bernilai 2,9 V, yang

seharusnya tegangan keluaran semakin besar nilainya. Perbedaan ini disebabkan

kurangnya ketelitian dalam melakukan pengamatan dan pengambilan data

percobaan tersebut.

Posisi P1 juga selalu mengikuti P2, kemudian berhenti jika P1 sama

dengan P2. Hubungan TP1, TP2 dan TP3 dapat dilihat dari parameter

tegangannya, yaitu tegangan TP2 sebagai masukan (V input), tegangan TP1 sebagai

keluaran (Voutputt), dan TP3 (summing node) sebagai selisih tegangan atau error,

yang dapat dicari dengan persamaan sebelumnya.

Pada sistem terlihat bahwa besar keluaran berbanding lurus dengan besar

error , ini dikarenakan error merupakan selisih antara masukan dan keluaran dari

sistem itu sendiri.

Pada percobaan variasi pertama, nilai yang terukur pada masukan pada

posisi variabel adalah 2,8 V dan tegangan keluaran adalah 6,4 V. Secara teoritis

untuk mendapakan nilai error dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :

Error = Voutput - Vinput .............................................................(5.15)

Variasi TP1 = 6,4 V dan TP2 = 2,8 V

Vinput = 2,8 V dan Voutput = 6,4 V, maka


= 6,4 V – 2,8 V = -3,6 V

Variasi TP1 = 3,9 V dan TP2 = 8,6 V



= 3,9 V – 8,6 V = -4,7 V

Variasi TP1 = 2,9 Vdan TP2 = 0,73 V



= 2,9 V – 0,73 V = 2,17 V

Pada percobaan pertama pada saat masukan (reference) digeser ke kanan

menuju ke posisi skala 30, maka seketika itu pula motor DC akan mulai berputar

akibat dari tegangan masukan yang diberikan. Perputaran motor DC tersebut

menghasilkan pergeseran pada feedback menuju posisi yang ditunjukkan

reference. Pada saat reference digeser dari kanan ke kiri akan terjadi hal yang

sama. Akan tetapi tegangan masukan pada pergeseran dari kanan ke kiri berbeda

dengan tegangan masukan pada pergeseran dari kanan ke kiri untuk variasi

pergeseran yang sama. Hal tersebut terjadi karena pada pergeseran dari kanan ke

kiri (dari tinggi ke rendah) masih terdapat tegangan sisa, sehingga tegangan

masukannya akan lebih besar untuk variasi pergeseran yang sama.

Dari data yang ada dapat dilihat bahwa untuk setiap pergeseran ke kanan

maka tegangan masukannya semakin kecil dan setiap pergeseran ke kiri maka

tegangan masukan yang diperoleh akan semakin besar.

5.4.2 Loop Kontrol Gain Mode Variabel

Tabel 5.6 Hasil perhitungan Gain (variabel)

Gain PosisiTegangan

Keluaran (volt)Waktu (s)

A20-40 6,41 49,78

40-20 4,2 44,28

B20-40 12,9 13,28

40-20 14,2 11,23

C20-40 12,9 14,06

40-20 14,2 13,24

Percobaan kedua adalah Loop Kontrol dengan Gain. Sebagai masukan

yang digunakan adalah summing node (TP3), dan keluaran adalah loop amplifier

(TP4). TP4 adalah tegangan keluaran yang digunakan untuk menyelidiki besarnya

gain.

Gain I adalah gain minimum untuk posisi 20 ke 40 bernilai 6,41 V dan

untuk posisi 40 ke 20 bernilai 4,2 V dan Gain diputar pada posisi paling

kiri.

Gain II adalah gain medium untuk posisi 20 ke 40 bernilai 12,9 V untuk

posisi 40 ke 20 bernilai 14,2 V dan Gain diputar pada posisi tengah.

Gain III adalah gain maximum untuk posisi 20 ke 40 bernilai 12,9 V dan

untuk posisi 40 ke 20 bernilai 14,2 V dan Gain diputar pada posisi paling

kanan.

Jika kita lihat hubungan antara gain dan waktu, secara teoritis semakin

besar gain, waktu yang diperlukan oleh P1 akan semakin singkat, sehingga nilai

gain berbanding terbalik dengan waktu. Makin besar gain maka waktu P1

mencapai set point semakin singkat. Hal ini disebabkan karena semakin besar

tegangan maka energi yang dibutuhkan semakin besar.

Kondisi akhir dari kedua mode SW1 pada percobaan kedua ini ternyata

sama-sama memberikan kenyataan bahwa untuk perpindahan dengan jangkauan

yang sama dan parameter masukan yang sama, ternyata memberikan nilai yang

berbeda. Hal ini disebabkan adanya error, seperti ditunjukkan pada perbedaan

hasil pengukuran dengan Voltmeter. Error juga bisa terjadi karena post transducer

bergerak tidak tepat sampai ke titik yang sama dengan reference.

Berikut gambar diagram blok yang ditambah gain:

output

Gambar 5.12 Close loop Gain

-+ Error

input Plant G Plant

Sensor

Dari gambar close loop gain di atas dapat diketahui bahwa gain (G) dapat

menguatkan error. Sehingga mempercepat tercapainya keluaran sistem yang

diinginkan.

Untuk menghitung gain Av, atau perolehan tegangan dilakukan dengan

membandingkan nilai tegangan masukan

Av = Voutput : Vinput....................................................................(5.21)

Dari tabel di atas diketahui bahwa hubungan antara gain dengan waktu

adalah berbanding terbalik. Semakin besar nilai gain maka semakin kecil /

singkat waktu yang diperlukan P1 untuk mencapai set point begitu juga

sebaliknya. Jadi nilai gain berbanding terbalik dengan waktu. Hal ini dapat

digambarkan sebagai berikut

Gambar 5.13 Grafik ideal hubungan waktu dan gain

Gambar 5.14 Grafik ideal hubungan kecepatan dan gain

Bentuk grafik diatas, menggambarkan hubungan antara kecepatan

dengan gain. Dimana semakin besar gain yang ada maka akan

menghasilkan kecpetan yang semakin tinggi. Hal ini dikarenakan waktu

yang diperlukan bila gain besar maka waktu akan semakin lebih sedikit

sehingga bisa terlihat kecepatannya akan besar. Karena hubungannya

kecepatan dengan waktu adalah berbanding lurus.

5.4.3 Aplikasi Motor Servo Pada Robot Berkaki

Waktu (s)

gain

gain

Kecepatan (s)

Di zaman yang semakin canggih ini, teknologi robotika dianggap sebagai

potensi besar untuk membantu manusia dalam mengerjakan berbagai macam

tugas. Dalam hal ini motor servo digunakan dalam robot berkaki KRCI, motor

servo digunakan utntuk menggerakkan kaki untuk jalannya robot.

Berikut skema cara kerja pengendalian jalan kaki robot servo :

1. Sebuah robot berkaki yang berfungsi untuk melakukan gerakkan dan

memberikan gaya terhadap robot.

2. Robot yang berkaki memiliki sendi yang digunakan untuk jalannya

robot agar jalannya halus layaknya makhluk hidup.

3. Pada saat robot berada pada sebuah arena dengan jalan yang dibatasi

oleh dinding, maka robot itu akan mengatur jalannya sendiri dengan

sensor ultrasonic yang ada.

4. Saat sensor ultrasonic mendeteksi ada halangan disamping di depan

maupun di belakang, maka nanti program akan mengatur servo

sedemikian sehingga robot tersebut bisa berjalan dengan lancar tanpa

mengenai halangan / pembatas yang ada.

5.5 Penutup

5.5.1 Kesimpulan

1.Hubungan antara gain dan waktu adalah berbanding terbalik. Semakin

besar gain maka waktu yang diperlukan untuk mencapai set poin

semakin kecil, begitu pula sebaliknya. Hal ini disebabkan karena

semakin besar tegangan maka energi yang dibutuhkan semakin

besar.

2.TP2 adalah tegangan yang menunjukkan nilai dari tegangan reference

dan TP1 adalah nilai tegangan feedback. Sementara TP3 adalah

tegangan summing node yang menunjukkan besarnya error

(perbedaan tegangan) antara TP1 dan TP2.

3.Pada percobaan mode fixed terlihat bahwa sistem berusaha

memperkecil error. Error awal (TP3 sebelum) diperkecil hingga

menjadi error akhir (TP3 setelah). Sistem melakukan ini agar output

sistem sama dengan input yang diinginkan.

4.Prinsip kerja dari servo posisi adalah pendeteksian error terhadap 2

titik yaitu reference dan feedback yang kemudian dikuatkan untuk

memberi masukan bagi motor penggerak. Motor penggerak ini

menggerakkan post transducer yang besarnya sebanding dengan nilai

error hingga posisi dimana nilai error mendekati nol.

5.Mode Fixed merupakan mode untuk menunjukkan titik tengah

lintasan dari modul ketika P1 semula pada posisi sembarang kecuali

dititik tengah lintasan (posisi fixed itu sendiri), kemudian jika

dijalankan pada posisi SW1 fixed, P1 akan selau berhenti pada posisi

fixed (dalam plant yang digunakan adalah posisi 30 satuan)

sedangkan mode Variable adalah mode yang mengikuti referensi

pada modul pada saat masukan (reference) digeser ke kanan menuju

ke posisi skala 30, maka seketika itu pula motor DC akan mulai

berputar akibat dari tegangan masukan yang diberikan. Perputaran

motor DC tersebut menghasilkan pergeseran pada feedback menuju

posisi yang ditunjukkan reference.

6. Kecepatan akan semakin tinggi karena penambahan gain yang

terjadi, seperti yang terlihat pada gambar 5.14

5.5.2 Saran

1. Sebaiknya laboratorium praktikum diperbesar dan kursinya diperbanyak

agar praktikum lebih nyaman

2. Pemasangan rangkaian percobaan dilakukan dengan teliti untuk

menghindari kesalahan. Untuk mengamati hasil pengukuran sebaiknya

dilakukan dengan lebih hati-hati dan lebih teliti.

3. Sebaiknya waktu praktikum melihat jadwal kuliah praktikan agar tidak

terjadi tabrakan jadwal.

DAFTAR PUSTAKA

1. Lab TKO. Modul Praktikum DSK 2006.

2. Ogata, Katsuhiko. Teknik Kontrol Otomatik Jilid 1. 1984. Mc Graw. Hill

kontrol servoposisi

Documents

Transcript of kontrol servoposisi