KONTROL POSISI MOTOR DC DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE LABVIEW 8.5 MELALUI PCI 1780 DAN PCI 1784

LAPORAN TUGAS

MATA KULIAH PENELITIAN MINOR (MS6090)

Oleh :

Ari Kurniawan Saputra

23110027

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2011

DAFTAR ISI

Daftar Isi................................................................................................................................1

Bab 1 Pendahuluan.................................................................................................................2

1.1 Pengenalan Perangkat Lunak LabVIEW...............................................................2

1.2 Perangkat Keras Kartu PCI-1780..........................................................................4

1.3 Perangkat Keras Kartu PCI-1784..........................................................................5

Bab 2 Konfigurasi Sistem Kontrol.........................................................................................6

Bab 3 Pemrograman Kontrol Posisi Motor DC Menggunakan LabVIEW 8.5......................8

3.1 Counter Encoder....................................................................................................9

3.2 PWM Generator.....................................................................................................11

3.3 Kontrol Arah dan Kecepatan Motor......................................................................13

Bab 4 Pengujian.....................................................................................................................17

Bab 5 Kesimpulan dan Saran.................................................................................................18

1

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Pengenalan Perangkat Lunak LabVIEW

LabVIEW adalah sebuah software pemograman yang diproduksi oleh National

instruments yang berbasiskan tampilan grafis seperti blok-blok diagram. Program labVIEW

dikenal dengan sebutan Vi atau Virtual instruments karena penampilan dan operasinya dapat

meniru sebuah instrument. Untuk membuat suatu program pada labVIEW langkah pertama

yang dilakukan adalah membuat user interface atau front panel dengan menggunakan icon

control dan indicator. Untuk icon control, bentuknya dapat berupa knobs, push buttons, dials

dan peralatan input lainnya sedangkan yang untuk indikator dapat berupa lampu indikator,

grafik dan peralatan display lainnya. Setelah menyusun user interface, langkah selanjutnya

ialah menyusun block diagram yang berisi kode-kode VIs untuk mengontrol front panel.

Software LabVIEW terdiri dari tiga komponen utama, yaitu :

1.1.1 Front panel

Front panel adalah bagian window yang berlatar belakang abu-abu serta mengandung

kontrol dan indikator. front panel digunakan untuk membangun sebuah VI, menjalankan

program dan mendebug program. Tampilan dari front panel dapat di lihat pada Gambar 1.1.

Gambar 1.1 Window front panel LabVIEW

2

1.1.2. Block diagram dari Vi

Block diagram adalah bagian window yang berlatar belakang putih berisi source code

yang dibuat dan berfungsi sebagai instruksi atau membuat program yang berkaitan dengan

front panel. Tampilan dari block diagram dapat lihat pada Gambar 1.2.

Gambar 2.2 Window block diagram LabVIEW

1.1.3. Control dan Functions Palette

Control dan Functions Palette merupakan tools yang ada pada perangkat lunak

LabVIEW yang berisi berbagai macam virtual instrument, perintah control ataupun suatu

fungsi. Control Palette merupakan tempat beberapa kontrol dan indikator pada front panel.

Control palette ini hanya tersedia pada window front panel. Untuk menampilkan control

palette dapat dilakukan dengan mengkilk windows >> show control palette atau klik kanan

pada front panel. Gambar 1.3 adalah contoh gambar dari suatu control palette yang berisi

berbagai macam icon control dan display:

Gambar 3.3 Menu control palette

3

Functions palette digunakan untuk membangun suatu alur pemrograman pada

window block diagram, functions palettes hanya tersedia pada window block diagram. Untuk

menampilkannya dapat dilakukan dengan mengklik windows >> show control palette atau

klik kanan pada lembar kerja blok diagram. Contoh dari functions palette ditunjukkan pada

gambar 1.4.

Gambar 4.3 Menu functions palette

1.2 Perangkat Keras Kartu PCI-1780

Perangkat keras kartu PCI-1780 merupakan kartu PCI yang termasuk dalam jenis

general purpose multiple channel counter/timer card buatan Advantech. Kartu PCI-1780

beberapa fitur berikut ini:

8 independent 16-bit counters

8 programmable clock source

8 digital TTL outputs and 8 digital TTL inputs

Up to 20 MHz input frequency

Multiple counter clock source selectable

Counter output programmable

Counter gate function

Flexible interrupt source select

BoardID™ switch

Dengan beberapa fitur diatas, kartu ini dapat digunakan untuk menghasilkan one shot

output, PWM output, periodic interrupt output, time-delay output, mengukur frekuensi dan

4

lebar pulsa. Fitur yang akan digunakan pada penelitian ini adalah fitur output PWM dan sinyal

output digital.

1.3 Perangkat Keras Kartu PCI-1784

Perangkat keras kartu PCI-1784 merupakan kartu PCI yang memiliki fitur utama

berupa 4-axis quadrature encoder dan counter add-on card. Adapun fitur lainnya adalah

sebagai berikut:

x 32-bit up/down counters

Single-ended or differential inputs

Pulse/direction and up/down counter

x1, x2, x4 counts for each encoder cycle

Optically isolated up to 2,500 VDC

4-stage digital filter with selectable sampling rate

Onboard 8-bit timer with wide range time-base selector

Multiple interrupt sources for precision application

x isolated digital input and 4 x isolated digital output

BoardID™ switch

Dengan beberapa fitur ini, kartu ini dapat digunakan untuk aplikasi motor control dan

monitoring posisi. Pada penelitian ini, kartu ini akan digunakan untuk membaca (counting)

keluaran dari encoder sebagai feedback untuk mengatur posisi motor.

.

5

+

-

Input (Posisi yang diinginkan)

Feedback(Posisi Aktual )

BAB 2

KONFIGURASI SISTEM KONTROL

Motor DC merupakan motor yang banyak digunakan sebagai aktuatuor, baik dalam

sistem kontrol posisi maupun sistem kontrol kecepatan. Kini motor DC memegang peranan

penting dalam dunia perindustrian. Hal ini tampak dari banyaknya penggunaan motor DC

pada peralatan-peralatan elektronik dan mekanik saat ini. Pada penilitian ini, akan dibahas

mengenai perancangan sistem kontrol sederhana motor DC untuk aplikasi kontrol posisi.

Sistem kontrol yang dirancang pada penelitian ini menggunakan system close loop

dimana user bias memberikan input berupa posisi yang diinginkan, kemudian di proses oleh

motor control sehingga motor bergerak ke posisi yang diinginkan. Pada motor dipasang

sebuah sensor posisi untuk memberikan feedback posisi aktual dari motor yang akan

mengkoreksi posisi yang diinginkan apakah ada kesalahan atau tidak. Skema dasar sistem

kontrol posisi motor DC yang akan dibuat dapat dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Skema sistem kontrol posisi motor DC

Pemrograman sistem kontrol posisi motor DC ini dibuat menggunakan perangkat

lunak LabVIEW 8.5 dimana user dapat memberikan inputan posisi yang dinginkan dengan

memutar knob position control. Program yang dibuat ini, akan mengontrol motor melalui

perantara kartu PCI 1780 yang dapat menghasilkan sinyal output digital dan PWM. Sinyal

keluaran dari kartu kemudian dihubungkan dengan driver motor L298N sehingga motor dapat

bergerak sesuai dengan perintah yang diberikan user. Pada poros motor dipasang sebuah

encoder optic yang bertujuan untuk mengetahui posisi actual dari poros motor. Sinyal

feedback dari encoder dibaca oleh perangkat lunak LabVIEW melalui perangkat keras couter

card PCI-1784 yang kemudian diproses untuk mengkoreksi kesalahan antara perintah posisi

6

Motor Controller MOTOR

Sensor Posisi (Encoder)

yang diberikan dengan posisi actual dari poros motor. Gambar 2.2 menunjukkan konfigurasi

perangkat keras yang digunakan pada perancangan sistem kontrol posisi motor DC.

Gambar 2.2 Konfigurasi perangkat keras sistem kontrol posisi motor DC

7

encoder

motor

Driver motor L298

Pull-Up resistor Encoder

Terminal PCI-1784

Terminal PCI-1780 Komputer

BAB 3

PEMROGRAMAN KONTROL POSISI MOTOR DC

MENGGUNAKAN LABVIEW 8.5

Dalam penelitian ini, pengembangan perangkat lunak dilakukan dengan menggunakan

bahasa pemrograman LabVIEW 8.5 dan modul Vi dari Advantech LabVIEW Driver. Tahap

pertama pada pemrograman ini adalah memilih dan menampilkan control dan display yang

sesuai dengan kebutuhan sistem kontrol posisi motor DC pada window front panel LabView.

Control dan display yang telah dipilih ini dapat dilihat pada gambar 3.1.

Gambar 3.1 Window front panel kontrol posisi motor DC

Untuk menjalankan program diatas, click tombol run kemudian click tombol start

untuk menjalankan perintah PWM Output. Selanjutnya, jika knob diputar ke kanan sampai

sudut tertentu, diharapkan motor yang telah terhubung juga mengikutinya, begitu juga ketika

knob diputar ke arah kebalikannya. Pada program yang dibuat ini, motor hanya akan bisa

diputar dari sudut 30 sampai 360 derajat dengan resolusi sebesar 1 derajat.8

Indikator besaran Hi-Period

Knob untuk mengatur sudut putar motor

Indikator besaran sudut aktualGrafik Counter dari Encoder

Tombol untuk memulai PWM

Tombol Stop Program

Tombol run untuk memulai program

Pada window block diagram, dibuat alur pemograman sedemikian rupa sehingga dapat

mengontrol gerakan motor sesuai dengan perintah yang diberikan. Dalam alur pemrograman,

terdapat tiga bagian utama yaitu:

3.1. Counter encoder

Counter encoder merupakan bagian program yang berfungsi untuk membaca pulsa

yang dikeluarkan oleh encoder sehingga diperoleh sudut aktual poros motor. Untuk

melakukan fungsi ini, digunakan perangkat keras PCI-1784 yang memiliki fitur quadrature

encoder dan perangkat rotary encoder model E40H10-1000-3-N-24 buatan Autonics.

Encoder ini memiliki jumlah pulsa keluaran 1000 pulsa/putaran, fasa output A, B, Z dan tipe

keluaran sinyal berupa NPN open collector. Karena tipe keluaran sinyal encoder berupa NPN

open collector, maka harus ditambahkan rangkain pull-up resistor pada terminal outputnya.

Seperti yang dapat dilihat pada gambar 3.2, maksimal arus sink adalah sebesar 30 mA, maka

jika sumber tegangan yang digunakan sebesar 12V, dapat digunakan pull-up (load) resistor

sebesar 1 kΩ dimana jika dihitung akan menghasilkan arus sebesar 12 mA melalui

perhitungan berikut:

I = V/R

I = 12V/1000Ω

I = 12 mA

Nilai arus sink sebesar 12 mA dinilai cukup aman dan sesuai dengan spesifikasi dari

encoder dan juga PCI-1784 dimana kartu ini dapat menerima pulsa dengan tegangan

maksimal 12V.

Gambar 3.2. Encoder dan spesifikasi output

Untuk memulai proses pembacaan pulsa dari encoder, maka diperlukan inisialiasai

untuk membuka driver PCI-1784 dengan memasang DeviceOpen.vi pada awal block diagram

yang dibuat dan mengatur Device Number sesuai dengan device yang akan di gunakan. Pada

proses ini, device number yang dipilih adalah nomer 3 sesuai dengan alamat dari PCI-1784

yang dapat dilihat pada Advantech Device Manager pada Gambar 3.3.

9

Gambar 3.3. Advantech Device Manager

Setelah driver device dibuka, tahap selanjutnya adalah melakukan konfigurasi channel

port counter yang akan diakses serta mode gate-nya dengan cara memasang

CounterEventStart.vi. Karena channel yang disambungkan dengan encoder adalah channel 0,

maka port counter juga disetting sama dengan 0. Tahap berikutnya adalah pembacaan pulsa

yang masuk dari encoder dengan menggunakan CounterEventRead.vi. Hasil pembacaan pulsa

ini selanjutnya ditampilkan dalam bentuk grafik dan indikator nilai. Nilai counter akan

bertambah jika arah putaran motor ke kanan dan berkurang jika arah putaran motor ke kiri.

Nilai counter yang dibaca adalah sebesar 4000/putaran atau menggunakan mode x4 counts for

each encoder cycle. Nilai yang dibaca oleh CounterEventRead.vi selanjutnya di bagi dengan

angka 4000 dan kemudian dikali 360 sehingga diperoleh besaran derajat sudut poros motor.

Proses pembacaan pulsa ini akan terus berulang selama tombol stop belum ditekan

atau terjadi error. Jika tombol stop ditekan atau terjadi error, maka while loop akan berhenti

dan selanjutnya proses reset device terjadi dan driver device ditutup. Proses ini dikerjakan

oleh CounterReset.vi dan DeviceClose.vi. Block diagram proses ini dapat dilihat pada gambar

3.4 dan flowchart alur proses pemrogramannya dapat dilihat pada gambar 3.5.

Gambar 3.4 Block diagram proses counter encoder

10

1

23

4

5

6

Gambar 3.4 Flowchart pemrograman proses counter encoder

3.2. PWM generator

PWM (pulse width modulation) generator merupakan bagian dari program yang

berfungsi untuk menghasilkan sinyal PWM untuk pengaturan kecepatan motor DC. Sinyal

PWM ini biasanya memiliki frekuensi yang tetap dengan lebar pulsa (duty cycle) yang dapat

diatur. Sinyal ini bisanya dihubungkan ke driver atau H-bridge motor yang mana lebar pulsa

PWM akan menentukan sebarapa besar power yang akan diterima oleh motor. Semakin besar

lebar pulsa maka power yang diteruskan ke motor juga semakin besar dan kecepatan motor

juga besar. Sebaliknya jika lebar pulsa diperkecil, maka power yang akan diterima motor

semakin kecil sehingga kecepatan motor melambat.

Pada progam PWM generator yang dibuat, perangkat keras yang digunakan adalah

Counter Card PCI-1780 buatan Advantech. Untuk driver motor, digunakan IC driver motor

11

tipe L298 yang telah dirakit menjadi sebuah modul driver motor EMS 2 A Dual H-Bridge

buatan Innovative Electronics seperti yang dapat dilihat pada gambar 3.5.

Gambar 3.5. Driver motor EMS 2 A Dual H-Bridge

Pada block diagram LabVIEW, program PWM generator dibuat dengan alur

pemrograman seperti yang dapat dilihat pada diagram flowchart pada gambar 3.6 dan block

diagram pada gambar 3.7.

Gambar 3.6 Flowchart pemrograman PWM generator

12

Gambar 3.7 Block diagram PWM Generator

Pada tahap pertama dalam program PWM generator, dilakukan penyalaan driver

device oleh DeviceOpen.vi dan dilakukan pengaturan nomer alamat device PCI-1780. Nomer

alamat PCI-1780 adalah 2 dimana dapat dilihat pada Advantech Device Manager pada

Gambar 3.3. Tahap selanjutnya, dilakukan setting parameter PWM seperti port channel, mode

gate, perioda PWM dan hi-perioda PWM menggunakan CounterPWMSetting.vi. Untuk

parameter port channel, gate mode, pulse count dan perioda PWM di setting tetap yaitu

channel 0, gate mode 0, pulse count 0 dan perioda PWM 0,005 detik atau 200Hz. Sedangkan

untuk parameter Hi-period akan berubah-ubah sesuai dengan variable error dan Kp yang

diperoleh dari perhitungan pada bagian program kontrol arah dan kecepatan. Hi-Periode ini

akan menentukan lebar pulsa PWM yang dihasilkan sekaligus kecepatan dari putaran motor.

Setelah parameter PWM disetting, proses selanjutnya adalah inisialisasi PWM

generate dengan menggunakan CounterPWMEnable.vi. Proses PWM generate akan dimulai

jika tombol start PWM di tekan (di-click). Proses PWM generate ini akan berlangsung terus

sampai ada perintah pemberhentian proses atau tombol stop ditekan. Jika proses

diberhentikan, maka reset terhadap device diaktifkan oleh CounterReset.vi dan driver device

ditutup oleh DeviceClose.vi.

3.3. Kontrol arah dan kecepatan Motor

Kontrol arah dan kecepatan motor merupakan bagian utama dari pemrograman kontrol

posisi motor DC. Bagian ini merupakan program yang akan mengatur arah dan kecepatan

motor berdasarkan perintah posisi yang diberikan user dan juga mengatur nilai variable Hi-

period berdasarkan error/ simpangan yang terjadi. Untuk melakukan pengaturan arah putaran

13

1

2

3

4

5 6

motor, diperlukan dua bit digital output dari perangkat keras PCI-1780 yang akan

disambungkan ke driver motor. Jika dua bit digital output bernilai Hi-Low maka motor

berputar kekanan, jika bernilai Low-Hi motor berputar ke kiri dan jika brnilai Hi-Hi atau Low-

Low maka motor akan berhenti. Diagram Alur pemrograman control arah dan kecepatan dapat

di lihat melalui flowchart pada gambar 3.8.

Gambar 3.8 Flowchart pemrograman kontrol arah dan kecepatan

14

Gambar 3.8 Flowchart pemrograman kontrol arah dan kecepatan (sambungan)

Pada program kontrol arah dan kecepatan ini, proses pertama yang terjadi adalah

membadingkan nilai dari posisi yang diinginkan dengan nilai posisi aktual yang diperoleh dari

proses counter encoder. Jika posisi sudut aktual lebih besar dari posisi sudut iputan, maka

motor akan berputar ke kiri, jika posisi sudut aktual lebih kecil dari posisi sudut iputan, maka

motor berputar ke kanan dan jika nilai posisi sudut aktual sama dengan posisi sudut iputan,

maka motor akan berhenti. Motor akan berputar ke kanan atau ke kiri dengan kecepatan

tertentu sesuai dengan hasil perhitungan hi-period. Nilai hi-period diperoleh dari besarnya

simpangan yang terjadi dikali dengan Kp (konstanta proporsional). Jika nilai dari hasil

perhitungan hi-period lebih besar dari nilai maksimum hi-period yang diperbolehkan, maka

nilai hi-period diganti menjadi nilai maksimum hi-period. Sebaliknya jika nilai dari hasil

perhitungan hi-period lebih kecil dari nilai minimum hi-period yang diperbolehkan, maka

nilai hi-period diganti menjadi nilai minimum hi-period. Karena perioda PWM yang disetting

adalah sebesar 0.005, maka hi-period maksimum adalah 0.0049. dan untuk h-period minimum

yang ada pada spesifikai alat adalah 0,0005 maka dengan pertimbangan agar motor tetap

15

memberikan respon, dipilih hi-period minimum sebesar 0.0008. Block diagram dari kontrol

arah dan kecepatan dapat dilihat pada gambar 3.9.

(a)

(b)

Gambar 3.9 Block diagram kontrol arah dan kecepatan

(a) kondisi posisi actual lebih > posisi input

(b) kondisi posisi actual tidak > posisi input

16

Posisi input

Posisi aktual

Bagian kontrol kecepatan

Bagian kontrol arah

BAB 4

PENGUJIAN

Setelah keseluruhan progam selesai dibuat dan semua perangkat keras telah terhubung

dengan terminal PCI-1780 dan PCI-1784, maka pengujian program dapat dilakukan dengan

me- running program LabVIEW yang telah dibuat. Untuk menjalankan program, diperlukan

langkah-langkah sebagai berikut:

1. Click tombol run pada LabView

2. Tekan tombol start PWM, pastikan tidak ada peringatan di error message. Jika

terdapat peringatan, stop semua proses dan ulangi dari perintah nomer 1.

3. Putar knob ke posisi tertentu, maka motor akan mengikuti arah knob yang diputar

Dengan mengikuti prosedur di atas, dalam pengujian menunjukkan bahwa program

dapat berjalan sesuai dengan yang diinginkan. Ketika knob diputar kekanan, maka motor juga

mengikuti arah putaran knob, begitu juga sebaliknya ketika knob diputar kekiri. Motor akan

berhenti jika knob tidak diputar.

Pada program yang dibuat, knob hanya dapat diputar pada rentang sudut 30 s/d 360

derajat. Sudut minimum 30 derajat dipilih agar tidak mudah terjadi error saat motor diputar ke

arah kiri dengan cepat dan terjadi overshoot sehingga counter encoder membaca nilai pulsa

encoder kurang dari Nol. Karena jenis data untuk nilai counter encoder adalah unsigned long

(32 bit integer), maka ketika nilai pembacaan kurang dari nol, maka nilai yang tebaca menjadi

sangat besar (4,294,967,295). Hal ini akan menyebabkan hasil perhitungan sudut aktual

menjadi sangat besar dan motor akan berputar terus sehingga nilai sudut aktual akan sama

dengan nilai sudut yang diperintahkan dimana hanya ada pada rentang 30 s/d 360 derajat.

17

BAB 5

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Dari penelitian minor ini dapat diambil kesimpulan:

Program kontrol posisi motor DC yang dibuat dengan menggunakan software

LabVIEW 8.5 telah berhasil di jalankan.

Untuk melakukan kotrol kecepatan motor, dapat digunakan fitur PWM output pada

kartu PCI-1780 namun dengan keterbatasan nilai period dan hi-period minimum

sebesar 0.0005 detik atau 2000Hz

Dengan menggunakan kartu PCI-1780, ketepatan pembacaan pulsa rotary encoder

sangat baik.

5.2. Saran

Saran yang dapat digunakan untuk penelitian selanjutnya adalah:

Dilakukan perbaikan program pada front panel sehingga tampilan dan penggunaan

program menjadi lebih mudah

Dilakukan perbaikan pada block diagram agar alur pemrograman menjadi lebih

singkat proses eksekusinya dan mudah dibaca alurnya.

Kontrol posisi motor DC dapat dibuat dengan beberapa metoda kontrol yang lain

seperti misalnya PID.

18

DAFTAR PUSTAKA

1. LabVIEW Basics I CBT Tutorial, National Instruments, Austin, Texas, 2005

2. LabVIEW Basics II CBT Tutorial, National Instruments, Austin, Texas, 2005

3. PCI-1784U User Manual, Advantech Co., Ltd, Taiwan, 2006

4. PCI-1780 User Manual, Advantech Co., Ltd, Taiwan, 2005

5. Advantech LabVIEW Driver User's Guide, Advantech Co., Ltd, Taiwan, 2005

6. http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3126#toc0 , diakses pada tanggal 8 Februari

2012

7. William, Kaji Banding Hasil Pengukuran Fungsi Respon Frekuensi Menggunakan

Perangkat Akuisisi Data Multiplexing PCI-6281 dan Perangkat Akuisisi Data

Serempak Multi Kanal MSA HP3566A, Tugas Sarjana, Program Studi Teknik Mesin,

FTI-ITB, 2008

19

LAMPIRAN 1

PCI 1780 SPECIFICATIONS

20

PCI 1780 BLOCK DIAGRAM

21

Konfigurasi Terminal I/O PCI 1780

22

LAMPIRAN 1

PCI 1784 SPECIFICATIONS

23

24

BLOCK DIAGRAM PCI 1784

25

PCI 1784 I/O Connector Pin Assigments

26