## PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RANGKAIAN PENGGERAK SPWM TIGA FASA MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER AT89C51
Muhammad 1 , Refdinal Nazir 2
Jurusan Teknik Elektro Universitas Andalas e-mail: muhrahman27@gmail.com

## ABSTRACT
The use of grid voltage source (PLN) produces single speed value (maximum speed) of motor because grid voltage’s frequency  is  constant  50Hz.  Therefore,  a  three-phase  frequency  converter  is  used  to  convert  dc  voltage  into  ac voltage variable-frequency variable-voltage. The dc voltage is obtained from rectified grid ac voltage using rectifier. A three-phase variable-frequency signal generator is needed as control signal for the inverter. The  use of personal computer to produce this signal is not practical and economical, while using operational amplifier as phase-shifter produces  inconstant  phase-shift  angle  at  any  frequency  interval.  In  this  paper,    a  Flash  PEROM  (Programmable Eraseable Read Only Memory) microcontroller AT89C51 is used  to  produce three-phase sinusoidal signal because the price of AT89C51 is cheaper than UV-EPROM. In addition, AT89C51 is easy to use for other application.

## Keywords : AT89C51 Microcontroller , Inverter, PEROM , SPWM

## INTISARI
Penggunaan sumber tegangan jala-jala PLN menghasilkan nilai kecepatan tunggal (kecepatan maksimum) motor karena besar  frekuensi  tegangan  jala-jala  PLN  konstan  pada  nilai  50Hz.  Karena  itu  inverter  (frekuensi  konverter)  tiga-fasa digunakan  untuk  mengubah  tegangan  dc  menjadi  tegangan  ac  variabel  frekuensi  variabel  tegangan.  Tegangan  dc diperoleh  dari  tegangan  jala-jala  PLN  yang  disearahkan  menggunakan  rangkaian  penyearah  (rectifier).  Sebuah pembangkit sinyal sinusoidal tiga fasa variabel frekuensi diperlukan sebagai sinyal kontrol untuk inverter. Penggunaan komputer untuk menghasilkan sinyal tersebut tidak praktis dan ekonomis, sementara penggunaan operational amplifier sebagai penggeser fasa  menghasilkan sudut pergeseran  fasa  yang tidak tetap di setiap  rentang  frekuensi. Dalam paper ini sebuah  Flash PEROM (Programmable Eraseable Read  Only Memory)  mikrokontroller  AT89C51 digunakan  untuk menghasilkan sinyal sinusoidal kontrol tiga fasa variabel frekuensi karena harga AT89C51 jauh lebih murah ketimbang UV-EPROM. Selain itu AT89C51 mudah digunakan untuk aplikasi lainnya.
Kata kunci : Inverter, Mikrokontroler AT89C51, PEROM, SPWM

## I. PENDAHULUAN
Pengaturan kecepatan putaran motor listrik ac  tiga  fasa  sulit  untuk  dilakukan  bila dibandingkan  dengan  pengaturan  kecepatan motor  dc.  Karena  pada  motor  ac  kecepatan dipengaruhi  oleh  dua  variabel  yakni  tegangan dan  frekuensi  jala-jala  PLN,  sementara  pada motor  dc  kecepatan  hanya  dipengaruhi  oleh tegangan input dc.
Untuk  mengatur  kecepatan  motor  ac, tegangan  jala-jala  PLN  tidak  dapat  digunakan langsung  sebagai  suplai  tegangan  input  motor karena frekuensi tegangan jala-jala PLN bernilai tetap  50Hz.  Tegangan  jala-jala  PLN  terlebih dahulu  diubah  menjadi  tegangan  searah menggunakan rectifier kemudian inverter
(frekuensi konverter) digunakan untuk mengubah  kembali  tegangan  searah  (dc)  yang dihasilkan  rectifier  menjadi  tegangan  bolak- balik  (ac)  dengan  frekuensi  dan  tegangan  yang dapat  diatur.  Untuk  motor  ac  3  fasa  digunakan inverter jembatan tiga fasa (frekuensi konverter tiga  fasa).  Namun  terdapat  kendala  dalam menghasilkan sinyal sinusoidal kontrol tiga fasa variabel frekuensi. Penggunaan komputer untuk menghasilkan  sinyal  tersebut  menyebabkan inverter  tidak  praktis  untuk  dapat  dibawa kemana-mana
(tidak
portable ). Jika menggunakan operational  amplifier ( op-amp ) sebagai  penggeser  fasa  gelombang  sinus  0 o menjadi  120 o ,  frekuensi  sinusoidal  tidak  dapat diatur-atur,  karena  sudut  pergeseran  fasa  yang
dihasilkan  penggeser  fasa op-amp dipengaruhi oleh besar frekuensi sinusoidal 0 o .
Solusinya  adalah  dengan  menggunakan Flash PEROM ( Programmable Eraseable Read Only  Memory ) mikrokontroller  AT89C51 (keluarga MCS51 )  sebagai  penghasil  sinyal sinusoidal tiga fasa variabel frekuensi. Alternatif  lain  dapat  digunakan UV-EPROM ( Ultra  Vilolet  Eraseable  Programmable  Read Only  Memory ).  Alasan  digunakan Flash PEROM karena  harganya  yang  jauh  lebih murah ketimbang UV-EPROM , selain itu Flash PEROM mudah  dihapus  dan  diisi  ulang  serta mudah diaplikasikan untuk keperluan lain. Pada
UV-EPROM proses penghapusan harus melakukan  penyinaran  sinar ultraviolet pada jendela UV-EPROM .

## II. RANCANGAN
Secara  umum  blok  diagram  rancangan rangkaian  kontrol SPWM tiga  fasa  yang  akan dibuat adalah seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Blok diagram rancangan
Pembangkit  sinyal  kontrol  sinusoidal inverter  tiga  fasa  yang  akan  dirancang merupakan ekivalen digital dari sinyal sinusoidal  analog  yang  disimpan  pada PEROM mikrokontroller. Sinyal sinusoidal analog di sampling atau  dipartisi  sehingga  didapat ekivalen  digital  untuk  masing-masing  daerah sampling . Kumpulan dari ekivalen digital sinyal sinusoidal  yang  didapat  sebanyak  256  data  (8
bit/1  byte)  disimpan  dalam  tabel  data  ( look  up table ) pada PEROM mikrokontroller AT89C51. Tabel data kemudian dipanggil dan dikeluarkan satu persatu ke port parallel mikrokontroller P1 , P2 ,  dan P3 .  Antara P1 , P2 ,  dan P3 data  yang dikeluarkan  digeser  120 o untuk  mendapatkan besaran  digital  sinusoidal  yang  tergeser  120 o (tigafasa). Kecepatan pemanggilan dan pengeluaran data ditentukan oleh input frekuensi (fc) yang diberikan oleh saklar 8 DIP ( Dual  In  Line  Package )  ke port parallel P0 mikrokontroller  ( look  up  table ),  semakin  cepat pemanggilan  dan  pengeluaran  data,  semakin besar  frekuensi  sinusoidal  yang  dihasilkan  dan sebaliknya.
Besaran digital  sinusoidal  yang keluar dari mikrokontoller kemudian diubah menjadi besaran  analog  oleh Digital-Analog  Converter ( DAC ). Besar amplitudo  sinusoidal  yang keluar dari DAC dapat  diatur  dengan  memvariasikan nilai  tegangan  referensi  (V ref ).  Keluaran gelombang sinus dari DAC kemudian dibandingkan  dengan  gelombang  segitiga  oleh IC komparator  tegangan  untuk  mendapatkan modulasi  lebar  pulsa  sinusoidal  ( Sinusoidal Pulse  Witdh  Modulation  /  SPWM ). SPWM ini merupakan  sinyal gate bagi MOSFET inverter jembatan tiga fasa.

## A. Rancangan  Rangkaian  Penggerak  SPWM
Inverter Tiga Fasa 1. Pembangkit Gelombang Segitiga Pembangkitan gelombang segitiga
digunakan  rangkaian    ICL8038CCPD  seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian pembangkit gelombang segitiga
Untuk  memperbesar  amplitudo  tegangan yang  dihasilkan  oleh  pembangkit  gelombang segitiga  digunakan  penguat  amplitudo  segitiga seperti yang tampak pada Gambar 3.

## Gambar 3. Penguat amplitudo segitiga
2. Komparator Tegangan
Untuk memodulasi sinyal referensi sinusoidal  dengan  sinyal carrier segitiga digunakan  IC  LM311  seperti  yang  ditunjukkan Gambar 4.

## Gambar 4. Rangkaian komparator tegangan
3. Sistem Mikrokontroler
Sistem  mikrokontroler  disini  merupakan tempat  pembentukan  sinyal  sinusoidal  ekivalen digital  yang  akan  melakukan  beberapa  urutan tugas,  yang  diseting  baik  secara hardware maupun  secara software .  Urutan  tugas  yang akan  dikerjakan  oleh  sistem  mikrokontroler adalah  pembacaan  saklar  penentu  frekuensi sinusoidal,  pengambilan  tabel  datasinusoidal yang ada dalam memori, pencacahan ( counter ), pemanggilan waktu tunda, perulangan pemangilan  data  tabel  lihat,  dan  yang  terakhir adalah  pengeluaran  tabel  datasecara  berurutan ke port .
4. Proses Pembentukan Gelombang Sinusoidal
Seperti  yang  tampak  pada  Tabel  1  dan Gambar  5,  data  yang  berhubungan  dengan alamatnya  ditulis  dalam ROM .  Data  tersebut merupakan ekivalen digital dari sinyal sinusoidal.  Berikutnya,  ketika  bilangan  biner alamat diumpankan ke jalur alamat ( adrress bus ) terhubung  dengan ROM ,  data  yang  bersesuai dengan  alamat  dikeluarkan  hampir  pada  jalur data  ( data  bus ).  Kemudian  data  tersebut terkirim  ke  jalur  data  jika  sinyal  baca  ( read ) diumpankan pada ROM .
Tabel 1.  Isi dari ROM
Address Isi / Data 0 data 0 1 data 1 2 data 2 3 data 3 … … 254 data 254 255 data 255

## Gambar 5.  Hubungan kabel untuk ROM
5. Tabel  Data  Gelombang  Sinus  ( look  up table )
Sin  dapat  dihitung  dengan  perangkat lunak.  Metoda  ini  cukup  rumit,  metoda sederhana  dan  akurat  adalah  dengan  membuat tabel  data  ( look  up  table ).  Nilai  untuk  setiap  disimpan  dalam  memori  secara  berurutan. Untuk  keluarannya  ke DAC ,  memori  untuk  diakses.
Perhitungan nilai digital [9] :
02454 . 0 sin   14127 . 3 128 sin    

## Bits
Karena  itu  digit  sebelum  koma  desimal adalah  3,14127  =  3  (desimal)  =  0000  0011 (biner,  bit).  Nilai  biner  yang  akan  disimpan  ke ROM adalah = 1000 0000 (nilai dasar dari DAC = 80H) + 0000 0011 (nilai hasil  pembulatan) = 1000  0011  (83H).  Persen  kesalahan  dapat dihitung untuk mendapatkan representasi gelombang sinus yang akurat dengan persamaan
[9] :
    % 100 128 sin tan 128 sin %       pembula Error

## B. Rancangan Perangkat Keras
Gambar  6  memperlihatkan  mikro-kontroller AT89CX051  yang  dihubungkan  ke  DAC0800 buatan National Semi-conductor.
UA 741 4 7 6 2 3 + - +10V -10V +10V -10V + 5V X1 X2 VCC P1.0 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 13 12 14 15 16 17 18 19 5 6 7 11 10 9 8 12 AT89CX051 DAC0800 B1 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B8 IOUT IOUT* VR+ VR- COMP VLC V ref V+ V- R2 4k7 R3 4k7 C2 30pF XTAL 12 MHz C1 30pF 5 4 1 C3 1uF R1 10k RST VSS 20 10 13 3 14 15 16 1 C4 0.01uF R4 4k7 R5 10k V out 4 2 + 5V

## Gambar 6. Hubungan AT89CX51 dengan DAC0800
Nilai amplitudo maksimum sinusoidal FFH dan nilai minimum amplitudo 00H, seperti yang diperlihatkan Gambar 7 (a) dan (b).
FF 80 00 00 80 FF Data Address (a) 128 (80H) Memory Address 255 (FFH) 0 (00H) Y Data (b)
Gambar 7.  (a) Isian data dan alamat ROM

## (b) Sinusoidal keluaran DAC
Pada  Gambar  7(b),  diperlihatkan  garis putus-putus warna merah merupakan sinusoidal asli/ fundamental sedangkan garis tebal berbentuk  anak  tangga  di  sekitar  garis  putus- putus  merupakan  hasil  keluaran  analog  dari DAC.
Skema  rancangan  sistem  mikrokontroler untuk pembangkitan sinyal sinusoidal tiga fasa :
DAC DAC DAC P1 P2 P3 P0 AT89C51 - 24PI Saklar 8 DIP CLOCK EA RESET 4 5 6 7 8 2 1 3 Gambar 8. Skema rancangan sistem mikrokontroler

## III. PERANGKAT LUNAK
Gambar  9.  menunjukkan  diagram  alir pemograman  dari  proses  pengeluaran  data ekivalen  digital  sinyal  sinusoidal  tiga  fasa  dan pengambilan data ( input ) frekuensi.
START MULAI : Counter DS 1 Isi R3 = 256 Isi DPTR = SinTab NEXTDATA : Isi A = 00H Isi A = 00H + DPTR Isi R4 = A Keluarkan isi R4 ke P1
Isi A = 55H
Isi A = 55H + DPTR
Isi R5 = A
Keluarkan isi R5 ke P2 Isi A = 0AAH Isi A = 0AAH + DPTR Isi R6 = A Keluarkan isi R6 ke P3 DPTR + 1 DELAY : Isi Counter = P0 TUNGGU : Panggil DELAY1 Aktifkan Timer pada mode 1 Isi TH0 = FFH Isi TL0 = FFH Aktifkan Timer (TR0 = 1) TF0 beserta carry = 1 ? SUDAH : Non aktifkan Timer (TR0 = 0) Counter - 1 Counter = 0 ? T T Y Y R3 - 1 R3 = 0 ? Y T TUNGGU1 : Naikkan cacahan Timer
Gambar 9. Diagram alir pemrograman
Dari  diagram  alir tersebut  dibuat  program bahasa assembler standar  8051  /  AT89C51 dengan perangkat lunak “ pinnacle 52 Professional  Development  System  Ver  1.330 ”
untuk pengubahan file program bahasa assembler yang berektensi . asm menjadi . hex .

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  rancangan  rangkaian  kontrol SPWM tiga  fasa  telah  diujicobakan  di  Laboratorium Konversi  Energi  Elektrik  Unand.  Pengujian rangkaian  kontrol SPWM tiga  fasa  pada frekuensi  konverter  tiga  fasa  dilakukan  saat kondisi  tanpa  beban  dan  saat  kondisi  berbeban. Beban  yang  digunakan  disini  adalah  berupa beban  statis  (beban  resistif  murni)  dan  beban dinamis  motor  induksi  tiga  fasa  692  V  Y,  270 W,  1350  rpm,  0,58  A,  4  kutub, Leybold Didactic Gmbh .
A. Keluaran Rangkaian Penggerak SPWM
1. Pembangkit Gelombang Sinusoidal Sinyal  kontrol  yang  dihasilkan  oleh mikrokontroler merupakan gelombang sinusoidal  tiga  fasa  berbeda  fasa  120 o yang masih  berupa  ekivalen  digital.  Kemudian  oleh rangkaian DAC , sinyal ekivalen digital sinusoidal  tiga  fasa  tersebut  diubah  menjadi besaran  analog  seperti  yang  terlihat  pada Gambar 10.
Dari    Gambar  10    dan  11  tampak  bahwa besar  A C yang  dihasilkan  adalah  sekitar  10  V dengan THD tegangan  0,2  %  untuk  frekuensi 36,1 Hz dan 57,4 Hz.
Gambar 11. THD dan spektrum harmonisa keluaran sinusoidal rangkaian DACf C = 36,1 Hz dan 57,4 Hz
2. Pembangkit Gelombang Segitiga
Gambar  12  menunjukkan  bentuk  sinyal segitiga.  Besar  f T yang  dipilih  500  Hz dikarenakan  keterbatasan  waktu  pensaklaran optocoupler .
Gambar 12. Sinyal segitiga f T = 500 Hz

## 3. Komparator
Keluaran  dari  komparator  LM311  adalah sinyal  pembandingan  antara  sinyal  sinusoidal sebagai  sinyal  kontrol  dengan  sinyal  segitiga sebagai sinyal pembawa.
Sinyal masukan dan keluaran dari
komparator seperti yang ditunjukkan gambar 13 dibawah.  Sinyal  untuk  MOSFET  4,  6,  dan  2 adalah kebalikan dari sinyal MOSFET 1, 3, dan 5, seperti yang ditunjukkan Gambar 14.
Gambar 13. Sinyal masukan dan keluaran Komparator untuk gate
MOSFET 1, 3, dan 5 f T = 500 Hz

## Gambar 15.  Gelombang keluaran komparator LM311 yang saling berbalikan

## V. KESIMPULAN DAN SARAN
Dari  hasil  pengujian  alat  dan  analisa  dapat diambil beberapa kesimpulan :
1. Pada penelitian ini,  telah berhasil  dirancang rangkaian  penggerak SPWM tiga  fasa dengan menggunakan
mikrokontroler AT89C51 untuk pemakaian beban statis dan dinamis.
2. Pembebanan  frekuensi  konverter  tiga  fasa pada  motor  induksi  menghasilkan  bentuk gelombang arus keluaran frekuensi konverter  yang  mendekati  sinusoidal.  Hal ini  disebabkan  karena  motor  induksi  yang merupakan  beban  induktif  dapat  bekerja sebagai filter arus dari inverter.
3. Pengujian  frekuensi  konverter  pada  beban dinamis  dengan  memvariasikan  frekuensi sinusoidal kontrol didapatkan besar kecepatan  putaran  motor  induksi  yang mendekati  sama  dengan  kecepatan  putaran sinkronnya  secara  perhitungan.  Pengaturan kecepatan  putaran  motor  induksi  tiga  fasa dilakukan  dengan  mengatur  nilai  frekuensi keluaran sinusoidal pada mikrokontroler.
Saran untuk
rancangan rangkaian penggerak SPWM tiga  fasa  :  rancangan rangkaian  penggerak SPWM tiga  fasa  ini memiliki  keterbatasan  dalam  hal  penentuan frekuensi  sehingga  hanya  dapat  bekerja  pada frekuensi  tertentu  saja  dengan  kenaikan frekuensi  yang tidak linier sehingga dibutuhkan modifikasi program pada mikrokontroler.

## REFERENSI
[1]. Rasyid,  M.  H.  (1993). Power  Electronics, Circuits, Devices, and Application , Prentice-Hall International Inc.
[2]. Mohan Ned, M. (1996). Power Electronics : Converters,  Applications,  and  Design ,
John Wiley & Son, New York.
[3]. Coughlin, R. F. (1985). Penguat Operasional  dan  Rangkaian  Terpadu
Linear , Erlangga, Jakarta.
[4]. Agfianto, Eka P. (2004). Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55 , Gava Media, Yogyakarta.
[5]. Paulus,  Andi  N.  (2003). Panduan  Praktis Teknik  Antarmuka  dan  Pemograman Mikrokontroler  AT89C51 ,  Elex  Media Komputindo, Jakarta.
[6]. Intel  Corporation  (2004). Technical  Note MCS51-FX  Microcontrollers  :  Generating Sine Wave With 8051Fx’s PWM Generator ,
http://www.intel.com/design/mcs51/techno te/Intel (R) MCS (R) 51-251
Microcontrollers.htm .
[7]. Ahmed,  A.  (1999). Power  Electronics  for Technology , Prentice-Hall, New Jersey.
[8]. Sutanto,  B.  (2001). Menghubungkan  Mcs ke  Dunia  Analog , http://www.alds.stts.edu /Digital/DA-ADC .htm.
[9]. Setya,  A.  David  (2001). Function  Signal Generator ,
http://www.geocities.com/dsaproject/electr onics/f_gen.htm#DATA_LOOK_UP_TAB LE .