## PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR SINKRON MAGNET PERMANEN (MSMP) TIPE INTERIOR DIATAS KECEPATAN DASAR
Muh. Bachtiar 1
1) Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Tadulako Email: m_bachtiar23@yahoo.com
Abstract – This paper presents a method to control  Permanent  Magnet  Synchronous Motor  (PMSM)  at  high  speed  above  the based  speed.  To  control  PMSM  from  zero speed up to base speed, the armature voltage of  the  motor  may  be  varied  up  to  maximum voltage  allowed  of  the  inverter  used.  In  this region  the  stator  voltage  will  increases  with the  increases  of  motor  speed  reaches  the based  speed,  motor  voltage  cannot  increase anymore because of saturation and consequently motor speed cannot be increase more  highly.  In  order  motor  to  control  the motor above base  speed, it is can be done by weakening  the  field  flux  of  the  rotor.  As  the rotor  made  of  permanent  magnet,  then  filed weakening  control  cannot  be  done  directly. The  control  of  field-weakening  effect  is  done by  controlling  stator  current  vector  of direct axix, which is variable with speed.
Keyword:  Permanent  Magnet  Synchronous Motor (PMSM), field flux, increases of motor speed.
I. Pendahuluan Aplikasi Motor Sinkron Magnet Permanen (MSMP) untuk keperluan industri  sudah  sangat  luas  seperti  robotika, kendaraan  listrik  dan  sebagainya.  Untuk aplikasi kendaraan lstrik MSMP memerlukan  range  kecepatan  yang  lebar dari  kecepatan  rendah  dibawah  kecepatan dasar  sampai  kecepatan  tinggi  diatas kecepatan dasar.
Pengendalian  kecepatan  MSMP  dari kecepatan  nol  sampai  kecepatan  dasar dilakukan  dengan  pengaturan  tegangan jangkar.  Namun  diatas  pada  kecepatan diatas kecepatan dasar,pengaturan tegangan yang lebih tinggi tidak dapat dilakukan lagi karena inverter yang digunakan mempunyai batas tegangan maksimum yang tidak boleh dilewati.  Oleh  karena  itu  untuk  menaikkan kecepatan  melebihi  kecepatan  dasar  maka pengendalian  dapat  dilakukan  dengan
melemahkan fluks medan. Pelemahan fluks ini dimungkinkan pada MSMP tipe interior karena  MSMP  tipe  interior  mempunyai induksi  jangkar  relative  besar  sehinga pengendalian  torka  maksimum  dengan menggunakan torka reluktansi dapat dicapai.  Dengan  alasan  inilah  maka pengoperasian  MSMP  untuk  kecepatan yang lebih tinggi dari kecepatan dasar dapat dilaukan  dengan  kendali  pelemahan  fluks pada daerah daya kuda konstan.
1. Pengendalian  MSMP  Dengan  Metoda Kendali Vektor
Pada  MSMP  torka  dibangkitkan  oleh interaksi  antara  fluks  yang  dihasilkan  oleh magnet  rotor  dan  MMF  stator.  Fluks tambahan  tidak  mungkin  dibangkitkan dengan  mengambil  komponen  MMF  stator sepanjang  arah  fluks  motor  karena  magnet rotor  hanya  bersifat  seperti  celah  udara terhadap  MMF  luar.  Untuk  memperoleh torka  maksimum  dari  arus  yang  diberikan atau untuk memperoleh torka yang diberikan  dengan  arus  minimum  stator, maka MMF stator harus tegak lurus dengan fluks  rotor,  dengan  kata  lain  MMF  stator harus quadrature dengan medan[1].
Hal  ini  diperoleh  dengan  mendeteksi posisi sesaat dari rotor dengan menggunakan sensor posisi, dan
mengendalikan  posisi  dari  MMF  stator pada  posisi  tegak  lurus  dengan  fluks  rotor. Karena  fluks  rotor  berputar  dalm  ruang maka vector MMF stator juga harus diputar secara sinkron sehingga posisi relatif dalam ruang  dipertahankan,  tidak  hanya  dalam kondisi  steady  state  tetapi  dalam  kondisi transient untuk memperolehrespon dinamis yang  paling  baik.  Ini  dilakukan  dengan pengendalian vector (vector control).
2. Struktur Dari Metoda Kendali Vektor
Untuk  mengendalikan  torka  dan  fluks dari  MSMP  tipe  interior  dengan  cara decouple maka komponen i d dan i q dari arus stator  harus  dikendalikan.  Magnituda  i q harus  dikendalikan  untuk  mengetur  torka dan magnitude i d harus dikendalikan untuk memperoleh  efek  pelemahan  medan  (field wekening  effect).  Pengeturan  i d dan  i q dilakukan  dengan  menggunakan  teknik PWM  atau  pengendali  hysteresis  dalam kerangka  referensi  rotor.  Pengendalian torka  dan  fluks  dilakukan  berdasarkan persamaan  torka  motor  magnet  permanen [2] sebagai berikut :
(1)
Dimana :
T e = torka elektromagnetik p   = jumlah pasangan kutub ψ mag = fluks lingkup magnet permanen L d = induktansi stator sumbu direct L q = induktansi stator sumbu quadrature I d = arus steady state stator sumbu direct I q =  arus  steady  state  stator  sumbu quadrature
Sebelum  men-switching  inverter,  error (galat) arus yang sudah dikuatkan ditransformasi ke stator oleh blok transformasi dq -1 (inverse dq transformation) dengan menggunakan posisi  rotor  terukur  dari  sebuah  encoder. Untuk  mengurangi  cross  coupling  antara arus  sumbu-d  dan  arus  sumbu-q  dan  back EMF  maka  digunakan  beberapa  feed forward  decoupling.  Diagram  sederhana dari  pengendalian  torka  dengan  kerangka referensi  rotor  [3]  diperlihatkan  pada gambar 1.
Gambar 1. Skema pengendalian torka dengan regulator arus

## 3. Daerah Operasi Motor
MSMP  dapat  beroperasi  dalam  dua daerah  operasi  yaitu  daerah  dibawah kecepatan  dasar  dari  kecepatan  nol  sampai kecepatan  dasar  dan  operasi  pada  daerah diatas kecepatan dasar.
 Operasi pada Daerah dibawah
Kecepatan Dasar Supaya  dihasilkan  torka  paling  besar untuk  arus  stator  yang  diberikan  maka operasi
optimal dicapai dengan mengendalikan  arus  stator  dimana  fasor ruang  arus  stator  hanya  mengandung komponen  sumbu  quadrature  saja  apabila dinyatakan  dalam  kerangka  referensi  rotor. Fluks  celah  tetap  konstan  dan  torka  steady state  maksimum  bergantung  pada  rating arus  kontinu  stator.  Diagram  fasor  untuk operasi  torka  konstan  diperlihatkan  pada gambar 2.

## Gambar 2. Diagram fasor MSMP dalam mode torka konstan
Dari  gambar  2  terlihat  bahwa  tegangan stator  u x bertambah  dengan  bertambahnya kecepatan,  dengan  torka  konstan  pada motor,  maka  akan  membutuhkan  lebih banyak  tegangan  dari  inverter.  Kecepatan maksimum  yang  dapat  dicapai  pada  torka maksimum  dibatasi  oleh  tegangan  inverter yang  diijinkan. Kecepatan  maksimum pada daerah  operasi  ini  didefinisikan  sebagai kecepatan dasar ω rb .
 Operasi  pada  Daerah  diatas  Kecepatan
Dasar Mode operasi yang optimal sesuai untuk kecepatan dibawah kecepatan dasar dimana tegangan  yang  cukup  tersedia  dari  inverter yang  mensuplai  belitan  ststor  motor.  Akan tetapi  pada  kenyataan  diatas  kecepatan dasar,  yaitu  pada  daya  konstan,  EMF induksi  bertambah  secara  langsung  dengan bertambahnya  kecepatan  (fluks  eksitasi
tetap  konstan  karena  magnet  permanen), dan jika kecepetan yang diberikan tercapai, maka  tegangan  harus  juga  ditambah  untuk melawan EMF stator.
Pertambahan tegangan terminal memerlukan pertambahan dalam rating tegangan inverter yang diberikan.
Inverter  mempunyai  batas  tegangan yang  tidak  dapat  dilebihi,  maka  tegangan terminal  motor  harus  dibatasi  dengan menggunakan  pelemahan  medan  (field weakening).  Pelemahan  medan  secara langsung  tidak  dapat  dilakukan  karena medan  eksitasi  diperoleh  dari  magnet permanen.  Namun  efek  yang  sama  dapat dicapai  dengan  memasang  arus  sumbu direct yang negatif seperti yang ditunjukkan pada persamaan berikut :
(2)
dimana : ψ sd = fluks lingkup stator pada sumbu direct λ r =  fluks  lingkup  akibat  fluks  magnet rotor yang melingkupi stator
Magnituda  arus  stator  yang  merupakan jumlah vektor dari komponen arus sumbu-d dan  sumbu-q  akan  bertambahn  jika  motor membangkitkan  torka  yang  sama  seperti pada  kecepatan  dasar.  Untuk  membatasi arus  stator  pada  rating  kontinu  yang  tetap, komponen  torka  I qx dari  arus  stator  harus dikurangi, seperti pada persamaan 3.
(3)
dimana : I max = rating arus kontinu dari stator
Jadi  torka  output  maksimum  dari  motor mendapat  batas  dalam  daerah  operasi  daya konstan. Diagram fasor untuk mode operasi daya konstan ditunjukkan dalam gambar 3.
Untuk operasi daya konstan :
(4) dimana : ω r = kecepatan sudut diatas kecepatan dasar ω rb = kecepatan dasar T e = torka elektromagnetik T b = rated torka pada kecepatan dasar
Gambar 3. Diagram fasor MSMP dalam mode operasi daya kuda konstan
Torka  berbanding  lurus  dengan  I qx maka persamaan 4 dapat ditulis ulang menjadi :
(5)
dimana :
I qs =  komponen  sumbu-q  dari  arus stator pada kecepatan ω r I qs rated  =  arus  stator  pada  rated  torka  dan pada kecepatan dasar ω rb Karakteristik torka kecepatan dari motor ditunjukkan pada gambar 4.
Gambar 4. Karakteristik kecepatan versus torka

## II. Metode Penelitian
Skema  keseluruhan  dari  pengendali torka menggunakan vector control ditunjukknan dalam  gambar 5.
Motor  diperlukan  untuk  beroperasi dalam mode operasi torka konstan dibawah kecepatan dasar dan dalam mode daya kuda konstan diatas kecepatan dasar.
Untuk  memperoleh  torka  maksimum pada arus stator yang diberikan dalam mode torka konstan, maka fasor ruang arus stator dikendalikan agar selalu berada disepanjang sumbu-q. arus sumbu-d dipertahankan tetap nol. Pengendali kecepatan memberikan niai referensi  untuk  torka  yang  diperlukan  dari motor.  Referensi  untuk  arus  sumbu-q
dihitung  dengan  membagi  torka  referensi dengan  konstanta  torka  K T dari  motor. Motor  dapat  menarik  arus  rated  beberapa kali  dalam  waktu  singkat.  Oleh  karena  itu motor  dibolekan  untuk  membangkitkan torka  yang  sama  dengan  torka  puncak dengan membolehkan nilai arus stator yang diperlukan  mengalir.  Hal  ini  perlu  untuk mengurangi  waktu  percepatan.  Akan  tetapi dalam  prakteknya  arus  stator  maksimum dibatasi oleh kapasitas hantar arus maksimum dari inverter.
Jadi referensi torka dibatasi sampai nilai kapasitas  hantar  arus  maksimum  dari inverter  yang  sesuai.  Arus  sumbu-q referensi  [4]diberikan oleh persamaan :
(6)
Gambar 5. Diagram blok vektor kontrol untuk MSMP tipe interior
Referensi  untuk  arus  sumbu-d  dalam mode torka konstan adalah I dx = 0. Dalama mode  daya  kuda  konstan  arus  stator  harus mempunyai  komponen  sepanjang  sumbu-d negatif.
Bila  kecepatan  ω r yang  diberikan  diatas kecepatan  dasar  ω rb ,  nilai  referensi  untuk komponen  sumbu-d  dari  arus  stator dihitung dari :
(7)
Untuk  mencapai  karakteristik  daya konstan, komponen simbu-q dari arus stator dibatasi  sampai  batas  daya  kuda  konstan. Batas  untuk  komponen  sumbu-q  dari  arus stator diberikan oleh :
(8) Magnituda  dari  arus  stator  tidak  boleh melebihi rating arus kontinu atau
kemampuan  hantar  arus  maksimum  dari inverter  berapapun  kecilnya.  Ini  menjadi batas  kedua  untuk  komponen  sumbu-q dariarus  stator.  Batas  untuk  komponen sumbu-q  dari  arus  stator  akibat  dari konstrain ini diberikan oleh :
(9) Berdasarkan pertimbangan diatas pengendali  kecepatan  yang  dirancang sebaiknya menggunakan pengendali proporsional  +  integral  (PI)  untuk  lup kendali  kecepatan.  Pengendali  fluks  hanya mengecek  jika  kecepatan  diatas  kecepatan dasar  dan  referensi  arus  sumbu-d  yang bergantung  pada  kecepatan  selanjutnya dihitung.
Lup  paling  dalam  dari  struktur  kendali adalah pengendali arus. Lup arus memaksa arus  jala-jala  AC  mengikuti  referensi  arus. Desain  dari  pengendali  arus  didasarkan pada persamaan tegengan motor.
Persamaan  tegangan  dari  kordinat  d-q (kerangka referensi rotor) diberikan oleh :
(10)
(11) ω s adalah  kecepatan  sinkron,  yang besarnya adalah : (12)
Respon  yang  digharapkan  dari  lup  arus adalah  waktu  kelambatan  T  orde  pertama. Sifat  ini  secara  matematis  dinyatakan sebagai berikut :
(13) (14) Keluaran tegangan referensi ditransformasikan  dari  sinyal  referensi kerangka  rotor  2  fasa  menjadi  sinyal referensi kerangka stator 3 fasa dan disuplai ke  inverter  sumber  tegangan  (VSI)  setelah
melalui  rangkaian  modulasi  lebar  pulsa (PWM).
III. Hasil dan Pembahasan
1. Analisis  Hasil  Penggunaan  Msmp Dengan Efek Pelemahan Fluks
MSMP  telah  dikembangkan  untuk diaplikasikan  pada  kendaraan  listrik  [5]. Pengujian  dilakukan  dengan  pengendalian pelemahan medan (field weakening control).  Hasil  yang  diperoleh  untuk spesifikasi  motor  yang  ditunjukkan  pada tabel 1 ditunjukkan dalam gambar 6 dan 7.
Tabel  1.  Parameter  desain  dari  MSMP  tipe interior yang digunakan dalam eksperimen [5]. Output 15 KW Phase current 85 A Phase voltage 98 V d-axis current -34,5 A Rated current 85 A q-axis current 77,65 A Base speed 3000 rpm d-axis voltage -75,28 V Resistence per phasa 0,042 Ω q-axis voltage 70,96 V Synchromous reactance 0,673 Ω Efficiency 96,25 d-axis reluctance 0,32327 Ω q-axis reluctance 0,95077 Ω
Gambar 6. Karakteristik tegangan-arus berdasarkan kecepatan Gambar 7. Karakteristik tegangan versus torka, arus dan daya output Gambar 6 dan 7 menunjukkan
karakteristik  kecepatan  daya  dalam  daerah field  weakening.  Dari  karakteristik  pada gambar  tersebut  terlihat  bahwa  kecepatan dasar  dimana  tegangan  suplai  sudah  jenuh meningkat sampai dengan 4500 rpm karena peleahan  medan  terinduksi  oleh  efek reluktansi dalam daerah torka konstan. Oleh karena  itu  daerah  output  kecepatan  yang memenuhi  output  yang  diharapkan  dapat diperlebar sampai 900 rpm dengan menggunakan field weakening control.
IV. Kesimpulan Motor sinkron magnet permanen (MSMP)  dapat  dioperasikan  dalam  dua daerah  operasi  yaitu  daerah  operasi  torka konstan  dan  daerah  operasi  daya  kuda konstan.  Pada  daerah  torka  konstan,  torka motor  maksimum  dan  motor  berputar  dari kecepatan nol sampai kecepatan dasar. Pada daerah  ini  tegangan  stator  akan  terus bertambah  seiring  dengan  bertambahnya kecepatan  dan  saat  pada  saat  motor mencapai  kecepatan  dasar,  tegangan  motor tidak bias lagi bertambah karena mengalami  kejenuhan  (saturasi).  Karena tegangan  motor  tidak  bias  lagi  bertambah maka  kecepatan  motor  juga  tidak  bias  lagi bertambah.
Agar  kecepatan  motor  dapat  bertambah sampai  diatas  kecepatan  dasar,  maka  fluks medan  harus  dilemahkan.  Akan  tetapi karena  pelemahan  medan  tidak  dapat dilakukan  secara  langsung,  maka  efek pelemaan  medan  dapat  dilakukan  dengan mengendalikan  vektor  arus  ststor  sumbu direct  yang  bervariasi  dengan  kecepatan. Pengendalian  ini  disebut  dengan  vector control.

## Daftar Pustaka
[1]    Flett,  F.,1994,  A  Tutorial  in  AC Induction  and  Permanent  Magnet Synchronous  Motor,  Vector  Control with  DSP,  Analog  Devices,  Inc.  and Infosys Technologies, Ltd., USA
[2]   Schaible,U.  and  Szabados,B,  1998, Dynamic  Parameter  Torque  Control of  High  Speed  Sinusoidal  Flux Permanent Magnet Synchronous Machines,  International  Conferences on PEDES, Vol. I, pp.88-13.
[3]  Rahman  M.F.,  Zhong  L.  and  Lim,
K.W.  1998,  A  Comparison  of  Two
High  Performance,  Wide  Speed Range  Drive  Techniques  for  Interior Magnet Motors, International
Conferences  on  PEDES,  Vol.  I, pp.276-281.
[4]  Oyama,  J.,  et.al.,  2001,  Sensorless Vector  Control  of  IPM  Motor  Over Whole  Speed  Range,  International Conferences  on  PEDS  2001,  Bali, Vol. I, pp.448-451.
[5]  Park,J.W., Koo, D.H., Kim, J.M., and
Kim,  H.G.,  1998,  Development  of Interior Permanent Magnet Synchronous  Motor  and  Driver  for Electric Vehicle, International Conferences  on  PEDES,  Vol.  II, pp.892-897.