TUGAS 2Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Elektronika Daya

PULSE WIDTH MODULATION (PWM)

Disusun Oleh : WIRAWAN SATRIA P 2211091035

PROGRAM STRATA SATU JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS JENDERAL ACHMAD YANI CIMAHI 2011

PULSE WIDTH MODULATION (PWM)

Pulsa With Modulation

Gambar Rangkaian Pulsa With Modulation

Salah satu cara untuk mengirimkan informasi analog adalah dengan menggunakan pulsa-pulsa tegangan atau pulsa-pulsa arus. Dengan modulasi pulsa, pembawa informasi terdiri dari pulsa-pulsa persegi yang berulangulang. Salah satu teknik modulasi pulsa yang digunakan adalah teknik modulasi durasi atau lebar dari waktu tunda positif ataupun waktu tunda negatif pulsa-pulsa persegi tersebut. Metode tersebut dikenal dengan nama Pulsa With Modulation (PWM). Metode PWM dikenal juga dengan nama Puls Duration Modulation (PDM) atau Pulsa Length Modulation (PLM) Untuk membangkitkan sinyal PWM, digunakan komparator untuk membandingkan dua buah masukan yaitu generator sinyal dan sinyal referensi. Hasil keluaran dari komparator adalah sinyal PWM yang berupa pulsa-pulsa persegi yang berulang-ulang. Durasi atau lebar pulsa dapat dimodulasi dengan cara mengubah sinyal referensi.

Gambar Sinyal PWM Metode PWM digunakan untuk mengatur kecepatan motor, informasi yang dibawa oleh pulsa-pulsa persegi merupakan tegangan rata-rata.

Besarnya tegangan rata-rata tersebut dapat diperoleh dari : Vout = (Vref * duty cycle) / periode Semakin lebar durasi waktu tunda positif pulsa dari sinyal PWM yang dihasilkan, maka perputaran motor akan semakin cepat, demikian juga sebaliknya. PWM merupakan suatu teknik teknik dalam mengatur kerja suatu peralatan yang memerlukan arus pull in yang besar dan untuk menghindari disipasi daya yang berlebihan dari peralatan yang akan dikontrol. PWM merupakan suatu metoda untuk mengatur kecepatan perputaran motor dengan cara mengatur prosentase lebar pulsa high terhadap perioda dari suatu sinyal persegi dalam bentuk tegangan periodik yang diberikan ke motor sebagai sumber daya. Semakin besar perbandingan lama sinyal high dengan perioda sinyal maka semakin cepat motor berputar. Sinyal PWM dapat dibangun dengan banyak cara, dapat menggunakan metode analog menggunakan rankaian op-amp atau dengan menggunakan metode digital. Dengan metode analog setiap perubahan PWM-nya sangat halus, sedangkan menggunakan metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi dari PWM itu sendiri. Misalkan PWM digital 8 bit berarti PWM tersebut memiliki resolusi 2 pangkat 8 = 256, maksudnya nilai keluaran PWM ini memiliki 256 variasi, variasinya mulai dari 0 mewakili duty cycle 0 255 yang

100% dari keluaran PWM tersebut. Pada

perancangan driver ini, sinyal PWM akan diatur secara digital yang dibangkitkan oleh mikrokontroler ATMEGA 8535. Teknik kendali PWM (Pulse Width Modulation) banyak dipakai di industri-industri terutama sebagai penggerak mesin-mesin listrik atau inverter. Namun dipenelitian ini PWM akan diterapkan pada jaringan sistem tenaga listrik. Prinsip dasar PWM adalah membandingkan gelombang pembawa (carrier) dengan gelombang acuan (reference). Jenis-jenis kendali

PWM di bawah ini mengacu pada aplikasinya di inverter 1-fasa (1/2 jembatan) yang juga bisa dianalogikan untuk aplikasi di jaringan sistem tenaga. Single-PWM Dalam kendali single-PWM, hanya ada satu pulsa per perioda dan lebar pulsa bisa divariasikan (diubah-ubah). Gambar II.7 menunjukkan pembangkitan sinyal penyulutan untuk dua buah saklar daya. Sinyal penyulutan dibangkitkan dengan cara membandingkan sinyal referensi (dengan amplitudo Aref) dengan gelombang segitiga (dengan amplitudo Acarr). Frekuensi gelombang segitiga menentukan frekuensi fundamental tegangan keluaran inverter. Dengan mengubah-ubah Aref dari 0 sampai Acarr, maka lebar pulsa ( ) dapat diubah dari 0 sampai 180. Perbandingan Aref terhadap Acarr merupakan variabel kendali dan disebut sebagai duty cycle (indeks modulasi).

Gambar Single-PWM Di pengendalian dengan single-PWM, harmonik yang dominan muncul adalah harmonik ketiga, dan distortion factor akan meningkat tajam pada tegangan keluaran yang rendah (di inverter).

Multiple-PWM (MPWM) atau Uniform-PWM (UPWM) Kandungan harmonik dapat dikurangi dengan menggunakan beberapa pulsa per perioda tegangan keluaran. Pembangkitan sinyal penyulutan (untuk meng-ON-kan dan meng-OFF-kan saklar daya) sama prinsipnya dengan single-PWM seperti ditunjukkan Gambar II.8. Frekuensi sinyal referensi akan menentukan frekuensi keluaran inverter (fo), dan frekuensi sinyal segitiga (fcarr) akan menentukan jumlah pulsa per perioda (p). Hal ini sedikit berbeda dengan single-PWM. Indeks modulasi (duty cycle) akan mengatur tegangan keluaran inverter.

Gambar MPWM atau UPWM

Jumlah pulsa per perioda adalah :

Variasi duty cycle (D) dari 0 sampai 1 akan mengubah-ubah lebar pulsa dari 0 sampai /p dan mengatur tegangan keluaran inverter dari 0 sampai Vs (tegangan sumber). Urutan harmonik pada MPWM (UPWM) sama dengan single-PWM. Distortion factor akan berkurang sekali dibandingkan dengan single-PWM. Tetapi, karena proses pensaklaran yang lebih banyak, rugi-rugi pensaklaran akan meningkat. Dengan jumlah p yang lebih besar, amplitudo

lower-order harmonics akan lebih kecil, tapi amplitudo beberapa higher-order harmonics akan naik. Hal ini bisa diatasi dengan mudah melalui filterisasi. Sinusoidal-PWM (SPWM) Pada metode ini sinyal referensi yang digunakan adalah gelombang sinus. Berarti lebar tiap pulsa akan berbeda-beda tergantung pada magnitud gelombang sinusnya. Distortion factor dan lower-order harmonics akan berkurang jauh dibandingkan dengan metode single-PWM maupun MPWM (UPWM). Sinyal penyulutan dibangkitkan dengan cara membandingkan sinyal referensi sinusoidal dengan gelombang pembawa (segitiga) berfrekuensi fcarr (lihat Gambar II.9). Frekuensi sinyal referensi (fref) akan menentukan frekuensi keluaran inverter (fo). Hal ini serupa dengan metode MPWM (UPWM), tapi berbeda dengan metode single-PWM. Sedangkan amplitudo puncak referensi (Aref) mengatur duty cycle (D) dan tegangan keluaran efektif inverter (Vo). Jumlah pulsa per perioda bergantung pada fcarr (fcarr = fpwm). Sinyal penyulutan juga bisa dibangkitkan dengan bentuk gelombang segitiga yang unidirectional seperti di Gambar bagian terbawah.

Gambar Sinusoidal-PWM (SPWM)

Harga efektif tegangan keluaran inverter dapat diubah-ubah dari 0 sampai Vs (tegangan sumber inverter) dengan cara mengubah duty cycle (D) dari 0 sampai 1. Pada metode SPWM ini, distortion factor berkurang jauh dibandingkan metode MPWM (UPWM). Metode ini juga menghilangkan semua harmonik yang berharga 2p-1. Pengaturan PWM menggunakan mikrokontroler ATMEGA

Proses pembangkitan sinyal PWM pada mikrokontroler AVR ATMEGA 8535 adalah sebagai berikut.Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 2 pangkat 8 = 256 variasi mulai dari 0 255 perubahan nilai. Compare adalah nilai pembanding. Nilai

ini merupakan nilai referensi duty cycle dari PWM tersebut. Nilai compare bervariasi sesuai dengan resolusi dari PWM. Dalam gambar nilai compare ditandai dengan garis warna merah, dimana posisinya diantara dasar segitiga dan ujung segitiga.

Clear digunakan komparator inverting

untuk penentuan atau

jenis komparator Mikrokontroler

apakah akan

non-inverting.

membandingkan posisi keduanya, misalkan bila PWM diset pada kondisi clear down, berarti apabila garis segitiga berada dibawah garis merah (compare) maka PWM akan mengeluarkan logika 0. Begitu pula sebaliknya apabila garis segitiga berada diatas garis merah (compare) maka PWM akan mengeluarkan logika 1. Lebar sempitnya logika 1 ditentukan oleh posisi compare, lebar sempitnya logika 1 itulah yang menjadi nilai keluaran PWM,dan kejadian ini terjadi secara harmonik terus-menerus. Maka dari itu nilai compare inilah yang dijadikan nilai duty cycle PWM. Clear Up adalah kebalikan (invers) dari Clear Down pada keluaran logikanya.

Prescale digunakan untuk menentukan waktu perioda dari pada PWM. Nilai prescale bervariasi yaitu 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024. Misalkan jika prescale diset 64 berarti timer/PWM akan menghitung 1 kali bila clock di CPU sudah 64 kali, Clock CPU adalah clok mikrokontroler itu sendiri. Perioda dari PWM dapat dihitung menggunakan rumus.

Setting prescale disini digunakan untuk mendapatkan frekuensi dan periode kerja PWM sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan. Perhitungan duty cycle PWM Dengan cara mengatur lebar pulsa on dan off dalam satu perioda gelombang melalui pemberian besar sinyal referensi output dari suatu PWM akan didapat duty cycle yang diinginkan. Duty cycle dari PWM dapat dinyatakan sebagai

Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka motor akan mendapat tegangan 100V. pada duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya akan diberikan 50% dari total tegangan yang ada, begitu seterusnya

Perhitungan Pengontrolan tegangan output motor dengan metode PWM cukup sederhana.

Dengan menghitung duty cycle yang diberikan, akan didapat tegangan output yang dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada gambar.

Average voltage merupakan tegangan output pada motor yang dikontrol oleh sinyal PWM. a adalah nilai duty cycle saat kondisi sinyal on . b adalah nilai duty cycle saat kondisi sinyal off . V full adalah tegangan maximum pada motor. Dengan menggunakan rumus diatas, maka akan didapatkan tegangan output sesuai dengan sinyal kontrol PWM yang dibangkitkan. Pola Kerja PWMy

Konfigurasi PWM

Register yang digunakan untuk mengkonfigurasi penggunaan PWM berada pada register untuk Timer/counter . Timer/counter0 dan Timer/counter2 memiliki PWM 8 bit, Timer/counter1 memiliki PWM 9 bit,PWM 8 bit dan PWM 10 bit. Output PWM terletak pada pin OC0(timer0), pin OC1A dan OC1B (timer 1) , serta pin OC2 (timer2). Untuk memahami penggunaan PWM,berikut ini contoh pemakaian Timer/Counter0 sebagai PWM.

Register untuk Konfigurasi PWM : a. Timer/Counter Register (TCNT0) Register ini bertugas menghitung pulsa yang masuk ke dalam rimer/counter. Untuk menggunakan PWM, TCNT0 perlu ditentukan nilai awalnya yaitu 0. b. Output Compare Register (OCR0) Register 8 bit ini secara kontinu dibandingkan dengan isi TCNT0. Register ini dapat ditentukan isinya. Ketika isi TCNT0=OCR0 maka akan terjadi compare match yang dapat membangkitkan pulsa PWM pada pin OC0 c. Timer/Counter Control Register (TCCR0) Pemilihan Timer untuk mode PWM dikonfigurasi melalui bit WGM01 dan WGM00 pada register TCCR0.y

Mode Operasi PWM

a. Mode Fast PWM Konfigurasi Bit COM01 dan COM00 Compare Output Mode Fast PWM. Dalam mode ini, TCNT0 mencacah dari BOTTOM(000) terus mencacah naik (counting up) hingga mencapai MAX (0xff), kemudian mulai dari BOTTOM lagi dan begitu seterusnya (single slope). b. Mode Phase Correct PWM Konfigurasi Bit COM01 dan COM00 Compare Output Mode Phase Correct PWM. Ketika COM00 clear dan COM01 set, pin OC0 clear ketika terjadi compare match (nilai TCNT0=OCR0) saat timer mencacah naik (counting up), dan pin OC0 set jika terjadi compare match ketika timer mencacah turun (counting down), kondisi ini menghasilkan keluaran berupa

non-inverting PWM. Sebaliknya, ketika COM00 set dan COM01 juga set, maka pin OC0 set ketika terjadi compare match saat timer naik dan OC0 clear saat timer mencacah turun, kondisi ini menghasilkan inverting PWM. Pada mode ini, TCNT0 mencacah dari BOTTOM (000) counting up hingga mencapai MAX(0xff) kemudian counting down hingga BOTTOM, begitu seterusnya (dual slope).