## Pengaturan Kecepatan Motor Brushless DC( Direct Current ) Menggunakan Cuk Converter
Naufal Miftaahul A. S. Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik dan Ilmu Kelautan Universitas Hang Tuah Surabaya,
Indonesia naufalaldhis@gmail.com

## Defa Mulyana
Program Studi Teknik Elektro,
Fakultas Teknik dan Ilmu Kelautan Universitas Hang Tuah Surabaya,
Indonesia
defamulyana97@gmail.com

## Ilham Yusuf  A.
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik dan Ilmu Kelautan Universitas Hang Tuah Surabaya,
Indonesia
ihamyusuf6212@gmail.com
Abstract —  Keuntungan  seperti  efisiensi  tinggi,  rasio inersia/torsi  tinggi,  jangkauan  pengaturan  kecepatan  yang besar  dan  rendahnya electro  magnetic  interference (EMI) menjadi  alasan  motor brushless  Direct  Current (BLDC) menjadi  pilihan  yang  tepat  dalam  banyak  aplikasi  di kehidupan sehari-hari. Motor BLDC terdiri dari belitan 3 fasa pada  stator  dan  magnet  permanen  pada  rotornya.  Dalam operasi  BLDC  memerlukan    gelombang  untuk  bekerja,  maka penggunaan  inverter  diperlukan.  Inverter  juga  digunakan untuk  tujuan  kontrol  kecepatan  dikontrol  kecepatan  BLDC konvensional.  Pada  makalah  ini  dilakukan  penelitian mengenai  pengaruh  penggunaan cuk  converter untuk mengatur kecepatan pada motor BLDC. Cuk converter sendiri memiliki sifat tegangan keluaran yang dihasilkan dapat diatur menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan masukan, Cuk  converter dipilih  karena  dapat  dioperasikan  dalam berbagai jangkauan kontrol kecepatan.
Kata  Kunci—  Kontrol  Kecepatan,  Motor  Brushless  DC (BLDC), Cuk Converter ( key words )
I. P ENDAHULUAN ( H EADING 1 )
Keuntungan  seperti  efisiensi  tinggi,  rasio  inersia/torsi tinggi,  jangkauan  pengaturan  kecepatan  yang  besar  dan rendahnya electro-  magnetic  interference (EMI)  menjadi alasan  motor brushless DC  (BLDC)  menjadi  pilihan  yang tepat  dalam  banyak  aplikasi dikehidupan  sehari-hari  seperti pada  peralatan  rumah  tangga,  industri  dan  kesehatan[1]. Motor  BLDC  terdiri  dari  belitan  3  fasa  pada  stator  dan magnet  permanen  pada  rotornya.  Dalam  operasi  BLDC memerlukan  gelombang  untuk  bekerja,  maka  penggunaan inverter  diperlukan.  Inverter  juga  digunakan  untuk  tujuan kontrol kecepatan dikontrol kecepatan
BLDC
konvensional[2].
Cuk Converter merupakan  konverter  dc-dc  dengan besarnya  tegangan  luaran  dari      konverter  ini  dapat  lebih besar atau lebih kecil dari tegangan masukan, tetapi tegangan luaran dari konverter ini memiliki polaritas yang terbalik dari tegangan  masukannya.  Atas  pertimbangan  dasar  biaya  dan kontrol  yang  kompleks,  dilakukan  penelitian    terhadap  Cuk Converter  dalam  kemampuannya  untuk  kontrol  kecepatan motor brushless  DC.  Cuk  Converter dipilih  karena  dapat dioperasikan dalam berbagai  mode dan juga dapat berfungsi untuk  menaikkan  maupun  menurunkan  tegangan  output. Pada  penelitian  ini, cuk  converter akan  dikombinasikan dengan  beberapa  sistem  kontrol  berbasis  PI  sehingga  dapat digunakan untuk mengontrol kecepatan motor.

## II. B AHAN DAN M ETODE

## A. Motor Brushless DC
Motor brushless DC  (BLDC)  adalah  jenis  motor  DC yang  tidak  memiliki  sikat.  Dengan  dihilangkannya  bagian sikat dan komutator, motor ini memiliki kelebihan antara lain adalah  peningkatan  pada  efisiensi,  pengurangan  kebisingan yang ditimbulkan saat berputar, perawatan yang lebih murah, serta  dapat  berputar  dengan  kecepatan  tinggi  karena berkurangnya gesekan dengan sikat. Sedangkan kekurangan dari  motor  ini  adalah  lebih  rumit  dalam  kontrolnya  serta harga yang lebih mahal.
Secara  konstruksi,  motor brushless DC  kurang  lebih seperti motor AC sinkron magnet permanen, dimana belitan jangkar  terletak  pada  stator  dan  rotor  yang  terdiri  dari  satu atau  lebih  magnet  permanen,  namun  memiliki  perbedaan pada back-EMF .  Back-EMF  motor  AC  sinkron  magnet permanen  berbentuk  sinusoidal  sedangkan  motor brushless DC  berbentuk  trapezoidal.  Dengan Back-EMF yang berbentuk  trapezoidal  tersebut,  motor brushless DC  dapat dikatakan  memiliki  karakteristik  elektris  seperti  motor  DC [3].
Gambar 1. Bagian Melintang Motor BLDC [2]

## B. Metode Pendeteksian Perubahan Komutasi
Dalam  pendeteksian  perubahan  komutasi  terdapat  dua metode,  yaitu  metode sensorless dan  sensor.  Metode
sensorless tidak  membutuhkan  sensor  untuk  mendeteksi posisi  rotor,  tetapi  metode sensorless mendeteksi  aktivitas elektris  dari  tiap  belitan  yang  hasilnya  akan  digunakan sebagai dasar perubahan komutasi. Metode sensorless dapat dilakukan  dengan  beberapa  cara,  seperti  metode  back-EMF yang  terintegrasi  dari  terminal  motor  tegangan  netral  ke rangkaian  penggeser  yang  tepat  [3].  Dan  dapat  diperoleh dengan metode Zero Crossing Point.
Metode  yang  lainnya  yaitu  menggunakan  sensor. Metode  ini  menggunakan  sensor  yang  mendeteksi  gerakan mekanis  dari  rotor  yang  hasilnya  nantinya  digunakan  untuk perubahan  komutasi.  Sensor  yang  biasa  digunakan  yaitu sensor hall-effect. Metode ini lebih sering digunakan karena lebih  mudah  pengaplikasiannya  dan  banyak  motor  yang dibuat  dengan  sensor hall-effect didalamnya . Sensor hall- effect adalah  sensor  medan  magnet  yang  dapat  mengetahui posisi  rotor  berdasarkan  medan  magnet  yang  dideteksi. Dengan  menggunakan  sensor hall-effect ini  dapat  diperoleh komutasi sebesar 120˚ antar fasa.
Gambar 2. Proses Komutasi berdasarkan sensor Hall-Efect [3]

## C. Rectifier
Penyearah  tegangan  atau  yang  biasa  disebut  dengan rectifier merupakan  suatu  bagian  dari  rangkaian  catu  daya atau power  supply yang  berfungsi  sebagai  pengubah tegangan  AC  ( Alternating  Current )  menjadi  tegangan  DC ( Direct  Current ).  Rangkaian  rectifier  atau  penyearah tegangan  ini  pada  umumnya  menggunakan  dioda  sebagai komponen  utamanya.  Hal  ini  dikarenakan  fungsi  dioda sebagai  penyearah  dan  karakteristik  utamanya  yaitu melewatkan  arus  listrik  ke  satu  arah  dan  menghambat  arus dari  arah  sebaliknya.  Rangkaian  dioda  sendiri  jika  dialiri tegangan  AC  maka  akan  melewatkan  setengah  gelombang dan setengahnya lagi di blokir.
Gambar 3. Rangkaian Rectifier

## D. Cuk Converter
Cuk converter adalah jenis konverter yang merupakan penyempurnaan  dari buck-boost  converter [3]. Cuk converter berfungsi  untuk  menaikkan  dan  menurunkan tegangan.  Rangkaian cuk  converter terdiri  dari  induktor input (Li), switch , kapasitor pentransfer tegangan (Ci), dioda (D), induktor filter (Lo), dan kapasitor filter (Co) [3].
Gambar 4. Rangkaian Cuk Converter

## E. Kontrol PI (Proportional Integral )
Sistem  kontrol  PI  adalah  kontroler  untuk  menentukan presisi  suatu  sistem  instrumentasi  yang  menimbulkan karakteristik  umpan  balik  pada  sistem  tersebut.  Kontrol  PI terdiri  dari  dua  cara  pengaturan  yaitu  kontrol  P ( proportional) ,  dan  kontrol  I  ( Integral ).  Kontroler  mencoba untuk  meminimalkan  kesalahan  nilai  waktu  dengan melakukan penyetelan pada variabel kontrol.

## F. Konfigurasi Sistem
Secara  garis  besar  skema  permodelan  sistem  pada penulisam  ini  direpresentasikan  oleh  gambar  1.  Sistem tersebut  terdiri  dari  sebuah  sumber  tegangan  AC  satu  fasa, rangkaian  DC-DC Cuk  Converter dan  Motor  BLDC  . Pemasangan  DC-DC cuk  converter sebagai  pengganti  DC- DC Converter konvensional  bertujuan  untuk  mengontrol kecepatan pada motor Brusless DC (BLDC) Drive .
Konfigurasi  sistem  dari  sistem  pengaturan  kecepatan motor brushless DC  yang  awal  dan  masih  belum  dikontrol dengan rangkaian PI ( Propotional Integral Derivative) yang menjadi  fokus  adalah  rangkaian  dari cuk  converter untuk mengatur  kecepatan  dari  motor  BLDC. Cuk  converter diletakkan  antara rectifier dan inverter yang  berfungsi sebagai  regulator  arus  dan  tegangan  agar  kecepatan  motor BLDC konstan dengan mempertahankan tegangan.
Gambar 6. Sistem Kontrol BLDC secara Keseluruhan

## G. Permodelan BLDC
Motor  yang  digunakan  adalah  motor brushless DC keluaran  MOOG,  seri  BN42-53IP-03.  Motor  ini  memiliki daya sebesar 874 Watt.

## TABLE 1. TABEL PARAMETER MOTOR.
Parameter Nilai R ated Power 874 Watt Rated Speed 2820 rpm Rated Torque 2.9588 Nm Resistance 0,408 Ohm Inductance 1.71 mH Speed Constant (krpm/V) 29.239 Torque Constant (Nm/A) 0,3269 No. Of Poles 8 Momen Of Inersia 0,4939x10 - 3 Kg.m 2 No load Speed 2920 rpm No Load Current 0,7 A

## H. Perancangan Cuk Converter
Cuk  converter  menggunakan  sumber  satu  fasa 220V  yang  disearahkan  oleh diode  bridge  rectifier (DBR) yang  setelahnya  diberi  kapasitor  sebagai  filter  tegangan. Karena tegangan dan arus hasil penyearahan dan filter tidak berbentuk  DC  murni,  maka  digunakan  nilai  rata-rata.  Pada penelitian  ini,  dibatasi  tegangan  input  pada  tegangan  rms sumber  minimal  adalah  200V  dengan  nilai  maksimalnya adalah 240V.

## TABLE 2. RATING CUK CONVERTER
Tegangan Input 200 V Tegangan Output 100 V Daya Output 875 V Frekuensi 50 KHz Ripple Arus Masukan 1% Ripple Arus Luaran 1% Ripple Tegangan 1% Induktor (L1) 0.01375 Mh Induktor (L2) 0.006875 mH Kapasitor (C1) 0.0000170906 uF Kapasitor (C2) 0.00005 uF Beban 11.428 Ohm

## I. Mencari Nilai Duty Cycle
Berdasarkan  tegangan  input  dan  tegangan  output  yang telah  ditentukan,  maka duty  cycle yang  digunakan  pada rangkaian cuk converter dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
D = . ............................ (1)
Perhitungan Duty Cycle :
100 = 220.
100 – 100. D = 220 . D
100 = 220 . D +100 . D
100  = 320 . D D  = = 0,3125

## J. Mencari Nilai Resistor (Hambatan)
Selanjutnya akan ditentukan nilai beban yang digunakan pada rangkaian cuk converter , berdasarkan tegangan output dan  daya  output  yang  diharapkan,  maka  beban  yang
digunakan  dapat  dihitung  dengan  menggunakan  persamaan berikut :
𝑃 = 𝑉 . 𝐼 ............................ (2)
Perhitungan Resistansi :
875 = 100 . 𝐼
𝐼 = = 8.75
R = .
= 11.428 A

## K. Mencari Nilai Induktor dan Kapasitor
Setelah  mengetahui  nilai  parameter  dari  rumus  daya, tegangan,  arus,  dan  beban.  Langkah  selanjutnya  adalah mencari  nilai  dari  kapasitor  (C1  dan  C2)  dan  induktor  (L1 dan L2).
Perhitungan Ripple :
𝐼 = 20 A = △ I = Ripple x 𝐼 = 0.01 x 20 = 0.2 A
𝐼 = 10 A = △ I = Ripple x 𝐼 = 0.01 x 10 = 0.1 A
𝑉 = 320  = △ V = Ripple x 𝑉 = 0.01 x 320 = 3.2V
𝑉 = 100  = △ V = Ripple x 𝑉 = 0.01 x 100 = 1 V
.
.  △
............................ (3)
Perhitungan 𝐿 :
𝐿 = . .  △ = . . = . = 0.01375
. .  △ ............................ (4)
Perhitungan 𝐿 :
𝐿 = . .  △ = . . = . = 0.006875
. .∆ . ............................ (5)
Perhitungan 𝐶 :
𝐶 = . .∆ . = . . . = . . . = 0.0000170906 ∆ . ............................ (6)
Perhitungan 𝐶 :
𝐶 = ∆ . = . ( )
. =
.
( . . . ) ( . ) ( . ) = . . . = 0.00005 .

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Simulasi  dilakukan  dengan  menggunakan software Power Simulator (PSIM). Dari hasil simulasi seluruh sistem dibuat  analisa  dan  hasilnya  berupa  kecepatan  dengan membandingkan hasil simulasi  antara Cuk Converter tanpa kontrol dengan terkontrol dan kestabilan kecepatan jika pada saat  tanpa  beban  dan  berbeban.  Simulasi  dalam software PSIM dengan  variabel  perubahan  tanpa  beban  sampai berbeban 0.055 Nm dan 0.075 Nm. Tegangan input 220 ( 𝑉 ) dari sumber tegangan dan tegangan output 100 ( 𝑉 ).

## A. Analisa Respon Kecepatan Motor Tanpa Beban
. Gambar 7. Grafik Respon Kecepatan Motor Tanpa Beban
Dari  gambar  diatas  dapat  disimpulkan  bahwa  grafik rangkaian  motor  terkontrol  tanpa  beban  yang  diset  dengan rest  time 4  detik  menunjukkan  kecepatan  motor  dengan kontrol kecepatan PI sebesar 703 Rpm dan rangkaian motor tanpa  kontrol PI  menunjukkan  kecepatan  sebesar  695  Rpm. Untuk  rangkaian  motor  yang  tidak  terkontrol  PI menghasilkan overshoot sebesar 6.967 Mp.

## TABLE 3. PERBANDINGAN KECEPATAN MOTOR
Kecepatan Overshot Tanpa PI 695 Rpm 6.967 Mp Dengan PI 703 Rpm -

## B. Analisa Respon Kecepatan Motor Dengan Beban 0.040 Nm
Gambar 8. Respon Kecepatan Motor Dengan Beban 0.040 Nm
Dari  gambar  di  atas  dapat  disimpulkan  bahwa  grafik rangkaian  motor  terkontrol  tanpa  beban  yang  diset  dengan rest  time 4  detik  menunjukkan  kecepatan  motor  dengan kontrol kecepatan PI sebesar 328 Rpm dan rangkaian motor tanpa  kontrol PI  menunjukkan  kecepatan  sebesar  318  Rpm.
Untuk  rangkaian  motor  yang  tidak  terkontrol  PI menghasilkan overshot sebesar 3.205 Mp.

## TABLE 4. PERBANDINGAN KECEPATAN MOTOR
Kecepatan Overshot Tanpa PI 318 Rpm 3.205 Mp Dengan PI 328 Rpm -
C. Analisa  respon  kecepatan  motor  dengan  beban  0.055 Nm
Gambar 9. Respon Kecepatan Motor Dengan Beban 0.055 Nm
Dari  gambar  di  atas  dapat  disimpulkan  bahwa  grafik rangkaian  motor  terkontrol  tanpa  beban  yang  diset  dengan rest  time 4  detik  menunjukkan  kecepatan  motor  dengan kontrol kecepatan PI sebesar 198 Rpm dan rangkaian motor tanpa  kontrol PI  menunjukkan  kecepatan  sebesar  188  Rpm. Untuk  rangkaian  motor  yang  tidak  terkontrol  PI menghasilkan overshoot sebesar 1.905 Mp.

## TABLE 5. PERBANDINGAN KECEPATAN MOTOR
Kecepatan Overshot Tanpa PI 188 rpm 1.905 Mp Dengan PI 198 rpm -

## IV. K ESIMPULAN
Kesimpulan  yang  dapat  ditarik  dari  hasil  perancangan dan pengujian konverter CUK sebagai berikut:
1. Tegangan  keluaran  berbanding  terbalik  dengan tegangan masukan.
2. Jika duty cycle < 50% maka konverter CUK bekerja secara  buck  sedangkan  apabila  duty  cycle  >  50% maka konverter CUK bekerja secara boost.
Semakin  besar  beban  yang  diberikan  maka  akan berpengaruh pada kecepatan motor yang semakin menurun..

## D AFTAR P USTAKA
[1]     Anoop  Mathew  Korula,  Sudhanshu  Tripathi  ,  "Reduction  of Harmonics to  Improve     Performance  of Permanent Magnet Brushless  DC Motor Drive Using Cuk Converter", ISSN ,vol-2, Issue-6, June 2013.
[2]   Padmaraja  Yedamale,  "Brushless  DC  (BLDC)  Motor  Fundamentals" Microchip technology ,2003.
[3]   Perdana Hadyan Putra, Suryoatmojo Heri, Anam Sjamsjul, “Perbaikan Faktor  Daya  Menggunakan    Cuk  Converter  pada  Pengaturan  Kecepatan Motor Brushless DC’, ISSN, vol-5, no.2, july 2016
[4]    J.  Shao,  D.  Nolan  ,  M.  Teissier,  and  D.  Swanson,  “ A  Novel Microcontroller  based  sensorless  brushless  DC  (BLDC)  motor  drive  for automotive  fuel  pumps ”,  IEEE  Trans.  Ind.  Appl.,  vol  39,  no.  6,  pp.  1730- 1740, Nov./Dec. 2003
[5]    R. C. Becerra, T. M. Jahns, and M. ehsani, “ four-quadrant sensorless brushless ECM drive ,”in Proc. APEC‟91, 1991, pp. 202-209
[6] D.  W.  Hart,  “ Power  Electronics ”.  New  York,  USA.  McGraw-Hill, 2011
[7] Triandini annisa, Soeprapto, dan Mochammad Rif’an, “Perancangan Battery Control Unit (BCU) Dengan Menggunakan Topologi Cuk Converter Pada Instalasi Tenaga Surya”. Malang
[8]    V. Bist and B. Singh, „ PFC Cuk Converter-Fed BLDC Drive ‟, IEEE Transaction on Power Electronics , Vol. 30 no.2, February 2015.