Perancangan dan Implementasi Knowledge Base PID Controller untuk Electric Power Steering

Print
Category: Listrik & Elektronika
Last Updated on Tuesday, 18 February 2014 Published Date Written by herry sudjendro

 

PERANCANGAN  DAN IMPLEMENTASI KNOWLEDGE BASE PID CONTROLLER

UNTUK ELECTRIC POWER STEERING 

 Oleh : Herry Sudjendro

ABSTRAK

Pada penelitian ini  dirancang sebuah  knowledge base PID controller untuk kemudi bertenaga listrik (electric power steering) yang berfungsi pada saat kecepatan kendaraan di bawah 30 km/jam. Bantuan tenaga kemudi (assist steering) berupa motor dc berfungsi untuk memberi bantuan torsi putar pada tangkai kolom kemudi agar usaha memutar kemudi menjadi ringan. Kontroler berfungsi untuk mengendalikan putaran motor dc. Untuk mengatasi perubahan dinamis pada beban maka didisain kontrol knowledge base PID controller dengan delapan buah parameter Kp, ti dan td yang berbeda-beda dengan menyesuaikan friksi pada roda depan. Perbedaan sudut tangkai kemudi dan tangkai kolom  dikompensasikan melalui sebuah kompensator pada sensor torsi menjadi tegangan koreksi torsi yang linier antara 0 sampai dengan 5 Volt dc. Pada implementasi didapatkan bantuan torsi putar sebesar 249%

Kata kunci: knowledge base PID controller, kemudi bertenaga listrik (electric power steering), torsi putar, tangkai kemudi, tangkai kolom, sensor torsi.

 

PENDAHULUAN

       Kendaraan roda empat yang tidak menggunakan power steering mempunyai problem pengendalian pada kecepatan kendaraan  rendah.  Roda kendaraan yang  menempel pada  landasan menghasilkan friksi yang besar, sehingga pada saat belok   memerlukan gaya memutar tangkai kemudi yang relatif  besar. Hal ini menimbulkan kekurangnyamanan pada saat mengemudi.Untuk mengatasi hal tersebut di atas mulai dikembangkan inovasi  pembantu tenaga kemudi (assist power steering)  yang menggunakan kemudi bertenaga hidrolik. Sistem ini bisa membantu memberikan gaya pada sistem kemudi, namun memerlukan ruangan yang cukup besar untuk menempatkan sistem kemudi hidrolik tersebut. Bagi kendaraan ukuran kecil hal ini merupakan masalah, sehingga dikembangkan kemudi bertenaga listrik (electric power steering) yang hanya memerlukan ruangan yang relatif kecil untuk menempatkan sistem kemudi bertenaga listrik.

        Kemudi bertenaga listrik mulai banyak dikembangkan sesudah munculnya sistem kemudi hidrolik. Kemudi bertenaga listrik memiliki sistem yang  lebih  sederhana, tidak memerlukan tempat yang luas serta lebih murah. Keuntungan yang lain menggunakan kemudi bertenaga listrik adalah mesin  berdiri sendiri (menghemat bahan bakar), mudah diatur (steering feel), modular, mudah dibongkar pasang, berukuran kecil dan sederhana [8].

        Kemudi bertenaga listrik menggunakan motor dc sebagai penggerak mempunyai masalah utama berupa kelebihan pengemudian (over steering). Kelebihan pengemudian adalah  gejala yang muncul karena bantuan kemudi terlalu kuat sehingga pembelokan terlalu jauh dari alurnya. Gejala ini muncul pada kendaraan berukuran kecil berkapasitas silinder 1000 cc yang dilengkapi dengan kemudi bertenaga listrik. Hal ini disebabkan karena fungsi sistem kontroler yang memiliki performansi kurang bagus pada pengendalian motor dc.

        Sistem kemudi bertenaga listrik ini hanya akan berfungsi pada saat kondisi idle speed, yaitu pada saat putaran mesin sekitar 3000 rpm. Pada saat itu baterai mempunyai cukup daya karena secara otomatis rangkaian alternator mengisi muatan listrik ke baterai.

        Pada penelitian ini dirancang  sebuah knowledge base PID controller  berupa sebuah sistem yang bisa dipasang dan berfungsi pada benda kerja nyata berupa kemudi bertenaga listrik. Sistem ini diharapkan mampu mengatasi permasalahan pada sistem kemudi kendaraan di mana terdapat friksi pada roda depan.

        Takayuki Kifuku dan Shunichi Wada telah melakukan penelitian tentang kompensasi pada inersia motor dan friksi torsi untuk mengatasi problem bila motor listrik digunakan pada alat bantu kemudi. Problem tersebut  adalah keluaran torsi motor yang cukup tinggi mengakibatkan  tangkai kemudi agak lamban kembali ke posisi awal. Dalam penelitiannya  dilakukan minimisasi friksi motor dengan mengembangkan metode kompensasi inersia motor dan friksi torsi [8]

        Aly Badawy, Jeff Zraski, Fahrad Bolourchi dan Ashok Chandy mengembangkan sistem kemudi tenaga listrik jenis tangkai kolom seperti digambarkan pada Gambar1. Sistem tersebut terdiri dari kolom kemudi, mekanik pembantu roda gigi, motor dc, kontroler, sensor, tangkai kemudi (hand wheel), tangkai penghubung (intermediate shaft), rak dan pinion (rack and pinion) dan  tangkai roda (tie rod)[1].

 

 Gambar 1        Sistem kemudi bertenaga listrik

       Kegunaan utama dari sistem kemudi bertenaga listrik adalah membuat bantuan tenaga torsi pengemudi pada saat mobil berjalan di bawah 30 km/jam. Pada saat kendaraan melaju di atas kecepatan 30 km/jam, torsi yang diperlukan pengemudi untuk memutar tangkai kemudi sudah di bawah 0,2 kg. Tingkat kenyamanan manusia untuk memutar tangkai putar adalah dengan torsi 0,2 kg. Sinyal yang dibangkitkan oleh sensor torsi merupakan perbedaan torsi antara tangkai kemudi dan posisi roda melalui tangkai kolom dan tangkai pinion. Sinyal tersebut dikirim ke unit kontroler elektronika (Electronic Control Unit) untuk menggerakkan motor dc yang putarannya akan membantu memutar tangkai kolom.

 Penalaan parameter dengan metode Ziegler Nichols lup terbuka.

        Metode ini didasarkan terhadap reaksi sistem lup terbuka. Plant sebagai lup terbuka diberi sinyal unit step (Gambar 3). Kalau plant minimal tidak mengandung unsur integrator ataupun pole-pole kompleks, reaksi sistem akan berbentuk kurva S

 

 Gambar 2 Reaksi lup terbuka

 

 

 Gambar 3. Kurva S  Ziegler Nichols

            G(s)=Ke-Ls/(1+Ts)      

       Zeigler dan Nichols melakukan eksperimen dan menyarankan parameter penalaan nilai Kp, ti, dan td dengan didasarkan pada kedua parameter tersebut.  Tabel 1 merupakan rumusan penalaan parameter PID berdasarkan cara kurva reaksi.

           Tabel 1 Parameter PID dengan metode kurva reaksi [4].

Tipe Kontroler

Kp

ti

tD

P

T/L

~

0

PI

0,9T/L

L/0,3

0

PID

1,2T/L

2L

0,5L

 Rangkaian kontroler PID analog[5].

 Rangkaian kontroler PID bisa dirancang dengan rangkaian analog seperti Gambar 4.

 

 

Gambar 4 Rangkaian kontroler PID

 

            Kp=R4(R1.C1+R2.C2)/R3.R1.C3                                                                

               t1=R1.C1+R2/C2                                                                               

               tD=R1.C1.R2.C2/(R1.C1+R2.C2)                                                                             

 Bila dinyatakan dalam penguatan operasional, menjadi :

        Kp=R4(R1.C1+R2.C2)/(R1.R3.C2)

        Ki=R4/(R1.R3.C2)

       Kd=(R4.R2.C1)/R2                                                                                      

 

METODOLOGI PENELITIAN

        Parameter kontroler ditentukan berdasarkan analisa pendekatan plant orde dua dengan sistem look up table. Parameter – parameter Kp, ti, td nilainya tergantung dari besarnya tegangan keluaran dari sensor torsi yang merupakan representasi dari dinamika friksi antara roda depan dengan permukaan jalan berbeda-beda.

       Pada perancangan sistem knowledge base PID controller ini dibuat delapan buah rangkaian kontroler PID yang masing-masing memiliki parameter yang berbeda-beda dan akan bekerja secara bergantian.

        Potensiometer P1 dan P2 adalah sensor torsi yang digerakkan secara serempak oleh lever pada torsi bar. Tegangan keluaran dari dua buah potensiometer diumpankan ke rangkaian komparator, dan tegangan hasilnya diumpankan ke rangkaian PID.

        Output 1 dan output 2 adalah saling komplemen sebagai penggerak motor DC ke arah kanan dan ke arah kiri.

        Pemilihan salah satu kontroler PID dengan menggunakan rangkaian multiplexer IC MC 4051 yang memiliki delapan buah masukan dan satu keluaran Pemilihan kanal tergantung dari kondisi kontrol kanal A,B dan C. Tegangan main dari sensor torsi sebagai referensi identifikasi masukan, untuk memilih satu kontrol PID diantara 8 kontrol PID.

 Gambar 5 Perancangan rangkaian PID dengan 8 pilihan parameter.

        Bila tegangan main diibaratkan dengan Vi, maka bisa dibuat aturan diagran fungsi rangkaian sebagai berikut:

·          If Vi =5V >Vi> 4,375V, then aktifkan PID1

·          If Vi =4,375V >Vi> 3,75V, then aktifkan PID2

·          If Vi  =3,75V >Vi> 3,125V, then aktifkan PID3

·          If Vi  = 3,125V >Vi> 2,5V, then aktifkan PID4

·          If Vi =2,5V >Vi> 1.875V, then aktifkan PID5

·          If Vi =1,875V >Vi> 1,25V, then aktifkan PID6

·          If Vi =1,25V >Vi> 0,625V, then aktifkan PID7

·          If Vi =0,625V >Vi> 0,V, then aktifkan PID8

        Karena kondisi tegangan main dari sensor torsi pada lebih besar dari 2,5 Volt dan lebih kecil dari 2,5 Volt adalah simetris, maka bisa disederhanakan :  

·          PID1 = PID8

·          PID2 = PID7

·          PID3 = PID6

·          PID4 = PID5

 

 

Prosedur Knowledge base PID Controller

        Untuk mengatasi perubahan torsi beban yang selalu berubah, maka dirancang sebuah rangkaian elektronika yang mampu mengadaptasi setiap perubahan torsi beban. Dalam penelitian ini dirancang delapan macam parameter untuk kontroler PID.  Tegangan keluaran sensor torsi adalah merupakan representasi puntiran torsi bar yang merupakan reaksi dari friksi roda depan dengan landasan. Hubungan pemilihan parameter kontroler Kp, ti dan tD adalah seperti pada tabel  di bawah:

 Tabel 2  Hubungan  tegangan torsi dengan parameter kontroler PID

No

Tegangan keluaran sensor torsi

 

Parameter kontroler

 

1

5V>Vi>4,375V

 KP4=24,6

ti4=1,172

tD4=0.292

2

4,375V>Vi>3,75V

 KP3=13,5

ti3=0,952

tD3=0.238

3

3,75V>Vi>3,125V

KP2=8,3

ti2=0,805

tD2=0.201

4

3,125V>Vi>2,5V

KP1=3,9

ti1=0,658

tD1=0.164

5

2,5V>Vi>1,875V

KP5=3,9

ti5=0,658

tD5=0.164

6

1,875>Vi>1,25V

KP6=8,3

ti6=0,805

tD6=0.201

7

1,25V>Vi>0,625V

 KP7=13,5

ti7=0,952

tD3=0.238

8

0,625>Vi>0V

 KP8=24,6

ti8=1,172

tD8=0.292

             

Implementasi

       Setelah didapatkan parameter kontroler PID untuk beban torsi yang berbeda-beda, maka  dilakukan implementasi dalam rangkaian elektronika sebagai berikut:

 

 

Gambar 6 Rangkaian kontrol PID sebagai kontrol EPS.

 

        Potensiometer P1 dan P2 adalah sensor torsi yang masing-masing tegangan keluarannya akan dibandingkan oleh rangkaian komparator. Tegangan error akan diolah oleh rangkaian kontroler PID.  Puntiran tangkai kemudi akan menghasilkan tegangan keluaran torsi main dan sub berubah sesuai dengan besarnya beda torsi antara tangkai kemudi dan tangkai kolom yang dihubungkan oleh batang torsi. Tegangan error   dari sensor torsi dihubungkan ke rangkaian analog to digital converter  (ADC 0804). Keluaran ADC 0804 berupa keluaran digital  data bit 5, data bit 6 dan data bit 7, berfungsi sebagai kontrol kanal pada multiplexer untuk memilih PID yang harus aktif. Keluaran dari rangkaian kontrol terdiri dari dua buah keluaran yang dihubungkan ke penggerak motor dc. 

 ANALISIS HASIL

·         Percobaan I :

Percobaan pertama dilakukan pada saat beban torsi 6 Nm, maka bila tangkai kemudi diputar-putar pada saat EPS dihidupkan, ayunan maksimum pada penampilan oscilloscope sebesar 2,900V dan minimum sebesar 2,200V. Selisih kedua buah tegangan tersebut adalah sebesar 0,700V .


 Gambar 7.  Tegangan sensor torsi pada beban 6 Nm  saat EPS hidup

          Maka penguatan torsi bantuan:

        AT1=1,82V/0,7V = 2,6 = 260 %

Gambar 8 Tegangan sensor torsi pada beban 6 Nm  saat EPS mati

 

·         Percobaan II:

Percobaan kedua dilakukan pada saat beban torsi 3 Nm, maka bila tangkai kemudi diputar-putar pada saat EPS dihidupkan, ayunan maksimum pada penampilan oscilloscope sebesar 2,720V dan minimum sebesar 2,340V. Selisih kedua buah tegangan tersebut adalah sebesar 0,380V

 

Gambar 9  Tegangan sensor torsi pada beban 3 Nm  saat EPS hidup

 

Gambar 10 Tegangan sensor torsi pada beban 3 Nm saat EPS mati

 

 

Kemudian EPS dimatikan,pada oscilloscope akan menampilkan ayunan dari ayunan maksimum sebesar 3,000 Vdc  dan minimum 1,980V. Selisih kedua buah tegangan tersebut sebesar 1,020V.

Maka penguatan torsi bantuan:

 

           AT2=1,020V/0,380V = 2,68=168%

 

          ·        Percobaan III:

 

Percobaan ketiga dilakukan pada saat beban torsi 4 Nm, maka bila tangkai kemudi diputar-  putar pada saat EPS dihidupkan, ayunan maksimum pada penampilan oscilloscope sebesar 2,800V dan minimum sebesar 2,320V. Selisih kedua buah tegangan tersebut adalah sebesar 0,480V.

Gambar 11.  Tegangan sensor torsi pada beban 4 Nm saat EPS hidup

 

Kemudian EPS dimatikan,pada oscilloscope akan menampilkan ayunan dari ayunan maksimum sebesar 3,120 Vdc  dan minimum 2,060V. Selisih kedua buah tegangan tersebut sebesar 1,060V.

 Gambar 12 Tegangan sensor torsi pada beban 4 Nm saat EPS mati

 

 Maka penguatan torsi bantuan:

         AT3=1,060V/0,480V = 2,2 = 220%

           Dengan demikian bisa diambil nilai torsi rata-rata:

           AT=(2,6+2,68+2,2)/3 = 2,49=249%

 KESIMPULAN

Dengan menggunakan kontroler PID yang parameter kontrolernya disesuaikan dengan kondisi torsi beban, dari hasil implementasi dari tiga kondisi beban torsi yang berbeda, maka kemudi bertenaga listrik bisa membantu torsi putar pada tangkai kemudi  menjadi ringan  dengan bantuan torsi sebesar 249%

 

 

DAFTAR PUSTAKA

[1].  Aly Badawy dkk., Steering and Suspension Technology Symposium 1999, Detroit, Michigan, March 1-4, 1999.

[2]    I Nyoman Sutantra, “Milestone kombinasi kontrol engineering dan mechanical engineering dalam mewujudkan global stability vehicle program dan intelligent car”, Proceding of Conference on Electrical Electronic Communication an Information (CECI) and Seminar an Intelligent Technologyand Its Application (SITIA) 17th Juni 2003.

 [3].   Josaphat Pramudijanto dkk., “Implementasi kontroler PID pada PLC untuk pengaturan kecepatan motor”, Proceding of Conference on Electrical, Electronic, Communication an Information (CECI) and Seminar an Intelligent Technologyand Its Application (SITIA) 17th Juni 2003].

[4].   Ogata, K, Teknik Kontrol Otomatik, edisi ke dua, Penerbit Erlangga,1997.

[6]   Patrick,S, “Numerical Simulation of Electric Power Steering (EPS) System”, Koyo Engineering Journal, English Edition no. 160 E  202, 2002.

[7].   Yoshida,K, “Development of Custom IC for EPS Torque Sensor”, Koyo Engineering Journal, English Edition no. 160 E  202, 2002.

 [8].   …………….,”Suzuki Karimun SL410R”, PT. Indomobil Jakarta, 2000

 

Copyright 2019. Powered by Humas. PPPPTK BOE MALANG