Ranc Rancang Bangun
Um pan
RANCANG
Balik Balik E E k k st ernal untuk untuk K K endali Sudut M otor otor S er vo Be Berbasis Arduino ( H endri M aja aja Saputra d kk kk . ) )
BANGUN UMPAN BALIK EKSTERNAL UNTUK KENDALI SUDUT MOTOR SE SERVO BER BASIS ARDUINO
EXTERNAL FEE D BACK D ES I G N T O C O NTRO L T H E AN GU LAR P OS I T T I O N GU N O O F SERV O MOT O R BASE D O N AR DU I 1*
2
Hendr ndri Ma ja ja Saputr Saputra a , Tot Totok Agung Pambudi , Dalmasius Gan ja j ar Subag jo jo
1
1
Pusa Pusat Pe Penelitia litian Te Tenaga Listr Listr ik ik da dan Me Mek atr onik onik - LI LIPI, K omple ompleks LI LIPI Jl Sa Sangkur ngkur iang, Gd 20, Lt 2, Ba B andung, Ja Jawa Bara Baratt 40135, Indone ndonesia sia 2 Pr ogra ogram m Studi Te T eknik Me Mek atr onik onik a, Polite Polit eknik Ca Calte ltex Ria Riau, Jl. Umba mban Sar Sar i (Patin) tin), No. 1, Rumba Rumbai Pe Pek anbar nbar u – Ria Riau 28265, Indone ndonesia sia * E-ma il: he hend018@
[email protected] Diter iter ima ima :
8 Agustus 2016
Direvisi revisi
: 3 Oktober ktober 2016 2016
Dise isetujui
: 25 Oktober ktober 2016 2016
ABSTRAK
R ancang cang bangun umpa umpan balik ekster kster nal untuk k enda ndali posisi sudut AC motor motor ser vo vo ber ba basis Ar duino duino mengguna nggunak an se s ensor nsor rotar y encod er te t elah dila dilakuk an. Pe Penelitia liti an ini dila dil akuk an untuk me meminima minimalisir lisir k k esal ahan posisi sudut a bsolut dar d ar i por por os os motor motor . K enda ndali posisi pa p ada AC motor motor ser vo vo tipe tip e MHMD022G1U dia diamati ber sifa sifatt rel relatif tif , sehingga hingga pe p elua luang ter t er ja jadinya dinya k esalahan pe p enentua ntuan posisi sudut sa sanga ngat be besar , ter t er uta utama pa pada saa saatt ter ter ja jadi distor distor si si pulsa pulsa atau saat aat supla suplai daya hila hilang. Se Sensor nsor rotar y encod er tipe tip e EP50S8 EP50S8-10241024-2F2F-P-24 dikope dikopel denga ngan por por os os motor motor untuk membaca mbaca sudut aktua ktual yang k emudia mudian dija dijadik an se ba bagai umpa umpan balik ekster kster nal. Rotar y encod er yang mengga nggambar mbar k ka n position sudut actu actuaal dar i of AC ser vo vo motor motor mengha nghasilk an digita digital code ode 1010- bit bit yang k emudia mudian dikonver dikonver si si menja njadi data desima simal denga ngan rent mengguna nggunak an se bua buah mik r okontr oler oler Ar duino duino Nano V3. rentaang 0-1023 me r okontr umpan ba balik ya yang diter diter ima ima ole oleh mik r r okontr okontr oler oler Ar duino duino diguna digunak an untuk me menye nyesua suaik an posisi atau sudut dar dar i Data umpa putara putaran n por por os os motor motor ser vo vo AC. Hasil pe penelitia litian me m enunjukk an bah wa pada k enda ndali sudut motor motor ser vo vo AC t er da pa pat osila osilasi pa p ada se s emua mua var var iasi freku frekueensi atau k ece ece pa patan ya yang diber diber ik ik an denga ngan sta standar ndar de d evia viasi 1,62º 1,62º pa p ada 1 k Hz, 1,92º 1,92º pa pada 5 k Hz, 2,29º 2,29º pa p ada 10 k Hz, dan 19,01º 19,01º pa p ada 50 k Hz. Wa Wallaupun de demikia mikian, nila nilai rat rata-rat a-rata posisi sudut putara put aran n motor motor te teta p da da pa pat me mengikuti referensi referensi ya yang diber diber ik ik an ole oleh pote potensiome nsiometer . motor ser ser vo vo AC, rotar y encod er , ar duino, duino, k enda ndali sudut K eywords: ds: motor ABSTRACT
The The d e sign of ext ext ernal f eedba eedback ck to to control the the angular position AC se ser vo motor ArduinoArduino-base based using rotar y encod er se sensor has bee been n done done. The The objec objecti tive ve of of this r e se sear ch was to minimiz e the the error of the the absolut e angl e of the th e s er vo motors MHMD022G1U mod el was r elative lative , so the the chance hance s of mistake istake in in motor shaft. Position control in AC se the the angl e position would be b e r elative lati ve ver ver y larg y larg e , e spec speciall iall y at y at the the ti me s of pulse pulse distortion or whe when the th e powe power suppl y has lost. S ensor rotar y encod er EP50S8EP50S8-10241024-2F - P P -24 t y pe pe coupl ed to the the motor shaft to r ead the the ac actual angl e was use used as an ext ext ernal f eedba eedback ck . A rotar y encod er whic which d e sc scribe ribe s the the actual angl e position of the the AC ser vo 10-bit, whic which was the then conve onvert rt ed into d eci ecimal data in the th e rang e of 0-1023 using a motor g enerat ed digital cod e 10i c roc ro c ontroll e r Arduino Nano V3. V3 . F eedba e e dback ck data r ecei e ce i ved ve d b y Arduino y Arduino i c roc ro c ontroll er was use used to adjust the th e m m position or angl e of the the shaft from AC se s er vo motors. The The r e sults showe showed that the the control angl e AC se s er vo motors on all variations of a fr eque quency cy or spee speed d containe ontained osc oscillation, whe wher e the the standard d eviations eviations we wer e 1.62º 1.62º at 1 k H z, 1.92º 1.92º at at 5 k H z, 2.29º 2.29º at at 10 k H z, and 19.01º 19.01º at at 50 k H z. H oweve owever, r, the the ave a verag rag e value alue of the the angular position of motor rotation could follow the the r e f er ence gi ce give ven n b y th y thee pot entiomet er. ser vo motor, rotar y encod er, arduino, angl e control K eywords eywords:: AC se
J urnal T ek nologi Bahan dan Barang T ek nik Vol. 6, No. 2, De sember 2016 : 43-48
PENDAHULUAN
Pada saat ini teknologi pengendalian pada motor ser vo sudah banyak dimanfaatk an didalam dunia r obotik a maupun industr i. Motor ser vo DC k ecil untuk a plik asi miniatur r obot (contoh a plik asi lihat Lee [1]) dengan motor ser vo AC untuk industr i (contoh a plik asi lihat K u [2]) sangat ber beda. Pengaturan sudut motor ser vo DC k ecil umumnya ber sifat a bsolut, sedangk a n pada motor ser vo AC ber sifat relatif . Untuk menghindar i k esalahan penentuan posisi sudut pada motor ser vo AC mak a har us dipasangk a n sensor ekster nal se bagai tambahan. Pada penelitian yang dilakuk a n oleh Sa putra [3], motor ser vo DC yang k ecil dan umum dipasaran dia plik asik an untuk alat pelatuk r obot ber senjata. Motor ser vo ter se but da pat secara optimal berf ungsi dengan sangat baik. Paul and Lasrado [4] menjelask a n k endali posisi sudut yang presisi untuk motor ser vo motor DC. Merek a menjelask an cara bar u yaitu mengendalik an motor DC ber dasar ka n masuk a n dar i sensor IR untuk umpan balik dengan hasil yg cukup baik. Pada penelitian Andani [5], sistem k endali ser vo posisi dan k ece patan motor dibantu dengan programmabl e logic control (PLC). Pengontr olan dengan PLC dalam menggerekk an motor ser vo juga sudah banyak digunak an dalam bidang industr i. Namun biaya penggunaan PLC le bih besar dibandingk an mik r okontr oller Ar duino, sehingga le bih hemat dalam biaya. Penelitian ter ka it tentang k endali sudut motor ser vo AC telah dilakuk an oleh Syamsudin [6] menggunak an metode pengaturan volt/her tz. Sedangk an penelitian ter ka it pengendalian motor ser vo DC dua arah ber basis mik r okontr oller Atmega32 dan softwar e La bVIEW telah dilakuk a n oleh Talavar u [7]. Motor ser vo juga memer luk an sinyal PWM untuk da pat digerakk a n, se per ti yang dijelask an oleh Pinckney [8]. Motor ser vo pada dasar nya telah memiliki umpan balik inter nal dan yang dibentuk dengan be bera pa metode. Pada penelitian Sadun [9], tiga metode telah diuji coba yaitu menggunak a n Arduino I nt e grat ed Drive El ectronic s (IDE), Support targ et for Simulink ( Support Pack ag e), dan Arduino I nput/ Output (I O ) Pack ag e. Penelitian beliau membandingk a n k etiga metode
ter se but dalam menganalisa k endali posisi motor DC umpan balik inter nal menggunak an Ar duino. Mak alah ini membahas tentang rancang bangun umpan balik ekster nal untuk k endali sudut motor ser vo ber basis Ar duino. Sensor sudut yang digunak an se bagai penentu sudut dan umpan balik adalah sensor rotar y encod er dengan tipe EP50S8-1024-2F-P-24 [10]. Mik r okontr oller Ar duino mener ima pembacaan umpan balik dar i sensor rotar y encod er , k emudian motor ser vo ak a n ber gerak hingga sesuai dengan referensi yang ditentuk an. Tujuan dilakuk a nnya penelitian ini adalah untuk meminimalisir k esalahan posisi sudut a bsolut dar i por os motor . BAHAN DAN METODE
Pada penelitian ini, motor ser vo AC yang digunak an adalah tipe M HMD022G1U [11] yang dikopel dengan rotar y encod er a bsolut model EP50S81024-2P-P24 [10]. Putaran motor ser vo AC ak an dikontr ol oleh mik r okontr oller Ar duino melalui port digital pada konek tor X4 yang ter da pat pada ser vo dr ive AC dengan tipe MADHT1507. Saat motor ser vo AC ber putar mak a rotar y encod er membaca setia p sudut putaran yang ter jadi, dimana k eluaran dar i rotar y encod er adalah kode biner yang dikir im k e mik r okontr oler Ar duino untuk dipr oses dan menentuk an sudut sesuai dengan nilai referensi yang diingink an. Nilai referensi mer upak a n k eluaran dar i potensio yang memiliki jangk auan 10 bit (0–1023) dan dipr oses k e mik r okontr oller . Data dar i mik r okontr oler k emudian ditampilk an dan disimpan k edalam la ptop (lihat Gambar 1). Motor ser vo AC yang digunak an memiliki be bera pa mode pengaturan, antara lain: pengaturan posisi, pengaturan k ece patan, pengaturan tor si, dan full -closed . Pada penelitian ini mode tipe pengaturan yang digunak an adalah pengaturan posisi, dimana kontr ol posisi sudut dar i motor ber dasar ka n per intah posisi ( pulse train) yang diber ik an oleh host controll er . Pr oses memasuk an pulsa untuk menggerakk an motor atau mengatur posisi sudut menggunak an tipe pulse train plus sign. Tipe masuk an pulsa ter se but sudah ada didalam parameter dar i ser vo dr ive (lihat pada Ta bel 1, [11]).
Rancang Bangun
Um pan
Balik E k st ernal untuk K endali Sudut M otor S er vo Berbasis Arduino ( H endri M aja Saputra d kk . )
Gambar 1.
Set-up Pengujian
Ta bel 1. For mat Masuk an Pulsa Tipe masukan pulsa
Pulse train plus Signal
Fungsi sinyal
Positi f dir ection command
N e gati ve dir ection
command
PULS SIGN
Pada Ta bel 1 da pat dilihat cara k er ja dar i tipe masuk an pulse train plus signal . Pada sinyal PULS, diber ik an PWM untuk memutar motor ser vo dan k ece patan dar i motor ser vo ter gantung dar i frekuensi. Sedangk an pada sinyal SIGN diber ik an masuk a n digital HIGH atau LOW. Jik a pada sinyal SIGN diber ik an masuk an HIGH, mak a arah putaran dar i motor ser vo ak an CW, sedangk an jik a masuk an LOW mak a arah putaran motor ak an CCW. Selur uh per intah ini diber ik a n oleh mik r okontr oler Ar duino. Sensor rotar y encod er tipe EP50S8-10242F-P-24 diaktif ka n dengan sumber tegangan 12 – 24 VDC, sehingga tegangan k eluaran dar i sensor ter se but sama dengan sumber tegangan. Mik r okontr oler yang digunak an adalah Ar duino nano yang memiliki tegangan I/O maksimum 5 Volt [12]. Oleh k arena itu, pada sensor rotar y encod er ditambahk a n se buah rangk aian pembagi tegangan untuk mer ubah tegangan sumber dar i 24 V menjadi 5 V agar da pat dipr oses. Sk ematik rangk aian disa jik a n pada Gambar 2.
Gambar 2.
R angk aian Pembagi Tegangan
Masuk an tegangan pada rangk aian (Gambar 2) ter se but menggunak an sumber tegangan 12 VDC. R1 memiliki nilai tahanan se besar 4,7 k sedangk an R2 se besar 3,3 k . K eluaran dar i rangk aian ini diambil antara R1 dan R2 yang ak an menghasilk a n nilai tegangan yang ter gantung dar i nilai resistor R1 dan R2. Tegangan yang sesuai dengan masuk an Ar duino diper oleh dengan menggunak an per samaan (1). Vout=
R1 R1+R2
×Vin
(1)
J urnal T ek nologi Bahan dan Barang T ek nik Vol. 6, No. 2, De sember 2016 : 43-48
dan (2) nilai referensi ber ubah dengan k ece patan teta p. Dua taha p pengujian ter se but dilakuk an untuk melihat secara jelas pengar uh k ece patan ter hada p osilasi dar i sudut aktual motor ser vo. Hasil pengujian taha p per tama nilai k ece patan diatur oleh frekuensi yang diber ik an k e motor ser vo, dimana frekuensi yang dipilih pada pengujian ini adalah 1 k Hz (6 r pm), 5 k Hz (10 r pm), 10 k Hz (60 r pm), dan 50 k Hz (300 r pm). Nilai sudut ditentuan se besar 182,8º. Data pengujian untuk taha p per tama da pat dilihat pada Gambar 3.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengambilan data dilakuk an pada hasil sudut aktual yang dibaca oleh rotar y encod er (Sudut RE) ber dasar ka n nilai referensi sudut dar i mik r okontr oller Ar duino. Nilai referensi berasal dar i potensiometer (Sudut Pot) yang dimasukk an k e dalam pin ADC 10 bit dengan range 0 1023 , k emudian dar i nilai ter s e but dikonver sik a n menjadi nilai sudut 0° 360° . Pengujian dilakuk an dua taha p yaitu: (1) nilai referensi teta p dengan k ece patan ber var iasi
195
195 ) t a j a r e d
185
u d u
180
( t
`
190
) t a 190 j a r e d
185
u d u
180
( t
S
S
175
175 0
1
2
3
0
4
1
3
4
5
Waktu ( deti k)
Waktu ( detik)
Sudut Pot
2
Sudut Pot
Sudut RE
Sudut RE
(a)
( b)
195 ) t a j a r e d
185
u d u
180
( t
) t a j a r e
190
d
230
210
( t
u d u
S
190
S
175
170 0
1
2
3
4
5
Waktu ( detik)
Sudut Pot
Sudut RE
(c) Gambar 3.
Hasil
0
1
2
3
4
Waktu ( deti k)
Sudut Pot
Sudut RE
(d)
R espon Masuk an (Sudut Pot) Ter hada p K eluaran (Sudut RE) pada Frekuensi: (a) 1 k Hz; ( b) 5 k Hz; (c) 10 k Hz; dan (d) 50 k Hz.
percobaan taha p per tama, ter da pat osilasi pada semua var iasi frekuensi atau k ece patan yang diber ik an dengan standar deviasi yang diper oleh untuk frekuensi 1 k Hz adalah 1,62o, 5 k Hz adalah 1,92o, 10 k Hz adalah 2,29o, dan 50 k Hz adalah 19,01o. Semakin besar k ece patan atau frekuensi yang diber ik an oleh mik r okontoller adr uino mak a semakin besar osilasi sudut dar i rotar y encod er yang dida pat.
Pada pengujian taha p dua, k ece patan sudut yang diber ik an konstan yaitu sesuai dengan k ece patan 30 r pm dan frekuensi 5 KHz. Nilai sudut yang diber ik an ber var iasi di rentang 0° 360° . Data hasil pengujian pada taha p dua da pat dilihat pada Gambar 4 yang menunjukk an bahwa respon dar i k eluaran sensor sudut rotar y encod er le bih lambat dar ipada masuk an sudut yang diber ik an oleh potentiometer se bagai referensi.
Rancang Bangun
Um pan
Balik E k st ernal untuk K endali Sudut M otor S er vo Berbasis Arduino ( H endri M aja Saputra d kk . )
DAFTAR PUSTAK A
350 300 ) t a 250 j a r e 200 d
( t
150
S
100
u d u
50 0 0
1
2
3
4
5
Waktu ( detik)
Sudut RE
Sudut Pot
Gambar 4. R espon k eluaran (sudut RE) ter hada p masuk an (sudut Pot) pada frekuensi 5 k Hz dengan sudut ber var iasi. Graf ik
pada Gambar 4 tidak menunjukk a n k eakuratan dar i pada hasil uji coba, teta pi menggambar ka n waktu respon dar i hasil k eluaran motor ser vo setelah menda pat referensi secara n gambar ter se but da pat waktu nyata. Ber dasar ka dilihat bahwa respon motor le bih lambat dar i masuk an yang diber ik an. Bentuk respon motor ter lihat le bih bagus, meskipun pada sinyal masuk an dar i potensio ter da pat banyak galat. KESIMPULAN
Pengujian membuktik a n bahwa motor da pat ber putar sesuai dengan referensi sudut yang diber ik an ter utama pada saat referensi posisi dar i potentiometer digerak an per lahan walaupun ter da pat osilasi. Standar deviasi osilasi yang di per oleh pada k endali sudut untuk frekuensi 1 k Hz o o adalah 1,62 , 5 k Hz adalah 1,92 , 10 k Hz adalah 2,29o, dan 50 k Hz adalah 19,01o. Penambahan sensor ekster nal da pat menjadik an motor ser vo le bih ter jaga ter hada p k esalahan, sehingga meminimalisir k esalahan posisi sudut a bsolut dar i por os motor . UCAPAN TE R IMAK ASIH
Ter ima k asih k e pada Dr . Eng. Budi Prawara selaku K e pala Puslit Telimek - LIPI dan Pr of . Dr . Eng. Estiko Rijanto selaku K e pala k elompok penelitian bidang mek atr onik yang telah member ik a n k esempatan dan mengizink a n untuk menggunak a n fasilitas yang ada sehingga penelitian ini da pat ter laksana.
[1] Lee, C. dan Yang, H. "A Context-Awareness System that Uses a Ther mogra phic Camera to Monitor Ener gy Waste in Buildings," Energ y and Buildings, vol. 135, pp. 148155, Januar y 2017. [2] K u, N. Ha S. dan Roh, M.I., "Design of Contr oller f or Mobile Robot in Welding Pr ocess of Shipbuilding Engineer ing," J ournal of Com putational De sign and Engineering, vol. 1, no. 4, pp. 243-255, 2014. [3] Sa putra H. M. dan dkk., “Analisis Metode Pembangkitan Sinyal PWM Motor Ser vo pada Sistem Pemicu Senjata Sof tgun M4A1 Otomatis,” dalam Seminar Nasional R ek ayasa Ener gi, Mek atr onik, dan Teknik K endaraan, Bandung, 2013. [4] Paul H. dan Lasrado, S. "Precise Contr ol of Angular Position of Geared DC Motor s f or Low Cost A pplications," Inter national Jour nal of Innovative R esearch in Science, Engineer ing and Technology, vol. 5, no. 9, pp. 574-578, May 2016. [5] Andani, C. Y, I. Zak ar iah dan Husnah, A. N., “Sistem K endali Ser vo Posisi dan K ece patan Motor dengan Pr ogramma ble Logic Contr ol (PLC),” Jur nal Ilmiah For istek, vol. 1, no. 102-112, 2011. [6] Syar ka wi, S. R ef dinal, N. dan Sa putra, S., “Pengontr olan (Posisi) Motor Ser vo AC dengan Metode Pengaturan "Volt/Her tz",” Teknik a Unand, vol. 2, no. 27, pp. 52 -61, 2007. [7] Talavar u, P. Naik , N. dan R eddy, V. K . K ., “Micr ocontr oller Based Closed Loop Speed and Position Contr ol of DC Motor ,” Inter national Jour nal of Engineer ing and Advanced Technology (IJEAT), vol. 3, no. 5, pp. 280-285, 2014. [8] Pinckyney, N. “Pulse-width Modulation f or Micr ocontr oller Ser vo Contr ol,” IEEE Potentials, vol. 25, no. 1, pp. 27-29, Fe br uar y 2006. [9] Sadun, A. S. Jalani, J. dan Sukor , J. A., "A Comparative Study on the Position Contr ol Method of DC Ser vo Motor with Position Feedback by using Ar duino," in Proceedings of Engineering T echnolog y I nt ernational Conf er ence ( ET I C 2015 ), Bali, 2015.
J urnal T ek nologi Bahan dan Barang T ek nik Vol. 6, No. 2, De sember 2016 : 43-48
[10] Autonic s Catalog_EP50S S erie s, Pag e s: F48- F52[Online]. Availa ble: http:// www.giden.r u/data/PDF/emkoder u/E P50S.pdf . [Diakses 08 August 2016]. [11] Panasonic I nstructions O perating ( Overall ) _AC S er vo M otor & Driver_ M I NAS A5 S erie s [Online]. Availa ble:
https://industr ial.panasonic.com/content/da ta/MT/PDF/Manual/en/acs/minas-a52_manu_ e.pdf . [Diakses 08 August 2016]. [12] Arduino Nano ( V3.0 ) U ser M anual [Online]. Availa ble: http:// www.mouser .com/pdf docs/Gravitech _ Ar duino_ Nano3_0.pdf . [Diakses 08 August 2016].
