## Kendali Kecepatan Switched Reluctance Motor Berbasis FPGA

## Arifin Wibisono
Program Studi teknik Elektro, Fakultas teknik Universitas Katolik Soegijapranata Jl. Pawiyatan Luhur IV/1 Bendan Dhuwur Semarang, Indonesia arifin@unika.ac.id

## Slamet Riyadi
Program Studi teknik Elektro, Fakultas teknik
Universitas Katolik Soegijapranata Jl. Pawiyatan Luhur IV/1 Bendan Dhuwur Semarang, Indonesia, riyadi@unika.ac.id

## Sulaiman
Program Studi teknik Elektro, Fakultas teknik Universitas Katolik Soegijapranata
Jl. Pawiyatan Luhur IV/1 Bendan Dhuwur Semarang, Indonesia
17f10009@student.unika.ac.id
Abstract - Renewable drive technology is developing in the current era, one of which is electric transportation. The Switched  Reluctance  Motor  (SRM)  was  chosen  for  the transportation development because it has many advantages, including  not  using  permanent  magnets  and  simple construction  in  the  form  of  an  iron  core  in  the  rotor  and stator  windings.  SRM  works  based  on  the  reluctance phenomenon, namely, if the stator is energized, the stator will attract the nearby rotor, this is based on the tendency of the rotor  poles  to  align  with  the  stator  excitation  poles.  SRM requires high speed switching control to operate and requires correct  rotor  position  to  operate.  Maximum  switching  and good  accuracy  can  use  Field-Programmable  Gate  Array (FPGA)  and  rotary  encoder  as  input  for  rotor  position information. To use SRM in electric transport, it is necessary to  adjust  the  speed  with  ease  and  precision.  With  the  Pulse Width  Modulation  (PWM)  technique,  the  size  of  the excitation  depends on the size  of  the  current, the size  of the current is determined by the input voltage to the SRM. In this control,  the  PWM  width  can  be  changed  by  setting  the carrier set and modulation set in the FPGA program. In this study, it is proposed to control the SRM speed by adjusting the PWM of the rotary encoder to produce the desired RPM. To  support  the  achievement  of  this  research,  hardware testing was carried out in the laboratory .
Keywords  -  Duty  cycle , FPGA,  PWM,  Reluctance , Switched Reluctance Motor .
Creative Commons Attribution- NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

## I. PENDAHULUAN
Switched Reluctance Motor (SRM) menjadi kandidat kuat  untuk  transportasi  elektrik  karena  strukturnya  yang sederhana,  kokoh,  biaya  rendah,  kemampuan  toleransi kesalahan  kecil,  dan  keandalan  tinggi.  Aplikasi  untuk kendaraan  listrik hybrid  (HEVs) atau  kendaraan  listrik (EVs) membutuhkan  kemampuan  pengembangan  torka tinggi [1][2]. Untuk mengatur kecepatan pada motor bisa menggunakan  mikrokontroler  untuk  pengaturan  lebar pulsanya,  akan  tetapi Field  Programmable  Gate  Array (FPGA) dipilih untuk pengoperasian SRM karena memliki kecepatan  kerja  yang  tinggi  dibanding  mikrokontroler. FPGA digunakan  sebagai  kendali  utama SRM karena dapat  diprogram/dikonfigurasi  di  lapangan,  untuk melakukan  perancangan  program  menggunakan  aplikasi
berbahasa VHDL  (VHSIC  Hardware  Description Language) . Dengan metode digital pulse with modulation , besar kecilnya torka dipengaruhi oleh arus, besar kecilnya arus didapatkan dari  masukan tegangan. Metode tersebut menggabungkan  blok  khusus  berfrekuensi  tinggi  yang terdapat pada FPGA seperti delay locked-loop yang dapat mengkalikan  frekuensi clock [3].  Pengoperasian SRM menggunakan  konverter  asimetris  tiga  fasa  untuk melakukan  proses  eksitasi  dan  dibantu  dengan rotary encoder sebagai  pembaca  posisi  rotornya.  Motor  ini beroperasi  karena  fenomena  reluktansi  dimana  saat rotor  dan  stator  berada  pada  posisi  sejajar  maka belitan  stator  mengalami  reluktansi  minimum  dan induktansi  maksimum.  Sementara  itu,  induktansi minimum dicapai ketika  mereka berada dalam posisi tidak  sejajar.  Teknik  modulasi  yang  mengubah  lebar pulsa  dengan  frekuensi  dan  amplitudo  tetap  untuk mengontrol  sirkuit analog dengan output  digital mikroprosesor  dikenal  sebagai Pulse  Width  Modulation (PWM). Untuk  mengaturnya  yaitu  dengan  mengubah sinyal modulasi pada sinyal carrier , makin besar nilai sinyal  modulasi  maka  sinyal PWM makin  lebar  dan sebaliknya.  Dengan  mengatur PWM pada  pensaklaran tiap fasa SRM kecepatan motor dapat  berubah sesuai duty cycle yang diberikan.
Dalam  penelitian  ini  penulis  bermaksud  untuk mengatur kecepatan putaran motor dengan kendali PWM pensaklaran  tiap  fasa  untuk  menghasilkan  RPM  yang sesuai  pengaturan duty  cycle yang  diberikan.  Dengan metode  pengaturan PWM tiap  fasa,  perubahan  speed motor elektrik SRM dapat diketahui dengan melihat hasil kecepatan  pada tachometer dan  keluaran PWM tiap  fasa SRM di osiloskop. Untuk memvalidasi penelitian ini maka dilakukan  pengujian hardware secara  langsung  di laboratorium.

## II. METODOLOGI PENELITIAN
SRM merupakan  motor listrik  yang  mempunyai konstruksi  sederhana  pada  bagian  rotor  yaitu  berupa inti  besi  dan  stator  berupa  belitan[4].  Pada  bagian rotor    yang  tidak  terdapat  magnet  dan  belitan membuat  motor  ini  dapat  berputar  dengan  kecepatan tinggi[5][6]. SRM memiliki  torka  awal  yang  tinggi sehingga memiliki efisiensi yang tinggi dibandingkan
motor  listrik  lainnya.  Motor  ini  beroperasi  karena fenomena  reluktansi.  Ketika  stator  dan  rotor  berada pada  posisi  sejajar (aligned) ,  belitan  stator  memiliki induktansi  maksimum  dan  reluktansi  minimum. Sementara  itu,  induktansi  minimum  dicapai  ketika mereka berada dalam posisi tidak sejajar (unaligned )[7][8].
Rangkaian  ekivalen  yang  ditunjukkan  pada Gambar  1  yang  terdiri  dari  hambatan  atau  resistansi (R),  induktansi  (L),  dan Electromotive  force ( EMF . Pada  saat  motor  berputar,  belitan  stator SRM menghasilkan back-EMF atau  memiliki  polaritas tegangan yang berbanding terbalik dengan sumber[9].
R L v dc dt i d e ) , (    + - V R i e Gambar 1. Rangkaian ekivalen SRM
Dari rangkaian Gambar 1 ekivalen di atas, maka didapatkan  persamaan  tegangan  pada SRM sebagai berikut:
𝑉 𝑑𝑐 = 𝑅. 𝑖 + 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 +  𝑒 (1)
𝑉. 𝑑 = 𝑖. 𝑅 + 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 +  𝜔. 𝑖 𝑑𝐿 𝑑𝜃 (2)
di mana 𝑉 sebagai tegangan, 𝑖 arus fasa, 𝑅 hambatan, 𝐿 induktansi, 𝜃 posisi rotor, dan 𝜔 kecepatan  motor. Dengan  menambahkan 𝑑 sebagai duty  cycle pada ekivalen  motor  maka  besaran  tegangan  sebenarnya pada SRM berbasis PWM dapat diketahui. SRM yang  digunakan  menggunakan  kontruksi dua  belas  stator  dan  delapan  rotor,  setiap  belitan statornya  menghasilkan  karakteristik  induktansi terkait dengan posisi rotornya.
STATOR ROTOR STATOR ROTOR L min ALIGNED UNALIGNED 45 (A) (B) L max θ1 θ2 θ3 θ4 0
Gambar 2. (a) posisi rotor terhadap stator (b) profil induktansi
Gambar 2 menunjukkan bahwa SRM beroperasi pada  saat  meningkatnya  induktansi,  hal  ini  didasari pada  posisi  rotor  yang  tidak  sejajar (unaligned) dengan  stator  di  posisi  sejajar (aligned). SRM memiliki  hasil  empat  profil  induktansi  pada  setiap putarannya  karena  diwakili  dengan  mekanik  360º serta  ada  delapan  rotor  pada  konstruksi  motor, sehingga menghasilkan mekanik 45º disetiap induktansinya.  Pada  Gambar  2  menunjukan  interval yang  berbeda-beda, 0 ≤ θ ≤ θ 1 dan  θ 4 ≤ θ ≤ θ 5 yaitu intervel pertama yang kutub rotor dan stator berada di posisi unaligned ,  pada  kondisi  ini  memiliki induktansinya kecil karena torsinya rendah. Tumpang tindih posisi kutub rotor dimulai pada interval kedua θ 1 ≤ θ ≤ θ 2 karena kutub rotor mulai overlap dan nilai induktansi  maksimum.  Interval  ketiga  θ 2 ≤  θ  ≤  θ 3 kutub rotor dan statornya dalam posisi aligned , maka nilai  induktansi  menjadi  maksimum.  Pada  interval keempat    θ 3 ≤  θ  ≤  θ 4 kutub  rotor  mulai  berjauhan dengan stator. Setiap sudutnya dapat dihitung dengan persamaan dibawah ini:
𝜃 1= 1 2[ 2𝜋 𝑃𝑟 – 𝛽𝑠 + 𝛽𝑟]
(3)
𝜃 2 = 𝜃 1 +  𝛽𝑠 (4)
𝜃 3 = 𝜃 2 +   (𝛽𝑟 − 𝛽𝑠) (5)
𝜃 4 =   𝜃 3 +  𝛽𝑠 (6)
di mana 𝜃 sudut rotor, 𝛽𝑟 sudut lengkungan rotor, 𝛽𝑠 sudut lengkungan stator, dan 𝑃𝑟 jumlah kutub rotor. Pulse  Width  Modulation  (PWM) yaitu  suatu cara  untuk  mengatur  lebar  sempit  suatu  pulsa penyalaan pada setiap  fasa SRM [10]. Salah satu cara untuk  mengaturnya  yaitu  dengan  mengatur  sinyal modulasi pada sinyal carrier , makin besar nilai sinyal modulasi  maka  sinyal PWM makin  lebar  dan kecepatan  motor  akan  berputar  kencang,  dan  begitu juga sebaliknya[11][12].
PWM VPP Modulasi VPP Carrier Modulasi 100% 0% Carrier 50% Gambar 3. Pengaturan PWM
Sinyal  pulsa  untuk  penentuan  posisi  rotor  yang dihasilkan rotary  encoder akan  dikirimkan  ke kendali  utama FPGA dan  di  program  dengan mengatur lebar sinyal menggunakan pengatuiran duty cycle . Jika VPP modulasi lebih lebar dari VPP carrier maka kondisi saklar penyalaan SRM akan hidup, dan begitu pula sebaliknya.
SRM Controller FPGA Converter Asymmetric Rotary encoder 2500 PPR Pin A Pin Z Fasa A Fasa B Fasa C Power Supply Keluaran FPGA Keluaran rotary encoder Gambar 4.Diagram blok hardware SRM
Pada  saat PWM pensaklaran  berjalan 𝑇 𝑜𝑛 fasa A,B  dan  C  didalamnya  terdapat PWM pengatur kecepatan,  sehingga  waktu  penyalaan  akan  diatur dengan  sinyal duty  cycle .  Berikut  bentuk  sinyal penyalaan SRM yang sudah diatur PWM ditampilkan pada gambar dibawah ini.
Pensaklaran SRM
+ PWM Phase A Phase B Phase C Phase A PhaseB Phase C Pensaklaran SRM PWM
Gambar 5. Pensaklaran SRM dengan pengaturan PWM
Pada  Gambar  5  keluaran PWM dengan pengaturan duty  cyle 50%,  menghasilkan  lebar 𝑇 𝑜𝑛 yang  sebaanding  dengan  lebar 𝑇 𝑜𝑓𝑓 .  Hasil  dari perubahan lebar pulsa nantinya akan digunakan untuk sinyal penyalaan pada switching driver asimetris.
S1 S2 S3 S4 S5 S6 D2 D1 D4 D3 D6 D5
Gambar 6. Driver Asimetris
Untuk  menjalankan  SRM  terdapat  dua  mode, magnetizing adalah  mode  pertama  yang  pemberian eksitasinya  untuk  menyalakan  saklar  S 1 dan  S 2 di belitan  fasa-A. Demagnetizing menjadi  mode  kedua dengan  mematikan  saklar  S 1 dan  S 2 arus  yang tersimpan  pada  belitan  stator  akan  mengalir  melalui D 2 dan  D 1 ke  sumbernya.  Pada  kondisi  tersebut tegangan  di  belitan  fasa-A  sama  dengan  masukan Vdc  yang  menghasilkan  torsi  positif  jika  diberikan pada saat induktansi fasa-A bertambah[13][14][15].
Berikut flowchart sistem  kendali  kecepatan SRM berbasis FPGA .
START
Inisialisasi Port, ADC dan Carrier Rotary encoder dan ADC
Penentuan sudut fasa SRM
( count >= 346)&& ( count <= 580) sampai >=2500 ( count >= 580)&& ( count <= 768) sampai >=2500 ( count >= 764)&&
( count <= 972)
sampai >=2500 Phase A Phase B Phase C ADC > carrier phase A ADC > carrier phase B ADC > carrier phase C S1 & S4 ON S1 & S4 OFF S2 & S5 ON S2 & S5 OFF
S3 & S6 ON S3 & S6 OFF Y Y Y Y Y Y N N N N N
Gambar 7. Flowchart urutan penyalaan sistem kendali kecepatan SRM
Dari flowchart diatas  dapat  digunakan  sebagai parameter  pengujian hardware  switched  reluctance motor.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN Guna mendukung penelitian ini maka dilakukan uji laboratorium    sebagai  validasi.  Berdasarkan  metode penelitian  yang  sudah  ada  pada  sistem  kendali kecepatan SRM ,  maka  dilakukan  pengujian  pada hardware SRM di laboratorium.
Pada  Gambar  8  merupakan hardware kendali kecepatan  motor  yang  terdiri  dari SRM tiga  fasa, rotary encoder , FPGA , konverter asimetris, rangkaian  daya  MOSFET.  Dibawah  ini  adalah parameter hardware  switch  reluctance  motor yang digunakan  pada  pengujian  laboratorium  disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Parameter alat penelitian SRM Parameter Nilai Satuan Motor Stator 12 - Rotor 8 - Resistansi 4.5 Ohm Indukstansi 1.4 mH Tegangan 12 Volt Rotary encoder single - ended Pin A 2500 PPR Pin Z 1 Impuls Tegangan 5 Volt FPGA Cyclone IV EP4CE6E22C8N Clock 50 Mhz Memori 16 Mbit Power Supply 5 Volt Konverter Asimetris 3 fasa TLP MOSFET IRFP 250N Dc Link 12 Volt
Alat  uji  penelitian  dapat  diimplementasikan dengan  menambahkan  pengaturan PWM penyalaan pada  tiap  fasanya  sesuai  parameter  alat SRM yang terdapat pada Tabel 1.
Gambar 9. Hasil pengujian sinyal PWM pada sinyal modulasi 1500
Pola  pensaklaran  yang  terdapat  dari  Gambar  9 menunjukan bahwa satu putaran terdapat delapan kali proses  pola  pensaklaran  sekuensial  disetiap  fasa. Dalam  proses  pensaklarannya  mengalami  pergeseran fasa 15° yang berawal dari Fasa A, Fasa B, dan Fasa C, sehingga SRM dapat berjalan hingga optimal.
Gambar 10. Hasil pengujian arus  pada sinyal modulasi 1500
Gambar 11. Hasil pengukuran kecepatan pada sinyal modulasi 1500
Jika kecepatan putar motor semakin tinggi maka nilai back-EMF semakin  besar  nilainya,  hal  itu menandakan  hasil  keluaran  daya  yang  dihasilkan sempurna  seperti  pada  Gambar  10  saat duty  cycle pada  skala  100%  menghasilkan  arus  yang  tinggi dengan hasil kecepatan motor 2452 RPM.
Gambar 12. Hasil pengujian sinyal PWM pada kondisi sinyal modulasi 1300
Pada  Gambar  12  bentuk PWM pensaklaran  tiap fasa mulai terisi PWM pengubah kecepatan, sehingga bentuk  sinyal  penyalaan SRM mengalami  perubahan lebar pulsa.  Pada Gambar  13 bentuk  arus cenderung lebih kecil karena kecepatan mulai menurun. Dengan sinyal  modulasi  1300  menghasilkan  kecepatan  1682 RPM.
Gambar 14. Hasil pengukuran kecepatan pada sinyal modulasi 1300
Gambar 15. Hasil pengujian sinyal PWM pada sinyal modulasi 1000
Gambar 16. Hasil pengujian arus pada sinyal modulasi 1000
Pada  percobaan  ketiga  dengan  mengatur  sinyal modulasi  1000  dari  sinyal carrier 1500  bentuk pensaklaran SRM saat  posisi 𝑜𝑛 , duty  cycle didalamnya akan semakin kecil.
Gambar 17. Hasil pengukuran kecepatan pada sinyal modulasi 1000
IV. KESIMPULAN
Pada  pengujian  ini  dapat  disimpulkan,  bahwa pengaturan PWM pada  pensaklaran  dapat  mempengaruhi kecepatan SRM .  Proses  kendali  kecepatan SRM yaitu dengan  mengatur duty  cycle terjadi  pada  saat 𝑇 𝑜𝑛 pensaklaran.  Percobaan  pada  kondisi  1  dengan  mengatur sinyal modulasi 1500 pada sinyal carrier 1500 atau duty cycle 100% dihasilkan kecepatan 2454 RPM, pada kondisi 2 sinyal modulasi 1300 pada sinyal carrier 1500 atau duty cycle 85%  dihasilkan  kecepatan  1682  RPM,  lalu  pada kondisi  ke  3  dengan  sinyal  modulasi  1000  dan  sinyal carrier 1500 atau duty cycle 65% dihasilkan kecepatan 610 RPM.  Hal  ini  menunjukan  bahwa  semakin  kecil  nilai sinyal modulasi dari kendali FPGA maka semakin rendah duty  cycle dan  RPM  yang  dihasilkan,  dan  sebaliknya semakin besar  nilai  sinyal  modulasi  maka semakin tinggi duty cycle dan RPM yang dihasilkan.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian  ini  didanai  oleh  skema  Penelitian Terapan  Unggulan  Perguruan  Tinggi  (PTUPT)  tahun 2022.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  H. Cheng, Z. Wang, S. Yang, J. Huang, and X. Ge,  “An  Integrated  SRM  Powertrain  Topology for  Plug-In  Hybrid  Electric  Vehicles  with Multiple  Driving  and  Onboard  Charging Capabilities,” IEEE  Trans.  Transp.  Electrif. , vol.  6,  no.  2,  pp.  578–591,  2020,  doi: 10.1109/TTE.2020.2987167.
[2]  C. Gan, J. Wu, Q. Sun, W. Kong, H. Li, and Y. Hu,  “A  Review  on  Machine  Topologies  and Control  Techniques  for  Low-Noise  Switched Reluctance Motors in Electric Vehicle Applications,” IEEE  Access ,  vol.  6,  no.  c,  pp.
31430–31443, 2018, doi: 10.1109/ACCESS.2018.2837111.
[3]  Q.  A.  Al-Haija,  M.  Al-Ja’Fari,  and  M.  Smadi, “A  comparative  study  up  to  1024  bit  Euclid’s GCD  algorithm  FPGA  implementation  and synthesizing,” Int. Conf. Electron. Devices, Syst.
Appl. , 2017, doi:
10.1109/ICEDSA.2016.7818535.
[4]  Y.  Lan et  al. , “Switched reluctance  motors and drive  systems  for  electric  vehicle  powertrains: State  of  the  art  analysis  and  future  trends,”
Energies , vol. 14, no. 8, 2021, doi: 10.3390/en14082079.
[5]  A. D. Wardani, S. Riyadi, L. H. Pratomo, and F. B.  Setiawan,  “Peningkatan  Efisiensi  Kinerja Switched  Reluctance  Motor  dengan  Metode Pergeseran Sudut Fasa,” Teknik ,  vol.  42,  no.  1,
pp.
253–259,
2021,
doi: 10.14710/teknik.v42i3.33970.
[6]  A.  P.  Khedkar  and  P.  S.  Swami,  “Comparative study  of  asimetris  bridge  and  split  AC  supply konverter  for  switched  reluctance  motor,” 6th Int.  Conf.  Comput.  Power,  Energy,  Inf. Commun.  ICCPEIC  2017 ,  vol.  2018-Janua,  pp. 522–526, 2018, doi: 10.1109/ICCPEIC.2017.8290421.
[7]  S.  Riyadi,  “A  simple  method  to  control  the excitation angle for switched reluctance motor,”
Indones.  J.  Electr.  Eng.  Informatics ,  vol.  9,  no. 2, pp. 384–393, 2021, doi: 10.52549/ijeei.v9i2.2814.
[8]  G.  D.  Wahyu  and  S.  Riyadi,  “PWM  Control Strategy  of  Regenerative  Braking  to  Maximize the  Charging  Current  into  the  Battery  in  SRM Drive,” Proc.  - 2019 Int. Semin. Appl. Technol.
Inf.  Commun.  Ind.  4.0  Retrosp.  Prospect. Challenges, iSemantic 2019 , pp. 523–527, 2019, doi: 10.1109/ISEMANTIC.2019.8884342.
[9]  S.  Riyadi,  “Control  strategy  for  switched reluctance  motor  with  rotary  encoder  based rotor position detection,” Adv.  Electr.  Electron. Eng. ,  vol.  16,  no.  3,  pp.  261–270,  2018,  doi: 10.15598/aeee.v16i3.2545.
[10]  Shihab,  B.  M.,  Che,  H.  S.,  &  Hew,  W.  P. Symmetrical  six-phase  PWM  methods  using similar  and  dissimilar  zero-sequence  signals injection. 4th IET Clean Energy and Technology Conference (CEAT 2016) . doi:10.1049/cp.2016.1335
[11]  X.  Zan,  Z.  Jiang,  K.  Ni,  W.  Zhang,  Y.  Gong, and  N.  Wu,  “Modular  battery  management  for SRM drives in hybrid vehicles based on a novel modular  konverter,” IEEE  Access ,  vol.  8,  pp. 136296–136306, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3011451.
[12]  M.  Kulon,  K.  Majalengka,  K.  Majalengka,  and J.  Barat,  “Analisis  pengaruh  dutycycle  dan frekuensi terhadap kecepatan motor listrik,” no. 103, 2020.
[13]  R. A. Nugroho, “Perbandingan Penyalaan Sudut Fasa  Pada  SRG  Guna  Meningkatkan  Kinerja Untuk  Memaksimalkan  Keluaran  Daya,”
Cyclotron ,  vol.  4,  no.  2,  pp.  13–17,  2021,  doi: 10.30651/cl.v4i2.7451.
[14]  R.  AMALIA,  S.  RIYADI,  F.  B.  SETIAWAN, and  L.  H.  PRATOMO,  “Peningkatan  Kinerja Switched Reluctance Generator dengan
Pergeseran  Sudut  Penyalaan,” ELKOMIKA  J. Tek.  Energi  Elektr.  Tek.  Telekomun.  Tek. Elektron. ,  vol.  9,  no.  3,  p.  690,  2021,  doi: 10.26760/elkomika.v9i3.690.
[15]  N.  Kusumaningrum,  S.  Riyadi,  L.  H.  Pratomo, and F. B. Setyawan, “Optimalisasi Pengereman Regeneratif  dengan  Perubahan  Sudut  Eksitasi pada  Pulsa  Tunggal,” J.  Tek.  Elektro ,  vol.  13,
no.
1, pp.
1–9, 2021, doi: 10.15294/jte.v13i1.28600.