144!!!!!!!!

ISSN 0216-3128 Bud; Santo.~a, dkk.

PEMBUATAN SIMULATOR SISTEM KENDALl SUMBERELEKTRON MBE

Budi Santosa, SamintoPTAPB - BATAN

ABSTRAK

PEMBUATAN SIMULATOR SISTEM KENDALl SUMBER ELEKTRON MBE, Telah dibuat perangkatsimulator sistem /rendati sumber elektron dari MBE (mesin berkas elektron). Perangkat tersebut digunakanuntuk menguji algoritma /rendati, yang akan diimplementasikan pada sumber elektron. Rangkaian simulatorterdiri atas motor DC terkopel dengan varia/(, yang dilengkapi penyearah tegangan DC sebagai penyediategangan filamen. Penggerak motor DC menggunakan metode chopper pada rangkaian H-hybrid,sedangkan sinyal chopper dihasilkan dari rangkaian PWM. Sistem simulator secara /reseluruhan terdiri atas

PC, sistem antar muka, pembentuk tegangan dwi kutub, tegangan pembatik, komparator, optocoupler. Hasilpengamatan menunjukan adanya daerah mati, yang disebabkan torsi dari tegangan masukan tidak mampumengatasi torsi sistem be ban dari motor DC. Dengan menggunakan pendekatan orde satu diperolehfungsialih tetapan penguatan sebesar 2.937 dan tetapan waktu 0.556 . Dari hasil vatidasi model diperoleh/resalahan sebesar 0.0/6737. Adapun waktu mantap sistem sebesar 0.37 defile. Dengan demikian sistemdapat digunakan sebagai simulator sistem /rendali sumber elektron.

Kata kunc;: chopper, PWM, vatidasi model, simulasi.

ABSTRACT

THE DESIGN OF SIMULATOR ELECTRON SOURCE CONTROL SYSTEM OF ELECTRON BEAM

MACHINE. The simulator of electron source control system of electron beam machine has been made. The

equipment is used for testing the control algorithm. which will be implemented on electron source controlsystem. Simulator circuit is consisting of DC motor connected with regulator transformer that is providedwith voltage rectifier as filament voltage source. DC motor driver used chopper method on h-hybrid circuit,whereas the chopper signal is resulted by PWM (pulse wave modulation) circuit. The complete simulatorsystem is consisting of PC (personal compli/er), interfacing circuit, two poles voltage generator, inverseamplifier. optocoupler. The observation showed, there is a cut off region, it is because the torque of inputvoltage can not over come the load system torque of DC motor. By using the first order approximation thegain constant of transfer function is obtained 2.937 and the time constant is 0.556 second. The validation

result of model is obtained 0.0/6737 of error value. Whereas the time responds is 0.37 second. It isconcluded that the system can be used as simulator of electron source control system.

PENDAHULUAN

Simulator sistem kendali sumber elektron darimesin berkas elektron (MBE), adalah perangkatuji algoritma kendali pad a sistem kendali sumberelektron. Hal tersebut dilakukan untuk menghindarikerusakan komponen MBE, akibat perubahan­perubahan yang mendadak selama proses pengujianalgoritma berlangsung. Penggunaan sistem kendalidalam sistem operasi sumber elektron MBE menjadipenting, karena dalam melakukan iradiasi denganMBE diperlukan arus berkas yang stabil. Keadaanterse but akan menambah beban pekerjaan operator,jika tidak dibantu dengan perangkat penstabil sistemyang biasanya dikatakan sebagai sistem kendali.

Penggunaan perangkat tersebut dimaksudkan, agarsumber elektron dapat digunakan secara optimal danaman bagi operator [I]. Adapun Sistem kendalisumber elektron MBE, terdiri atas penyedia dayaarus filament, sistem aktuator, sistem pengubah dayaelektronik (power elektronic converterp·31, dansystem kendali PID[4J. Secara blok diagram dapatditunjukkan pada Gambar 1.

Didalam blok proses berisikan penyedia dayaarus filament dengan nilai arus dapat divariasi dari 0sampai dengan 20 A. Sinyal umpan balik diambildari hasil pengukuran arus berkas elektron, yangdibandingkan dengan nilai setting point akanmenghasilkan sinyal kesalahan. Didalam blok ken-

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Bud; Sall(osa, dkk. ISSN 0216 - 3128 /45

dengan sistem orde satu. Dalam bentuk kalangtertutup dapat dilihat pada Gambar 2.

Fungsi transfer sistem,

Adapun nilai K merupakan parameter penguatan,dan nilai T merupakan parameter tetapan waktu dariplan. Jika sistem mendapatkan masukan berupa

fungsi langkah .!.. maka fungsi transfer menjadi,s

dali PID sinyal kesalahan akan diubah menjadisinyal kendali. Untuk dapat melakukan proses aksipengendalian yang dilakukan oleh motor DC, makasinyal kesalahan tersebut diperkuat didalam blokpengubah daya elektronik. Diantara motor DC danrangkaian penyedia arus filament dihubungkandengan tuas isolasi. Aksi kendali yang dilakukanmotor DC adalah memutar posisi potensio padarangkaian penyedia arus filament. Penggunaanmotor DC dikarenakan mudah didalam pengendalianterutama sebagai kendali posisi. Didalam penelitianini akan dibuat simulator sistem ktmdali sumber

elektron MBE, yang nantinya dapat digunakan untukmengamati konfigurasi optimal dan perilaku darikendali PID, sebelum kendali tersebut digunakandalam sistem kendali MBE.

TEOR!

C(s) = ----.!..R(s) Ts + I+ K

C(s) = Ts +~ + KG)

(I)

(2)

Pemodelan Sistem

Pemodelan sistem digunakan untuk men en­tukan parameter kendali seandainya pada sistemdiperlukan sistem pengendalian. Pemodelan dilaku­kan dengan mengabaikan faktor peredaman sehinggafungsi alih motor DC dan -variak dapat didekati

Settirg part

!

Si~keOOaIi

Sir?Jal Ln11IDbalik

Bentuk di atas diuraikan untuk mendapatkan fungsitransfer dalam domain waktu, yaitu :

(3)

Gambar 1. Diagram system kendali sumber elektron.

IvIasukan

R(s)

*lit

K

Ts+l

Keluaran

C(s)

Gambar 2. Diagram blok kalang tertutup sistem orde satu.

Prosldlng PPI - PDlPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

/46 ISSN 0216 - 3128 Bud; SIlI/tO.WI, dkk.

Transformasi laplace balik persamaan di atas,

c(t) = ~ _ ~ e _(';K}I+K I+K (4)

Keluaran sistem pada t ~ 00,

) K K -00 k () Kc(oo=-----e ma a coo =-- (5)I+K I+K I+K

menyebabkan tercacahnya (chopped) tegangan V"

sehingga dihasilkan gelombang kotak. Gelombangkotak akan diubah menjadi tegangan DC dengansedikit riak oleh induktor L. Induktor menyimpanenergi selama perioda ON (Ton) dan menghantar­kannya selama perioda OFF (Tol!). Pemasangandioda memungkinkan arus mengalir ke L selamaperioda OFF.

Besamya tegangan keluaran rata-rata adalah,

L

Tegangan Vi akan mengalir ke beban ketikasaklar S tertutup dan terbebas dari beban ketika Sterbuka. Peristiwa penutupan dan pembukaan

Rangkaian Chopper

Pad a dasamya rangkaian chopper merupakanrangkaian konverter DC kontinyu ke DC pulsa.Tegangan DC keluaran adalah tegangan rata-ratayang variabel terhadap beban. Bentuk dasarrangkaian chopper ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Rangkaian dasar chopper.IS)

(6)Vo = Tim VI atau Vo = f X T,J1/ X ViTO/I + T,iff

adapun : Vo = tegangan DC keluaran, Vi = teganganDC masukan, Ton= lebar pulsa ON, ~1Jf" lebarpulsa OFF, f= tTekuensi pensaklaran.

Persamaan di atas menunjukan bahwabesamya tegangan keluaran rangkaian chopperbergantung pada pada duty cycle.

Gambar 4a menunjukan arus keluaran darisaklar i selama perioda ON yang masuk ke induktor,sedangkan Gambar 4b menunjukan arus keluarandari dioda Idyang berasal dari beban selama period aOFF. Gambar 4c mcnunjukan arus rata-rata yangdikenakan pada beban.

Saklar yang dapat digunakan adalah transistor

bipolar dan SCR[5]. Transistor digunakan pad a dayakecil atau sedang, sedangkan SCR digunakan untukdaya besar. Kelemahan SCR adalah tidak mampubekerja pada tTekuensi tinggi. Kelemahan transistoradalah tidak mampu bekerja dengan daya besartetapi dapat bekerja pad a frekuensi tinggi.

R'\ Beban

Induktor

OiedaVi

iI, '(a), : ~i L ,•

I, , , ;

~. : i u::::--_::::u: UU Irata

' :::::i:::::;::::::--- -- miM

' , -! !

I I T: I (c)Ton 'lI!

Gambar 4. Bentuk gelombang rangkaian chopper.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Bud; Santosa. dkk. ISSN 0216-3128 /47

Rangkaian chopper empat kuadran sepertiditunjukkan pad a Gambar 5 dikenal juga dengan H­hybrid. Cara kerja rangkaian adalah sebagai berikut: Jika S I dan S3 tertutup (Gambar 5), maka arusakan mengalir melewati SI, motor DC dan S3.Motor DC bergerak ke .arah kanan. Jika S2 dan S4tertutup, maka arus akan mengalir melewati 52,motor DC dan S4. Motor DC bergerak kearah kiri.

VCC BAR

1 r81

MOTOR DC

182

RANCANGAN

Perancangan sistem kendali seperti Gambar Idirealisasikan dalam diagram blok seperti padaGambar 6.

Blok diagram proses pad a Gambar Idirealisasikan sebagai variak, transformator danpenyearah DC, didalam sumber elektron penyearahDC digunakan sebagai penyedia tegangan filamen.Pada simulator penyearah DC langsung diukurmelalui sistem penapis lolos rendah (low pas filter),dan disimulasikan sebagai intensitas berkas.Sedangkan blok diagram pengubah daya elektronikdirealisasikan dari blok penguat pembalik yangdilengkapi dengan rangkaian PWM (pulse wavemodulator) dan rangkaian H-hybrid pada Gambar 6.Rangkaian PWM tersebut digunakan untuk meng­hasilkan sinyal chopper berdasarkan persamaan 6.Sedangkan blok antarmuka, terdiri atas blok PPI8255, ADC dan DAC, penguat tegangan, danpembentuk tegangan dwi kutub, dijelaskan sebagaiberikut :

Sistem antarmuka

Gambar 5. Rangkaian H hybrid.

Sistem antarmuka berfungsi menjembataniantara domain analog dan domain digital.Berdasarkan Gambar 6, sistem antarmuka terdiri atasPPI, ADC, clock, DAC dan penguat tegangan,seperti ditunjukkan pada Gambar 7.

amain. na og :

Pembentuk

TeganganDwikutub

PC

Transformato

r

Gambar 6. Diagram bIok perancangan sistem kendaIi.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta. 10 Juli 2006

148!!!!!!! ISSN 0216 - 3128 Budi Santosa, dkk.

I--------------·---··--------·-~: Sistem antarmuka :I II II II ,: Penguat: Pemb entukI

: Tegangan : tegangan dwikutubI II II ,

: I:~ I I Clock :IIIIIII

+---i- Pembagi tegangan,II

L :

Gambar 7. Diagram blok sistem antarmuka.

Perancal)gan hubungan antara PC dan sistemantarmuka menggunakan port paralel printer modeEPP. Mode EPP adalah salah satu mode operasiyang telah distandardisasi oleh IEEE. Register datasebanyak 8 bit dapat dioperasikan secara bi­directional dengan cara mengatur bit kelima registerkontrol. Pengoperasian port paralel printer modeEPP terdapat di perancangan perangkat lunakakuisisi data. PPI (Programmable peripheralinterface) digunakan sebagai pengatur penggunaanregister data port paralel oleh ADC atau ADC.Pengoperasian PPI didahului dengan melakukaninisialisasi. Inisialisasi merupakan proses pem­beritahuan kepada PPI port mana yang berfungsisebagai masukan, keluaran dan mode operasi yangdigunakan. Pengoperasian PPI terdapat di pe­rancangan perangkat lunak akuisisi data.

ADC berfungsi sebagai konverter data analogmenjadi data digital. Parameter perancangan ADCadalah kelinieran hubungan antara masukan dankeluaran dan resolusi. Semakin besar resolusi ADC,maka semakin kecil rentang data analog yangdiwakili oleh data digital. ADC bekerja berdasarkanclock. ADC 0808 beroperasi pad a clock antara 640kHz dan I MHz. Pengoperasian ADC terdapat diperancangan perangkat lunak akuisisi data.

DAC berfungsi sebagai konverter data digitalmenjadi data digital. Keluaran DAC, yang masihkecil tegangannya, diperkuat oleh penguat tegangan.Parameter perancangan adalah kelinieran hubunganantara masukan dan keluaran dan resolusi.

Pemhentuk Tegangan Dwikutuh

Pembentuk tegangan dwikutub berfungsimembagi tegangan masukan satu kutub menjadi

tegangan dua kutub yang simetris. Komponen utamapembentuk tegangan dwikutub adalah penguatoperasional (op amp).

Parameter op amp yang berpengaruhterhadap proses perancangan adalah tegangan offsetkeluaran dan penguatan tegangan. Tegangan offsetkeluaran (output offset voltage) adalah hargategangan keluaran dari op amp terhadap tanah(ground) pada kondisi tegangan masukan = O.

Secara ideal, offset keluaran = OV. Akan tetapi,tegangan offset sedikit di atas 0 V akibat adanyaketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam

kondisi praktis. Jika tidak menggunakan umpanbalik, maka tegangan offset menjadi cukup besaruntuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Op ampideal memiliki penguatan kalang terbuka = -00.

Penguatan tegangan berpengaruh terhadappenguatan yang dapat dilakukan pada prosesperancangan. Semakin besar batas penguatan, makasemakin baik karakteristik kerjanya. Akan tetapidalam penerapannya, tegangan keluaran tidak lebihdari tegangan catu yang diberikan ke op amp.

R2

R1Vref

Vout

R1Vin

Gambar 8. Rangkaian pembentuk tegangandwikutub.

Prosiding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Bud; Santo1"a. dkk. ISSN 0216-3128 149

Rangkaian pembentuk tegangan dwikutubbekerja berdasarkan penguatan terhadap selisihantara V'"f dan Vi'" Jika V'"f lebih besar dari Vi"

dengan selisih a, maka tegangan VUUI adalah,

Mulal

R2V = - - a volt

(Jill RI(7)

Tanda minus menunjukan pembalikan polaritas. Hal

tersebut terjadi karena Vref dilewatkan pada masukanpembalik op amp. Sebaliknya, jika Vi" lebih besardari Vrcfdengan selisih b, maka tegangan VUfll adalah,

R2V = - b volt

(Jill RI(8)

V,ml tidak mengalami pembalikan polaritas tegangan.

R2 d I h .- a a a raslo penguatan tegangan.RI

Perancangan Perangkat Lunak Akuisisi Data

Perancangan perangkat lunak akuisisi databerfungsi mengakuisisi data. Data yang diakuisisiadalah data melalui jalur data paralel printer yangdimodifikasi dengan PPI 8255, adapun algoritmaprogram akuisisi data dapat dilihat pada Gambar 9.

250

=-200ro

.5tfJ

~ 150'-'UQ< 100c::ro1-0

ro::s

v 50~

Selesai

Gambar 9. Siok dIagram algoritma akuisisi data.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian Sistem Antar Muka

Grafik hasil akuisisi data menggunakan ADC0808 ditunjukkan oleh Gambar 10.

o

o 1 2

Tegangan (Volt)3 4

Gambar 10. Grafik akuisisi Data ADC0808.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN

Yogyakarta. 10 Juli 2006

150- ISSN 0216 - 3128 Bud; SUllln.m, dkk.

Gambar II. Grafik hubungan masukan dankeluaran DAC1408.

Daeralt Kerja Motor DC

Grafik daerah kerja motor DC dan variakditunjukkan dalam Gambar 12.

Kesalahan statik DACI408 tidak terukur. Hal

tersebut dibuktikan o]eh koefisien korelasi (R2) sarnadengan satu. Galat bati pada DAC direduksi olehpenempatan resistor 10 Kn pada penguat.

Berdasarkan Gambar 10, kesalahan statik, yaitugalat o./Jset, galat bati, galat nonlinieritas diferensialdan galat nonlinieritas integral, pada konverterADC0808 tidak terukur. Hal tersebut dibuktikan

o]eh kelinieran hubungan antara masukan dankeluaran ADC0808 dengan koefisien korelasi (R2)

mendekati satu, yaitu 0,9998.

Grafik hasil pengukuran data keluaran DAC1408 ditunjukkan oleh Gambar II.

Berdasarkan Gambar 12 diperoleh melaluipemberian masllkan langkah pada sistem lIntukberbagai masukan dari 0 sampai 255, dalam fonnatdesimal. Kemudian, kemiringan grafik diplotterhadap masukan. Cui off motor DC dalam formatdesimal adalah daTi 100 sampai 155. Dari hasilpengukuran langsung, cui off motor DC dari 0sampai 2,5 volt. 0 volt dalam fonnat desimal adalah]27,5, sedangkan 2,5 volt adalah 100 atau 155.Daerah kerja tersebut dipengaruhi oleh daya danITekuensi motor DC. Makin besar daya, makin kecilrentang daerah CUI off motor DC. Semakin besarITekuensi, maka semakin kecil rentang daerah cuI offmotor DC. Pengaruh daya terhadap daerah CIII C?ff

lebih besar daripada pengaruh frekuensi sinyalosilator yang digunakan. Daerah Clit off (daerahmati) disebabkan oleh torsi dari tegangan masukantidak mampu mengatasi torsi daTi sistem beban dari

motor DC.!61 Dengan adanya daerah kerja tersebutmenyebabkan system menjadi tidak linier, sehinggadiperlukan usaha untuk meniadakannya antara laindengan menambahkan limiter pada perangkatlunaknya. Ha] tersebut telah dilakuan pad a penggu­naan motor DC sebagai kendali posisi scbagaipenentu tegangan anoda akselerator implantasi iondengan Kendali ]ogika samar (Fuzzy logiccontroller)'1I,.dengan hasil menunjukkan kendali]ogika samara mampu memberikan respon yangcepat tanpa adanya overshoot serta mampumananggapi perubahan setpoint dengan baik.

Pemodelan S;stem

Gambar 13 merupakan pemodelan yangdi]akukan pada kalang tertutup dengan ITekllensi 700Hz. Frekuensi 700 Hz adalah ITekuensi yang palingoptimum, artinya motor DC bergerak dengankecepatan paling tinggi.

250100 150 200

Masukan DAC (desimal)

50

5

20

5

o

10

15

3(bO

-B

~

J6 -5

~ -10

-15

Masukan (desimal)

Gambar 12. Grafik hubungan antara masukan dan gradien kece­patan motor DC.

Prosiding PPI • PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

Bud; Santosa, dkk. ISSN 0216 - 3128

1200

151

1DOO~;!::I

~ 0 BOO.....,I=i

~ 0.600

~

~ 0.400

0200

0,746

0;37

Se tp oin t

ODOO

o 0.1 02 0.3 0.4 05 0.6 0.7 OB O~ 1

Waktu (detik)

Gambar 13. Tanggapan langkah kalang ter-tutup sistem padafrekuensi 700 Hz.

Perbandingan Gambar 13 dengan Gambar 2berdasarkan persaman I menghasilkan,

K T-- = 0,746, atau K = 2,937, -- = 0,141, atauI+K I+K

T = 0,556

. 2937Model yang dlperoleh adalah ' dengan

0,556s + Iwaktu mantap 0,37 detik.

Validasi model

Gambar 14. merupakan grafik perband inganantara hasil validasi model dan hasil pengukuran.Perbedaan antara hasil pengukuran dan simulasiadalah 0,016737 atau 2,57%.

1.000 J

S,roo["nt

Has.il pe ngukuran

o .,eo 0 G i0000 ~f- .--

",--.-

.?:./~ft1 ulas.i- ~ 0.400

0.200

0.000.o 0.2 0.4 O.~ O.,e 1 1.2

Waktu (detik)1.4 1.~ 1.,e

Gambar 14. Perbandingan antara basil pengukuran dan basil simulasi.

Prosiding PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2006

152!!!!!!!!!!!!

ISSN 0216 - 3128 Budi SUl/tO,fa, dkk.

KESIMPULAN

Pada penggunaan motor DC sebagai kendaliposisi akan diperoleh daerah cut off (daerah mati),yang disebabkan torsi dari tegangan masukan tidakmampu mengatasi torsi dari sistem beban dari motorDC. Dengan menggunakan pendekatan orde satudiperoleh fungsi alih tetapan penguatan sebesar2.937 dan tetapan waktu 0.556 . Dari hasil validasimodel diperoleh kesalahan sebesar 0.016737.Adapun waktu man tap sistem sebesar 0.37 detik.Dengan demikian sistem dapat digunakan sebagaisimulator sistem kendali sumber elektron.

ACUAN

1. SUDJA TMOKO, Kajian Teknis PembangunanLaboratorium Akselerator di Pusat Penelitian

Nuklir Yogyakarta, Prosiding Pertemuan danPresentasi I1miah Teknologi Akselerator danAplikasi, Yogyakarta 1998.

2. MOHAN, dkk., Power electronic, Converter,

Application, and Design, John Wiley & Sons.Inc. 2003.

3. BORDRY, F.,"Power Converters: Defini-tionsand Classifications", http://cas.web.cem.ch/cas/Warrington/PDF/Bordrvl.pdf.

4. OGATA, K., Teknik Kendali Automatis, Jilid I

dan 2, Erlangga, Jakarta 1997.

5. BOLDEA. I. Dkk., Electric Drives, CRC Press,'Washington, D.C. 1999.

6. D'SOUZA, A.F., Design of Control System,Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey,1988.

7. BUD I SANTOSA, dkk., Aplikasi pengenda/ianLogika Samar (FLC) Un/Ilk Kendali Posisi

Motor DC sebagai Penentu Tegangan AnodaAkselerator Implan/or Ion, Prosiding Pertemuandan Presentasi I1miah Teknologi Akseleratordan Aplikasi ke VIII, Yogyakarta 2005.

TANYAJAWAB

Taufik

- Bagaimana cara menghilangkan death zone padamotor DC?, menggunakan metoda apa ?

Budi Santosa

- Dihilangkan secara perangkat lunak, denganmenggunakan algoritma limiter.

Saefurrochmad

- Bagaimana cara mencari fungsi transfer?

- Apakah semua parameter dimasukkan

Budi

- Dengan menggunakan pendekatanfungsi transferorde satu pada kalang tertutup, kemudianterminal masukan diberi sinyal step. Adapunparameter yang dicari yaitu nilai K (faktorpanguatan) dan T (tetapan waktu) dari proses(sistem).

Prosldlng PPI - PDIPTN 2006Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Jull 2006