TEKNIK ELEKTRO: TUGAS 2 : SENSOR MEKANIS

INCREMENTAL AND ABSOLUTE POSITION ENCODER (ROTARY ENCODER)

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

Tujuan
Komponen
Dasar Teori
Prinsip Kerja
Gambar Rangkaian
Video
Link Download

1. TUJUAN

Mengetahui pengertian rotary encoder, incremental dan absolute encoder
Mengetahui prinsip kerja rotary encoder
Membuat rangkaian encoder posisi menggunakan motor driver

2. KOMPONEN

a. Power Supply

Power Supply adalah salah satu hardware di dalam perangkat komputer yang berperan untuk memberikan suplai daya. Biasanya komponen power supply ini bisa ditemukan pada chasing komputer dan berbentuk persegi.

Pada dasarnya Power Supply membutuhkan sumber listrik yang kemudian diubah menjadi energi yang menggerakkan perangkat elektronik. Sistem kerjanya cukup sederhana yakni dengan mengubah daya 120V ke dalam bentuk aliran dengan daya yang sesuai kebutuhan komponen-komponen tersebut.

Sesuai dengan pengertian power supply pada komputer, maka fungsi utamanya adalah untuk mengubah arus AC menjadi arus DC yang kemudian diubah menjadi daya atau energi yang dibutuhkan komponen-komponen pada komputer seperti motherboard, CD Room, Hardisk, dan komponen lainnya.

b. Push Button

Push Button adalah saklar tekan yang berfungsi sebagai pemutus atau penyambung arus listrik dari sumber arus ke beban listrik.

Suatu sistem saklar tekan push button terdiri dari saklar tekan start, stop reset dan saklar tekan untuk emergency. Push button memiliki kontak NC (normally close) dan NO (normally open).

Prinsip kerja Push Button adalah apabila dalam keadaan normal tidak ditekan maka kontak tidak berubah, apabila ditekan maka kontak NC akan berfungsi sebagai stop (memberhentikan) dan kontak NO akan berfungsi sebagai start (menjalankan) biasanya digunakan pada sistem pengontrolan motor – motor induksi untuk menjalankan mematikan motor pada industri – industri.

c. L298

L298 adalah jenis IC driver motor yang dapat mengendalikan arah putaran dan kecepatan motor DC ataupun Motor stepper. Mampu mengeluarkan output tegangan untuk Motor dc dan motor stepper sebesar 50 volt. IC l298 terdiri dari transistor-transistor logik (TTL) dengan gerbang nand yang memudahkan dalam menentukkan arah putaran suatu motor dc dan motor stepper. Dapat mengendalikan 2 untuk motor dc namun pada hanya dapat mengendalikan 1 motor stepper. Penggunaannya paling sering untuk robot line follower. Bentuknya yang kecil memungkinkan dapat meminimalkan pembuatan robot line follower.

Konfigurasi Pin :

d. Resistor

Resistor adalah salah satu peralatan dasar elektronik yang paling sering dipakai selain transistor dan transformator / trafo. Resistor ini dibuat dari berbagai bahan bisa menggunakan kawat email khusus ataupun yang sering digunakan adalah karbon yang memiliki besaran serta nilai hambatan tertentu.

Fungsi resistor ini adalah memberikan hambatan arus listrik tegangan rendah yang akan masuk dan dibatasi sesuai dengan besarnya hambatan yang tertera di dalam resistor itu sendiri. Sehingga resistor ini juga kerap disebut sebagai hambatan. memiliki satuan nilai ohm disimbolkan ( Ω ) .

Bentuk dari resistor ini bermacam macam yang pada umumnya berbentuk panjang dengan memiliki dua buah kutub. Pada bagian luarnya terdapat garis garis berwarna warni yang menyatakan besaran bilangan hambatan di dalamnya.

Cara kerja dari resistor ini cukup simple yakni menghambat arus yang mengalir dari ujung kutub yang satu ke ujung kutub yang lain dengan nilai hambatan bervariasi sesuai yang tertera pada resistor tersebut yang kemudian arus dialirkan lagi ke komponen elektronika yang membutuhkan arus lebih kecil sehingga komponen elektronika ini dapat terpelihara keawetannya. Selain sebagai pembatas arus resistor memiliki fungsi lain diantaranya adalah pembagi arus,penurun arus,dan pembagi tegangan.

Harga resistor ini sendiri untuk seluruh komponen dasar elektronika adalah yang paling murah dengan kisaran harga Rp.200,- sampai Rp.2000,- tergantung bentuk,bahan pembuat serta besarnya nilai hambatan di dalamnya.

Cara menghitung nilai resistor :

1. Masukan angka langsung dari kode warna gelang pertama.
2. Masukan angka langsung dari kode warna gelang kedua.
3. Masukan angka langsung dari kode warna gelang ketiga.
4. Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10 (10^n).
5. Gelang terakhir merupakan nilai toleransi dari resistor.

e. Dioda

Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Oleh karena itu, Dioda sering dipergunakan sebagai penyearah dalam Rangkaian Elektronika. Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan p-n semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-p (Anoda) menuju ke sisi tipe-n (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya.

Berdasarkan Fungsi Dioda, Dioda dapat dibagi menjadi beberapa Jenis, diantaranya adalah :

Dioda Penyearah (Dioda Biasa atau Dioda Bridge) yang berfungsi sebagai penyearah arus AC ke arus DC.
Dioda Zener yang berfungsi sebagai pengaman rangkaian dan juga sebagai penstabil tegangan.
Dioda LED yang berfungsi sebagai lampu Indikator ataupun lampu penerangan
Dioda Photo yang berfungsi sebagai sensor cahaya
Dioda Schottky yang berfungsi sebagai Pengendali

f. Motor Listrik

Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dan lain sebagainya. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan atau kipas angin) dan di industri. Motor listrik dalam dunia industri seringkali disebut dengan istilah “kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.

g. Ground

Ground atau pertanahan adalah sistem pengamanan pada instalasi listrik dimana jika terjadi kebocoran listrik maka listrik akan langsung mengalir ke tanah sehingga tidak melukai pengguna.

Fungsi ground sangatlah penting dimana ground berfungsi sebagai pengaman ketika terjadi kebocoran arus listrik

3. DASAR TEORI

Rotary encoder adalah divais elektromekanik yang dapat memonitor gerakan dan posisi. Rotary encoder menggunakan sensor optik untuk menghasilkan serial pulsa yang dapat diartikan menjadi gerakan, posisi, dan arah. Terkait posisi sudut suatu poros objek dapat diolah menjadi informasi berupa kode digital oleh rotary encoder untuk diteruskan oleh rangkaian kontrol. Rotary encoder umumnya digunakan pada pengontrolan robot, drive motor, dsb.

Rotary encoder tersusun dari piringan tipis yang memiliki lubang-lubang pada bagian lingkaran piringan. LED ditempatkan pada salah satu sisi piringan sehingga cahaya akan menuju ke piringan. Di sisi lain yang terletak di foto-transistor ditempatkan di dimana foto-transistor ini dapat memperbaiki cahaya dari LED yang berseberangan. Piringan tipis tadi dikopel dengan poros motor, atau divais berputar lainnya yang ingin kita mengerti posisinya, sehingga kompilasi motor berputar piringan juga akan ikut berputar. Ketika posisi piringan berubah cahaya dari LED dapat mencapai foto-transistor melalui lubang-lubang yang ada, maka foto-transistor akan menghabiskan saturasi dan akan menghasilkan setiap pulsa gelombang persegi. Gambar 1 menunjukkan bagan skematik sederhana dari rotary encoder. Semakin banyak pulsa yang dihasilkan pada satu putaran yang ditentukan rotary encoder tersebut.

Rangkaian penghasil pulsa (Gambar 2) yang digunakan umumnya memiliki keluaran yang berubah dari + 5 V menjadi 0,5 V kompilasi cahaya diblok oleh piringan dan kompilasi diteruskan ke foto-transistor. Karena divais ini biasanya bekerja dekat dengan motor DC maka banyak noise yang timbul sehingga keluaran biasa akan dimasukkan ke low-pass filter terlebih dahulu. Jika low-pass filter digunakan, frekuensi cut-off yang dipakai ditentukan oleh jumlah slot yang ada pada piringan dan diselesaikan dengan cepat piringan tersebut dibuat, disetujui dengan:

Dimana f c adalah frekuensi cut-off filter, s w adalah kecepatan piringan dan n adalah jumlah slot pada piringan.

Rangkaian tipikal penghasil pulsa pada rotary encoder

Encoder Rotary Mutlak

Encoder absolut menggunakan piringan dan sinyal optik yang ditentukan sehingga dapat menghasilkan kode digital untuk menyetujui posisi tertentu dari poros yang diperlukan. Piringan yang digunakan untuk encoder absolut tersusun dari segmen-segmen cincin konsentris yang dimulai dari bagian tengah piringan ke arah tepi luar piringan yang jumlah segmennya dua kali lipat jumlah cincin sebelumnya. Cincin pertama di bagian paling dalam memiliki satu ruas transparan dan satu ruas hitam, cincin kedua memiliki ruas transparan dan dua ruas hitam, dan seterusnya hingga cincin terluar. Sebagai contoh, absolut pembuat enkode memiliki 16 cincin konsentris maka cincin terluarnya akan memiliki 32767 segmen. Gambar 3 menunjukkan pola cincin pada piringan encoder absolut yang memiliki 16 cincin.

Contoh susunan pola 16 cincin konsentris pada absolut encoder

Karena setiap cincin pada piringan penyandi absolut memiliki jumlah segmen kelipatan dua dari cincin sebelumnya, maka susunan ini akan membentuk suatu sistem biner. Untuk menghasilkan sistem biner pada cincin maka diperlukan pasangan LED dan foto-transistor jumlah cincin yang ada pada encoder absolut tersebut.

Contoh piringan dengan 10 cincin dan 10 LED - photo-transistor untuk membuat sistem biner 10 bit

Sistem biner yang untuk menginterpretasi posisi yang diberikan oleh encoder absolut dapat menggunakan kode abu-abu atau kode biner biasa, tergantung dari pola cincin yang digunakan. Untuk lebih jelas, kita lihat contoh absolut encoder yang hanya tersusun dari 4 buah cincin untuk membuat kode 4 bit. Jika encoder ini mengeluarkan pada poros, maka foto-transistor akan mengeluarkan sinyal persegi sesuai dengan susunan cincin yang digunakan. Gambar 5 dan 6 menunjukkan contoh perbedaan diagram yang dikeluarkan untuk encoder mutlak kode abu-abu dan kode biner tipe.

Contoh diagram keluaran absolut encoder kode abu-abu tipe 4-bit

Dengan encoder absolut 4-bit ini maka kita akan mendapatkan 16 informasi posisi yang berbeda yang masing-masing ditentukan dengan kode biner atau kode abu-abu tertentu. Tabel 1 menentukan posisi dan keluaran biner yang sesuai untuk absolut encoder 4-bit. Dengan membaca output biner yang dihasilkan maka posisi dari poros yang kita ukur dapat kita disetujui untuk diteruskan ke pengaturan pengendali. Semakin banyak bit yang kita pakai maka posisi yang bisa kita peroleh semakin banyak.

Contoh diagram keluaran absolut encoder kode biner tipe 4-bit

Tabel 1. Output biner dan posisi yang sesuai pada encoder absolut 4-bit

ENCODER ROTARY INCREMENTAL

Encoder tambahan terdiri dari dua track atau satu track dan dua sensor yang disebut saluran A dan B (Gambar 7). Ketika poros berputar, deretan pulsa akan muncul di masing-masing saluran pada frekuensi yang proporsional dengan kecepatan putar sementara hubungan antara saluran A dan B menghasilkan arah rotasi. Dengan menghitung jumlah pulsa yang terjadi terhadap resolusi piringan maka putaran dapat dihitung. Untuk mengetahui Arah putaran, dengan mengetahui saluran mana yang mengarah ke saluran yang dapat kita tentukan Arah arah yang terjadi karena saluran ini akan selalu berbeda dengan yang lain seperempat putaran (sinyal quadrature). Seringkali ada saluran keluaran hitam, disebut INDEX, yang menghasilkan satu pulsa per putaran yang berguna untuk menghitung jumlah putaran yang terjadi.

Susunan piringan untuk encoder tambahan

Contoh pola diagram keluaran dari tambahan encoder disetujui pada Gambar 8. Resolusi keluaran dari sinyal quadrature A dan B dapat dibuat beberapa macam, yaitu 1X, 2X dan 4X. Resolusi 1X hanya memberikan pulsa tunggal untuk setiap siklus salah satu sinyal A atau B, sedangkan resolusi 4X memberikan pulsa setiap transisi pada kedua sinyal A dan B menjadi empat kali lipat resolusi 1X. Arah putaran dapat ditentukan melalui level salah satu sinyal selama transisi terhadap sinyal yang kedua. Pada contoh resolusi 1X, A = Arah bawah dengan B = 1 menunjukkan arah putaran jarum searah jarum, sebaliknya B = Arah bawah dengan A = 1 menunjukkan Arah berlawanan jarum jam.

Contoh pola keluaran penambahan encoder

Output dan arah putaran pada resolusi yang berbeda-beda

Pada encoder tambahan, beberapa cara dapat digunakan untuk menentukan kecepatan yang diperoleh dari sinyal pulsa yang dihasilkan. Diantaranya

menggunakan frequencymeter dan periodimeter.

Cara yang sederhana untuk menentukan kecepatan yang dapat dengan frekuensi, yaitu menghitung jumlah pulsa dari encoder, n, pada selang waktu yang tetap, T, yang merupakan periode putaran kecepatan (Gambar 10). Bila α adalah sudut antara pulsa encoder, maka sudut putaran pada suatu periode adalah:

Akan kecepatan putar akan kita dapatkan sebagai:

Kelemahan yang muncul pada cara ini adalah pada setiap periode sudut α f yang diperoleh merupakan kelipatan integer dari α. Ini akan dapat menghasilkan kesalahan kuantifikasi pada kecepatan yang ingin diperoleh.

Sinyal keluaran encoder untuk pengukuran kecepatan dengan frequencymeter

Cara lain adalah dengan menggunakan periodimeter. Dengan cara ini kita akan menghitung kecepatan tidak lagi dengan menghitung jumlah pulsa encoder tetapi dengan menghitung jam frekuensi tinggi (HF Clock) untuk menghitung pulsa dari encoder yaitu menghitung periode pulsa dari encoder (Gambar 11). Setiap α p adalah sudut dari pulsa encoder, t adalah periode dari HF clock, dan n adalah jumlah pulsa HF yang sesuai pada konter. Maka Waktu untuk review Sebuah pulsa encoder, T p , Adalah:

Kecepatan yang akan kita ukur dapat kita peroleh dengan:

Seperti yang terjadi pada frequencymeter, di sini juga muncul kesalahan kuantifikasi karena waktu T p akan selalu merupakan bilangan bulat perkalian dengan t.

Pengukuran kecepatan dengan menggunakan Periodimeter

Rangkaian Encoder dengan Menggunakan Motor Driver L298

Di sini kita menggunakan salah satu H-BRIGES dari l298 IC. Seperti ditunjukkan dalam rangkaian, kami memiliki dua tombol tekan Q1 dan Q2 yang bertindak sebagai kontrol input untuk bridge-A. Input logika ini disediakan oleh Mikrokontroler atau Mikroprosesor di sirkuit aplikasi. Keempat dioda adalah dioda FLYBACK yang digunakan untuk melindungi IC dari lonjakan tegangan induktif. Pin penarik ditarik tinggi melalui resistor sehingga bridge-A akan berfungsi sepanjang waktu. Jika ditarik ke ground jembatan-A akan dinonaktifkan tidak peduli logika kontrol input.

Setelah semua rangkaian diatur, kita perlu menekan tombol Q1 dan Q2 untuk mengubah aliran arus antara pin OUT1 dan OUT2. Tabel kontrol logika diberikan sebagai.

Tabel Kondisi motor driver L298