## Desain Sistem Kendali Kecepatan Motor Induksi Pada Cane-Carier Based on Cohen-Coon Method
1 Adi Mulyadi, 2 Adi Pratama Putra, 3 Dessy Ana Laila Sari, 4 Rezki Nalandari
1 Teknik Elektro, Universitas PGRI Banyuangi, Banyuangi
2 Teknik Mesin, Universitas PGRI Banyuangi, Banyuangi
3 Teknik Elektro, Universitas PGRI Banyuangi, Banyuangi
4 Teknik Elektro, Universitas PGRI Banyuangi, Banyuangi
1 Adimulyadi.mt@gmail.com , 2 tama.adie@unibabwi.ac.id , 3 dessynaa1995@gmail.com , 4 rezkinalandari@unibabwi.ac.id
Abstract  –  This  paper  deal  with  the  design  of  a  3-phase induction  motor  speed  control  system.  The  problem  was  the  3- phase  induction  motor  speed  does  not  maintain  constant  speed, an overshoot and a long rise time. The PID controller and a PID tuning based on Cohen Coon are proposed to overcome constant speed, overshoot  and  rise time. The simulation result shows that the  uncontrolled  speed  of  induction  motor  has  an overshoot 55.46%, rise time 17.72 ms, and peak amplitude 152 sec. Then, the motor  speed  by  using  PID  controller  has  an overshoot 63.11%, rise  time 13.75  ms,  and peak  amplitude is  100.8  sec.  While  the motor  speed  using  the  PID  tuning  based  on  Cohen  Coon has  an overshoot 53.11%, rise time 13.79 ms, and peak amplitude is 93.63 sec.  PID  tuning  based  on  Cohen  Coon  method  can  reduce  more overshoot 10%,  more quickly rise time 0.04, and it can maintain the motor speed at any condition.
Keywords  —  3-phase  Induction  Motor,  PID  Controller,  Cohen Coon Method
Abstrak —Paper  ini  membas  tentang  desain  sistem  kendali kecepatan  motor induksi 3 fasa. Permasalahan  kecepatan  motor induksi  3  fasa  tidak  dapat  mempertahankan  kecepatan  yang konstan,  overshoot,  dan  waktu  naik  yang  lama.  Kontrol  PID diusulkan  untuk  mengatasi  kecepatan  yang  konstan, overshoot , dan  waktu  naik  yang  lama.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa kecepatan  motor  induksi  tanpa  kontrol  memiliki  overshoot 55.46%, rise  time 17.72  ms,  dan peak  amplitude 152  sec. Kemudian  kecepatan  motor  dengan  menggunakan  kontrol  PID memiliki overshoot 63.11%, rise  time 13.75  ms,  dan peak amplitude is 100.8 sec. Sedangkan kecepatan motor menggunakan tuning PID  berdasarkan  metode  Cohen  Coon memiliki overshoot 53.11%, rise  time 13.79  ms, dan peak amplitude is  93.63  sec.    tuning  PID  berdasarkan  metode  Cohen Coon  dapat  mengurangi  overshoot  10%  lebih  cepat,  waktu  naik lebih  cepat  0.04,  dan  dapat  mempertahankan  kecepatan  motor pada kondisi apapun.
Kata  Kunci—Motor  Induksi  3  Fasa,  Kontrol  PID,  Metode Cohen Coon

## I. Pendahuluan
Peralatan yang sering digunakan  untuk  menunjang kinerja industri  adalah  motor  induksi  3  fasa.  Motor  induksi  3  fasa memiliki konstruksi sederhana dibandingkan dengan motor dc. Motor  induksi  terdiri  dari  stator  dan  rotor,  dimana  arus  yang mengalir  akan  menginduksi  pada  sisi  rotor.  Konduktor  rotor
dialiri oleh arus dalam bentuk medan magnet agar timbul gaya untuk  menghasilkan  gerak  putar  dalam  arah  tegak  lurus  [1]. Motor  induksi  yang baru lebih sensitif terhadap tegangan dan kecepatannya dapat diatur. Sistem yang digerakkan oleh motor telah  digunakan  lebih  66%  dari  total  konsumsi  energi  listrik [2] Dalam beberapa tahun terakhir, motor induksi seperti jenis squirrel  cage mengalami  penurunan  pengendalian  secara drastis.  Pengembangan  kecepatan  komputer  bekerja  sama dengan mikrokontroler, sistem pengendali AC telah digunakan sebagai  alternatif  motor  DC  pada  kecepatan  yang  bervariasi [3].  Motor  DC  lebih  banyak  digunakan  pada  aplikasi pengaturan  kecepatan dan torsi, karena  fluks dan torsi  mudah diatur dengan mengubah arus medan atau arus jangkar. Selain itu,  motor  DC  tidak  membutuhkan inverter dalam pengendaliannya.    Namun  perawatan  intens  yang  disebabkan adanya  komutator  dan  sikat,  sehingga  penggunaan  tidak handal  [4].  Kecepatan  putar  motor  induksi  dibutuhkan  untuk menggerakkan  beban  konstan,  beban  bervariasi,  dan  beban energi  konstan.  Permasalahan  yang  terjadi  pada  kecepatan motor  induksi  adalah  mempertahankan  kecepatan  yang konstan, overshoot yang  besar,  waktu  naik  yang  lama.  Oleh karena  itu  diperlukan  sistem  pengendali  agar  dapat mempertahankan  respon  kecepatan  yang  konstan, overshoot yang rendah, dan  waktu naik yang cepat [5][6]. Penelitian ini mengusulkan desain sistem kendali kecepatan motor induksi 3 fasa  untuk  mempertahkan  kecepatan  yang  konstan,  overshoot yang  rendah,  dan  waktu  naik  yang  cepat.  Sistem  kendali menggunakan  metode  kontrol  PID  yang  disusun  secara paralel. Output kontrol  berfungsi  sebagai  penjumlahan kontroler proportional , integral ,  dan derivative .  Kemudian nilai konstanta Kp, Ki, dan Kd diatur dengan parameter tuning Cohen-Coon (CC)  jika  ada  perubahan  kecepatan  motor  yang tiba-tiba.

## II. Metode Penelitian
Metode penelitian dilakukan untuk meningkatkan performa motor induksi dengan berbasis desain sistem kendali sebagai berikut.
1. Pemodelan  motor  induksi  secara  fisik  dengan  rekaan  ke dalam  model  matematis,  sehingga  diperoleh  transformasi laplace .
2. Merancang nilai konstanta proportional, integral, derivative (PID) berdasarkan fungsi alih motor induksi.
3. Simulasi  pengujian  loop  tertutup  tanpa  kontrol  terhadap model plant, kemudian sistem diberikan kontrol PID.
4. Konstanta  parameter  PID  dituning  berdasarkan  nilai  Kp, Ki,  dan  Kd  dengan  menggunakan  metode  Cohen-Coon. Hasil  perancangan  akan  dibandingkan  dengan  tanpa kontrol, kontrol PID dan tuning PID.

## A. Kontroler PID
Kontroler  PID  digunakan  untuk  mengurangi  sinyal kesalahan. Proportional
Integral
Derivative (PID) mempercepat reaksi sistem, menghilangkan osilasi, overshoot , dan  menghasilkan  perubahan  awal  yang  besar  [7].  Kontrol PID  dapat  digunakan  secara  bersama  atau  terpisah,  karena setiap  kontroler  memiliki  kelebihan  masing-masing  seperti kontrol proporsional dengan kebelihan mempercepat rise time , kontroler  integral  memperkecil  nilai error ,  dan  kontrol derivatif  mengurangi overshoot .  Persamaan  ketiga  kontrol dapat ditulis sebagai berikut [8].
(1)
Persamaan 1  menjelaskan nilai output U (t) adalah jumlah gain proportional Kp, gain  integral Ki,  dan gain  derivative Kd,  dimana  masing-masing  kontroler  dipengaruhi  oleh  error (e) dan waktu (t) [8].

## B. Cohen-Coon Method.
Respon  sistem  plant  mengggunakan  kontrol  PID mengalami  osilasi  dengan  amplitude  tetap.  Sehingga  metode Cohen-Coon dapat  mempeprbaiki osilasi  dengan quarter amplitude decay . Quarter amplitude decay digunakan sebagai respon transient dengan  amplitude  periode  pertama  memiliki perbandingan sebesar ¼. Respon amplitude dapat dilihat pada gambar 1 [9].
Gambar 1. Respon Amplitude Quarter Amplitude Decay [9] .
Kontroler proportional Kp  dituning  sehingga  diperoleh tanggapan quarter  amplitude  decay . Periode  saat  tanggapan disebut Tp, dan parameter Ti, Td dihitung dari Kp dengan Tp. Tuning parameter kontroler PID sama dengan metode Ziegler- Nichols .  Metode Cohen-Coon dapat  dihitung  dengan  aturan parameter kurva reaksi sebagai berikut [9].
Tabel 1. Parameter Tuning PID dengan Cohen-Coon.
Tipe Kontroller Kc Ti Td
P PI PD PID - - - -

## C. Pemodelan Sistem Motor Induksi
Pemodelan sistem motor induksi digunakan sebagai model tinjauan baku motor. Rangkaian dimodelkan untuk mendeskripsikan  sistem  yang  terdiri  dari  vektor  dengan  dua koordinat orthogonal dan polar. Komponen vektor digabungkan  dengan  variabel  yaitu direct-quadrature (d-q). sehingga  model  rangkaian  ekuivalen  motor  induksi  sebagai berikut [10].
Gambar 2. Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi [10]

## D. Model Matematis Motor Induksi
Model matematis motor induksi didapatkan dengan analisa secara dinamik pada rangkaian ekuivalen dan kerangka motor.
(2)
(3) (4)
(5)
Persamaan medan putar pada motor induksi jenis ( squerrel cage ) sebagai berikut.
(6) (7) (8) (9)
Tosi elektromagnetik sebagai berikut.
(10)
Persamaan elektrodinamik adalah.
(11) (12) (13)
Fungsi alih dan diagram blok motor induksi
Sistem  mempunyai  beberapa  input  seperti  model direct quadrature (d-q) kerangka referensi , , dan ,
maka  untuk  mendapatkan  fungsi  alih  lebih  rumit  jika dibandingkan  dengan  sistem  input  tunggal.  Seperti  motor  dc dengan  membandingkan  antarara
sebagai  keluaran dengan sebagai  masukan  acuan.  Sama  halnya  dengan motor  induksi,  untuk  mendapatkan  fungsi  alih  dengan membandingkan  antara
sebagai  keluaran dan sebagai  input  dua  koordinat orthogonal dan polar.
Fungsi  alih  dari  tegangan  input  dan  beban
harus  sama dengan nol.
Persamaan (11) di atas adalah sebagai berikut.
(14) (15) (16) Jika  ,  , dan   disubsitusikan sebagai berikut. (17) (18)
Dari fungsi alih persamaan (18) dimasukan ke dalam blok diagram sebagai berikut.
Gambar 3. Blok Diagram Motor Induksi [1].
Maka persamaan fungsi alih motor induksi sebagai berikut.
(19)

## E. Jenis Motor Induksi
Jenis  motor  induksi  yang  akan  digunakan  pada pendesainan  ini  adalah  motor  jenis  squerrel  caqe  (sangkar tupai).  Agar  dapat  didesain  maka  harus  diketahui  terlebih dahulu  nilai  dari  parameter-parameter  yang  dimiliki  oleh motor  induksi  tersebut.  Motor  yang  digunakan  ini  adalah motor  induksi  jenis  YCT355-4B  dengan  tegangan  380  V, merupakan  motor  arus  bolak-balik  (AC).  Motor  ini mempunyai data-data spesifikasi yang dapat dilihat pada table 2. seperti di bawah ini
Tabel 2. Data Parameter ( Font 9 ) No Parameter Value 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Tegangan Sumber Jumlah Pole Frekuensi Momen Inersia Rotor Tahanan Stator Tahanan Rotor Induktansi Stator Induktansi Rotor Induktansi Magnetik Slip Koefesien Gesekan RPM Daya Torsi Rotor 380 Volt 2 50 Hz 0.3 Kg.m^2 1.5 m 0.285 m 2.7 m 1.11 m 1.59 m 4000 Nm -1 2400 Nm -1 1340 Rpm 75 kW 469 Nm Sumber : P.T.P.G Unit Krebet Baru II Malang [11] Nilai-nilai dari parameter ini kemudian akan disubstitusikan  ke  dalam  bentuk  sebuah  fungsi  alih  dari persamaan  (18)  di  atas  sebagai  fungsi  alih  motor  induksi yang  akan  dilengkapi  dan  disempurnakan  spesifikasi keluarannya dengan kontroller.
(20)
(21)

## F. Desain Sistem Kendali Motor Induksi
Desain  sistem  kendali  motor  induksi  menggunakan kontroller  PID.  sistem  terdiri  dari input, kontroler ,  plant , beban  dan output . Input sistem  pengendali  berupa  variabel kecepatan  motor  yang  diharapkan,  dan output sebagai kecepatan  motor  yang  sesungguhnya.  Jika  terjadi  gangguan beban,  maka  mengakibatkan  perubahan output kecepatan. Sehingga  perubahan  dibaca  oleh  sensor  kemudian  apabila output kecepatan tidak sama dengan setpoint kecepatan, maka akan  terjadi  kesalahan.  Selanjutnya  motor  akan  dilakukan pengaturan  menggunakan  penguat  dengan  pengendalian tegangan agar output sama dengan setpoint [12].
Kontroler Load Plant + - Input Output

## Gambar 4. Blok Diagram Sistem Kendali Motor Induksi

## III. Hasil dan Pembahasan
Gambar  5  menunjukkan  desain  sistem  tanpa  kendali dengan  menggunakan  setpoint  mulai  dari  kecepatan  nol sampai  kecepatan  1500  RPM.  Kecepatan  akan  dibandingkan dengan  menggunakan  kontrol  PID  dan tuning parameter  PID dengan metode Cohen-Coon.
Gambar 5. Desain Blok Motor Induksi Tanpa Kendali
Gambar  6  menjelaskan  respon  motor  induksi  dengan  kecepatan 100  Rpm  dan  beban cane carier  0.176  Kg.ms 2 .  Beban  berupa potongan tebu yang dibawa oleh conveyor menuju mesin pemotong. Hasil  menunjukkan  bahwa  kecepatan  motor  mengalami overshoot 55.46%, rise time 17.72 ms, dan peak amplitude adalah 152 sec.
Gambar 6. Desain Blok Motor Induksi Tanpa Kendali
Gambar 7 menjelaskan respon motor induksi dengan beban 0.176 Kg.ms 2 .  Respon  motor  diberikan input sebesar  100.  Hasil menunjukkan  bahwa  kecepatan  motor  tanpa  kontrol  mengalami overshoot 55.46%, rise  time 17.51  ms,  dan peak  amplitude adalah 768  sec.  Sedangkan  kecepatan  motor  dengan  kontrol  PID  memiliki overshoot 63.11%, rise  time 13.75  ms,  dan peak  amplitude adalah 100.8 sec.
Gambar 7. Desain Blok Motor Induksi Tanpa Kendali
Gambar 8 menjelaskan respon motor induksi dengan beban 0.176 Kg.ms 2 .  Respon  motor  diberikan input sebesar  100.  Hasil menunjukkan  bahwa  kecepatan  motor  tanpa  kontrol  mengalami overshoot 55.46%, rise  time 17.51  ms,  dan peak  amplitude adalah 768  sec.  Kemudian  kecepatan  motor  dengan  kontrol  PID  memiliki overshoot 63.11%, rise  time 13.75  ms,  dan peak  amplitude adalah 100.8  sec. Sedangkan  kecepatan  motor  menggunakan tuning  PID Cohen Coon mempunyai overshoot 53.11%, rise time 13.79 ms, dan peak amplitude adalah 93.63 sec.
Gambar 8. Desain Blok Motor Induksi dengan Kontrol PID dan Tuning PID Cohen Coon

## IV. Kesimpulan
Desain  sistem  kendali  kecepatan  motor  induksi  3  fasa dengan  tanpa  kontrol,  kontrol  PID,  dan tuning kontrol  PID berdasarkan  metode  Cohen  Coon  dapat  diambil  kesimpulan bahwa sebagai berikut.
1. Kecepatan diatur 100 Rpm dengan beban cane carier 0.176 Kg.ms 2 .  Beban  berupa  potongan  tebu  yang  dibawa  oleh conveyor menuju mesin pemotong. Kecepatan motor tanpa kontrol  mengalami overshoot 55.46%, rise  time 17.72  ms, dan peak amplitude adalah 152 sec.
2. Kecepatan  motor  dengan  kontrol  PID  memiliki overshoot 63.11%, rise  time 13.75  ms,  dan peak  amplitude adalah 100.8 sec.
3. Sedangkan  kecepatan  motor  menggunakan tuning  PID Cohen Coon mempunyai overshoot 53.11%, rise time 13.79 ms, dan peak amplitude adalah 93.63 sec.

## V. Daftar Pustaka
[1] Zulfatman,  “Desain  Pengendalian  Kecepatan  Motor Induksi 3 Phase,” vol. 1, pp. 144–154, 2006.
[2] E. Quispe, G. Gonzalez, and J. Aguado, “Influence of unbalanced and waveform voltage on the performance characteristics  of  three-phase  induction  motors,” Renew. Energy Power Qual. J. , vol. 1, no. 2, pp. 1–5, 2004.
[3] C.  Saravanan,  A.  M.  Azarudeen,  and  S.  Selvakumar, “Performance  of  Three  Phase  Induction  Motor  Using Modified Stator Winding,” Glob.  J.  Res.  Eng.  Electr. Electron. Eng. , vol. 12, no. 5, pp. 1–7, 2012.
[4] A.  M.  Prasetia  and  H.  Santoso,  “Implementation  of Scalar  Control  Method  for  3  Phase  Induction  Motor Speed  Control,” Elinvo  (Electronics,  Informatics, Vocat. Educ. , vol. 3, no. 1, pp. 63–69, 2018.
[5] B. Widodo, “Simulasi Pengendali P. I. D. Fuzzy Pada Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Arus Searah,” J. Sains dan Teknol. EMAS , vol. 18, no. 3, pp. 175–190, 2008.
[6] S.  Ferdiansah  D.  S.,  Gigih  Prabowo,  “Pengaturan Kecepatan  Motor  Induksi  3ø  dengan  Kontrol  PID melalui  Metode  Field  Oriented  Control  (FOC) (Rectifier, Inverter, Sensor arus dan Sensor tegangan,” Politenik  Elektron.  Negeri  Surabaya  -  ITS ,  pp.  1–5, 2012.
[7] J.  P.  Handy  Wicaksono,  “Kontrol  PID  Untuk Pengaturan  Kecepatan  Motor  DC  Dengan  Metode Tuning  Direct  Synthesis,” J.  Tek.  Elektro  Univ. Kristen Petra , vol. 4, no. 1, pp. 10–17, 2004.
[8] R. Rahmayani, Sahara, and S. Zelviani, “Jurnal fisika dan terapannya,” vol. 7, no. 2020, pp. 87–96, 2020.
[9] W.  H.  R.  Babatunde  A,  Ongunnaike, Process Dynamics, Modeling, and Control . 2005.
[10] A.  K.  A.B.  Proca,  “Induction  Motor  Parameter Indentification  From  Operating  Data  For  Electric Drive  Applications,” Gatew.  to  New  Millenn.  18th Digit. Avion. Syst. Conf. Proc. , pp. 1–6, 1999.
[11] N.  Mulyadi,  Adi,  A.H,  Ermanu,  “Simulasi  Kontrol Kecepatan  Motor  Induksi  3  Fasa  Pada  Mesin Pemotong Tebu,” eprints.umm.ac.id , 2014.
[12] R.  K.  Yudaningtyas,  Erni  &  Subroto, Sistem  Kontrol Lanjut . Malang: UB Press Malang, 2019.