MENGAMATI KARAKTERISTIK MOTOR DC

ANGGOTA KELOMPOK :

(0922081) LINDA

(0922058) WILLIAM

(0922081) FEBRYAN SETIAWAN

Motor DC adalah suatu komponen yang dapat mengubah energy listrik (berasal dari sumber DC) yang mengalir di dalamnya menjadi energy mekanik berdasarkan prinsip medan elektromagnetik.

LAPORAN PROYEKKOMPONEN SISTEM KONTROL

MENGAMATI KARAKTERISTIK AKTUATOR MOTOR DC

AnggotaKelompok :0922047 – Linda

0922058 – William0922081 – Febryan Setiawan

JURUSAN TEKNIK ELEKTROFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS KRISTEN MARANATHABANDUNG

2011I.LANDASAN TEORI

1. Motor DC

Pendahuluan Motor DCMotor DC dapatberfungsisebagai motor apabiladidalam motor listriktersebutterjadi proses konversidarienergilistrikmenjadienergimekanik. Motor DC itusendirimemerlukansuplaitegangan yang searahpadakumparanjangkardankumparanmedanuntukdiubahmenjadienergimekanik. Pada motor dc kumparanmedandisebut stator (bagian yang tidakberputar) dankumparanjangkardisebut rotor (bagian yang berputar).

Bagian – Bagian Motor DC

1. Badan MesinBadan mesin ini berfungsi sebagai tempat mengalirnya fluks magnet yang dihasilkan kutub magnet, sehingga harus terbuat dari bahan ferromagnetik.Fungsi lainnnya adalah untuk meletakkan alat-alat tertentu dan mengelilingi bagian-bagian dari mesin, sehingga harus terbuat dari bahan yang benar-benar kuat, seperti dari besi tuang dan plat campuran baja.

2. Inti kutub magnet dan belitan penguat magnet Inti kutub magnet dan belitan penguat magnet ini berfungsi untuk mengalirkan arus listrik agar dapat terjadi proses elektromagnetik. Adapun aliran fluks magnet dari kutub utara melalui celah udara yang melewati badan mesin.

3. Sikat-sikatSikatsikat ini berfungsi sebagai jembatan bagi aliran arus jangkar dengan bebas, dan juga memegang peranan penting untuk terjadinya proses komutasi.

4. Komutator

Komutator ini berfungsi sebagai penyearah mekanik yang akan dipakai bersama-sama dengan sikat. Sikat-sikat ditempatkan sedemikian rupa sehingga komutasi terjadi pada saat sisi kumparan berbeda.

5. JangkarJangkar dibuat dari bahan ferromagnetic dengan maksud agar kumparan jangkar terletak dalam daerah yang induksi magnetiknya besar, agar ggl induksi yang dihasilkan dapat bertambah besar.

6. Belitan jangkarBelitan jangkar merupakan bagian yang terpenting pada mesin arus searah, berfungsi untuk tempat timbulnya tenaga putar motor.

Selain itu, motor juga mempunyai 2 jenis, brush dan brushless type

Motor DC standart (brush type), jenis ini terbagi lagi menjadi 3, yaitu:

- Iron core, jenis ini adalah motor dc konvensional- Disk, tidak memilik inti besi (iron core), inersi motor kecil sehingga

menghasilkan percepatan yang tinggi akan tetapi motor jenis ini akan lebih mahal

- Cup, motor yang menghasilkan torsi tinggi, inersi yang kecil, dan percepatan yang tinggi. Motor jenis ini umumnya digunakan pada aplikasi yang membutuhkan daya rendah

Motor DC brushless-type, keunggulan motor ini dibanding dengan motor dc brush-type, antara lain:

- Memiliki effiensi yang lebih tinggi, karena menghilangkan drop tegangan oada sikat dan gesekan sikat

- Noise lebih ekcil, karena tidak terjadi gesekan antara sikat dan komutator

- Kecepatan lebih tinggi, karena tidak terdapat batasan mekaik akibat sikat dan komutator

- Dapat mengurangi biaya pemeliharaan

- Berkurang ukuran dan berat

Coreless atau Motor tanpa inti magnet

Tidak ada dalam prinsip salah satu motor di atas mengharuskan besi (baja) bagian dari rotor memutar sebenarnya. Jika bahan magnetik lunak dari rotor dibuat dalam bentuk silinder, maka (kecuali untuk efek histeresis) torsi diberikan hanya pada gulungan dari elektromagnet. Dari fakta ini, keuntungan yang bisa diambil adalah tanpa inti atau ironless DC motor merupakan suatu bentuk khusus dari brush atau brushless DC motor. Dioptimalkan untuk akselerasi yang cepat, motor ini memiliki rotor yang dibangun tanpa inti besi. Rotor dapat mengambil bentuk lilitan silinder, atau struktur yang hanya terdiri dari kawat magnet dan bahan yang menyatu. Rotor bisa muat di dalam magnet stator, sebuah silinder stasioner magnetis lunak di dalam rotor menyediakan jalur kembali untuk fluks magnet stator. Sebuah pengaturan kedua memiliki keranjang lilitan rotor magnet stator sekitar.Dalam desain itu, rotor cocok di dalam sebuah silinder magnetis lunak yang dapat berfungsi sebagai “rumah” bagi motor, dan juga menyediakan jalur kembali untuk fluks.Karena rotor jauh lebih ringan dalam berat (massa) dari rotor konvensional yang dibentuk dari tembaga windings pada baja laminasi, yang dapat mempercepat rotor lebih cepat, sering mencapai waktu mekanis konstan di bawah 1 ms. Hal ini terutama berlaku jika gulungan menggunakan aluminium daripada tembaga lebih berat. Tetapi karena tidak ada massa logam pada rotor untuk bertindak sebagai penyerap panas, bahkan tanpa biji kecil motor harus sering didinginkan oleh udara paksa. Overheating mungkin menjadi masalah untuk desain motor DC tanpa biji.

-Terkait terbatas-perjalanan aktuator tidak memiliki inti dan kumparan terikat ditempatkan antara kutub tinggi fluks magnet permanen tipis. Ini adalah kepala positioner cepat untuk drive-disk kaku ("hard disk"). Meskipun desain kontemporer berbeda jauh dari yang pengeras suara, masih longgar (dan salah) disebut sebagai "voice coil" struktur, karena beberapa sebelumnya kaku-disk-drive kepala pindah dalam

garis lurus, dan memiliki struktur drive yang mirip dengan pengeras suara.

Hal-hal dasar yang dapat menurunkan efisiensi kerja motor DC

1. Kelebihan supplay tegangan kerja dari batas maksimum motor DC2. Pemanasan terhadap mesin sehingga akan menaikkan temperatur

motor 3. Pembebanan diluar maksimum motor

2. TIMER

Rangkaian di dalam IC Timer 555 adalahsebagaiberikut

PenjelasanFungsiKonfigurasidari Pin – Pin IC Timer 555Pin 1: Terminal GROUND: Semua tegangan diukur sehubungan dengan terminal ini.

Pin 2: Terminal TRIGGER: Pin ini merupakan masukan pembalik untuk sebuah komparator yang bertanggung jawab untuk transisi dari flip-flop dari mengatur untuk me-reset. Output dari timer tergantung pada amplitudo dari pulsa memicu eksternal diterapkan pada pin ini.

Pin 3: Terminal Output: Output dari timer tersedia pada pin ini. Ada dua cara di mana beban dapat dihubungkan ke terminal output baik antara pin 3 dan pin tanah (pin 1) atau antara pin 3 dan pin pasokan (pin 8). Beban terhubung antara pin 3 dan pin tanah pasokan disebut normal pada beban dan yang terhubung antara pin 3 dan pin ground disebut beban normal-mati.

Pin 4: Terminal Reset: Untuk menonaktifkan atau me-reset timer pulsa negatif diterapkan pada pin ini karena yang disebut sebagai ulang terminal. Ketika pin ini tidak digunakan untuk tujuan me-reset, itu harus dihubungkan ke VCC + untuk menghindari kemungkinan memicu palsu.

Pin 5: Kontrol Terminal Tegangan: Fungsi dari terminal ini adalah untuk mengontrol ambang dan memicu tingkat. Jadi baik tegangan eksternal atau pot terhubung ke pin ini menentukan lebar pulsa dari gelombang keluaran. Tegangan eksternal diterapkan pada pin ini juga dapat digunakan untuk memodulasi gelombang keluaran. Ketika pin ini tidak digunakan, itu harus terhubung ke tanah melalui mikro Farad 0,01 untuk menghindari masalah kebisingan.

Pin 6: Terminal Threshold: Ini adalah non-pembalik komparator masukan terminal 1, yang membandingkan tegangan yang diberikan ke terminal dengan tegangan referensi 2 / 3 VCC. Amplitudo dari tegangan yang diberikan ke terminal ini bertanggung jawab untuk negara set flip-flop.

Pin 7: Terminal Discharge: Pin ini terhubung secara internal untuk kolektor

dari transistor dan sebagian besar kapasitor dihubungkan antara terminal dan tanah. Hal ini disebut terminal debit karena saat transistor jenuh, discharge kapasitor melalui transistor. Saat transistor cut-off, biaya kapasitor pada tingkat ditentukan oleh resistor eksternal dan kapasitor.

Pin 8: Terminal Supply: Sebuah tegangan suplai + 5 V untuk + 18 V diterapkan pada terminal ini dengan hormat ke tanah (pin 1).

3. PWM

PWM merupakan suatu teknik dalam mengatur kerja suatu peralatan yang memerlukan arus pull in yang besardan untuk menghindari disipasi daya yang berlebihan dari peralatan yang akan dikontrol.

PWM juga merupakan suatu metoda untuk mengatur kecepatan perputaran motor dengan cara mengatur prosentase lebar pulsa high terhadap perioda dari suatu sinyal persegi dalam bentuk tegangan periodik yang diberikan ke motor sebagai sumber daya. Semakin besar perbandingan lama sinyal high dengan perioda sinyal maka semakin cepat motor berputar.

Sinyal PWM dapatdibangun dengan banyak cara, dapat menggunakan metode analog menggunakan rankaian op-amp atau dengan menggunakan metode digital. Dengan metode analog setiap  perubahan PWM-nya sangat halus, sedangkan menggunakan metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi dari PWM itu sendiri. Misalkan PWM digital 8 bit berarti PWM tersebut memiliki resolusi 2 pangkat 8 = 256, maksudnya nilai keluaran PWM inimemiliki 256 variasi, variasinya mulai dari 0 – 255 yang mewakiliduty cycle 0 – 100% dari keluaran PWM tersebut.

Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut.Misalkan suatu PWM memiliki  resolusi  8 bit berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 2 pangkat 8 = 256 variasi mulai dari 0 – 255 perubahan nilai. Compare adalah nilai pembanding. Nilai ini merupakan nilai referensi duty cycle dari PWM tersebut.Nilai compare bervariasi sesuai dengan resolusi dari PWM.

Perhitungan duty cycle PWM

Dengan cara mengatur lebar pulsa “on”  dan  “off”  dalam satu perioda gelombang melalui pemberian besar sinyal referensi  output  dari suatu PWM akan didapat duty cycle yang diinginkan. Duty cycledari PWM dapat dinyatakan sebagai Ton DUTY CYCLE = x100% -------------------------------(3.1) Ton+Toff

Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka motor akan mendapat tegangan 100V. pada  duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya  akan diberikan 50% dari total tegangan yang ada, begitu seterusnya.

Perhitungan Pengontrolan tegangan output motor dengan metode PWM

Dengan menghitung duty cycle yang diberikan, akandidapat tegangan output yang dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada gambar.

---------------------------(3.2)

Average voltage merupakan tegangan output pada motor yang dikontrol oleh sinyal PWM. a adalah nilai  duty cycle saatkondisi sinyal  “on”. b adalahnilai  duty cycle saat kondisi sinyal “off”. V full adalah tegangan maximum pada motor.Dengan menggunakan rumus diatas, maka akan didapatkan tegangan output sesuai dengan sinyal kontrol PWM yang dibangkitkan.

Rangkaian PWM yang digunakan dalam Proyek ini adalah sebagai berikut

PERCOBAAN PROYEK MOTOR DC

II.ALAT – ALAT YANG DIGUNAKAN

- 1 buah IC 555 (timer) - 1buah Motor DC

- 3 buahDioda- Capitbuaya

- 2 buahkapasitor 100nF - Hioki Tachometer

- 1 buahkapasitor- Breadboard

- 1 buahpotensio 250Kω - MOSFET

- 2 buah power supply 5V - 1 buah resistor 10kΩ

III.DATA PENGAMATAN

TABEL PENGAMATAN DUTY CYCLE (RANGKAIAN PWM) DAN KECEPATAN PUTARAN MOTOR (DENGAN MENGGUNAKAN TACHOMETER)

No Ton (ms) Toff(ms) Potensio (Ω) Rpm Duty Cycle

1 0 20 1.9 0 0%2 5 15 33.60k 147.5 25%3 10 10 81.9k 162.08 50%4 15 8 124.6k 169.65 65%5 20 5 172.1k 172.47 80%6 22 0 218.7k 175.89 100%

Note: Duty Cycle= [Ton / (Ton + Toff)] x 100%

IV.ANALISA DATA

Konversi RPM to rad/s

1 putaran = 2π rad

1 rad = 1/2π putaran

1 rad/s = 60/2π putaran per menit

MencariFrekuensijikadiketahuiKecepatanSudut

f = ω/2π ;dengan ω adalahkecepatansudutdalam radian / second

TABEL 4.1 MENCARI FREKUENSI

No Rpm Kecepatansudut (ω)

Rad/s

Frekuensi (Teori)

Hz

Perioda(ms)

Freq (praktek)

Hz

1 0 ω1= 0 f1=0 0 02 147.5 ω2=15.45 f2=24.3 111.8

48.94

3 162.08

ω3=16.97 f3=26.7 571.3 1.75

4 169.65

ω4=17.77 f4=27.9 205.2 4.87

5 172.47

ω5=18.06 f5=28.4 381 2.62

6 175.89

ω6=18.42 f6=28.9 370.7 2.7

PERHITUNGAN MENCARI FREKUENSI

Untuk memudahkan pengamatan, maka akan dibuatgrafiknya:

-Duty Cycle terhadap RPM

-Hambatanterhadap RPM

-Frekuensi motor saatberputarterhadap RPM

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000%

50%

100%

150%

Grafik Duty Cycle terhadap RPM

Kecepatan Sudut (Rpm)

DU

TY C

YCLE

(%

)

GRAFIK 1

ω1= 0 rad/s f1 = 0 Hz

ω2= (147.5)*(2π/60) = 15.45 rad/sf2 = (15.45/2)*π = 24.3 Hz

ω3= (162.08)*(2π/60) = 16.97 rad/sf3 = (16.97/2)*π = 26.7 Hz

ω4= (169.65)*(2π/60) = 17.77rad/sf4 = (17.77/2)*π = 27.9 Hz

ω5 = (172.47)*(2π/60)

= 18.06rad/sf5 = (18.06/2)*π = 28.4 Hz

ω6 = (175.89)*(2π/60) = 18.42 rad/sf6 = (18.42 /2)*π

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

50100150200250

Grafik Hambatan terhadap RPM

Kecepatan Sudut (Rpm)

HAM

BATA

N (

kΩ)

GRAFIK 2

0 40 80 120 160 2000

2040

Grafik Frekuensi terhadap Duty Cycle

TeoriPraktek

Kecepatan Sudut (Rpm)

Frek

uens

i (H

z)

GRAFIK 3

Untuk Grafik 1 dan 2 :

Duty cycle dan hambatan berubah secara eksponensial terhadap kecepatan sudut (dalam rpm). Ini mempunyai artian dengan perubahan duty cycle yang konstan maka perubahan kecepatan sudut semakin lama kenaikannya dari sebelumnya tidak terlalu signifikan. Ini juga membuktikan hubungan antara dutycycle dan hambatan berbanding lurus terhadap kecepatan sudut.

Perhitungan Mencari Average Voltage dengan menggunakan persamaan (3.2)

V full No

Ton(ms)

Toff(ms)

Average Voltage (V)[Ton/(Ton+Toff)]xVfull

Average voltage (V)

[Praktek]

5V

1 0 20 0 02 5 15 1.25 3.013 10 10 2.5 3.774 15 8 3.26 4.255 20 5 4 4.456 22 0 5 4.56

0% 20% 40% 60% 80%100%

120%

0123456

TeoriPraktek

GRAFIK 4

MenghitungFrekuensiKeluarandari Pin 7 (Discharge) melalui Data PengamatanPeriodaSinyalKotak

f= 1/T

dimana T = Ton + Toff

Untuk Grafik 3 dan 4:

Melalui perhitungan (mengubah dari rpm menjadi rad/s) kita dapat menghitung frekuensi putaran motornya. Dapat kita lihat (secara teori) hubungan kecepatan sudut dan frekuensi adalah linier. Namun, sayangnya frekuensi yang didapat secara praktek lumayan jauh berbeda dan telihat tidak stabil (tidak liniear). Ini mungkin disebabkan oleh cara kerja motor yang memperlambat dengan memberhentikan si motor. Sehingga dari data yang didapat terlihat frekuensi dan kecepatannya berubah-ubah untuk mendapatkan set pointnya. Dengan adanya error, pengamat tidak dapat mengambil data frekuensi yang stabil. (pada tachometer pembacaan periodanya selalu berubah-ubah)

V.KESIMPULAN

Untuk motor DC, frekuensi dan tegangan output menjadi tidak linier disebabkan oleh error pada saat motor dc diset untuk mencapai setpoint nya.

Rangkaian PWM salah satu aplikasinya adalah Motor Driver yang

prinsip kerjanya menggunakan Duty Cycle.

Dengan menggunakan PWM maka tegangan yang masuk ke

Motor DC dapat kita atur sesuai dengan kebutuhan kita sehingga

kecepatan putaran motor dapat kita atur juga.