The Two-Phase Sinusoidal Pwm Signal Generator Using FPGA
Program Studi Teknik Elektro
Program Pascasarjana
Abstract
Pulse Width Modulation (PWM) regulated inverter can be used to regulate it’s output voltage. This research’s objective was to design a digital circuit as sinusoidal PWM signal generator based on FPGA XC4013 chip. This system was designed to generate 2 single phase sinusoidal PWM signal generator with 50 Hz frequency and 900 phase shift.
Sinusoidal PWM signal generator generated using 2 sinusoidal signal with 900 phase shift and 2 triangular signals with signals with 1800 phase shift 12 triangle in one sinusoidal’s period were used in the design. Continuous sinusoidal and triangular signal were sampled 360 times. Frequency regulating process were accomplished using 8 MHz internal clock available in FPGA XC4013 chip.
This research results shows that the sinusoidal PWM signal generator work properly during simulation and configuration process. The design successfully realized in FPGA XC4013 chip using 572 CLBs (99% available CLBs). 900 phase shift resulted. 50 Hz base frequency achieved with 99% accuracy 44 or 45 Hz set point. Effective output voltage tends to be linear toward modulation index change, according this equation, y=0,6639x + 0,1536. 8 MHz internal FPGA oscillator had 12,625% error.
Key words: Sinusoidal PWM, OrCAD, Xilinx FPGA
A. Pendahuluan
Keuntungan operasi inverter PWM sebagai teknik konversi dibandingkan dengan jenis-jenis inverter lainya dapat dilihat dari rendahnya distorsi harmonik pada tegangan keluaran inverter PWM. Proses pembangkitan sinyal PWM menjadi salah satu faktor penentu unjuk kerja sistem secara keseluruhan.
Selama ini pengendalian inverter PWM secara digital dilakukan dengan menggunakan mikrokontroler atau DSP (Digital Signal Processing). Tuntutan akan kecepatan operasi dan unjuk kerja pengendali yang handal mendorong untuk mengimplementasikan sinyal PWM dalam bentuk rangkian logika perangkat keras (hardware logic). Operasi dalam bentuk perangkat keras ini mempunyai kecepatan lebih tinggi dibanding operasi yang dilakukan secara perangkat lunak oleh mikrokontroler, karena operasi dengan perangkat lunak membutuhkan waktu untuk menerjemahkan perintah-perintah pemrograman. Selain itu lebar data yang dapat diproses juga terbatas oleh kemampuan mikrokontroler.
Implementasi operasi-operasi digital dalam bentuk perangkat keras dapat dilakukan dengan FPGA (Field Programmable Gate Array). FPGA memuat ribuan gerbang logika yang dapat diprogram untuk membentuk suatu logika. FPGA dapat digunakan untuk mengimplementasikan sistem kombinasional dan sekuensial berkecepatan tinggi dengan lebar bit data tidak terbatas. Hal ini membuat FPGA mampu melakukan operasi dengan tingkat keparalelan tinggi yang tak mungkin dilakukan oleh mikrokontroler.
B. Tinjauan Pustaka
Inverter sebagai rangkaian penyaklaran elektronik dapat mengubah sumber tegangan searah menjadi tegangan bolak-balik dengan besar tegangan dan frekuensi dapat diatur. Pengaturan tegangan dapat dilakukan di luar inverter atau di dalam inverter. Pengaturan tegangan di dalam inverter dikenal sebagai Modulasi Lebar Pulsa (Pulse Width Modulation, PWM) dan selanjutnya disebut inverter PWM.
Baker (1991) sebagaimana dikutip Gendroyono (1999), menggelompokkan inverter menjadi tiga kelompok utama, yaitu:
a. Inverter tegangan berubah (VVI=Variable Voltage Inverter)
b. Inverter sumber arus (CSI)
c. Inverter PWM
Faktor daya pada inverter VVI dan CSI menurun mengikuti kecepatan, sedangkan pada inverter PWM mempunyai faktor daya mendekati satu pada seluruh tingkat kecepatan.
Rashid (1993) menyatakan bahwa banyak penerapan dalam industri sering memerlukan pengaturan tegangan. Hal ini dapat diatasi dengan teknik sebagai berikut:
a. Tegangan searah masukan bervariasi
b. Regulasi tegangan inverter
c. Syarat volt/frekuensi tetap
Metode yang paling efisien untuk mengatur tegangan keluaran adalah memasukkan pengaturan PWM ke dalam inverter. Teknik yang umum digunakan adalah:
a. PWM tunggal (single pulse width modulation)
b. PWM jamak (multiple pulse width modulation)
c. PWM sinusoida
d. PWM modifikasi sinusodia
e. Pengaturan penempatan fasa (phase displacement)
Baronti (2003) dalam penelitiannya merancang penggerak penyaklaran konverter DC-DC dengan kendali digital SRAM berbasis FPGA. Rancangan yang dibuatnya telah berhasil divalidasi secara simulasi dengan simulasi VHDL dan merekomendasi rancangannya untuk dikonfigurasi ke perangkat keras FPGA.
Ritter dkk (2003) merancang pengendali PWM untuk motor servo DC. Ritter dkk menggunakan FPGA Xilinx XC4036EX untuk mengendalikan robot yang berjalan dengan 6 kaki. Masing-masing kaki dikendalikan oleh 2 motor servo DC. Sistem yang dirancangnya memerlukan 96 % CLB (1244) dan sekitar 34.500 gerbang.
Guilberto dkk (2003), merancang mobile robot pemadam api untuk keperluan kontes robot pemadam api internasional 2004. Pada rancangannya Guilberto dkk memilih FPGA untuk praposes data pengukuran yang diperoleh dari sensor jarak ultrasonik, pembangkitan sinyal PWM pengendali kecepatan motor DC, menentukan posisi dan kecepatan motor lewat pengawasandian kuadratur dari penyandi motor, dan untuk mendigitalkan sinyal dari microphone.
Marco dkk (2001), merancang simulasi penerbangan helikopter sederhana.. Marco dkk, memilih menggunakan kendali PWM untuk memodelkan pengendalian kecepatan motor yang ada pada helikopter dan menggunakan bahasa pemrograman FAUSEL.
Hao Li dan Qin Jiang (1999), merancang konverter DC-DC 500W, 500 KHz berbasis XC4005XL. Pada penelitiannya dideskripsikan pengembangan pengendalian digital menggunakan FPGA untuk pengendalian penyaklaran tegangan fasa tergeser nol jembatan penuh DC-DC (konverter FPZVS, full bridge phase-shifted zero voltage switching). Rancangan yang dibuat Hao Li dan Qin Jiang disimulasikan dengan perangkat lunak Xilinx Foundation Series dan Pspice, tetapi belum dikonfigurasikan ke dalam FPGA XC4005XL.
Lazic dan Skender (2000), merancang pembangkit sinyal PWM tiga fasa. Duty cycles sinyal PWM dirancang pada 0,5% - 99,5% dan resolusi 8 bit. Sistem yang dirancang memanfaatkan sinyal PWM untuk membangkitkan sinyal PPM (Pulse Position Modulation). Diterangkan juga bahwa sistem dirancang untuk frekuensi hingga 100 KHz, namun pada artikelnya tak disebutkan tipe FPGA yang digunakan dan juga proses konfigurasinya ke perangkat keras FPGA.
Pascual, dkk (2002) merancang penguat kelas D berbasis inverter PWM. Pada rancangannya, Pascual dkk menganalisis PWM sinusoida dan PWM seragam. Sistem secara keseluruhan menggunakan DSP sekaligus FPGA.
Takahashi pada Military Electronics Conference, 24-25 Sept 2002 menyampaikan idenya untuk merancang sistem pengendalian motor servo AC dengan inverter PWM untuk sistem berunjuk kerja tinggi berbasis FPGA/ASIC. Namun, pada paparannya lebih menekankan pada simulasi dengan Matlab to Verilog Porter (MVP), sehingga ide realisasi rancangan sistem pada FPGA kurang detail dan sulit dipahami dengan jelas.
Penelitian lainnya dilakukan oleh Varnovitsky (1983) dengan menggunakan perangkat keras Interl 8051, pewaktu Am 9513 dan multiplekser CD 4053. Perangkat lunak mikrokontroler ini digunakan untuk membangkitkan sinyal PWM dengan teknik modulasi berbeda.
PWM adalah satu teknik yang terbukti baik untuk mengatur inverter guna mendapatkan tegangan berubah dan frekuensi berubah dari tegangan tetap sumber DC (Grant dan Seidner: 1981). Bentuk gelombang tegangan keluaran inverter tidak sinusoida murni karena mengandung banyak komponen frekuensi yang tidak diinginkan. Jika keluaran inverter ini dicatu ke motor AC, komponen tersebut akan menambah kerugian, getaran dan riak pada motor. Grant dan Seidner juga menyatakan bahwa harmonik yang timbul dapat dihindari jika frekuensi pembawa mempunyai variasi berupa kelipatan dari frekuensi pemodulasi. Teknik modulasi dengan perbandingan frekuensi pembawa dan pemodulasi yang demikian disebut PWM sinkron.
Teknik PWM sinkron ini mampu menghasilkan bentuk gelombang dengan komponen harmonik berfrekuensi jauh lebih tinggi dari frekuensi fundamental. Frekuensi tinggi ini memberikan keuntungan pada sistem. Karena kebocoran induktansi motor menyebabkan impedansi tinggi pada komponen yang tidak diinginkan, maka secara efektif menapis keluaran inverter (Gendroyono: 1999).
Sutopo (2000), sebagaimana dikutip Kusumawardani (2001), menyatakan bahwa perancangan dengan FPGA dapat dilakukan dengan cepat, mudah dimodifikasi dan sesuai untuk prototyping, tetapi akan relatif mahal dan tidak ekonomis untuk produksi yang besar. Penggunaan dengan ASIC (Application Specific Integrated Circuit) akan lebih sesuai untuk produksi besar, tetapi perancangan dengan ASIC akan lebih kompleks dan memerlukan waktu yang lebih lama.
Meskipun telah diketahui beberapa algoritma pembangkitan sinyal PWM dari hasil-hasil penelitian terdahulu, akan tetapi uraian lengkap proses pembangkitan sinyal PWM sulit diperoleh karena tidak dipublikasikan. Pada tesis ini akan dirancang pembangkitan sinyal PWM sinusoida dua fasa secara digital berbasis FPGA XC4013. Teknik modulasi yang digunakan adalah modulasi PWM sinkron, dengan jumlah gelombang segitiga dalam satu periode sinus ditetapkan sebanyak 12 (mf=12). Teknik PWM sinkron ini mempunyai harmonik lebih kecil dari PWM tak sinkron, sedangkan nilai mf menentukan bentuk sinyal sinus yang akan dihasilkan. Berbeda dengan penelitian sebelumnya, pada tesis ini pembangkit sinyal PWM dirancang untuk menghasilkan sinyal PWM dua fasa dengan beda fasa 900, frekuensi 50 Hz dan indeks modulasi bervariasi dari 0 hingga 0,96875 dengan tingkat perubahan 0,03125 (32 variasi).
C. Landasan Teori
1. Inverter PWM Satu Fasa
Fungsi sebuah inverter adalah untuk merubah tegangan input dc menjadi tegangan ac pada besar dan frekuensi yang dapat diatur (Rashid: 1993). Pengaturan besar tegangan dapat dilakukan dengan 2 cara. Pertama, dengan mengatur tegangan input DC dari luar tetapi lebar waktu penyaklaran tetap. Kedua, mengatur lebar waktu penyaklaran dengan tegangan input DC tetap. Pada cara yang kedua besar tegangan AC efektif yang dihasilkan merupakan fungsi dari pengaturan lebar pulsa penyaklaran. Cara inilah yang disebut dengan Pulse Width Modulation (PWM).
silahkan download file doc lengkap klik disiniatau klik disini
Tidak ada komentar:
Posting Komentar