## Analisis Karakteristik Perangkat Keras Pengubah Frekuensi ke Tegangan untuk Pengukuran Kecepatan MASTS

## Arif Sumardiono
Program Studi Teknik Elektro, Universitas 17 Agustus 45 Jl. Perjuangan No. 17 Cirebon, Indonesia arif_elektro@yahoo.com

## Abstrak
Makalah ini menjelaskan proses analisis karakteristik perangkat keras pengubah frekuensi ke tegangan pada Motor Arus  Searah  Tanpa  Sikat  (MASTS)  untuk  proses  pengukuran  kecepatan  motor  tersebut.  Sensor  yang  digunakan  pada MASTS adalah sensor hall dengan input perubahan medan magnet dan output frekuensi . Penelitian ini bertujuan untuk menguji  kelayakan  perangkat  keras  tersebut  jika  digunakan  untuk  mengukur  kecepatan  MASTS.  Kriteria  pengujian yang  digunakan  yaitu  sensistifitas,  akurasi,  kepresisian  dan  histerisis.  Hasil  pengujian  menunjukan  dengan  input frekuensi  dari  AF  Generator  sebagai  sumber  ideal  didapatkan  sensitifitas  0,0096  V/Hz,  akurasi  99,8%,  kepresisian 99,81  %,  dan  histeresis  dengan  galat  0,02%,  sedangkan  hasil  pengukuran  dengan  input  frekuensi  dari  sensor hall MASTS didapatkan sensitifitas 0,0095 V/Hz, akurasi 99,6%, kepresisian 99,6%, dan histeresis dengan galat 0,4%.
Kata kunci: MASTS, sensor hall , frekuensi, tegangan, kecepatan

## Abstract
This  paper  describes  the  analytical  process  of  characteristics  a  frequency  to  voltage  hardware  converter  on Brushless Direct Current Motor (BLDC) for motor’s speed measurement. The sensor used on this motor is hall sensor with  the  input  is  magnetic  field  changes  and  the  output  is  a  frequency.  This  study  aims  to  test  the  feasibility  of  this hardware to be used for speed measurement. Sensors characteristics that tested are sensitivity, accuracy, precision and hysteresis. The test results shows that, the input frequency from AF Generator as an ideal frequency obtained sensitivity by 0.0096 V/Hz, accuracy 99.8%, precision 99.81%, and hysteresis with error by 0.02%, while the measurement results with input from hall sensor obtained sensitivity by 0.0095 V/Hz, accuracy 99.6%, precision 99.6% and hysteresis with error by 0.4%.
Keywords: BLDC, hall sensor, frequency, voltage, speed

## I. P ENDAHULUAN
Motor  Arus  Searah  Tanpa  Sikat  (MASTS) merupakan  salah  satu  jenis  motor  listrik  yang menggunakan metode komutasi untuk mengerakannya.  Sensor  yang  digunakan  untuk mengukur kecepatan  MASTS salah satunya adalah sensor hall. Cara kerja dari sensor yaitu mendeteksi perubahan medan magnet  ketika MASTS bergerak. Tanpa  adanya  sistem  sensor  yang  baik  maka  tidak akan  diketahui  berapa  kecepatan  putaran  MASTS sebenarnya.  Motor  magnet  tanpa  sikat  dari eksitasinya  dapat  dioperasikan  dalam  tiga  kondisi, yaitu sebagai motor AC sinkron dan motor stepper . Motor magnet permanen tiga fasa dapat dikondisikan  sebagai  MASTS.  Pengoperasian sebagai  motor  MASTS  diperlukan  saat  motor
berada  saat  kecepatan  menengah  yang  sering berubah-ubah.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk mengimplementasikan  perangkat  keras  pengubah frekuensi ke tegangan pada MASTS dan melakukan analisis karakteristik perangkat keras tersebut.
Sistem  sensor  yang  digunakan  dalam  mengukur kecepatan  MASTS  sangat  berpengaruh  terhadap penggunaan  motor  MASTS.  Tanpa  adanya  sistem sensor  kecepatan  tidak  dapat  diketahui  berapa kecepatan putaran motor yang digunakan. Perangkat keras pengubah frekuensi ke tegangan  ( F to V ) digunakan untuk pembacaan sensor hall pada motor MASTS. Penggunaan F to V pada penelitian ini  dimaksudkan  untuk  menguji  coba  apakah menggunakan F  to  V dapat  meningkatkan  serta mempermudah pengukuran kecepatan MASTS.

## II. P ERANGKAT K ERAS

## A. MASTS
MASTS  sangat  populer  digunakan  di  dunia indutri, automotif (Gambar 1). MASTS lebih handal dan  dapat  digunakan  dalam  kondisi  lingkungan terburuk dibandingkan dengan motor yang menggunakan sikat. Kontrol pada MASTS dikategorikan  menjadi  tiga  jenis  yaitu:  beban konstan, beban variasi, dan aplikasi positioning [1]. MASTS  menggunakan  bahan  semikonduktor untuk  merubah  maupun  membalik  arah  putaran untuk menggerakan  motor, serta tingkat kebisingan motor  jenis  ini  rendah  karena  putarannya  halus. MASTS  memiliki  biaya  perawatan  yang  lebih rendah dan kecepatan yang lebih tinggi akibat tidak digunakannya  sikat  [2].  Jika  dibandingkan  dengan motor  induksi,  MASTS  memiliki  efisiensi  yang lebih  tinggi  karena  rotor  terbuat  dari  magnet permanen [3].
Untuk  mendapatkan  torsi  dan  kecepatan  yang konstan,  diperlukan  tiga  buah  sensor hall .  Pada sensor hall , timing komutasi ditentukan dengan cara mendeteksi medan magnet rotor dengan menggunakan  tiga  buah  sensor hall untuk mendapatkan  enam kombinasi timing yang berbeda [4].  Beberapa  keuntungan  MASTS  dibandingkan dengan motor DC biasa, adalah:
1. Lebih  tahan  lama,  karena  tidak  memerlukan perawatan terhadap sikatnya
2. Memiliki tingkat efisiensi yang tinggi
3. Torsi awal yang tinggi
4. Kecepatan yang tinggi, tergantung pada kekuatan  medan  magnet  yang  dihasilkan  oleh arus yang dibangkitkan dari kendali penggeraknya Walaupun MASTS memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan motor DC biasa, pengendalian MASTS lebih rumit untuk mengatur kecepatan dan torsi motor.
Gambar 1. MASTS dilengkapi dengan roda

## B. Sensor Hall
Untuk estimasi posisi rotor, motor ini dilengkapi dengan  tiga  sensor hall yang  ditempatkan  setiap 120°  [5].  Dengan  sensor  ini  ada  enam  komutasi yang  mungkin  berbeda  (Gambar  2).  Penelitian  ini mengunakan komutasi dua fasa seperti Tabel 1.

## C. Arduino Uno
Arduino  adalah  sebuah platform elektronika open  source yang  memiliki  fleksibilitas,  serta mudah  dalam  menggunakan  perangkat  keras  dan perangkat  lunaknya. Arduino  Uno (Gambar  3) merupakan papan mikrokontroler yang menggunakan
Atmega328 sebagai jenis mikrokontrolernya.  Arduino  Uno memiliki  14  pin digital  input dan output ,  6  pin input  analog ,  16 MHz ceramic  resonator ,  sebuah  koneksi Universal Serial Bus (USB), sebuah Power Jack , sebuah ICSP header ,  dan  tombol reset .  Semua  ini  diperlukan utuk  mendukung  mikrokontroler,  agar  dengan mudah dapat terhubung ke sebuah komputer dengan kabel USB atau tegangan DC dengan menggunakan adapter atau baterai untuk menjalankannya.
Tabel 1. Komutasi pensaklaran 2 fasa
Gambar 2. Ilustrasi kontruksi MASTS dengan sensor hall
Gambar 3. Papan Arduino Uno

## III. P ERANCANGAN S ISTEM
Pada  paper  ini,  dilakukan  penelitian  hanya  pada pengujian  frekuensi  ke  tegangan  untuk  pembacaan kecepatan  motor  MASTS  dengan  input  frekuensi dari  MASTS  dan  keluaran  dalam  bentuk  tegangan serta  nilai  ADC.  Pengujian  dilakukan  dengan  dua percobaan pada perangkat keras pengubah frekuensi ke tegangan, yaitu percobaan pertama menggunakan input  frekuensi  dari Analog  Function  Generator (AFG)  seperti  Gambar  4  dan  percobaan  kedua menggunakan  input  frekuensi  keluaran  dari  sensor hall MASTS seperti Gambar 6.
Sensor  yang  digunakan  untuk  mengukur kecepatan  yaitu  sensor hall dengan  keluaran frekuensi  berbentuk  gelombang  pulsa.  Untuk mendapatkan  data  kecepatan  motor  MASTS,  maka keluaran frekuensi pulsa dari sensor hall dikonversi ke  tegangan  0-5V.  Konversi  frekuensi  ke  tegangan dapat  dilakukan  dengan  menggunakan  rangkaian
Gambar 4. Sistem pembacaan pengubah frekuensi ke tegangan menggunakan input frekuensi dari AFG
Gambar 5. Rangkaian konverter frekuensi ke tegangan (LM2907 datasheet )
konverter frekuensi ke tegangan. Pada  perancangan ini,  rangkaian  frekuensi  ke  tegangan  yang digunakan  adalah  IC  LM2907  dengan  skematik rangkaian seperti Gambar 5.

## Gambar 7. Diplay pengukuran LCD JD16
Frekuensi  input  dikonversi  menjadi  tegangan DC. Kemudian dalam setengah siklus dari frekuensi input,  perubahan  muatan  terhadap  waktu  pada kapasitor sama dengan:
dimana adalah  perubahan  muatan, adalah kapasitansi,  dan adalah  tegangan  catu  daya. Seperti  diketahui  bahwa  besarnya  arus  yang dikeluarkan kapasitor dalam satuan waktu adalah:
dimana adalah  arus  kapasitor  dan adalah waktu.  Berdasarkan  kedua  persamaan  tersebut, maka diperoleh:
sehingga jika dirubah  menjadi tegangan keluaran ( ) maka diperoleh:
dimana:
= tegangan keluaran yang dihasilkan (V) = tegangan catu daya IC LM2907 (V)
= frekuensi input (Hz)
= nilai kapasitor pada kaki 2 (Farad )
= nilai resistor pada kaki 3 (Ohm)
Agar  diperoleh  keluaran  tegangan  0-5V  maka harus ditentukan terlebih dahulu nilai dan . Pada perancangan  ini  terlebih  dahulu  ditentukan range frekuensi  kerja  dari  MASTS. Range frekuensi diperoleh dengan cara mengukur frekuensi maksimum  dan  minimum. Nilai dihitung
menggunakan  rumus  (4)  dengan dan sebesar  5V, maksimum  520  Hz,  dan dengan nilai  0,01μF.  Berdasarkan  (4),  maka  digunakan resistor  dengan  nilai  49  kΩ.  Pada  perancangan  ini juga  digunakan  sebuah  LCD  JD16  sebagai display pengukuran  kecepatan  MASTS  (Gambar  7  dan Gambar 8).
Gambar 8. Driver motor dan perangkat keras F to V
Pada  mikrokontroler,  tegangan  yang  masuk dikonversi terlebih dahulu menjadi data  digital. Pin analog  input  Arduino  Uno  dapat  menerima  nilai hingga  10  bit  sehingga  dapat  mengkonversi  data analog 5V menjadi data digital 1023. Artinya nilai 0 mempresentasikan  tegangan  0  Volt  dan  nilai  1023 mempresentasikan tegangan 5 Volt .

## IV. H ASIL DAN P EMBAHASAN

## A. Input Frekuensi dari AFG
Pengujian  pertama  pengubah  frekuensi  ke tegangan  yaitu  menggunakan  frekuensi  input  dari AFG.  Pada  pengukuran  ini  diuji  karakteristik pengukurannya  yaitu  dalam  bentuk  sensitifitas, akurasi, kepresisian dan histeresis. Hasil pengukuran tersaji pada Gambar 9-Gambar 12.
Gambar 9. Sensitifitas tegangan keluaran dengan input frekuensi dari AFG
Gambar 10. Akurasi tegangan keluaran dengan input frekuensi dari AFG
Gambar 11. Kepresisian tegangan keluaran dengan input frekuensi dari AFG

## Gambar 12. Histerisis tegangan keluaran dengan input frekuensi dari AFG
Fungsi  transfer  dari  grafik  pada  Gambar  9 menunjukan  bahwa  sistem  ini  mengkonversi  setiap perubahan  frekuensi  1  Hz  menjadi  perubahan tegangan  sebesar  0,0096  V.  Jadi  sensitifitas pembacaan pengubah frekuensi ke tegangan dengan inout  frekuensi  AFG  adalah  0,0096  V/Hz  dan kegelincirannya adalah 0,0137 V.
Dapat  dilihat  juga  pada  Gambar  10  grafik  rata- rata  hasil  pengukuran  mendekati  grafik  rata-rata pengukuran  ideal  dengan  rata-rata error 0,01, sehingga akurasi dapat dikatakan sangat tinggi yaitu 99,8 %.
Hasil  pengukuran  kepresisian  yang  dilihat  dari Gambar 11 menunjukan bahwa pengukuran pertama (V1) dan pengukuran kedua (V2) terlihat mendekati sama.  Dari  pengukuran  kepresisian  tersebut didapatkan  rata-rata error 0,013  V  (0,26  %)  atau tingkat kepresisiannya 99,81%.
Histerisis  tegangan  berdasarkan  Gambar  12 dapat  dilihat  baik  pengukuran  dari  frekuensi  tinggi ke  rendah  maupun  dari  frekuensi  rendah  ke  tinggi didapatkan  hasil  yang  mendekati  sama.  Nilai  galat rata-rata yang didapat yaitu sebesar 0,01V (0,2%).

## B. Input Frekuensi dari Sensor Hall MASTS
Pengujian  kedua  pada  pengubah  frekuensi  ke tegangan  yaitu  menggunakan  frekuensi  input  dari keluaran  sensor hall MASTS.  Sama  halnya  dengan pengujian  dengan  input  frekuensi  dari  AFG,  pada pengujian  ini  juga  dilakukan  terhadap  karakteristik sensitifitas, akurasi, kepresisian dan histeresis. Hasil pengujian  dapat  dilihat  pada  Gambar  13-Gambar 16.
Gambar 13. Sensitifitas tegangan keluaran dengan input frekuensi dari sensor hall MASTS
Gambar 14. Akurasi tegangan keluaran dengan input frekuensi dari sensor hall MASTS
Gambar 15. Kepresisian tegangan keluaran dengan input frekuensi dari sensor hall MASTS
Gambar 16. Histerisis tegangan keluaran dengan input frekuensi dari sensor hall MASTS
Fungsi transfer pada Gambar 13
menginformasikan bahwa perangkat ini mengkonversi  setiap  perubahan  frekuensi  1  Hz menjadi  perubahan  tegangan  sebesar  0,0095V. Jadi sensitifitasnya adalah 0,0095 V/Hz dan kegelincirannya adalah 0,0137.
Dapat  dilihat  pada  Gambar  14  grafik  rata-rata hasil  pengukuran  mendekati  grafik  rata-rata pengukuran  ideal  dengan  rata-rata  error  0,02 (0,4%),  sehingga  akurasi  dapat  dikatakan  sangat tinggi yaitu 99,6 %.
Hasil  pengukuran  kepresisian  yang  dilihat  dari Gambar  15  bahwa  pengukuran  pertama  (V1)  dan pengukuran  kedua  (V2)  terlihat  mendekati  sama. Dari  pengukuran  kepresisian  tegangan  didapatkan rata-rata error 0,02 (0,4%) atau tingkat kepresisiannya 99,6 %.
Dalam  Gambar  16  diatas  dapat  dilihat  baik pengukuran dari frekuensi tinggi ke rendah maupun dari  frekuensi  rendah  ke  tinggi  didapatkan  hasil yang  mendekati  sama  dan  grafik  terlihat  naik berurut  dari  frekuensi  rendah  ke  tinggi.  Nilai  galat rata-rata yang didapat yaitu sebesar 0,02 (0,4 %).

## V. K ESIMPULAN
Perangkat keras pengubah frekuensi ke tegangan telah  berhasil  diimplementasikan  pada  MASTS. Pengujian  perangkat  tersebut  dilakukan  untuk mengetahui karakteristik sensitifitas, akurasi, kepresisian dan histerisis. Hasil pengujian menunjukan  dengan  input  frekuensi  dari  AF Generator sebagai sumber ideal didapatkan sensitifitas 0,0096 V/Hz, akurasi 99,8%, kepresisian 99,81%,  dan  histeresis  dengan  galat  0,02%, sedangkan hasil pengukuran dengan input frekuensi dari  sensor hall MASTS  didapatkan  sensitifitas 0,0095  V/Hz,  akurasi  99,6%,  kepresisian  99,6%, dan  histeresis  dengan  galat  0,4%.  Hasil  analisis menunjukan  bahwa  tidak  terdapat  perbedaan karakteristik yang signifikan antara input dari AFG
sebagai  pembangkit  frekuensi  ideal  dan  dari  sensor hall MASTS.  Dengan  karakteristik  tersebut, perangkat  ini  dapat  dijadikan  sebagai  konverter frekuensi  ke  tegangan  pada  MASTS  yang  dapat membantu  mempermudah  pengukuran  kecepatan MASTS.

## R EFERENSI
[1]  R.  Hosen,  K.  Salim,  “Design  Implementation  and Testing of a Three Phase BLDC Motor Controller”, International Conference on Advances in Electrical Engineering (ICAEE), vol. 1, pp. 192-196, 2013
[2]  S. Tsotoulidis and A. Safacas, “Side-effects of Hall Sensors  Misplacement”, International  Conference on  Electrical  Machines  (ICEM), pp.  1825-1830, 2014
[3]  Suhendi, “Perancangan dan Implementasi Rangkaian  Catu  Daya  Motor  Arus  Searah  Tanpa Sikat  dengan  Kombinasi  Pensaklaran”,  Tesis Magister, Institut Teknologi Bandung, 2012
[4]  A.  Tashakori  and  M.  Ektesabi,  “A  Simple  Fault Tolerant  Control  System  for  Hall  Effect  Sensor Failure  of  BLDC  Motor”, 8th  IEEE  International Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), pp. 1011-1016, 2013
[5]  T.  Dewanto,  “Perancangan  dan  Impelementasi Sistem Kendali Kecepatan Motor Arus Searah tanpa Sikat  dengan  Pengaturan  Dutycyle  Pensaklaran Menggunakan  Pengendali  PI”,  Tesis  Magister, Institut Teknologi Bandung, 2012