## PEMANFAATAN  MIKROKONTROLER ATMEGA 16 SEBAGAI PENGATUR KECEPATAN MOTOR BRUSHLESS DC
Abdul Majid (1) , Muhar Danus (2)
(1,2) Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Palembang Email : abdulmajid3112@gmail.com
Abstrak ---Seiring  dengan  perkembangan  zaman,  kebutuhan  sistem  pengerakan  listrik  yang  efisien, keceptan torsi yang tinggi, dan perawatan yang murah semakin meningkat.  Motor brushless DC yang tersedia  saat  sebagian  belum  mampu  memenuhi  kebutuhan  tersebut.  Percepatan  motor  dapat  di kendalikan  oleh  sebuah  mikrokontroler  tanpa  harus  mengubah  jumlah  lilitan,  besar  penampang,  dan besar  coil  kumparan.  Penelitian  ini  bertujuan  memanfaatan    mikrokontroler  ATMega  16  pada  motor brushless DC  sebagai  pengatur  kecepatan  motor  diharapkan  mampu  untuk  memenuhi  kebutuhan tersebut.  Osilator pada mikrokontroler memanfaatkan sistem pulse width modulation (PWM) menjadi pengatur    kecepatan  motor  3  phasa.    Berdasarkan  hasil  analisis  didapati  bahwa    semakin  kecil  nilai persentase PWM yang di berikan pada motor brushless DC maka semakin besar tegangan dan putaran yang di hasilkan motor.
Kata Kunci : motor brushless, mikrokontroler, PWM
Abstract ---Along with the times, the needs for efficient electric scaling systems, high torque speed, and low maintenance are increasing. Brushless DC motors are available when some have not been able to meet these needs. Motor acceleration can be controlled by a microcontroller without having to change the  number  of  turns,  the  size  of  the  cross  section,  and  the  size  of  coil.  This  study  aims  to  use  the ATMega 16 microcontroller on a DC brushless motor as a motor speed regulator that is expected to be able  to  meet  those  needs.  The  oscillator  on  the  microcontroller  utilizes  a  pulse  width  modulation (PWM) system to be a 3 phase motor speed regulator. Based on the results of the analysis, it was found that the smaller the percentage value of PWM given to the brushless DC motor, the greater the voltage and rotation produced by the motor
Keyword : Brushless, Microcontroller, PWM

## PENDAHULUAN
Penggunaan motor listrik dalam aplikasi sehari-hari semakin meningkat. Motor listrik banyak  digunakan  dalam  berbagai  peralatan  diantaranya air  conditioning,  vacum  cleaner, conveyor ,  lemari  pendingin,  motor  listrik  dan  lainnya.  Motor  universal  dan  motor direct current (DC)  banyak  digunakan  dalam  aplikasi  tersebut,  namun  penggunaan  motor  DC konvensional  terkadang  menimbulkan  masalah  diakibatkan  oleh  penggunaan  sikat. Penggantian  sikat  secara  periodik  untuk  menjaga  kinerja  serta  busur  api  menjadi  masalah yang perlu dibahas khususnya pada motor DC [1][2]
Motor Brushless Direct Current (BLDC) menjadi alternatif pengganti motor DC   [1]. Motor  BLDC  merupakan  salah  satu  jenis  motor  yang  popularitasnya  mulai  naik.  Motor BLDC  banyak  digunakan  dalam  automotif, aerospace ,  kesehatan,  industri,  dan instrumentasi.  Pengendalian    motor  BLDC  dapat  dilakukan    dengan    terlebih  dahulu mengetahui  posisi  rotor  untuk  menentukan  fase  yang  akan  dialiri  arus  listrik  [3]. Pendeteksian  posisi  dapat  dilakukan  dengan  menggunakan  sensor hall-effect .  Sensor hall-
effect umumnya berjumlah tiga buah yang terpasang pada bagian stator dan terpisah sejauh 60  derajat.  Penelitian  dilakukan  dengan  merancang  alat  pengatur  kecepatan  motor Brushless DC  menggunakan  mikrokontroler  Atmega  16  dan  sebagai  penggerak  motor digunakan IC Uln 2003 kanal P yang dikendalikan oleh mikrokontroler Atmega 16. Konsep pengendalian  motor  BLDC  yang  menjaga    tegangan  keluaran  dan  pengaruh  perubahan duty-cycle terhadap kecepatan pada motor BLDC

## TINJAUAN PUSTAKA

## Motor
Stator adalah bagian motor yang diam atau statis dimana fungsinya sebagai medan putar motor untuk  memberikan  gaya  elektromagnetik  pada  rotor  sehingga  motor  dapat  berputar  [4]  [5].  Stator pada  BLDC  motor  hampir  sama  dengan  stator  motor  listrik  konvensional,  hanya  berbeda  pada lilitannya.  Stator  terbuat  dari  tumpukan  baja  yang  dilaminasi  dan  berfungsi  sebagai  tempat  lilitan kawat. Lilitan kawat pada BLDC motor biasanya dihubungkan dengan konfigurasi bintang atau Y [1].

## Gambar 1. Stator
Rotor adalah bagian motor yang berputar karena adanya gaya elektromagnetik dari stator [2]. Rotor pada motor BLDC berbeda dengan rotor pada motor DC konvensional yang hanya tersusun dari  satu  buah  elektromagnet  yang  berada  di  antara brushes (sikat).  Rotor  terdiri  dari  beberapa magnet permanen yang saling direkatkan dengan epoxy, serta jumlahnya dapat di-variasikan sesuai dengan  desain.  Jumlah  kutub  magnet  berbanding  lurus  dengan  torsi  motor,  namun  berbanding terbalik  dengan  rpm.  Semakin  banyak  jumlah  kutub  magnet  pada  rotor,  semakin  tinggi  pula  torsi yang akan dihasilkan, namun konsekuensinya rpm motor akan turun [3] [6].
Gambar 2. Rotor BLDC Motor
Selain  itu,  torsi  juga  dipengaruhi  oleh  besar  kecilnya  dari  “densitas  fluks magnet”.Semakin  besar  densitas  fluks  magnet,  semakin  besar  pula  torsinya.  Oleh  karena itu, diperlukan material yang mempunyai sifat magnetis yang bagus untuk membuat magnet permanen  dapat  menghasilkan  fluks  magnet  dengan  kerapatan  yang  tinggi.  Sebelumnya, logam ferrit dipilih karena mempunyai sifat magnetis yang cukup bagus dan juga harganya murah.Namun  seiring  kemajuan  teknologi  material,  didapatkan  material  yang  memiliki sifat  magnetis  yang  sangat  bagus  seperti  “Neodymium  (Nd)”.  Logam  ferrit  mulai ditinggalkan  karena  mempunyai  densitas  fluks  yang  lebih  rendah  daripada  Neodymium, sehingga  untuk  mendapatkan  perbandingan  “Size  to  Weight”  yang  besar,  para  engineer motor  listrik  menggunakan  logam  seperti  Neodymium,  sehingga  bobot  motor  dapat berkurang secara drastis [1].

## Mikrokontroler AVR ATMega16
Mikrokontroller  merupakan  suatu  sistem  komputer  yang  seluruh  atau  sebagian  besar elemennya  dikemas  dalam  satu  chip  IC,  sehingga  sering  juga  disebut  dengan  single  chip mikrokomputer. Mikrokontroller biasa dikelompokkan dalam satu keluarga, masing-masing mikrokontroller  mempunyai  spesifikasi  tersendiri  namun  masih  kompatibel  dalam pemrogramannya  di  dalam  pembuatan.  Pemilih  microcontroler  AVR  ATMega  16  sebagai prosessor  dari  alat  yang  akan  dibuat.  ( Alf  and Vegard’s Risc processor )  AVR  merupakan seri mikrokontroler CMOS 8 bit Atmel, berbasis arsitektur RISC ( Reduced Instruction Set Computer ) [7] [8].
Konfigurasi pin ATMega 16 dengan kemasan 40 pin DIP ( Dual Inline Package ) dapat terdiri dari 10 pin, fungsi dari masing-masing pin ATMega16 menurut [5].sebagai berikut :
1. VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai masukan satu daya.
2. GND merupakan pin Ground.
3. Port A (PA.0...PA.7) merupakan pin input/ output dua arah dan pin masukan ADC.
4. Port B (PB.0...PB.7) merupakan pin input/ output dua arah dan pin fungsi khusus.
5. Port C (PC.0...PC.7) merupakan pin input/ output dua arah dan pin fungsi khusus.
6. Port D (PD.0...PD.7) merupakan pin input/ output dua arah dan pin fungsi khusus
7. RESET merupakan pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroler.
8. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal.
9. AVCC merupakan pin masukan tegangan untuk ADC.
10. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.

## Osilator
Pada dasarnya mikrokontroler memiliki osilator sebagai pembangkit sinyal  untuk bisa beroperasi  [2]  [9].  Mikrokontroler  ATMega  16  sendiri  sudah  memiliki  osilator  internal yaitu sebesar 8 Mhz, tetapi untuk unjuk kinerja mikronkontroler lebih cepat osilator internal tidak  bisa  menangani  kasus  dibutuhkan  osilator  eksternal  (osilator  kristal)  yang  nilainya lebih  kurang  8  Mhz.  Batas  maksimum  mikrokontroler  ATMega  hanya  bisa  beroprasi sampai 16 Mhz [8],  pemilih osilator krsital untuk AVR tidak boleh lebih dari 8 Mhz
Gambar 3. Osilator Kristal
IC ULN 2003 (Gambar 4) merupakan sebuah IC dengan ciri memiliki 7 bit input, tegangan maksimum 50 Volt dan arus 500 mA. Di dalam IC terdapat rangkaian transistor Darlington. Transistor  Darlington  (Gambar  5)  merupakan  2  buah  transistor  yang  dirangkai  dengan konfigurasi  khusus  untuk  mendapatkan  penguatan  ganda,  sehingga  dapat  menghasilkan penguatan arus yang besar. IC ULN 2003 merupakan IC yang mempunyai 16 buah pin, pin ini berfungsi sebagai input, output dan pin untuk catu daya. Catu daya ini terdiri dari catu daya (+) dan ground. IC ULN 2003 biasa digunakan sebagai driver motor stepper maupun driver relay [9].
Gambar 4. Bentuk Fisik IC ULN 2003
Gambar 5. Transistor Darlington Dalam IC ULN 2003

## METODE PENELITIAN
Blok  diagram  merupakan  pengaturan  kecepatan  motor  brushless  (Gambar  6) merupakan  langkah  awal    dalam  perancangan  alat.  Cara  kerja  keseluruhan  alat  yang  akan dibuat dapat dilihat pada diagram blok rangkaian sehingga keseluruhan diagram blok akan menghasilkan  suatu  sistem  yang  dapat  difungsikan  atau  dapat  bekerja  sesuai  dengan perancangan.  Berikut  ini  adalah  diagram  blok    dari  alat  Pengaturan  Kecepatan  Motor Brushless.
Gambar 6. Blok Diagram Pengaturan Kecepatan Motor Brushless.
Fungsi masing-masing blok dapat dijelaskan sebagai berikut:
1. Bagian  catu  daya,  bagian  ini  menyuplai  keperluan  asupan  tegangan  ke  bagian  blok rangkaian  elektronika.  Jika  salah  satu  blok  tidak  mendapat  asupan  suplai  tegangan maka tidak akan bekerja.
2. Bagian on – off, sebagai saklar pemutus dan penyambung arus listrik  dan tegangan.
3. Mikrokontroler  merupakan  tempat  dimana  semua  proses  jalannya  suatu timer dan speed atau putaran akan diproses secara komputerisasi dan secara digital. Melalui port In  dan  Port  Out  digital  Mikrokontroler,  maka  data  yang  dikeluarkan  ke  rangkaian motor brushles akan di kuatkan kembali oleh IC driver ULN 2003.
4. Tombol  kontrol speed merupakan  port  in  pada  mikrokontroler  untuk  mengontrol kecepatan putaran pada motor dc brushless.
5. IC  Driver  ULN  2003  merupakan  IC converse dan  pada  alat  pengaturan  kecepatan motor brushless di  fungsikan  sebagai  penguat  tegangan  motor  BLDC  pada  alat pengatur kecepatan motor.
6. Kumparan  1  sampai  3  merupakan  kumparan  motor  brushles  dimana  setiap  kumparan akan  dialiri  tegangan  listrik  dc  secara  bergantian  setiap  80000–20000  milisecon. semakin kecil jeda setiap putaran maka semakin cepat putaran motor yang disebabkan semakin cepatnya gaya elektro magnetiknya pada setiap sisi motor brushelss.

## Setting Mikrokontroler ATMega 16
Langkah  awal  mereset  semua  data  yang  ada  ketika  pertama  dijalankan.  Setelah  data berjalan maka timer internal akan hidup dan berjalan sesuai kecepatan kristal dan program yang  telah  di  tanam  untuk  membangkitkan  pulsa  data  digital.  Pada  kondisi  ini  maka  data akan menunggu input tombol untuk  melakukan proses perhitungan  waktu  jeda dan digital out  yang  akan  dikeluarkan  menuju  driver  dan  memulai  suatu  pengaktifan  gelombang elektromagnetik  menuju  kumparan  motor  brushless.  Simulasi  program  menggunakan bahasa komputer AVR bertujuan untuk menguji suatu aplikasi program yang dibuat dengan pergerakan led  yang ada pada layar simulasi dan dapat juga langsung dilihat pada. Bahasa komputer AVR atau IDE ( Integrated Development Environment ) meliputi lingkungan kerja yang terintegrasi, karena disamping tugas utamanya meng-compile kode program menjadi file hex atau bahasa mesin [8] [7], bahasa komputer AVR juga memiliki kemampuan fitur lain  yang  berguna  sekali  seperti  monitoring  komunikasi  serial  dan  untuk  menanamkan program yang sudah di compile ke mikrokontroler.

## Pulse Width Modulation (PWM)
Pulse  width  modulation (PWM)  adalah  teknik  yang  digunakan  dalam  rancangan bangun  alat  pengatur    kecepatan  motor  BLDC  3  phase  ini.  Dimana  untuk  menggontrol srikuit menggunakan metode input key (tombol) untutk mengatur suatu kecepatan  yang di inginkan, dengan output digital prosesor yang bersumber dari mikrokontroler [7].
Gambar 7. PWM pada Motor 3 Phasa
PWM  digunakan  dalam  rancang  bangun  alat  ini  adalah  bersifat  komunikasi  untuk mengontrol  kekuasaan  dan  konversi  terhadap  pembentukan  medan  magnet  dan  metode
penggantian pergeseran  medan megnet,  yang melalui  tahapan pengkodean signal  pulsa on dan off pada setiap phase (Gambar 7). Pada priode 1 menyatakan pembentukan gaya gerak magnet   dilakukan dengan cara, mengaktifkan phasa 1 dan  menonaktifkan phasa  2 dan 3; pada  priode  ke  2,  phasa  2  diaktifkan  dan  menonaktifkan  1  dan  3  ;  dan  priode  ke  3  dapat mengaktifkan  phasa 3 dan menonaktifkan phasa 1 dan 2 dan priode berulang ke priode 1 kembali. Aplikasi pada magnet motor 3 phasa dapat di lihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Magnet Periode 1 pada Motor 3 Phasa
Metode  pada  alat  ini  menggunakan  suatu  metode  penggantian  pembentukan  medan magnet,  dimana  setiap  pergeserannya  menggunakan  tahapan  waktu  jeda  untuk  mengatur suatu  kecepatan  dari  PWM  tersebut  [8].  Pada  umumnya  untuk  mendapatkan  suatu kecepatan  diperlukan  rumus  luas  penampang,  besar  kawat,  jumlah  lilitan,  serta  besarnya medan magnet.

## PERHITUNGAN DAN ANALISA
Pengatur  kecepatan  motor  brushless  3  Phasa  ini  pada  prinsipnya    setiap  phasa  yang terdiri  dari  5  kumparan  pembentuk  kutub  magnet,  akan  di  aliri  tegangan  dc  secara  cepat dari satu phasa ke phasa yang lain sekitar 15.000 μs. Kecepatan dari pengontrol phasa ini di tingkatkan oleh sebuah IC driver ULN 2003 yang berfungsi sebagai penguat tegangan dan penggeser  phasa  aktif  yang  sebelumnya  di  keluarkan  tengangan  minim  dari  sebuah mikrokontroler  ATMega16.  Mikrokontroler  ATMega16  yang  sebelumnya  telah  dilakukan pemrograman  yang  ditanam  untuk  menjalankan  suatu  operasi  flip-flop  3  sudut  dengan proses pengulangan 3 kali perpindahan tegangan digital.
Proses  ini  dilengkapi  dengan  tombol  pengaturan  kecepatan.  Pemanfaatan  Tombol kecepatan ini memanfaatkan jeda waktu suatu perpindahan data digital tersebut. Jeda waktu tersebut memiliki rentang waktu dari μs - ms.
Gambar 9. Fisik Rangkaian Pengaturan Kecepatan pada Motor 3 Phasa
Pengaturan kecepatan alat ini dimana setiap percepatan di atur dalam jeda waktu, dan untuk melakukan percepatan waktu yang lebih tinggi diperlukan persingkatan jedah waktu dalam setiap pergantian phasa dan dapat di gambarkan sebagai berikut:
Gambar 10. Pengaturan Kecepatan Motor 3 Phasa dengan PWM
Pada Gambar 10 dapat dilihat bahwa, jika panjang gelombang dari ruas A ke B adalah 400 ms  dengan  titik  pemberhentian  berturut-turut  selama  40  ms,  25  ms  dan  7  ms  maka, sehingga waktu tempuh dapat dihitung,
Speed 1 = = 10 ms/putaran. Speed 2 = = 16 ms/putaran.
Speed 3 = = 57,14 ms/putaran.
Berdasarkan hasil perhitungan di atas, didapatkan bahwa semakin sedikit atau kecil waktu jeda  maka  waktu  tempuh  dalam  sebuah  putaran  akan  semakin  tinggi.  Untuk  mengatur semua  mode  di  atas  dapat  kita  atur  jedanya  dapat  dilakukan  dengan  potongan  program mikrokontroler  ATMega  16  menggunakan  bahasa  bascom  sebagaimana  dirancang  dalam sistem perancangan programer bascom atau listing program.
Pada  pengujian  titik  suatu  beban,  yaitu  pada  digital  out  yang  menuju  ke  kumparan  motor BLDC,  dimana  terdapat  komponen  penguat  arus  dan  tegangan  yang  terintergrasi  pada  IC ULN  2003,  yang  didalamnya  terdapat  transistor  Darlington  (penguat  ganda).  Rangkaian transistor  berfungsi  penguat,  pemotong (switching), stabilisasi  tegangan,  modulasi  sinyal atau fungsi lainnya.
Pada pengujian titik beban mikrokontrol digilat  out  yang di  alirin arus listrik bersumber 5 Ampere, menuju ke rangkaian penguat  arus  yang digunakan adalah  IC ULN 2003, disana terdapat  keluaran  input  dan  output,  pada  keluaran  input  A,  B,  C,  D  itu  menujuh  ke mikrokontroler,  sedangkan  keluaran  output  A,  B,  C,  D  itu  menujuh  rangkaian  motor brushless 3  phasa.  Hasil  pengujian  (Tabel  1)  memuat  hasil  hasil  pengujian  yang  telah dilakukan.
Tabel 1. Pengujian pada Pin pada saat dinyalakan
Kondisi TP 1 TP 2 TP 3 (Volt) TP 4 (Amp) TP 5 TP 6 TP 7 Keterangan (Volt) (Volt) (Volt) (Volt) (Volt) Saat nyala 0 0 0 5,0 0 0 0 TP 5, 6, 7 menyala bergantian stiap Speed 1 3,70 3,7 3,70 4,80 1 1 1 40 ms Speed 2 3,78 3,78 3,78 4,70 1 1 1 30 ms Speed 3 3,80 3,80 3,80 4,60 1 1 1 20 ms Speed 4 3,81 3,81 3,81 4,60 1 1 1 11 ms Speed 5 3,83 3,83 3,83 4,60 1 1 1 7 ms
Kecepatan  motor brushless yang  diatur  dengan  adanya  5  tombol  speed  dan  rata-rata kecepatan rpm motor dari 0 sampai 400 rpm, torsi yang di hasilkan dari putaran speed 1, 60 rpm; speed 2, 82 rpm; speed 3, 142 rpm; speed 4, 217 rpm; dan speed 5 rpm 307. Nilai ini diukur dengan alat timer internal mikrokontroler yang terpasang pada rancang bangun alat pengatur  kecepatan  motor  brushless  dc  menggunakan  mikrokontroler  atmega  16.
Berdasarkan  data  diatas  dapat    dikatakan  kecepatan  putaran  rpm  yang  di  hasilkan  motor, berbanding terbalik dengan perubahan waktu jedah pada motor.
Pada  pengukuran  speed  1  dengan  pemberian  nilai  PWM    40%  menghasilkan  tegangan motor 3,7 Volt dan rpm yang di dapat 60; sedangkan speed 2 pemberian nilai PWM 30% menghasilkan tegangan 3,78 Volt dan rpm yang di dapat 82; sedangkan speed 3 pemberian nilai  PWM  20%  menghasilkan  tegangan  3,8  Volt  dan  rpm  yang  di  dapat  142;  sedangkan speed  4  pemberian  nilai    PWM  11%  menghasilkan  tegangan  3,81  Volt  dan  rpm  yang  di dapat  217;  dan  speed  5  pemberian  nilai  PWM  7%  menghasilkan  tegangan  3,83  Volt  dan rpm  yang  di  dapat  307,  perbedaan  bentuk  gelombang,  penyebab  perbedaan  tegangan  dan perkecepatan di karenakan nilai PWM yang di setting dalam program bascom AVR sesuai yang diinginkan.

## KESIMPULAN
Hasil  dari  penelitian  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  semakin  kecil  nilai  persesntase  PWM yang di  berikan  pada  motor brushless DC  maka semakin besar tegangan dan rpm  yang di hasilkan motor   dan sebaliknya semakin besar pemberian nilai  PWM maka semakin kecil tegangan  dan  putaran  yang  dihasilkan.  Percepatan  motor  dapat  di  kendalikan  oleh  sebuah mikrokontroler  dengan  memanfaatkan  sistem  PWM  tanpa  harus  mengubah  jumlah  lilitan, besar penampang, dan besar coil kumparan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]   A.  n.  Husaini,  “Prinsip  Kerja  Motor  Brushless  DC  (BLDC  Motor),”  17  September 2015. [Online]. Available: www.insinyour.com. [Diakses 15 bulan 12 2016].
[2] T.  Syifa,  E.  Firmansyah,  Pengendalian  Motor  DC  Tanpa  Sikat  Sederhana  dengan DSC 16-bit pada aplikasi EDF, Jurnal JNTETI, Vol. 4, No.4, 2015
[3] A.  Fahrudin,  R.  Effendie,  A.Ashfahani,  Perancangan  dan  Implementasi  Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Arus Searah Tanpa Sikat Menggunakan Metode PID- Robust, Jurnal Teknik ITS, Vol 5 No. 2, 2016
[4] A. J. Edminister, Rangkaian Listrik, Jakarta: Erlangga, 1997
[5] Barlian. Taufik, Cekdin. Cekmas, Rangkaian Listrik, 2013
[6] M. Gussow, Dasar-Dasar Teknik Listrik, Jakarta: Erlangga, 2004..