RANCANG BANGUN SISTEM PENGUJIAN MOTOR BRUSHLESS UNTUK APLIKASI SOLAR-LAPAN SURVEILLANCE UAV BERBASIS LABVIEW
(DESIGN OF BRUSHLESS MOTOR PERFORMANCE TESTING SYSTEM FOR SOLAR-LAPAN SURVEILLANCE UAV APPLICATION BASED ON LABVIEW)
Tommy Sugiarto, Imas Tri Setyadewi, Aryandi Marta, Gunawan Setyo P. Pusat Teknologi Penerbangan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl. Raya LAPAN, Sukamulya, Rumpin, Bogor 16350 Indonesia e-mail: tommysugiarto70@gmail.com
Diterima 6 Oktober 2015; Direvisi 19 Oktober 2015; Disetujui 20 Oktober 2015

## ABSTRACT
Since the limitation of the energy source always be the main problem of developing Unmanned Aerial Vehicle (UAV), one of the solution is use alternative energy such as solar cell. Development of solar  powered  UAV  needs  an  airplane’s  power  requirement  analysis  to  decide  specification  of  the airplane’s  component.  This  paper  will  explains  the  development  of  brushless  motor  performance system  test  for  Solar  LSU  (LAPAN  Surveillance  UAV ) implementation  based  on  LabVIEW  software. Performance of this testing system compared to a calibrated measurement system is excelent with the error up to 1.27%, 0.61%, and 5.65% for RPM, voltage, and current measurement respectively.
Keywords: Unmanned Aerial Vehicle, Solar Cell, Brushless Motor, Solar LSU, LabVIEW

## ABSTRAK
Tantangan  terbesar  dalam  pengembangan  pesawat  tanpa  awak  adalah  keterbatasan  energi. Salah satu solusi masalah tersebut adalah dengan menggunakan energi alternatif diantaranya sel surya. Aplikasi  pesawat  tanpa  awak  dengan  sel  surya membutuhkan  analisa  perhitungan kebutuhan daya pesawat saat terbang, analisa tersebut akan berguna untuk menentukan spesifikasi komponen yang akan  digunakan  pada  pesawat.  Penelitian  ini  akan  membahas  rancang  bangun  sistem  pengujian kinerja  motor brushless untuk  aplikasi  pada Solar  LAPAN  Surveillance  UAV (LSU ) menggunakan perangkat  lunak  LabVIEW.  Dari  hasil  pengujian  sistem  ini  mampu  melakukan  pengukuran  dengan galat sebesar 1.27%, 0.61%, dan 5.65% masing masing untuk pengukuran RPM, tegangan dan arus pada baterai.
Kata Kunci: Pesawat Tanpa Awak, Sel Surya, Motor Brushless, Solar LSU, LabVIEW
1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Salah  satu  tantangan  terbesar dalam  perkembangan  teknologi  saat  ini adalah  masalah  keterbatasan  sumber energi.  Salah  satu  cara  mengatasi keterbatasan  tersebut  adalah  dengan menggunakan  energi  alternatif  terbaru- kan, seperti sel surya. Dunia penerbangan pun  sudah  mulai  mengaplikasikan  salah satu  sumber  energi  alternatif  tersebut melalui Solar Unmanned  Aerial  Vehicles (UAV ) (Valavanis, 2008).
Selama  ini  pesawat  tanpa  awak hanya  mengandalkan  baterai  atau bahan  bakar  sebagai  pemasok  tenaga utama.  Penggunaan  sel  surya  pada pesawat tanpa awak bukan hanya dapat menjadi  sumber  energi  bagi  seluruh sistem  listrik  dan  propulsi  pesawat, melainkan  juga  dapat  melakukan pengisian pada baterai. Sehingga pesawat akan mendapatkan sumber energi yang tidak terbatas untuk terbang. (Sydorenko  &  Budko,  2012).  Bahkan pada  kondisi  tertentu  baterai  dalam pesawat hanya berfungsi sebagai cadangan  ketika  sel  surya  tidak  bisa menghasilkan  cukup  energi  (kondisi malam hari atau tertutup awan). (Torabi & Sadi, 2011).
Untuk merancang sebuah pesawat tanpa  awak  berbasis  sel  surya  dibutuh- kan  analisa  mengenai  kebutuhan  daya pesawat  saat  terbang  (North,  Siegwart,
&  Engel,  2007).  Analisa  tersebut  akan digunakan  untuk  melakukan  pemilihan komponen  yang  akan  digunakan  dalam
pesawat.  Selanjutnya  setelah  melalui proses pemilihan komponen berdasarkan analisa daya yang dibutuhkan pesawat, perlu  dilakukan  pengujian  terhadap komponen  tersebut.  Salah  satunya adalah pengujian terhadap motor brushless yang akan digunakan.
Pengujian  motor brushless ini akan  mengukur  beberapa  parameter penting seperti thrust atau daya dorong yang  dihasilkan,  tegangan  serta  arus yang dikonsumsi oleh motor, kecepatan RPM,  dan  juga  jumlah  daya  yang dikonsumsi  oleh  motor  (Morris,  2001). Oleh karena itu pada penelitian ini akan dibuat  rancang  bangun  sistem  instru- mentasi  pengujian  motor brushless menggunakan  perangkat  akuisisi  data buatan National Instruments dan tampilan  antarmuka  dari LabVIEW.
Hasil pengujian motor brushless tersebut diharapkan dapat menjadi acuan apakah performa  motor  sudah  memenuhi spesifikasi yang diinginkan berdasarkan hasil analisa daya yang dibutuhkan oleh pesawat

## 2 DASAR TEORI
Solar UAV  adalah  pesawat  tanpa awak  yang  memanfaatkan  sel  surya sebagai  sumber  energinya.  Manfaat utama  penggunaan  sel  surya  sebagai sumber  energi  pesawat  adalah  untuk menambah daya tahan terbang. Penambahan daya tahan terbang sebuah pesawat  akan  sangat  bermanfaat  untuk berbagai  aplikasi  pesawat  diantaranya sebagai repeater ataupun sebagai
pesawat pengamatan ( surveillance aircraft). (Romeo, Frulla, & Cestino, 2006). Motor brushless yang  digunakan sebagai  obyek  penelitian  ini  adalah motor brushless jenis OS  Motor  OMA 3820-960. Motor  tersebut  merupakan motor brushless 3  sel  yang  memiliki spesifikasi  tegangan  kerja  12.6V  dan arus maksimum 75A (Motor). Sedangkan propeler  yang  digunakan  pada  percobaan ini  adalah  propeler  jenis  APC  elektrik berukuran 11x7.
Beberapa  jenis  sensor  yang digunakan  dalam  sistem  akuisisi  data ini  adalah:  sensor  arus  dan  tegangan, sensor kecepatan RPM, dan load cell.
Gambar 3-1: Motor Brushless  OS  Motor  OMA 3820-960 (www.osengines.com)
Sensor  arus  dan  tegangan  yang digunakan  adalah  sensor  arus  APM Power  Modul  3dr yang  menggunakan prinsip magnetic fluxgate untuk mengukur  arus  tanpa  mengganggu aliran  arus,  karena  yang  diukur  hanya kuat  medan  magnet  yang  dihasilkan oleh  arus  yang  mengalir  melalui  kabel kemudian  dideteksi  oleh  IC  dan dikonversi  menjadi  tegangan.  Sensor arus  ini  dapat  mendeteksi  arus  sampai 90  ampere.  Sedangkan  sensor  tegangan- nya  dapat  mengukur  tegangan  hingga 18VDC  (copter.ardupilot.com).
Gambar 3-2: Sensor  Tegangan  dan  Arus  (copter. ardupilot.com)
Sensor  kecepatan  putaran  motor atau  sensor  RPM  pada  sistem  ini menggunakan sensor non kontak berbasis laser Compaq Instrument Optical Sensor  VLS7/T. Sensor  ini  akan mengirimkan  pulsa  setiap  ada  pantulan dari  propeler.  Pada  sistem  ini  propeler yang digunakan adalah propeler bermata dua,  sehingga  pada  setiap  satu  putaran atau revolusi akan dihasilkan dua pulsa.
Untuk  mengukur  daya  dorong yang dihasilkan motor digunakan sensor load  cell.  Load  cell merupakan  sensor berat.  Apabila load  cell diberi  beban pada  inti  besi  maka  nilai  resistansi  di strain  gauge -nya  akan  berubah  yang dikeluarkan  melalui  empat  buah  kabel. Dua  kabel  sebagai  eksitasi  dan  dua kabel lainnya sebagai sinyal keluaran ke kontrolnya. Load  cell yang  digunakan pada  sistem  ini  memiliki  spesifikasi dapat  mengukur  daya  dorong  hingga maksimal 3 kgf.
(a) (b) Gambar 3-3: a.  Sesor Load  Cell dan  b.  Sensor Kecepatan (RPM)
Selain  sensor  perangkat  keras yang  menunjang  sistem  ini  adalah perangkat  akuisisi  data.  Perangkat akuisisi  data  yang  digunakan  adalah jenis CompaqDAQ-9178 buatan National Instrument. Perangkat  ini  merupakan perangkat akuisisi data yang memiliki 8 slot  untuk  modul-modul  pengukuran. Perangkat  ini  menggunakan  kabel  USB sebagai  piranti  komunikasi data dengan komputer  (www.ni.com).  Pada  sistem  ini modul  yang  digunakan  adalah  modul
analog  input,  digital  input ( counter ) , dan modul bridge input.
Modul analog input yang digunakan adalah  modul  NI-9205.  Modul  tersebut merupakan  modul  AI  32  kanal  dengan resolusi 16 bit. Modul ini dapat mengukur tegangan  dari  jangkauan  ±0.2V  sampai dengan ±10V (www.ni.com).
Modul digital input yang digunakan  adalah  modul  NI-9411. Modul  ini  memiliki  6  kanal  diferensial masukan digital. Fitur  yang  digunakan pada modul ini adalah fitur counter atau pencacah  untuk  mencacah  sinyal  dari sensor RPM. Dari ke-enam kanal masukan digital, empat  kanal  diantaranya  dapat digunakan  sebagai  pencacah  (www.ni. com).  Pada  sistem  ini  modul  Ni-9411 akan menghitung frekuensi yang dihasilkan oleh sensor RPM, selanjutnya karena  sensor  RPM  tersebut  meng- hasilkan 2 pulsa per revolusi maka hasil perhitungan  frekuensi  harus  dibagi  2 kemudian dikalikan 60 untuk mendapatkan nilai RPM motor brushless yang diuji.
Modul bridge  analog  input yang digunakan  adalah  modul  NI-9237. Modul  ini  merupakan  modul  4  kanal half/full  bridge  analog  input 24  bit (www.ni.com).  Modul  ini  digunakan untuk  melakukan  akuisisi  data  sensor yang  memiliki  keluaran half/full  bridge, salah  satunya  adalah load  cell yang menggunakan prinsip jembatan Wheatstone .
Gambar 3-4: Perangkat  NI CompaqDAQ 9178 (www.ni.com)
3 PERANCANGAN SISTEM
Sistem pengujian ini menggunakan perangkat National Instruments
CompaqDAQ serta  perangkat  lunak LabVIEW  sebagai  komponen  perangkat
akuisisi  data.  Sedangkan  jenis  sensor yang digunakan untuk mengukur parameter-parameter pada motor brushless adalah  sensor  RPM  non kontak  berbasis  laser,  sensor load  cell untuk  mengukur thrust (gaya  dorong) yang dihasilkan motor, serta sensor arus dan tegangan untuk mengukur arus dan tegangan  yang  masuk  ke  motor  dari baterai.
Sensor  RPM  dan load  cell akan diakuisisi melalui masing-masing modul NI-9411  dan  NI-9237.  Sensor  arus  dan tegangan  akan  diakuisisi  oleh  modul analog  input NI-9205.  Untuk  mengatur kecepatan  motor  digunakan Remote Control yang langsung terhubung dengan perangkat pengatur kecepatan elektronik atau Electronic Speed Controller (ESC).

## 3.1 Perancangan Perangkat Keras
Sensor  arus  dan  tegangan  yang digunakan  pada  sistem  pengujian  ini adalah  jenis APM  Power  Module  3dr. Sensor  tersebut  dapat  mengukur  arus dan  tegangan  sekaligus.  Sensor  ini adalah  sensor  yang  biasa  digunakan dalam pesawat tanpa awak dan merupakan  paket  sensor  yang  terdapat pada sistem Ardupilot.
Untuk  proses  pengujian  selain sistem  sensor  dan  perangkat  akuisisi data,  dibutuhkan  juga test  bed sebagai tempat motor akan diuji. Pada sistem ini test bed dirancang untuk dapat bergerak maju atau mundur mengikuti arah gaya dorong yang dihasilkan motor (Wirawan, 2015). Disain tersebut juga dibuat untuk memudahkan  pengambilan  data  sensor load cell.
Gambar 3-5: Diagram  perancangan  perangkat keras sistem akuisisi data
Gambar 3-6: Diagram  alir  perangkat  lunak sistem akuisisi data

## 3.2 Perancangan Perangkat Lunak
Sistem pengujian ini menggunakan perangkat  lunak Laboratory  Virtual Instrumentation  Engineering  Workbench (LabVIEW). Dalam  sistem  ini  secara umum  diagram  alir perangkat  lunak dibagi  menjadi  tiga  bagian.  Pertama proses  inisialisasi,  pada  proses  ini dilakukan  inisiasi  kanal  modul-modul pada CompaqDAQ, kemudian  inisiasi direktori  penyimpanan  file  data  hasil pengukuran (Corporation, 2012).
Selanjutnya,  proses  pengambilan dan  pemrosesan  data.  Pada  proses  ini data dari sensor akan diambil dan diolah sehingga  menjadi  besaran  yang  bisa ditampilkan  pada  antarmuka  perangkat lunak dan yang terakhir proses penulisan data ke file excel.

## Gambar 3-7: Tampilan  antarmuka  perangkat lunak sistem akuisisi data
Tampilan  antarmuka  perangkat lunak  sistem  akuisisi  data  ini  dapat menampilkan  nilai  hasil  pengukuran sensor secara real time. Data dari sensor yang ditampilkan adalah data kecepatan (dalam RPM), daya dorong thrust (dalam kgf), tegangan baterai (dalam Volt), arus baterai  (dalam  Ampere).  Selain  itu  data hasil pengolahan sensor yang ditampilkan dalam  bentuk  grafik  adalah  grafik  daya (dalam  Watt)  terhadap  waktu,  grafik arus,  tegangan,  dan  daya  dorong terhadap  waktu,  serta  grafik  daya dorong  terhadap  arus.  Dari  grafik  daya dorong  terhadap  arus  akan  didapat persamaan  linear  yang  menunjukan hubungan keduanya.
Gambar 3-8: Tampilan  antarmuka  data  grafik perangkat  lunak  sistem  akuisisi data
4 DATA DAN ANALISIS

## 4.1 Data Kalibrasi Sensor
Kalibrasi  sensor  dilakukan  pada ketiga  sensor  yang  digunakan  yakni sensor  arus,  sensor  tegangan,  dan load cell. Kalibrasi  sensor  arus  dan  tegangan dilakukan  dengan  cara  memberikan masukan  arus  dan  tegangan  dari  catu daya  kemudian  mengukur  tegangan keluaran sensor. Kemudian data tersebut  dibuat  grafik  untuk  kemudian dihitung persamaan liniernya.
Gambar 4-1: Data kalibrasi sensor tegangan

## Gambar 4-2: Data kalibrasi sensor arus
Dari  data  kalibrasi  sensor  arus dan tegangan tersebut kemudian didapat
dua  persamaan  yakni  y  =  9.2413x  + 1.0791 dan y=17.404x + 0.0869 masing- masing  untuk  sensor  tegangan  dan sensor arus.
Sedangkan untuk load cell kalibrasi dilakukan  dengan  memberikan  beban yang diukur dengan alat electronic push- pull, kemudian  data  keluaran load  cell diukur lalu dibuat grafik dan persamaan- nya.
Dari  hasil  kalibrasi load  cell didapat persamaan y = 0.359x – 0.0416. Ketiga  persamaan  tersebut  kemudian akan  dimasukan  kedalam  perancangan perangkat lunak sistem.
Gambar 4-3: Data kalibrasi load cell

## 4.2 Data Hasil Pengujian
Pengujian sistem akuisisi data ini dilakukan  dengan  objek  berupa  motor brushless jenis OS  Motor  OMA  3820-960 dengan propeler jenis APC elektrik ukuran 11  x  7.  Pengujian  dilakukan  dengan memberikan  variasi  masukan throttle dari remote control dari 0% - 100% dengan interval  25%.  Pengujian  dilakukan untuk  interval  data  naik  dan  turun. Kemudian  data  hasil  pengujian  untuk besaran sensor tegangan, arus, dan RPM dibandingkan  dengan  alat  ukur  yang telah  terkalibrasi.  Alat  ukur  yang dijadikan  pembanding  tersebut  adalah: Sanwa  DCM  400AD  AC/DC  Clampmeter untuk  pengukuran  arus, Sanwa  Digital Multimeter  CD800A untuk  pengukuran tegangan, dan Onosokki Digital Tachometer HT-4200 untuk pengukuran RPM.
Hasilnya untuk pengukuran RPM, nilai  yang  didapat  oleh  sistem  akuisisi data  hanya  memiliki  galat  rata-rata
sebesar  1.27%.  Sedangkan  untuk  nilai tegangan  dan  arus  masing  masing memiliki  galat  rata-rata  sebesar  0.61% dan 5.65%.
Dari  ketiga  hasil  pengukuran tersebut terlihat bahwa hasil pengukuran yang  dilakukan  oleh  sistem  memiliki nilai  yang  cukup  akurat  dan  mendekati nilai  benar  yang  ditunjukkan  oleh  alat ukur.  Hal  tersebut  terlihat  dari  hasil pengukuran  terutama  untuk  besaran RPM  yang  hanya  memiliki  galat  sebesar 1.27%.
Gambar 4-4:  Grafik  hasil  pengujian  sensor rpm  dan  alat  ukur  terhadap
throttle
Gambar 4-5: Grafik  pengukuran  arus  dan  alat ukur terhadap throttle
Gambar 4-6: Grafik  hasil  pengujian  tegangan dan alat ukur terhadap throttle
Data hasil pengujian daya dorong ( thrust) ditampilkan  pada  Gambar  4-7. Dari  grafik  tersebut  terlihat  bahwa terdapat  sedikit  perbedaan  saat  data throttle dinaikkan dan diturunkan.
Menurut  analisis  penulis  hal tersebut  dikarenakan  sensor load  cell yang  sangat  sensitif  sehingga  nilainya berubah  saat  diberikan  perubahan throttle dari naik ke turun.
Gambar 4-7: Grafik  hasil  pengukuran thrust terhadap throttle
Gambar 4-8: Grafik  hasil  pengukuran  daya motor terhadap throttle
Sedangkan  untuk  hasil  pengukur- an daya yang dibutuhkan motor didapat hasil daya motor saat throttle maksimum adalah  sebesar  245.81  Watt.  Per- hitungan  daya  tersebut  didapat  dari hasil  perkalian  antara  tegangan  dan arus baterai.

## 5 KESIMPULAN
Setelah  rancang  bangun  sistem akuisisi  data  ini  selesai  dibuat  dan dilakukan  pengujian,  penulis  mendapat- kan  beberapa  kesimpulan  dari  hasil pengujian tersebut:
 Sistem  akuisisi  data  ini  mampu melakukan pengukuran besaran- besaran yang dibutuhkan pada saat uji
darat  seperti  tegangan  baterai,  arus baterai,  kecepatan  putaran  motor (RPM),  daya  dorong  ( thrust) yang dihasilkan,  serta  daya  ( power) yang dibutuhkan oleh motor.
 Sistem  akuisisi  data  ini  mampu melakukan  pengukuran  dengan  galat masing  masing  untuk  besaran  RPM, tegangan,  dan  arus  sebesar  1.27%, 0.61%, dan 5.65%.
 Sistem  akuisisi  data  ini  telah  mampu menampilkan  data  hasil  pengujian secara real  time melalui  antarmuka perangkat  lunak LabVIEW dengan kecepatan  sampling  data  mencapai 100 ms.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Dalam  penyusunan  dan  penye- lesaian  paper  ini,  penulis  mengucapkan terima  kasih  kepada  Tim  Teknis  Solar LSU PUSTEKBANG–LAPAN yang menyiap- kan pembuatan test bed dan pemasangan  rangkaian.  Serta  kepada Pak  Atik  Bintoro,  Pak  Abdul  Rachman, dan  Pak  Ridanto  Eko  Poetro  yang  telah memberikan saran dan masukan sehingga  paper  ini  dapat  diselesaikan dengan baik.

## DAFTAR RUUKAN
Corporation,  M.  C.,  2012. Data  Acquisition Handbook, A  Reference  for  DAQ  and Analog & Digital Signal Conditioning.
Morris,  A.  S.,  2001. Measurement  and Instrumentation  Principles ,  Butterworth
- Heinemann.
North,  A.,  Siegwart,  R.,  &  Engel,  W.,  2007.
Autonomous  Solar  UAV  for  Sustainable Flights Advances  in  Unmanned  Aerial Vehicles (377-405): Springer.
Romeo,  G.,  Frulla,  G.,  &  Cestino,  E.,  2006.
Design  of  A  High-Altitude  Long- Endurance  Solar-Powered  Unmanned Air  Vehicle  For  Multi-Payload  and Operations , JAERO, Italy.
Sydorenko,  K.,  and  Budko,  V.,  2012. Flying  of The  UAV  by  The  Solar  Energy .
International  Conference  Methods  and Systems  of  Navigation  and  Motion Control. Ukraine.
Torabi,  H.  B.,  &  Sadi,  M.,  2011. Solar  Power System  for  Experimental  Unmanned Aerial  Vehicle  (UAV);  Design  and Fabrication, Paper  presented  at  the Power  Electronics,  Drive  Systems  and Technologies  Conference  (PEDSTC), 2011 2nd.
Valavanis,  K.  P.,  2008. Advances  in  Unmanned Aerial Vehicles: State of the  Art  and the Road  to  Autonomy (Vol.  33):  Springer Science & Business Media.
Wirawan,  Adi,  2015. Pengujian  Gaya  Dorong Motor  Elektrik  Untuk  Solar  UAV ,  dalam
Seminar Ilmu Pengetahuan dan
Teknologi Dirgantara ke - XIX. Bogor.
http://copter.ardupilot.com/wiki/common-3dr-
power-module/
www.ni.com
www.osengines.com/motors/motor- specifications.pdf