Experiment for Position and Speed Control of AXH230KC-100 Brushless DC Motor for Robot Manipulator

Abstract

obot LIPI (Morolipi V2) in the mechatronics lab of Research Center for Electrical Power and Mechatronics - LIPI has been done. Precise and accurate control is required when the DC motor is used as a manipulator robot. Motor control manipulator can be positioning angle and speed. Testing is done through five stages, among others: (1) open loop speed control with PWM input, (2) closed loop speed control using feedback of internal speed output pulse, (3) closed loop control the angular position using the output pulse internal velocity, (4) closed loop control the angular position using the rotary encoder, and (5) closed loop control the angular position using the potentiometer. Program to control the motor driver has been generated by the microcontroller ATMega32A. The results show that the close loop speed control produce an average error value (0,13%) smaller than the open loop (0,21%). Control of the angular position using pulse output internal velocity has an average error value (0.01%) smaller than position feedback control using a rotary encoder (0.02%) and potentiometer (0.07%).

Full text

Prosiding ISBN 879-602-17952-0-0
Seminar Nasional Rekayasa Energi, Hal. 181-188
Mekatronik, dan Teknik Kendaraan
Komplek LIPI Bandung, 18 September 2013
RM-1345 @ 2013 PUSLIT TELIMEK - LIPI
Website: http://rimtek.telimek.lipi.go.id/
EKSPERIMEN KENDALI POSISI SUDUT DAN KECEPATAN MOTOR
DC BRUSHLESS AXH230KC-100 UNTUK MANIPULATOR ROBOT
EXPERIMENT FOR POSITION AND SPEED CONTROL OF AXH230KC-100
BRUSHLESS DC MOTOR FOR ROBOT MANIPULATOR
Hendri Maja Saputra
1
, Agam Setiawan
2
1
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik  Lembaga Ilmu Pengertahuan Indonesia
Komp. LIPI Gd.20, Jl. Cisitu No.21/154D, Bandung 4015 Jawa Barat
Telp. 022 2503055, Fax 022 2504773
E-mail: hend018@lipi.go.id
2
Fakultas Teknik  Universitas Negeri Yogyakarta
Kampus Karangmalang, Yogyakarta, 55281
Telp. 0274 586168, Fax 0274586734
E-mail: setiawan.agamtp08@gmail.com
ABSTRAK
Eksperimen kendali posisi dan kecepatan motor DC brushless untuk manipulator Mobil Robot LIPI versi dua
(Morolipi V2) di laboratorium mekatronika Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronika LIPI telah dilakukan.
Pengendalian yang presisi dan akurat sangat diperlukan pada saat motor DC tersebut digunakan sebagai manipulator
robot. Kendali motor manipulator dapat berupa posisi sudut maupun kecepatan. Pengujian dilakukan melalui lima
tahapan, antara lain: (1) kendali kecepatan jerat terbuka dengan masukan PWM, (2) Kendali kecepatan jerat tertutup
menggunakan umpan balik dari pulsa keluaran kecepatan internal, (3) kendali posisi sudut jerat tertutup
menggunakan umpan balik dari pulsa keluaran kecepatan internal, (4) Kendali posisi sudut menggunakan umpan
balik dari rotary encoder, dan (5) Kendali posisi sudut menggunakan umpan balik dari potensiometer. Program
kendali ke driver motor dikirim oleh mikrokontroler ATMega32A. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kendali
kecepatan jerat tertutup menghasilkan nilai kesalahan rata-rata yang lebih kecil (0,13%) dibandingkan jerat terbuka
(0,21%). Kendali posisi sudut dengan umpan balik pulsa keluaran kecepatan internal memiliki nilai kesalahan rata-
rata yang lebih kecil (0,01%) dibandingkan kendali posisi dengan umpan balik dengan rotary encoder (0,018%) dan
potensiometer (0,07%).
Kata Kunci: DC Brushless, Morolipi V2, kendali kecepatan, kendali sudut, AXH 230KC-100.
ABSTRACT
Experimental of the position and speed control of brushless DC motor for manipulators the second versions mobile
robot LIPI (Morolipi V2) in the mechatronics lab of Research Center for Electrical Power and Mechatronics - LIPI
has been done. Precise and accurate control is required when the DC motor is used as a manipulator robot. Motor
control manipulator can be positioning angle and speed. Testing is done through five stages, among others: (1)
open loop speed control with PWM input, (2) closed loop speed control using feedback of internal speed output
pulse, (3) closed loop control the angular position using the output pulse internal velocity, (4) closed loop control
the angular position using the rotary encoder, and (5) closed loop control the angular position using the
potentiometer. Program to control the motor driver has been generated by the microcontroller ATMega32A. The
results show that the close loop speed control produce an average error value (0,13%) smaller than the open loop
(0,21%). Control of the angular position using pulse output internal velocity has an average error value (0.01%)
smaller than position feedback control using a rotary encoder (0.02%) and potentiometer (0.07%).
Keywords: Brushless DC, Morolipi V2, speed control, position control, AXH 230KC-100.
1 PENDAHULUAN
Bidang mekatronik di Puslit Telimek - LIPI telah melakukan beberapa penelitian terkait robotika.
Prototipe yang telah dihasilkan antara lain: mobil robot LIPI versi satu (Morolipi V1) dan mobil robot
LIPI versi dua (Morolipi V2). Morolipi V1 menggunakan motor DC brushed sebagai aktuator roda,

182 Hendri M.S. dan Agam S. / Prosiding Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknik Kendaraan 2013, 181–188
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik (PUSLIT TELIMEK)
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)
sedangkan Morolipi V2 merupakan generasi terbaru dari dua versi sebelumnya dimana motor DC
brushless digunakan untuk aktuator roda dan manipulator. Robot Morolipi V2 yang dimaksud dapat
dilihat pada Gambar 1.
Aktuator roda Morolipi V2 terdiri dari empat buah motor DC brushless dengan daya masing-masing
100W dan berputar bergerak secara independen. Perancangan dan pengujian awal kendali kecepatan
aktuator roda tersebut menggunakan mikrokontroler ATMega 16 telah dilakukan Saputra [1]. Morolipi
V2 dilengkapi manipulator lima sendi dimana tiga sendi diantaranya juga menggunakan motor DC
brushless. Kendali posisi sendi manipulator hanya berdasarkan perintah start atau stop menggunakan
kenop pada remote. Untuk pengembangan penelitian, manipulator akan dikendalikan dengan memberikan
masukan posisi sudut sendi, hal tersebut yang mendasari perlu dilakukannya eksperimen.
Kendali posisi sudut dan kecepatan motor DC untuk mengendalikan prilaku transient yang paling
sederhana adalah menggunakan pengendali PID. Perancangan model simulasi dari motor DC brushless
beserta kendali posisinya dengan pengendali PID telah dilakukan Immaneni [2].
Gambar 1. Robot Morolipi V2
Makalah ini membahas hasil eksperimen kendali posisi sudut dan kecepatan motor DC brushless
menggunakan mikrokontroler ATMega32A pada manipulator Morolipi V2 di laboratorium bidang
mekatronika Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik - LIPI. Hasil pengukuran yang dipaparkan
pada makalah ini berupa data pada saat keadaan tunak bukan keadaan transien.
2 BAHAN DAN METODE
Secara umum, perangkat yang digunakan adalah motor DC brushless, driver, mikrokontroler, rotary
encoder, potensiometer, power supply, dan program kendali. Rangkaian tersebut secara lengkap
ditunjukkan oleh Gambar 2. Program kendali yang didownload ke mikrokontroler memiliki diagram alir
yang berbeda-beda tergantung dengan tahapan eksperimen, karena itu tidak akan ditampilkan pada
makalah ini.
DRIVER
POWER SUPPLY
MIKROKONTROLER
Hijau
Hitam
Putih
Gray
Purple
Coklat
Oranye
Merah
Coklat
Sensor
Referensi
(potensiometer)
{A}
{C}
{D}
{E}
Keterangan:
{A} Motor DC Brushless
{B} Driver Motor
{C} Mikrokontroler
{D} Sensor: Rotary Encoder
atau Potensiometer
{E} Power supply
outputinput
inputinput
Motor DC
Brushless
{B}
PROGRAM
Gambar 2. Konsep umum eksperimen
Motor DC brushless
pada sendi yang
dijadikan eksperimen
penelitian

Hendri M.S. dan Agam S. / Prosiding Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknik Kendaraan 2013, 181–188 183
Seminar Nasional Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknologi Kendaraan (RIMTEK) 2013
Bandung, 18 Septem ber 2013
Tipe motor yang digunakan untuk eksperimen adalah AXH230KC-100 yang sudah dilengkapi dengan
driver. Tipe ini merupakan jenis motor DC brushless yang membutuhkan sumber tegangan 24 VDC ±
10%, daya keluaran 30W, dan memiliki jangkauan kecepatan 100~3000 rpm. Spesifikasi lengkap dapat
dilihat pada catalog umum oriental motor vexta® 2003/2004 [3]. Motor ini juga dilengkapi dengan fungsi
pengaman terhadap overload, overvoltage, undervoltage, overspeed dan out-of-phase power. Ketika salah
satu dari fungsi tersebut terdeteksi maka LED berkedip dan motor berhenti. Selain itu, motor ini memiliki
keluaran kecepatan (speed output) internal yang berupa sinyal kotak dan dapat dilihat sebagai mana
Gambar 3 [1]. Sinyal pulsa kecepatan (dengan lebar pulsa low 0,3ms) dengan rata-rata 30 pulsa per
putaran poros motor. Kecepatan motor dapat dihitung dengan persamaan (1) [3].
(1)
dimana V adalah kecepatan motor, f adalah frekuensi kecepatan, dan T adalah periode sinyal.
Gambar 3. Sinyal PWM dari speed output
Mikrokontroler yang digunakan adalah ATMega32A [4]. Tipe rotary encoder yang digunakan adalah
E40S-360-3-2-3 [5], sedangkan potensiometer dan power supply yang digunakan merupakan komponen
standar yang ada dipasaran.
Gambar 4. Perangkat yang digunakan pada eksperimen.

184 Hendri M.S. dan Agam S. / Prosiding Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknik Kendaraan 2013, 181–188
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik (PUSLIT TELIMEK)
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)
3 HASIL DAN PEMBAHASAN
Eksperimen dilakukan dengan memberikan masukan berupa tegangan referensi pada salah satu pin
driver motor yaitu pada pin VRM (lihat Gambar 2).Tegangan referensi diberikan oleh mikrokontroler
ATMega32A berupa sinyal PWM dengan frekuensi 15,625 kHz.
3.1 Kendali kecepatan jerat terbuka
Pengujian kendali jerat terbuka berfungsi untuk mengetahui kinerja motor berdasarkan masukan yang
diberikan dan untuk mempelajari pulsa PWM yang keluar dari salah satu pin keluaran driver motor (speed
output). PWM yang dihasilkan oleh pin tersebut dapat dilihat pada Gambar 6(a).
Dari eksperimen diperoleh beberapa data untuk melihat linieritas dari masukan yang berupa bilangan
desimal dan keluaran yang berupa sinyal PWM. Pembacaan frekuensi kecepatan pada eksperimen dengan
cara menentukan nilai periode yaitu dengan cara membaca pulsa keluaran driver motor (speed output)
setiap detik sedangkan periode-nya berdasarkan persamaan (2).
(2)
Masukan pada eksperimen kendali jerat terbuka menggunakan potensio yang mengeluarkan data
digital 0-1023 (10 bit). Prinsip kerja pada eksperimen yaitu jika data masukanya 0-507 maka motor akan
berputar searah jarum jam (CW), jika masukanya semakin bertambah maka kecepatan motor akan
semakin berkurang. Keluaran kecepatan motor pada kondisi tersebut dihitung dengan persamaan (3). Jika
masukan data 508-516 motor akan berhenti. Jika masukanya 517-1023 maka motor akan berputar
berlawanan jarum jam (CCW), jika masukanya semakin bertambah maka kecepatan motornya akan
bertambah. Keluaran kecepatan motor pada kondisi tersebut dihitung dengan persamaan (4) .
(3)
(4)
Data hasil eksperimen kendali kecepatan jerat terbuka dapat dilihat pada Gambar 6(b), dimana
diperoleh kesalahan rata-rata sebesar 0,21%.
(a)
(b)
Gambar 5. Data pengukuran berdasarkan masukan potensio: (a) sinyal PWM dari speed output; (b) kecepatan
motor
3.2 Kendali kecepatan jerat tertutup dengan umpan balik pulsa keluaran kecepatan internal
Pengujian kendali jerat tertutup dengan umpan balik pulsa keluaran kecepatan internal berfungsi untuk
mengetahui kesesuaian kerja motor terhadap masukan yang diberikan. Prinsip kerja pada eksperimen
hampir sama dengan kendali jerat terbuka hanya saja pada pin keluaran driver motor (speed output) di
umpan balik untuk mengkoreksi kecepatan aktual. Eksperimen dilakukan dengan memanipulasi error
yang terjadi sebagaimana persamaan (5).
(5)
0
1
2
3
4
5
6
Output PWM
(V)
Input potensio
(ADC)
keluaran PWM
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0
0,11
0,47
0,54
0,77
1,32
1,46
1,93
2,19
2,4
2,62
3
3,53
3,82
4,35
4,86
Kecepatan
(Hz)
Inputan potensio
(V)
Kecepatan_act
Kecepatan_ref

Hendri M.S. dan Agam S. / Prosiding Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknik Kendaraan 2013, 181–188 185
Seminar Nasional Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknologi Kendaraan (RIMTEK) 2013
Bandung, 18 Septem ber 2013
Untuk menentukan kecepatan_referensi digunakan persamaan (6) dimana nilainya diperoleh dari data
nilai maksimum dan minimum pada ekperimen kendali jerat terbuka.
(6)
Pada eksperimen digunakan pengendali yang berfungsi untuk mengendalikan sistem dengan
memanipulasi sinyal error, agar respon sistem (output) sama dengan yang diinginkan (input). Pengendali
yang digunakan pada eksperimen adalah pengendali PID.
Data hasil eksperimen kendali kecepatan jerat tertutup dengan umpan balik keluaran kecepatan
internal dapat dilihat pada Gambar 7, dimana diperoleh kesalahan rata-rata sebesar 0,13%.
Gambar 6. Data pengukuran kendali jerat tertutup.
3.3 Kendali sudut jerat tertutup dengan umpan balik pulsa keluaran kecepatan internal
Besar sudut pada eksperimen ditentukan dari jumlah pulsa pin keluaran driver motor (speed output).
Berdasarkan buku manual, motor DC brushless AXH230KC-100 mempunyai sinyal pulsa kecepatan rata-
rata 30 pulsa per putaran poros motor. Rasio gear yang digunakan adalah 100 sehingga untuk jumlah
pulsa per satu putaran ujung poros gearhead dapat dihitung dengan persamaan (7).
Jumlah pulsa satu putaran = 30 x 100 = 3000 (7)
Untuk setiap putaran motor pin keluaran driver motor (speed output) mengirimkan pulsa sebanyak 3000
atau untuk menentukan sudut 360° jumlah pulsa yang dikirimkan sebanyak 3000.
Pada eksperimen digunakan dua perangkat sebagai sudut referensi yaitu tombol dan potensio. Potensio
mengeluarkan data 0-1023 (10 bit) sedangkan pulsa untuk menentukan sudut 0°-360° sebanyak 0-3000
pulsa, sehingga dilakukan konversi dari 0-1023 ke 0-3000 dengan persamaan (8).
(8)
Data hasil eksperimen kendali kecepatan jerat tertutup dengan umpan balik keluaran kecepatan
internal dapat dilihat pada Gambar 8, dimana diperoleh kesalahan rata-rata untuk masukan tombol sebesar
0,009% dan masukan potensio sebesar 0,01%
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 0,21 0,61 0,82 3,63 4,24 4,65 4,86
Kecepatan
(Hz)
Inputan Potensio
(V)
sudut_act
sudut_ref

186 Hendri M.S. dan Agam S. / Prosiding Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknik Kendaraan 2013, 181–188
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik (PUSLIT TELIMEK)
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)
(a)
(b)
Gambar 7. Kendali sudut jerat tertutup dengan umpan balik pulsa kecepatan internal: (a) dengan masukan tombol;
(b) dengan masukan potensio
3.4 Kendali sudut jerat tertutup dengan umpan balik rotary encoder
Eksperimen kendali sudut jerat tertutup menggunakan sensor rotary encoder tipe E40S-360-3-2-3.
Rotary encoder yang digunakan mempunyai tiga fasa keluaran yaitu out A, out B, dan out Z. Pada
eksperimen yang digunakan hanya dua fasa keluaran yaitu out A dan out B. Berdasarkan data sheet rotary
encoder tipe E40S-360-3-2-3 dalam satu putaran mengirimkan pulsa sebanyak 360. Out A dan out B
digunakan untuk satu putaran sehingga tingkat keakuratannya meningkat dari satu derajat ke 0,5 derajat.
Jumlah pulsa dihitung dengan persamaan (9).
Jumlah pulsa = out A + out B = 360 + 360 = 720 (9)
Rotary encoder dipasang segaris dengan poros (lihat Gambar 9(a)). Dua perangkat sebagai referensi yaitu
tombol dan potensio digunakan dalam ekperimen. Potensio mengeluarkan data 0-1023 (10 bit) sedangkan
pulsa untuk menentukan sudut 0°-360° sebanyak 0-720 pulsa. Konversi dari 0-1023 ke 0-720 dilakukan
dengan persamaan (10).
(10)
Data hasil eksperimen kendali kecepatan jerat tertutup dengan umpan balik keluaran kecepatan
internal dapat dilihat pada Gambar 9(b-c), dimana diperoleh kesalahan rata-rata untuk masukan tombol
sebesar 0,01% dan masukan potensio sebesar 0,02%.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
375
750
1125
1500
1875
2250
2625
3000
Sudut
Jumlah pulsa
sudut_act
sudut_ref
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
1266
1545
429
180
369
825
3000
0
Sudut
Jumlah pulsa
sudut_act
sudut_ref

Hendri M.S. dan Agam S. / Prosiding Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknik Kendaraan 2013, 181–188 187
Seminar Nasional Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknologi Kendaraan (RIMTEK) 2013
Bandung, 18 Septem ber 2013
(a)
(b)
(c)
Gambar 8. Kendali sudut jerat tertutup dengan umpan balik pulsa rotary encoder: (a) instalasi pengujian; (b) sudut
keluaran dari masukan tombol; (c) sudut keluaran dari masukan potensio
3.5 Kendali sudut jerat tertutup dengan umpan balik potensiometer
Eksperimen kendali sudut jerat tertutup dengan umpan balik potensiometer dipasang segaris dengan
poros (lihat Gambar 10(a)). Eksperimen dilakukan dengan memanipulasi nilai error yang diperoleh
melalui persamaan (11). Kendali dilakukan dengan memperkecil nilai error. Nilai error yang bernilai nol
berarti output sistem sudah tepat sesuai dengan referensi. Pada eksperimen digunakan pengendali PID .
(11)
Data hasil eksperimen kendali kecepatan jerat tertutup dengan umpan balik keluaran kecepatan
internal dapat dilihat pada Gambar 10(b-c), dimana diperoleh kesalahan rata-rata untuk masukan tombol
sebesar 0,02% dan masukan potensio sebesar 0,07%.
(a)
(b)
(c)
Gambar 9. Kendali sudut jerat tertutup dengan umpan balik potensiometer.(a) instalasi pengujian; (b) sudut
keluaran dari masukan tombol; (c) sudut keluaran dari masukan potensio
4 KESIMPULAN
Kendali posisi dan kecepatan motor DC brushless AXH230KC-100 untuk manipulator robot dapat
dilakukan dengan cara memanfaatkan pin keluaran kecepatan pada driver motor (speed output) yang
keluaranya berupa sinyal kotak. Kesalahan rata-rata untuk eksperimen kendali kecepatan menggunakan
jerat tertutup menghasilkan nilai 0,13%, sedangkan menggunakan jerat terbuka menghasilkan nilai
0,21%. Kendali posisi sudut dengan umpan balik pulsa keluaran kecepatan internal memiliki nilai
kesalahan rata-rata yang lebih kecil (0,01%) dibandingkan kendali posisi dengan umpan balik dengan
rotary encoder (0,02%) dan potensiometer (0,07%), perbandingan ini berdasarkan masukan yang
menggunakan potensiometer.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih kami sampaikan kepada tim Morolipi dibidang mekatronik Pusat Penelitian
Tenaga Listrik dan Mekatronik  LIPI yang telah membantu penelitian terkait robot penjinak bom
morolipi, diantaranya adalah Bu Pudji Irasari, Pak Estiko Rijanto, Roni Permana Saputra, Midriem
Mirdanies, Rizqi Andri Ardiansyah, Vita Susanti, Anwar Muqorobin, Aditya Sukma Nugraha, Arif
Santoso, dan Tinton Dwi Atmaja.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
90
180
270
360
450
540
630
720
Sudut
Jumlah Pulsa
sudut_act
sudut_ref
0
50
100
150
200
250
300
350
0
99
268
184
230
167
304
515
595
440
Sudut
Jumlah pulsa
sudut_act
sudut_ref
0
50
100
150
200
250
100
200
300
400
500
600
700
800
Sudut
inputan tombol
sudut_ref
sudut_act
0
50
100
150
200
250
300
350
0
1023
643
255
0
80
118
304
179
316
Sudut
Inputan potensio
(ADC)
seudut_ref
sudut_act

188 Hendri M.S. dan Agam S. / Prosiding Rekayasa Energi, Mekatronik, dan Teknik Kendaraan 2013, 181–188
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik (PUSLIT TELIMEK)
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)
REFERENSI
[1] R. P. Saputra, et al., "Perancangan dan Pengujian Awal Kendali Motor DC Brushless untuk
independent 4-Wheel Drive Platform Robot Rev-11," Journal of Mechatronics, Electrical Power,
and Vehicular Tehnology, vol. 02, pp. 85-94, 2011.
[2] H. Immaneni, Mathematical Modelling and Position Control of Brushless DC (BLDC) Motor vol. 3:
International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA), 2013.
[3] O. M. Vexta. (2013) Brushless DC motor system AXH series [Online]. Available:
http://www.orientalmotor.com/products/pdfs/B_SpdCnt/SpdAxh.pdf [Dikutip: 01 Agustus 2013]
[4] ATMEL. (2013) 8-bit Microcontroller with 32K Bytes In-System Programmable Flash
(ATmega32A) [Online]. Available: www.atmel.com/Images/doc8155.pdf [Dikutip: 01 Agustus
2013]
[5] Autonics. (2013) E40 Series [Online]. Available: 
