19

BAB III

PERANCANGAN SISTEM LANGKAH PERCOBAAN DAN HASIL PERCOBAAN

Bab ini akan membahas mengenai perancangan sistem dan realisasi perangkat keras

dan perangkat lunak dari setiap modul yang mendukung keseluruhan sistem yang dibuat.

Gambar 3.1. menunjukkan blok diagram sistem secara keseluruhan.

3.1 Blok Diagram Alat Keseluruhan

Gambar 3.1 blok diagram alat keseluruhan

Pada alat ini terdiri dari 2 modul yaitu modul alat dan modul pengujian.Dimana

modul alat terdiri dari motor brushless cd-rom, penampil kecepatan berupa tachometer,

mikrokontroler sebagai pengendali, pembangkit PWM, dan kontrol alat. Modul pengujian

terdiri dari umpan balik keluaran sensor yang dikondisikan pada 3 bit LED status sensor, 6

buah LED yang menyatakan kondisi urutan komutasi 6 langkah sebagai status aktif mosfet

dalam pensaklaran elektronik, terminal umpan balik sebagai jumper pengukuran tegangan

dan arus pada motor.

3.2. Konfigurasi Motor Brushless

Pada Perancangan ini digunakan motor brushless cd-rom dengan tipe outruner dengan

kata lain rotor(permanen magnet berada diluar stator). Motor sinkron ini merupakan motor

brushless dc 3 fasa terhubung Y dan disebut juga motor tunggal terhubung Y. Menurut

sumber motor yang digunakan pada pembuatan alat ini memiliki data karateristik 12 volt

20

sumber dc dan arus 250mA, sehingga motor berdaya 3 watt atau sekitar (1/250)HP dengan

impedansi lilitan 1Ω per fase.

Adapun konstruksi motor brushless ini didasari pengamatan yang telah dilakukan

dengan referensi yang ada, sehingga dapat disimpulkan bahwa motor ini merupakan motor

brushless dc tiga fase terhubung Y dengan 3 buah sensor hall effect tipe SMD.

Gambar 3.2. konstruksi motor

3.2.1. Rotor

Rotor yang terdapat pada Motor brushless ini merupakan permanen magnet yang

terdiri dari 12 pole/kutub utara dan selatan yang diletakan sedemikian rupa di wadah

berbentuk bulat seperti piring pada pinggiran penampang.

Gambar 3.2.1. rotor(permanen magnet)

3.2.2. Stator

Stator merupakan lilitan kawar pada penampang besi yang berfungsi pengubah

polaritas pada ujung besi dimana saat dialiri arus akan menimbulkan kutub medan magnet

yang berbeda bergantung arah arusnya, untuk lebih jelasnya dapat dilihat dari konstruksi

lilitan kawat sebagai berikut. Dimana jumlah dari kumparan perfase diwakili masing-masing

tiga kumparan dengan total kumparan berjumlah Sembilan.

21

Gambar 3.2.2. stator

3.2.3. Lilitan

Lilitan pada motor ini merupakan lilitan tiga fasa. Jenis lilitannya terdiri dari satu

kumparan untuk lilitan fasa pertama dan satu kumparan untuk lilitan fase kedua dan satu

lilitan untuk fase ketiga. Adapun polaritas dari masing-masing lilitan adalah sama, sehingga

lilitan seperti ini disebut juga monofilar winding. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada

gambar dibawah ini.

Gambar 3.2.3. konfigurasi lilitan

3.3. Perancangan modul sensor hall effect motor brushless dengan LED status

Pengujian keluaran sensor hall effect dilakukan menggunakan penguat instrumentasi

komparator dengan IC LM324N. pada dasarnya sensor hall effect mendeteksi kutub medan

magnet, sehingga untuk mempermudah pengontrolan diambil sampel untuk salah satu kutub

yaitu kutub selatan permanent magnet. Dengan rangkaian seperti dibawah ini maka didapat

hasil keluaran sensor yang dikondisikan pada 3 bit LED sebagai status sensor yang akan

dibaca atau diproses oleh mikrokontroler sebagai referansi untuk menggerakan motor

brushless cd-rom.

22

Gambar 3.3. modul sensor hall effect dengan LED status

3.4. Perancangan modul driver motor brushless dengan LED status

Pada perancangan ini menggunakan teknik pensaklaran elektronik dengan konponen

elektronika daya berupa mosfet. Untuk idealnya menggunakan mosfet tipe N, dikarenakan

kesulitan mendapatkan tipe mosfet yang sesuai dipasaran sehingga menggunakan mosfet tipe

P untuk mengganti driver atas(high). Perancangan driver motor brushless menggunakan aktif

high sebagai indikator mosfet aktif. Berikut rangkainnya dibawah ini untuk modul driver

mosfet

Gambar 3.4. modul driver

Perancangan untuk pensaklaran elektronik dikondisikan status Led PWM dimana

led1(AH), led3(BH), led5(CH) mewakili mosfet atas aktif(mosfet p-chanel IRF9540)

yang menunjukan arah arus positif dan led2(AL), led4(BL), led6(CL) mewakili mosfet

bawah aktif(mosfet n-chanel IRF540). led1 dan led2 menunjukan fase A, led3 dan led4

menujukan fase B, led5 dan led6 menujukan fase C.

Pensaklaran elektronik menggunakan mosfet tipe-p(mosfet p-chanel) dan tipe-

n(mosfet n-chanel), dengan status mosfet tipe P ON(short) saat mendapatkan input logic 0

CB

A

11

10

98

76

5

43

2 1

B+C-C+

B-A+A-

IN sensor

1K

1K

LED C

LED B

LED A

1K

+LM324/NS

+LM324/NS

+LM324/NS

200

Vcc

5V

gnd

input sensor

200

BC

A

CLCHBLBH

AHAL

J3

1k 1k1k 1k1k1k

654321

+

V+12

12V

+

C1

470uF/16 V

J4

q15q13q11

Q6 IRF540Q2 IRF540 Q4 IRF540

Q3IRF9540

Q5IRF9540

Q1IRF9540

R9150

R8150

R7150

R6430

R5430

R4430

R3470

R2470

R1470

23

(low) dan status mosfet tipe N on(short) saat mendapatkan input logic 1(high). Untuk

mendapatkan status aktif high pada tipe p digunakan transistor switching. Untuk

mengaktifkan mosfet tipe P menjadi ON. Karateristik mosfet dengan arus yang mengalir

dari drain ke source memiliki hambatan yang disebut Rds on. Hal ini sangat berpengaruh

pada saat arus mengalir pada piranti mosfet. Rds on adalah hambatan dalam mosfet saat

arus mengalir pada saat mosfet aktif(ON) sehingga terjadi desipasi daya yang

mengakibatkan panas pada mosfet. Hal tersebut mempengaruhi kecepatan

switching(pensaklaran), Ion(arus yang mengalir saat mosfet aktif), Ton(waktu aktif/

mosdfet short), Toff(waktu tidak aktif/mosfet open), Pon(desipasi daya), Psw(daya waktu

pensaklaran), hubungannya:

Pon = Ton/Toff(Ion2

. Rds)

Psw = ½ Vd. Io. Fs. (Ton + Toff)

Gambar 3.4.1 Untai pensaklaran mosfet

Untuk tipe P dapat dilihat persamaannya sebagai berikut:

Ib = (Vmikro- VBE)/R4 = (5-0.7)volt/430=10 mA, arus yang dibutuhkan transistor

untuk aktif

Vth = -4volt, Vg – Vs = -4volt. Vg = 12 – 4 = 8 volt, maka mosfet tipe P akan On/

aktif saat Vg < 8 volt dan Off saat Vg > 8volt

Gambar 3.4.2. untai setara pensaklaran mosfet

S

D

G

S

D

G

RL

+V12V

J1Rb

1k

Re470

Q32N3904

R470

R1 150

IRF540

IRF9540

Vg

+V12V

Re

470

24

Vg = Re/(Re+470)*12volt, sehingga dapat ditentukan nilai Re. nilai Rg dan Re

akan berpengaruh pada waktu Ton dan Toff, dikarenakan di dalam mosfet terdapat

kapasitor sehingga Rg akan berpengaruh pada waktu pengisian kapasitor dalam mosfet

dan Re berpengaruh pada waktu pengosongan kapasitor, semakin kecil hambatan semakin

cepat waktu yang diperlukan dalam pengisian dan pengosongan kapasitor. Untuk mosfet

tipe N akan aktif saat Vg > Vth dan tidak aktif saat Vg < Vth.

3.5. Perancangan modul kontrol pada mikrokontroler arduino

Saklar toggle digunakan untuk mengontrol arah putar motor dengan mode input

logic sebagai input digital pada mikrokontroler dan pengontrolan kecepatan menggunakan

potensio 10k dengan referensi 5 volt sebagai input analog pada mikrokontroler. Saklar

daya sebagai kontrol menghentikan kecepatan motor. Mikronkontroler sebagai generator

pembangkit PWM dan pengendali umpan balik motor brushless dari sensor hall effect

serta pengkalibrasi keluaran penampil kecepatan motor pada tachometer digital.

PORT Pengendali

Mikrokontroler

Fungsi

PORTD.1 IN HALL_A

PORTD.2 IN HALL_B

PORTD.4 IN HALL_C

PORTD.3 PWM_AH

PORTD.5 PWM_AL

PORTD.6 PWM_BH

PORTB.1 PWM_BL

PORTB.2 PWM_CH

PORTB.3 PWM_CL

PORTB.4 SWITCH

PORTB.5 OUTPUT TACHO

Tabel 3.5. konfigurasi pin port ATmega328 pada Arduino UNO

3.6. Perancangan Cara Kerja Alat

3.6.1. Diagram alir program

Pada perancangan alat dapat dilihat cara kerja alat dibuat sesederhana mungkin

dari diagram alir pada gambar dimana hasil umpan balik motor berupa posisi melalui

keluaran sensor hall effect digunakan sebagai referensi untuk menentukan arah putar

motor dengan teknik komutasi 6 langkah.

25

Gambar 3.6. diagram alir

3.6.2. Tabel kebenaran keluaran sensor terhadap aktif mosfet pentuan komutasi

6 langkah

hall sensor

Aktif mosfet

fase

A B C A B C

1 0 1 1 AH CL HIGH OFF LOW

2 0 0 1 AH BL HIGH LOW OFF

3 1 0 1 CH BL OFF LOW HIGH

4 1 0 0 CH AL LOW OFF HIGH

5 1 1 0 BH AL LOW HIGH OFF

6 0 1 0 BH CL OFF HIGH LOW

Tabel 3.6.2.1 putar maju 6 langkah (CW)

6 langkah

hall sensor

Aktif mosfet

fase

A B C A B C

1 0 1 1 CH AL LOW OFF HIGH

2 0 1 0 CH BL OFF LOW HIGH

3 1 1 0 AH BL HIGH LOW OFF

4 1 0 0 AH CL HIGH OFF LOW

5 1 0 1 BH CL OFF HIGH LOW

6 0 0 1 BH AL LOW HIGH OFF

Tabel 3.6.2.2 putar mundur 6 langkah(CCW)

26

Keterangan:

HIGH = arah arus masuk ke fase aktif dari driver

LOW = arah arus keluar fase aktif ke fase aktif

OFF = fase tidak aktif

3.6.3. Pengontrolan putaran motor

Disini penulis merancang putaran motor selambat mungkin pada pemetaan delay

dengan tujuan mendapatkan prinsip kerja motor berdasarkan konstruksi dan konfigurasi

motor. Sehingga untuk pengaruh kecepatan waktu on/off dari mosfet dapat diabaikan.

Dimana pada perancangan alat ini motor mimiliki 9 stator diwakili 3 stator untuk masing-

masing masukan fase tegangan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut

dibawah ini dimana motor berputar sebanyak 36 derajad putar yang berarti dengan sudut

rotasi sebesar 10° per langkah komutasi berdasarkan umpan balik sensor hall effect. Perlu

diketahui bahwa 6 langkah komutasi pada motor brushless ini akan berulang setiap 6

langkah komutasi atau 6 deradad putar untuk mencapai 1 putaran penuh(360°).

Gambar 3.6.3 putaran motor per langkah komutasi

27

3.6.4. Kecepatan putar motor

3.6.4.1. Pengontrolan kecepatan

Disini penulis menggunakan pembangkit PWM dari mikrokontroler

ATmega328 karena memiliki 6 keluaran PWM. Sebagai pengontrol

digunakan potensio 10K dengan referensi tegangan sebesar 5 volt pada

ADC mikrokontroler ATmega328.

3.6.4.2. Penampil kecepatan

Untuk mendapatkan kecepatan putar motor pada perancangan alat ini

penulis mengambil sampel dari salah satu keluaran sensor hall effect. Pada

perancangan ini dapat dilihat bahwa 1 peride sensor diwakili oleh 6

langkah komutasi, sehingga dalam 1 putaran penuh terdapat 6 siklus atau 6

pulsa yang diberikan pada input tacho meter digital.

3.6.5. Pengamatan

3.6.5.1. Pengamatan effesiensi

Pada perancangan ini penulis memberi jumper keluaran dari fase agar

praktikan dapat mengamati tegangan keluaran motor sehingga mengetahui

effisiensi dari motor brushless. Penulis mengakui bahwa metode pengamatan ini

tidak dapat memberikan nilai keakuratan yang tinggi. Adapun penampil

tegangan(voltmeter) dan arus(amperemeter) pada catu daya agar praktikan dapat

membandingkan antara pasokan daya dan keluaran daya dari motor brushless.

Gambar 3.6.5.1 pengukuran arus motor (Iout)

in AH

in BL

M1

1

DC V

NO DATA

+

V+12

12V+

470uF/16 V

J3

q15q13q11IRF540

IRF540 IRF540

IRF9540 IRF9540IRF9540

R9150R8

150

R7150

R6430

R5430

R4430

R3470

R2470R1

470

28

Gambar 3.6.5.2 pengukuran Vout

Pengukuran arus keluaran menggunakan 1 buah multimeter dengan menambah

hambatan 1 ohm pada salah satu fase aktif, sedangkan pengukuran tegangan keluaran

adalah pengukuran tegangan pada dua fase yang aktif bersamaan menggunakan 2 buah

multimeter dimana M1 mewakili tegangan high dan M2 mewakili tegangan low.

3.6.5.2. Pengamatan umpan balik sensor

Pada perancangan ini pengamatan umpan balik motor berupa sinyal posisi dari

sensor digunakan sebagai referensi untuk pengukuran kecepatan motor pada

penampil(tachometer digital). Pada pengamatan keluaran sensor terlihat bahwa

pengkondisian sensor akan berulang setiap 6 langkah komutasi dalam mencapai 1 putaran

penuh, adapun tiap keluaran sensor pada 6 langkah komutasi membentuk 1 periode pulsa.

Untuk mempermudah perhitungan keluaran sensor 3 bit hanya diambil 1 bit

sebagai referensi, sehingga untuk mencapai 1 putaran penuh 3600 setara dengan 6 siklus.

Dimana 6 siklus terdiri dari 36 langkah komutasi, sehingga 1 siklus = 1 periode pulsa

untuk satu sensor hall effect. Oleh karena itu 3600 = 6 Hz atau 6 pulsa per detik.

Kesimpulannya dengan menggunakan delay 100(1 detik)/pulsa untuk 1 menit = (1/6)*60.

Atau setara dengan 10 pulsa per menit untuk mencapai 1 putaran penuh.

M1

M2

in BL

in AH

DC V

NO DATA

DC V

NO DATA

+

V+12

12V+

470uF/16 V

J3

q15q13q11

Q6 IRF540

Q2 IRF540 Q4 IRF540

Q3IRF9540 IRF9540

IRF9540

R9150R8

150

R7150

R6430

R5430

R4430

R3470

R2470R1

470