Prosiding SENTIA 2009 Politeknik Negeri Malang

E-42

Aplikasi Fuzzy Logic Sebagai Kontrol Posisi Motor DC

Totok Winarno

Fakultas Pasca Sarjana , Jurusan Teknik Elektro, Universitas Brawijaya

e-mail : totokwinarno@yahoo.com

ABSTRAK

Pada artikel ini membahas kendali posisi dari suatu DC motor menggunakan Logika Fuzzy, Kendali fuzzy logic

diimplementasikan pada komputer dan algoritma kendali dirancang menggunakan program Labview , dan melihat kondisi yang riil dari posisi kendali DC motor. Pengaturan posisi gerak motor dilakukan dengan

mengatur tegangan motor dan menggunakan metode Pulse Width Modulation(PWM).

Feedback sistemnya adalah sinyal frekuensi dari tacho dan sinyal frekuensi ini diubah menjadi tegangan untuk

diinputkan pada komputer melalui ADC. Sistem fuzzy logic mempunyai 2 crisp input yaitu error dan perubahan

error posisi motor dan mempunyai 1 crisp output yaitu perubahan tegangan. Metode defuzzifikasi yang

digunakan adalah metode center of area. Jumlah label dari membership function 7 label. Respon sistem

ditampilkan dalam bentuk grafik sudut posisi motor terhadap waktu. Hasil pengujian menunjukkan membership

function dengan bentuk segitiga dan defuzzifikasi center of area dapat memberikan hasil yang baik. Pada

percobaan membandingkan kendali PID dengan FLC, dan hasilnya memperlihatkan bahwa tanggapan DC motor

dengan Control Fuzzy Logic (FLC) mampu memberikan peforma yang baik.

Kata Kunci : Aplikasi Fuzzy Logic, Fuzzy Inference, Motor DC

I. Pendahuluan

Ada banyak jenis dc servo motor yang digunakan

dalam industri dengan rotor inersia sangat kecil, dan

dalam hal ini, motor dengan tenaga putaran sangat

tinggi untuk perbandingan inersia yang bervariasi

secara komersial telah tersedia [ 1]. Servo sistem

biasanya dikendalikan oleh ProportionalIntegral Derivative ( PID) karena merancangnya dengan

mudah, biaya yang rendah, pemeliharaan murah dan efektivitasnya baik [ 2].

Hanya disini diperlukan untuk mengetahui model

matematika dari system atau membuat beberapa

eksperimen untuk penyetelan (tunning) parameter

PID. Bagaimanapun, telah diketahui bahwa

pengontrol konvensional PID biasanya tidak bekerja

dengan baik untuk system non-linear, dan pada

system yang rumit dan kompleks, tidak punya model

matematika yang tepat.

Kesulitan ini dapat diatasi dengan menggunakan

FLC karena keuntungan utama kendali FLC adalah bahwa tidak diperlukan model matematika.

II. Tinjauan Pustaka

Sejak software Labview dibangun, software ini

dapat digunakan menjalankan (simulasi) system

kendali Motor DC servo untuk algoritma Fuzzy

maupun PID.

Program Labview digunakan dalam rangka

pengembangan system perangkat lunak. Semua

perubahan kendali (control) dari sistem dapat diamati di dalam waktu riil dan juga pemakai dapat

memerintahkan adanya perubahan yang bisa

diterima sepanjang proses berlangsung.

2.1. DC Motor Model and Parameters

DC servo motor yang digunakan dalam

perencanaan ini adalah DC servo motor yang

menggunakan permanen magnet. Alasan pemilihan

DC servo motor tipe ini adalah kemudahan dalam

pengontrolan dengan menggunakan pengaturan tegangan DC.

Gambar 1. System Control Posisi Motor DC

FLC Computer

dan Software

Power

Amplifier

Encoder

Rotary

Driver

Motor

Converter

F ke V

A to D

Converter

r

D to A

Converter

r

Actual

Setpoint

Prosiding SENTIA 2009 Politeknik Negeri Malang

E-43

Medan stator motor jenis ini dihasilkan oleh

magnet permanen bukan electromagnet, motor

mempunyai kurva kecepatan torsi yang linier dalam

jangka yang lebar. Penggunaan magnet permanen

tidak membutuhkan daya listrik untuk menghasilkan

medan stator, sehingga daya dan pendinginan yang

diperlukan lebih rendah dibandingkan motor yang

menggunakan elektromagnet. Perubahan kecepatan

motor dapat dengan mudah diatur dengan cara

mengubah-ubah besarnya tegangan DC yang diberikan pada motor.

DC servo motor yang digunakan. mempunyai

parameter berikut,

Torque Constant (KT) : 45.9 x 10-3Nm/A

Back EMF constant (KE):45.9 x 10-3V/rad/s

Resistance (RT):4.62 Inductance (L): 3.97mH

No load Current (INL): 0.13A Peak Current (IP):6.55A

Rotor inertia (J) : 5.98 x 10-4oz-in/sec2

Model matematika system diperoleh sebagai berikut

[ 5]

DC servo motor memiliki beberapa keunggulan,

yaitu :

Bentuknya kompak, ringan dan berdaya kerja tinggi

Dapat bekerja pada daerah atau tempat yang kurang baik

Kecepatan maksimum yang sangat tinggi Biaya perawatan mudah

DC servo motor ini mempunyai fasilitas optical

encoder yang menjadi satu dengan body motor dan

ikut berputar pada saat motor berputar. Encoder ini

berfungsi sebagai feedback untuk pengontrolan close

loop.

2.2. Rangkaian ADC dan DAC

Rangkaian ADC yang berfungsi sebagai

konverter dari besaran analog ke besaran digital,

rangkaian ADC ini menerima input SP (Setting

point) pada channel 0 dan PV (Present Value) pada

channel 1. Rangkaian ADC ini menggunakan tipe

0808 yang mempunyai input 8 chanel dengan output

8 bit seperti Gambar 2a Rangkaian DAC yang

mengkonverter besaran digital ke besaran analog.

Gambar 2b merupakan rangkaian DAC yang

dipakai.[6]

2.3. Rangkaian Frequensi ke Tegangan

Rangkaian F/V mengkonversi frekuensi output

yang dihasilkan oleh tachometer dari motor Servo ke

tegangan yang kemudian tegangan ini merupakan

harga Present Value yang diterima ADC. Rangkaian

yang digunakan diperlihatkan pada Gambar 3.[7]

Gambar 2a. Rangkaian ADC 0808

Gambar 2b. Rangkaian DAC 0808

Prosiding SENTIA 2009 Politeknik Negeri Malang

E-44

Gambar 3.Rangkaian Converter F keV

2.4. Rangkaian Power Amplifier

Rangkaian Power amplifier berfungsi untuk

menguatkan sinyal hasil conversi dari DAC yang

masih mempunyai nilai arus dan tegangan rendah

agar lebih besar yang selanjutnya mampu

digunakan untuk mendorong Rangkaian Driver

Motor. Gambar 4. menunjukkan rangkaian Power

Amplifier.[7]

Gambar 4. Power Amplifier

2.5. Rangkaian Driver Motor

Driver motor berfungsi untuk menjalankan motor

servo yang kemudian motor ini bergerak pada posisi yang sesuai. Driver motor ini mendapat input analog dari rangkaian DAC. Rangkaian driver motor ini

dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 5. Rangkaian Driver Motor DC

2.6. Rangkaian Rotary Encoder

Rangkaian rotary encoder ini berfungsi untuk

merubah code posisi kedalam bentuk sinyal

frekwensi sebagai inputan pada rangkaian F/V

converter selanjutnya akan dapat diconversikan

oleh ADC menuju system Computer.

Gambar 6. Rangkaian Rotary Encoder

III. Proses analisis

3.1. Analisis Kontrol FLC

Pengontrol logika fuzzy dirancang mempunyai dua masukan dan suatu keluaran. Masukannya

adalah memposisikan kesalahan (e) dan perubahan

posisi kesalahan (e') dalam selang waktu, dan

keluaranya adalah isyarat kendali (u).

Pada titik sampling k, kesalahan posisi( e) dan

perubahan kesalahan posisi( e') dihitung sebagai

Di mana d(k) posisi sudut angular yang diinginkan dan a(k) posisi sudut actual. Pengontrol fuzzy logic (FLC) terdiri dari tiga langkah: fuzzyfication, fuzzyinference dan

defuzzification. Untuk menggambarkan fungsi

keanggotaan e, e' dan u dalam semesta dibagi

menjadi tujuh daerah adalah NB ( besar negatif),

NM ( medium negatif), NS ( kecil negatif), Z ( nol),

PS( kecil positif), PM ( medium positif) dan PB

(positif besar) seperti ditunjukkan dalam Gambar

7a, 7b, 7c.

Prosiding SENTIA 2009 Politeknik Negeri Malang

E-45

Gambar 7a. Membership error

Gambar 7b. Membership delta error

Gambar 7c. Membership sinyal control

Kemudian, dengan suatu aturan dasar (rule base) 7x7 digambarkan ( Tabel 1) ke dalam Inference

system. Dengan menggunakan fuzzification dan

inference system, maka sistem disetel secara

eksperimen. Algoritma yang digunakan untuk

inference adalah metoda max-min, dan untuk

defuzzification adalah menggunakan metoda Center

Area ( COA) yang cocok diterapkan untuk

mendapatkan hasil terbaik

3.2. Analisis Kontrol PID

Proporsional-Integral-Derevativ umumnya

digunakan didalam industry, algoritma kendali PID

persamaanya dapat dituliskan sebagai berikut,

Selama proses akan muncul beberapa nois, oleh

karena itu dianjurkan menggunakan filter untuk

meredam efek tersebut,

a. Aksi Proporsional

b. Aksi Integral

Bentuk trapezium integrasi digunakan untuk

menghindari terjadinya perubahan yang tajam

terhadap proses perubahan aksi integral atau saat

munculnya set point. Penyesuaian yang tidak linier

pada aksi integral akan menyebabkan Overshot.

persamaannya ditunjukan sebagai berikut,

c. Aksi Derevativ

Didalam aksi derevativ, aksi derevativ parsial

yang dipilih mampu menanggapi perubahan

pemakaian setpoint yang cepat.

Prosiding SENTIA 2009 Politeknik Negeri Malang

E-46

Sehingga (output) actual dari system kendali PID

mempnyai persamaan seperti dibawah,

IV. Hasil Percobaan

Dalam Labview yang telah dicoba oleh Akn

Deliba, Trker Trker, dan Galip Cansever ,[5] berdasarkan sistem kendali yang dibangun, isyarat

kendali diperoleh dari analog keluaran DAC dan

diperbesar oleh suatu amplifier tegangan yang cocok

untuk memberi tegangan Driver motor. Motor

diberi tegangan 5V sebagai ganti 30.8V yang

merupakan tegangan nominal motor.

Untuk membuat hasil FLC yang baik diberikan sinal

step atau setengah gelombang sinus, pada sistem sebagai mengendalikan masukanya (input).

Pengontrol FLC dan PID mempunyai tanggapan

sistem dari 0 untuk 90 ditunjukkan dalam Gambar

8a. Waktu naik (rise time) dari pengontrol dapat

disetel agar nilainya baik.

Gambar 8a. Tanggapan system FLC dan PID

Melihat hasil tanggapan dari percobaan antara PID dan FLC dengan posisi putaran rotor keadaan

mantap yaitu pada 120ms dengan overshoot 4%,

Jika koefisien PID pengontrol disetel secara

eksperimen, pengontrol dapat mencapai tujuan

pengendalian. Meskipun setelah penyetelan

(tunning), pengurangan overshoot dapat dicapai

tetapi akan meningkatkan waktu penyelesaian.

Pada sisi lain diinginkan kendali dapat mencapai

overshoot 0.4% dengan waktu 80ms dapat dicapai

dengan penyelesaian menggunakan kendali FLC.

Kesalahan mutlak integral ( IAE) dan kesalahan

mutlak integral waktu ( ITAE) nilainya adalah dihitung dari 38ms ke 250ms. Nilai-Nilai ini

diberikan didalam tabel 2. Dari tabel dapat dilihat

FLCS menjadi lebih baik dibanding PID Controllers. Dengan mempertimbangkan nilai IAE dan ITAE,

juga nilai overshoot dan waktu setting untuk masing-

masing pengontrol diperlihatkan dalam table 2 dan

nilai-nilai ini menunjukkan bahwa hanya FLC

mencapai waktu peningkatan yang hamper sama

dengan tanggapan PID controllers. Kemudian sinyal setengah gelombang sinus

diberikan pada system sedemikian rupa sehingga

sistem akan menanggapi, dan dari hasil pengujian ternyata FLC controllers dapat memberikan response lebih baik. Tanggapan sinus terhadap

sistem yang disampaikan dalam Gambar 8b.

Sistem dengan pengontrol PID tidak mampu

mengikuti isyarat sinus dan menyimpang.

Alasan penyimpangan ini adalah merupakan efek

integral kendali PID.

Gambar 8b. Response Sinus pada Controller

Dari sisi yang lain , diikuti dengan suatu penurunan

sinyal acuan secara linier, kesalahan positif di

pertama 90 dan dengan secara linear terus

meningkat sampai negatif error di detik/second 90

untuk gelombang sinus dengan FLC. Untuk nilai

tanggapan IAE dan ITAE disampaikan dalam table2.

V. Kesimpulan

Kebanyakan semua yang menyangkut sistem

kontrol masih didasarkan pada pengontrol PID yang

Prosiding SENTIA 2009 Politeknik Negeri Malang

E-47

konvensional. Sebab ada banyak PID yang

digunakan pada bidang teknik, sehingga sepanjang

akhir dekade membuat operator mencari solusi yang

lebih mudah. Pada percobaan diatas menyampaikan

dalam hal menggunakan FLC, gagasan ini bersifat

percobaan dan dengan seringnya mengadakan

percobaan akan dihasilkan pengotrolan dengan FLC

yang lebih baik. Pengembangan dan implementasi

dari pengontrol digital untuk kendali posisi dari

suatu DC motor dengan sukses diterapkan

menggunakan Labview. Bersifat Percobaan menghasilkan FLC yang dapat mengontrol lebih

baik dengan waktu penyelesaian minimum .

VI. Daftar Pustaka

[1] Khongkoom N., Kanchanathep A.,

Nopnakeepong S.,Tanuthong S., Tunyasrirut S.,

Kagawa R., Control of the position DC servo motor by fuzzy logic, TENCON 2000. Proceedings , Volume: 3 , 24-27 Sept. 2000 Pages:354 357,vol.3

[2] Tang K.S., Kim Fung Man, Guanrong Chen,

Kwong S.,An optimal fuzzy PID controller, Industrial Electronics, IEEE Transactions on ,

Volume: 48 , Issue: 4 Aug. 2001 Pages:757 765

[3] K. J. Astrm, C. C. Hang, P. Persson, andW. K.

Ho, Toward intelligent PID control, Automatica, vol. 28, pp. 1 9, 1992.

[4] Graham C. Goodwin, Stefan F. Graebe, Mario E.

Salgado, Control System Design, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey,

[5] Akn Deliba, Trker Trker, Galip Cansever,Real Time DC Motor Position Control by Fuzzy Logic and PID Controllers

[6] Resmana, Hany Ferdinando, Thiang, Agus Suryo Widagdo,Implementasi Fuzzy Logic Pada

Microcontoller Untuk Kendali Putaran Motor DC

Proceedings, Industrial Electronic Seminar 1999 (IES99),Graha Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, October 27-28, 1999

[7]Thiang, Resmana, Wahyudi, Aplikasi Kendali Fuzzy Logic untuk Pengaturan Kecepatan Motor

Universal, Jurnal Teknik Elektro Vol.1, No.1 Maret

2001 : 33 42