Pemodelan Active Magneto-Pneumatics Suspension Sistem ...

JURNAL FISIKA DAN APLIKASINYA VOLUME 9, NOMOR 1 JANUARI 2013

PemodelanActive Magneto-Pneumatics SuspensionSistemShock AbsorberBerbasis Magnet Nd-Fe-B sebagai

Pengganti Sistem Pegas pada Kendaraan BermotorDyah Sawitri,∗ Yerry Susatio, dan Suko Bagus Trisnanto

Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri - Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 61111

IntisariTelah diaplikasikan magnet sebagai sistem isolasi vibrasi (shock absorber) pada kendaraan bermotor sebagai

pengganti sistem pegas yang memanfaatkan gaya tolak antara dua buah magnet sejenis.. Dilakukan pemodelanactive magneto-pneumatic suspension untuk mengetahui performansi magnet melalui pendekatan analisis-interpretasi respon suspensi dan distribusi densitas fluks magnetik. Pemodelan terdiri atas model geometrikdan model matematik, terbagi atas komponen suspensi (magnet permanen Nd-Fe-B dan elektromagnet tersusundalam konfigurasi serial-vertikal sesuai prinsip levitasi magnet berdasar polarisasi), dan komponen kontrolvibrasi (piezoelektrik beserta charge amplifier, PID voltage controller, dan power amplifier). Berdasarkan hasilsimulasi, diperoleh bahwa magnet permanen Nd-Fe-B memiliki performansi yang cukup baik dalam sistemisolasi vibrasi pada kendaraan bermotor, ditunjukkan berdasarkan kapabilitasnya dalam mereduksi vibrasimelalui evaluasi transmisibilitas yang relatif kecil dan stabilitas respon suspensi yang relatif stabil. Desaintekanan pneumatik 0,125 bar dan kontrol umpan maju pada active magneto-pneumatics suspension didapatkannilai transmisibilitas untuk fungsi profil lintasan sinusoidal yaitu 0,9%-7%, untuk fungsi profil lintasanbumbberkisar 6,5%-25% dan untuk fungsi profil lintasan random mencapai 2,5%.

ABSTRACT

In this paper, the magnet use as an automotive vibration isolation will be explained. It is based on expellingforces that between two similar magnetic poles. A model of active magneto-pneumatic suspension system isdeveloped to simulate the required magnet performance by analysing the magnetic flux distribution and itsrelated suspension response. Both geometrical and mathematical models consist of suspension sub-components(i.e. Nd-Fe-B permanent magnet and electromagnet which are in serial-vertical structure, with refer to magneticlevitation based on polarisation principle) and vibration control sub-components (piezoelectric and its amplifier,PID voltage coltroller, and power amplifier. Results shown that the Nd-Fe-B permanent magnet have a goodperformance for isolating automative vibration, indicated by the small transmissibility and high stability ofsuspension response. With a hydraulic pressure of 0.125 bar and a forward control on active magneto-pneumaticsuspension system, respected transmissibility values obtained are 0.9% - 7% for sinusoidal path profile, 6.5%-25% for bump path profile, and 2.5% for random profile.

KATA KUNCI : model active magneto-pneumatic suspensin, magnet permanent Nd-Fe-B

I. PENDAHULUAN

Magnet merupakan material penting yang banyakdiaplikasikan dalam berbagai piranti mekanik maupunelektronik. Perkembangan teknologi bahan di bidangfabrikasi magnet telah memungkinkan dihasilkannya magnetpermanent dengan tingkat energi mencapai 52 MGOe dengandensitas fluks mencapai 1,3 T [1] yang sesuai diaplikasikandalam sistem dengan beban besar. Suspensi magnetikmerupakan salah satu aplikasi magnet dalam sistem isolasivibrasi. Pemanfaatan suspensi magnetik dalam sistem inimemberikan kelebihan dibanding tipe suspensi lainnya, yaitu

∗E-MAIL : [email protected]

selain implementasinya yang praktis, juga gesekan dan ausdapat diminimalisasi [2].

Vibrasi merupakan permasalahan umum yang dialami olehsistem yang bergerak atau terkena gaya luar. Salah satu con-tohnya yaitu vibrasi pada kendaraan bermotor akibat mesinmaupun profil lintasan jalan. Sistem suspensi berperan san-gat penting untuk mengontrol vibrasi pada kendaraan bermo-tor sehingga kenyamanan pengendara dapat terjaga. Suspensiaktif (hydraulicdanpneumatic) merupakan teknologi terkiniuntuk mengatasi masalah fisis ini, di samping aplikasiDynam-ics Vibration Absorber(DVA) dalam suspensi pasif. Melihatkelebihan sifat magnet, permasalahan vibrasi pada kendaraanbermotor memberikan peluang implementasi suspensi mag-netik aktif sebagai piranti isolator vibrasi.

Berdasarkan latar belakang tersebut, permasalahan yangakan dicari solusi-penjelasannya adalah bagaimanakah pe-

c© Jurusan Fisika FMIPA ITS -21

J. FIS. DAN APL., VOL. 9, NO. 1, JANUARI 2013 DYAH SAWITRI , dkk.

modelanactive magneto-pneumatics suspensiondengandualdynamics vibration absorber, bagaimanakah respon suspensipada model suspensi tersebut, serta bagaimanakah perfor-mansi magnet dalam sistem isolasi vibrasi pada kendaraanbermotor berbasis model suspensi tersebut?

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan modelactivemagneto-pneumatics suspensiondengandual dynamics vibra-tion absorber, mengetahui respon suspensi pada model sus-pensi tersebut, dan mengetahui performansi magnet dalam sis-tem isolasi vibrasi pada kendaraan bermotor berbasis modelsuspensi tersebut.

Untuk menghindari melebarnya fokus penelitian, pen-dekatan sistem yang digunakan adalah magnet permanen yangdipergunakan yaitu jenis Neodymium Iron Boron (Nd-Fe-B)dengan melihat beberapa kelebihan properti fisisnya, suspensiyang dimodelkan yaitu sistem seperempat mobil (quarter carmodel), mengingat penelitian ini difokuskan untuk menge-tahui performansi magnet dalam sistem isolasi vibrasi padakendaraan bermotor, dan pendekatan gas ideal dan kompresi-ekspansi adiabatik diberlakukan pada properti system pneu-matic yang diimplementasikan.

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Tinjauan tentang Pneumatik

Udara bertekanan (pneumatics) banyak diaplikasikandalam proses di industri. Sistem pnuematik berbeda dengansistem hydraulik. Perbedaan mendasar keduanya terletak padaproperti fluida yang digunakan. Sistem pnuematik meng-gunakan udara dan sistem hydraulik menggunakan oli [2].Karena komponen utamanya yaitu udara, dalam sistem pneu-matik berlaku persamaan gas ideal,

PV = nRT = constant (1)

Untuk proses polytropik gas ideal dalam sistem tertutup,hubungan antara tekanan dan volum dapat dideskripsikandalam bentuk persamaan berikut

PV γ = constant (2)

Dalam sistem pneumatik, energi potensial disimpan berupaudara terkompresi. Salah satu komponen sistem ini yaitusilinder-piston (Gambar 1). Terdapat berbagai tipe dan ukuransilinder. Dengan total beban (termasuk gesekan) dan tekanankerja yang telah ditentukan, ukuran silinder dapat dihitungdengan menggunakan hukum Pascal, yaitu gaya sebandingdengan tekanan dan luas penampang,

F = P.Ap (3)

Gambar 1: Silinder-Piston

Gambar 2: Sistem pegas massa sederhana

B. Tinjauan tentang Vibrasi

Secara umum, sistem yang bervibrasi mencakup sesuatuyang menyimpan energi potensial (pegas atau elastisitas),sesuatu yang menyimpan energi kinetik (massa atau inersia)dan sesuatu yang menyimpan energi mengalami penurunanbertingkat (redaman). Salah satu model yang sering digu-nakan untuk menjelaskan fenomena vibrasi mekanik yaitu sis-tem pegas-massa (Gambar 2).

Isolasi dan kontrol vibrasi

Isolasi vibrasi merupakan proses minimaliasasi atau elim-inasi pengaruh benda yang bergetar. Fungsi isolator vibrasiyaitu mengurangi besarnya gaya yang ditransmisikan dari se-buah mesin ke pondasinya atau mengurangi besarnya gerakanyang ditransmisikan dari pondasi ke mesin. Suatu ukuran pen-gurangan gaya atau yang ditransmisikan oleh isolator disebutsebagai transmisibilitas (Gambar 3). Jika sumber vibrasi yaitugaya eksitasi/disturbans, transmisibilitas (TR) merupakan ra-sio amplitude gaya yang ditrasnmisikan ke pondasi terhadapamplitude gaya eksitasi, secara matematik didefinisikan seba-gai berikut [3],

TR =Ft

F(4)

Suspensi aktif

Salah satu bentuk aplikatif sistem isolasi vibrasi yaitu sis-tem suspensi pada kendaraan bermotor (Gambar 4). Sis-tem suspensi didesain agar pengendara merasa nyaman (tidakmerasakan getaran berlebih baik dari mesin maupun profiljalan). Sistem suspensi terdiri dari suspensi pasif, semiaktif

-22


Gambar 3: Kurva transmisibilitas vs frekuensi sistem 1 derajat bebas

Gambar 4: Model suspensi seperempat mobil

dan aktif. Bila dibandingkan ketiga tipe suspensi tersebut, per-formansi sistem suspensi aktif ialah yang paling baik [4].

Suspensi magnetik

Suspensi magnetik aktif merupakan suspensi bebas kon-tak, sehingga tidak mengalami gesekan atau aus yang meru-pakan keuntungan paling penting untuk sistem ini. Teknologiini sekarang banyak digunakan untuk berbagai tujuan indus-tri, dan yang sekarang sedang diterapkan yaitumagneticallylevitated vehicle, danmagnetic bearing[2]. Sebagai sebuahisolator vibrasi, suspensi magnetik dapat dinilai serupa se-bagai sistem mekanik pegas massa, setidaknya untuk orde 1.Setidaknya ada dua potensi keuntungan utama meskipun jugaterdapat aspek negatif, antara lain; suspensi magnetik nam-paknya lebih praktis untuk merencanakan konfigurasi yangmenghasilkan frekuensi resonansi rendah (Gambar 5), danmasalah utama terkait resonansi vibrasi yang tidak diinginkandalam pegas mekanik dan suspensi kawat dapat dihindari [5].

Suspensi pneumatik

Konstanta kekakuan pegas pneumatik dapat diubah denganmengubah volume udara dalam pegas tersebut. Dengan meng-asumsikan bahwa udara mengalami kompresi dan ekspansiadiabatik nilai kekakuan pegas udara, diberikan sebagai

Gambar 5: Penampang melintang dasar pegas magnetik

Gambar 6: Pengaturan nilai kekakuan pegas udara

berikut,

kp = γA2 PV1

(5)

Dalam suspensi pneumatik tertentu yang masih ada, pe-gas udara diperlakukan untuk mendapatkan nilai kekakuandengan memompakan udara keluar atau masuk dalam pegasudara (Gambar 6). Oleh sebab itu, suspensi pneumatik memi-liki jangkauan aplikasi yang lebih luas melalui sifaf fleksibil-itasnya dalam menghandle beban yang dibutuhkan [6].

C. Dynamics vibration absorber

DVA (Gambar 7) merupakan massa sekunder, yang dita-mbahkan pada sistem asli melalui pegas dan atau peredam.Frekuensi natural DVA diatur sehingga bertepatan denganfrekuensi vibrasi yang tidak diinginkan dalam sistem aslinya.Hal ini mengharuskan adanya komponen tambahan dari struk-tur total yang menambahkan impedansi input besar terhadapstruktur utama. Dengan demikian DVA mampu menyerapenergi inersia yang ditransferkan dari struktur utama. Peng-gunaan DVA sangat menguntungkan karena mobilitasnya,dan kemampuannya untuk tidak berkorporasi dengan struktur.Hal ini mengizinkan absorber disusun tanpa mempengaruhisusunan antara struktur dengan pondasi pendukung sehinggamenyediakan struktur yang kokoh dengan pergerakan mini-mal [7].

-23


Gambar 7: Dynamics vibration absorber menggunakan udara ter-tutup sebagai variabel pegas

Gambar 8: Diagram alir penelitian

III. METODE PENELITIAN

Penelitian tentang suspensi magnet-pneumatik aktif initerdiri dari beberapa tahapan kegiatan, meliputi pemodelangeometrik suspensi, pemodelan matematik suspensi, peran-cangan kontrol suspensi, simulasi/uji model suspensi, dananalisis performansi suspensi, yang tersusun dalam diagramalir pada Gambar 8.

Bagian awal dari pemodelan suspensi magnet-pneumatikaktif yaitu pemodelan geometriknya, yang meliputi pemilihanmaterial suspensi dan penentuan ukuran spasial suspensi.

Pemilihan material

Pada dasarnya, terdapat dua bahan utama yang digunakandalam suspensi aktif magnet-pneumatik, meliputi bahan mag-net permanen dan bahan magnetik lunak untuk elektromagnet.Properti bahan ini perlu ditinjau dalam pemilihannya terkaitnilai konstanta pegas magnetik yang dihasilkan. Untuk kom-ponen pneumatik, digunakan udara bebas dimana hanya be-saran tekanan dan volume saja yang diperhatikan, sehinggatidak menjadi perhatian khusus.

Dalam sistem ini digunakan bahan magnet permanen Nd-Fe-B. Bahan magnet Nd-Fe-B dengan densitas fluks rema-nen 1,52 T dan produk energi maksimum sebesar 440 kJ/m3

telah dilaporkan [8]. Jenis magnet kelas ini telah terse-dia sejak tahun 2004 [9]. Nilai ini mendekati batas capa-ian praktis magnet Nd-Fe-B sebab produk energi maksimumteoritis untuk kristal Nd1Fe14B1 adalah 510 kJ/m3. Tem-peratur operasi maksimum terbatas sekitar 100C. Ketikatemperatur meningkat, magnetisasi turun hingga koersifitasintrinsik menjadi nol pada sekitar 250C. Magnet Nd-Fe-Bterbaik yang mampu untuk mentoleransi temperatur sampai200C, menpunyai densitas fluks remanen sekitar 1,2 T danenergi maksimum sebesar 300 kJ/m3 pada 20C.

Dari sifat mekanis, bahan Nd-Fe-B bersifat rapuh dankeras. Kekuatan tarik sekitar 83 MPa dan kekerasan Vickerssekitar 600, sehingga bahan ini mungkin retak dengan mudahjika diberi perlakuan mekanis berlebih. Bahan Nd-Fe-B meru-pakan konduktor dengan resistivitas sekitar 1,5µΩm padatemperatur 20C, tetapi dengan konduktivitas termal yang ke-cil sekitar 9 W/mK.

Bahan magnetik lunak untuk elektromagnet

Bahan magnetik lunak mempunyai suatu peran pokokdalam banyak sistem elektronik dan elektrik pada masyarakatmodern. Bahan ini memperlihatkan sifat magnetis hanyaketika berada pada pengaruh gaya magnetisasi seperti medanmagnet yang diciptakan oleh suatu magnet permanen atauarus yang melewati kumparan melingkupi inti magnetik itu.

Perbedaan utama antara bahan magnetik lunak dan kerasyaitu perbedaan kekuatan medan koersif; bahan magnetik lu-nak mempunyai sifat medan koersif rendah, Hc < 1 kA/m.Beberapa sifat bahan magnetik lunak lain bentuk anisotropirendah, magnetostriksi rendah, kekerasan mekanik rendah dananisotropy kristal yang rendah pula ([10]. Bahan magnetiklunak dapat digolongkan antara lainElectrical steels(non-orienteddangrain-oriented), paduan Nikel-Besi, ferrite lunak(NiZn dan MnZn), logam-logam amorphous, soft magneticcomposites (SMC) danConstruction steels.

Penentuan ukuran spasial

Ukuran spasial memberikan gambaran tentang dimensi sus-pensi, yang menyangkut besaran-besaran geometris yaitu pan-jang suspensi ls, dan internal diameter piston (termasuk di-ameter magnet permanen), dm. Dengan menggunakan soft-ware AutoCAD 2007, dibuat model geometrik suspensi dalam3D dan 2D, seperti pada Gambar 9. Secara detail suspensimagnet-pneumatik aktif terdiri dari 4 buah magnet perma-nen Nd-Fe-B, yang berfungsi sebagaiforce balancerdandy-namics vibration absorber, dan sebuah magnet induksi elek-trik (elektromagnet) yang terdiri dari kumparan berarus listrikpada suatu bahan magnetik lunak sebagaicore-nya sebagaiadaptive controller. Terdapat pulaholeyang digunakan seba-gai output perubahan tekanan pneumatik dalam suspensi un-tuk dihubungkan ke sensor (piezoelectric).

-24


Gambar 9: Desain 3Dactive magneto-pneumatics suspension

(a) (b) (c)

(d) (e)

Gambar 10: Sinyal uji fungsi sinusoidal mode kecepatan 20, 40, 80,120 dan 160 km/jam

IV. ANALISIS DAN PEMBAHASAN

A. Analisis data simulasi model suspensi

Penentuan respon sistem suspensi yang dimodelkan di-dasarkan pada uji 3 jenis fungsi profil lintasan (sinyal in-put), yaitu sinyal sinusoidal, sinyalbumbdan sinyalrandom.Ketiga sinyal masing-masing akan diujikan terhadap 3 desainkontrol vibrasinya, yaitu kontrol umpan maju, tanpa kontrol,dan kontrol umpan balik. Rasionalisasi terkait pemilihan jenisfungsi uji tersebut sebagai berikut;

• Fungsi uji berupa sinyal sinusoidal bertujuan untukmengetahui respon sistem suspensi berkaitan dengangangguan periodik.

• Fungsi uji berupa sinyalbumb (sinyal sinusoidalsetengah periode awal) bertujuan untuk mengetahui sta-bilitas sistem suspensi dan waktu respon transien, iden-tik dengan pengujian dengan sinyal impuls. Di sam-ping itu, pengujian dengan sinyal ini, juga dapat dike-tahui pengaruh kecepatan terhadap besarnya transmisi-bilitas. Sinyalbumbini didapatkan dengan mensuper-posisikan 2 buah sinyal sinusoidal, yang salah satunyadigeser fasenya sebesar setengah periode sinyal, atausinyal hanya didefinisikan pada rentang waktu setengahperiode, yaitu y(t) =α sin (2π vt) , untuk 0≤ t ≤ 1

v .

• Fungsi uji berupa sinyalrandom bertujuan untukmengetahui respon sistem suspensi terkait dengangangguan profil jalan yang tidak diprediksi (acak). Dari

Gambar 11: Sinyal uji fungsibumbmode kecepatan 20 km/jam dan80 km/jam

Gambar 12: Sinyal uji fungsirandom

respon sini juga akan dapat diketahui nilai transmisibil-itasnya. Fungsi random (Gambar 12) tidak dapat diten-tukan persamaan matematisnya.

Kontrol umpan maju

Pada dasarnya, kontrol umpan maju yang didesain dalamini bertujuan untuk memanipulasi input arus listrik padakomponen elektromagnet berdasarkan fungsi profil lintasan.Fungsi disturbans ini dikorelasikan dengan perubahan tekananpneumatik pada kolom suspensi sehingga dapat dideteksi olehsensor. Kontrol umpan maju ini dirancang untuk tekananpneumatik suspensi sebesar 3 bar. Berdasarkan hasil simulasirespon suspensi untuk tekanan pneumatik 3 bar, didapatkandata grafis sebagai berikut :

• Untuk fungsi uji sinyal sinusoidal dengan 5 mode ke-cepatan ditunjukkan pada Gambar 13. Dapat diamatibahwa amplitude respon suspensi semakin turun seiringdengan bertambahnya kecepatan.

• Untuk fungsi uji berupa sinyalbumbdengan 2 mode ke-cepatan ditunjukkan Gambar 14. Dapat dilihat bahwamode kecepatan 80 km/jam memiliki amplitude responyang jauh lebih kecil dari mode kecepatan 20 km/jam.Dengan kecepatan 20 km/jam, dihasilkan amplitude re-spon suspensi sebesar 18 cm atau transmisibilitasnya90%. Sedangkan, dengan kecepatan 80 km/jam, di-hasilkan amplitude respon sebesar 5 cm (transmisibil-itas 25%). Dengan data ini, dapat diketahui bahwa un-tuk uji sinyal bumb, suspensi aktif magnet-pneumatiktidak bisa menghandle, terbukti transmisibilitas sistemmelebihi batas maksimum yang didesain pada mode ke-cepatan 20 km/jam. Dengan uji profil lintasanbumbini,dapat diketahui pula bahwa sistem suspensi tidak sta-bil (waktu respon transien mendekati tak hingga) untuktekanan pneumatik 3 bar.

-25


(a) (b) (c)

(d) (e)

Gambar 13: Respon dinamik massa utama, terhadap sinyal sinu-soidal untuk kontrol umpan maju mode kecepatan 20, 40, 80, 120dan 160 km/jam

Gambar 14: Respon dinamik massa utama, xb, terhadap sinyalbumbuntuk kontrol umpan maju (Po = 3 bar) mode kecepatan 20 dan 80km/jam)

• Untuk fungsi uji berupa sinyal random, dapat dike-tahui respon suspensi bersifat periodik dengan ampli-tude mencapai 0,8 cm atau nilai transmisibilitas sekitar4%. Selama 15 detik selang waktu respon, nilai ampli-tude semakin besar (sistem semakin tidak stabil).

Berdasarkan data grafis untuk semua respon suspensi (per-pindahan massa utama) pada tekanan pneumatik sebesar 3 barterhadap fungsi uji yang diberikan, dapat digeneralisasi bahwarespon suspensi berupa fungsi periodik dengan transmisibili-tas bervariasi antara 4% hingga 90%. Hal ini menunjukkandengan kontrol umpan maju, rata-rata respon sistem suspensimasih relatif tidak stabil. Selain itu, kecepatan kendaraanternyata memberikan pengaruh terhadap besarnya amplituderespon. Kecepatan tinggi ternyata mampu menurunkan nilaitransmisibilitas.

Tanpa kontrol

Gambar 15: Respon dinamik massa utama, terhadap sinyal randomuntuk kontrol umpan maju

Gambar 16: Respon dinamik massa utama, terhadap sinyal randomuntuk sistem tanpa kontrol

Untuk mengetahui tingkat efektivitas keberadaan kontrolvibrasi yang diterapkan pada suspensi magnet-pneumatikini, perlu diketahui respon suspensi tanpa kontrol didalam-nya. Respon suspensi tanpa kontrol didapatkan denganmengabaikan pengaruh input arus listrik pada komponen elek-tromagnet. Simulasi ujinya serupa dengan yang dilakukanpada suspensi yang dilengkapi kontrol umpan maju.

Berdasarkan hasil simulasi untuk uji suspensi magnet pneu-matik tanpa kontrol pada tekanan internal 3 bar, tidak terda-pat perbedaan respon amplitude dan transmisibilitas yang sig-nifikan (nyaris sama) dengan respon suspensi untuk kontrolumpan maju, kecuali untuk sinyal uji random.

Respon suspensi terhadap sinyal uji sinusoidal mode ke-cepatan 20, 40, 80, 120, dan 160 km/jam identik dengan re-spon serupa pada kontrol umpan maju, demikian pula responsuspensi terhadap sinyal bumb, nilai amplitude responnyajuga sama dengan nilai respon pada kontrol umpan maju un-tuk tekanan pneumatik 3 bar. Yaitu berturut-turut untuk modesinyal bumb mode kecepatan 20 dan 80 km/jam adalah 18 cmdan 5 cm (setara dengan transmisibilitas 90% dan 25%), se-hingga dapat digeneralisasikan pernyataan yang serupa bahwakenaikan kecepatan kendaraan memberikan pengaruh padapenurunan nilai transmisibilitas getaran.

Berbeda dengan respon suspensi terhadap sinyal sinusoidaldan bumbyang identik dengan respon pada kontrol umpanmaju, respon suspensi akibat sinyal uji random (Gambar 16)menunjukkan ketidakstabilan dengan amplitude mencapai 25cm, setara dengan transmisibilitas 125%. Nilai ini berada diatas desain maksimal amplitude respon.

Kontrol umpan balik

Analisis respon suspensi untuk kontrol umpan balik diper-lukan dalam rangka membandingkan terhadap hasil yang di-dapatkan dari respon suspensi dengan kontrol umpan maju,sehingga diketahui jenis loop kontrol yang lebih baik.

B. Interpretasi desain kontrol vibrasi

Untuk kemudahan pembacaan data dan analisis, seluruhhasil simulasi untuk ketiga hasil respon ditampilkan dalamsatu Tabel 1.

Berdasarkan data grafis, baik kontrol vibrasi dengan loopumpan balik dan loop umpan maju memiliki tingkat perfor-mansi yang sama. Karena itu, tidak menjadi permasalahan

-26


TABEL I: Parameter parameter tiga jenis kontrol, tanpa kontrol,umpan maju dan umpan balik.

Fungsi Tanpa Kontrol Umpan Maju Umpan BalikUji X bo TR Xbo TR Xbo TR

(cm) (%) (cm) (%) (cm) (%)S-20 0.065 32.5 0.065 32.5 0.065 32.5S-40 0.03 15 0.03 15 0.03 15S-80 0.016 8 0.016 8 0.016 8S-120 0.01 5 0.01 5 0.01 5S-160 0.008 4 0.008 4 0.008 4B-20 0.18 90 0.18 90 0.18 90B-80 0.05 25 0.05 25 0.05 25Ran. 0.008 125 0.25 4 0.008 4

dalam implementasi jenis loop kontrol pada suspensi magnet-pneumatik ini, terkait pemilihannya.

Kontrol vibrasi diaplikasikan dalam rangka mengendalikannilai amplitude respon (transmitsibilitas). Dalam hal ini, sis-tem suspensi didesain dengan kontrol umpan maju denganhipotesis awal bahwa secara teoretis nilai error dapat dimini-malisasi hingga nol dibanding dengan kontrol umpan balikyang menyisakan error steady state. Uji sistem tanpa kon-trol dilakukan untuk mengevaluasi efektivitas implementasikontrol vibrasi tersebut. Berdasarkan hasil simulasi, didap-atkan kesimpulan bahwa kontrol vibrasi tidak memberikan pe-ngaruh signifikan terhadap pengendalian transmisibilitas ke-cuali untuk fungsi lintasan acak. Melihat hasil ini, terdapatdua hal yang perlu dievaluasi, yaitu model suspensi dan loop

kontrol vibrasi sebagai bagian dari interpretasi desain kontrolvibrasi pada suspensi aktif magnet-pneumatik ini.

C. Evaluasi model suspensi

Model suspensi yang mencakup komponen-komponen sus-pensi beserta geometri spasialnya merupakan salah satu per-timbangan dalam menentukan desain kontrol vibrasi, di sam-ping terkait faktor kenyamanan (nilai transmisibilitas vibrasi).Berdasarkan desain suspensi, diketahui bahwa ukuran spasialsuspensi dapat identik dengan tabung tinggi±40 cm danjari-jari ±7 cm yang mampu menahan massa sebesar±400kg. Dengan memperhatikan model geometrik ini, sistem kon-trol vibrasi didesain agar output respon vibrasi massa utama(transmisibilitas) tidak lebih dari 16 cm (TR<<80%).

Performansi komponen suspensi

Sebagaimana disebutkan, komponen suspensi aktif megnet-pneumatik ini terdiri dari dua elemen utama yaitu DVAmeliputi 2 buah magnet permanen, dan elektromagnet. Padakasus ini, respon vibrasi terkait DVA dan elektromagnet tidakdisimulasikan. Namun, berdasarkan penyelesaian matrik per-samaan dinamik suspensi, dapat diketahui respon masing-masing komponen suspensi terdefinisi dalam domain Laplaceseperti ditunjukkan persamaan berikut:

W (s) =.480e11.s4 + .311e15.s2 + .278e16

.194e5.s8 + .276e9.s6 + .107e13.s4 + .631e15.s2 + .279e16

Dari persamaan di atas, dapat ditarik kesimpulan bahwarespon vibrasi magnet permanen maupun elektromagnet tidakhanya dipengaruhi oleh fungsi profil lintasan jalan, tetapi jugaterpengaruh oleh input arus listrik yang masuk pada kompo-nen elektromagnet.

Performansi komponen kontrol

Berdasarkan hipotesis awal, keberadaan kontrol vibrasi se-harusnya mempunyai dampak signifikan terhadap kontrol out-put respon suspensi. Namun, sesuai dengan hasil evaluasitransmisibilitas dan stabilitas suspensi, tidak ada perbedaanmencolok antara sistem suspensi yang dilengkapi dengan kon-trol vibrasi dengan sistem suspensi tanpa kontrol, kecuali padauji sinyal random. Berikut evaluasi performansi komponen

kontrol yang meliputi sensor, kontroller dan aktuator. Eva-luasi dilakukan dengan memberikan uji impuls pada fungsitransfer setiap komponen, lalu ditentukan nilai output untuk t= τ .

1. SensorSensor piezoelektrik besertacharge amplifier-nyamempunyai fungsi transfer yang relatif kompleks,mengubah variabel input tekanan pneumatik menjadivariabel output tegangan. Adapun korelasi perubahantekanan pneumatik terhadap perubahan posisi magnetpermanen base bawah (identik dengan fungsi profil lin-tasan), juga memiliki fungsi transfer yang relatif kom-pleks seperti ditunjukkan persamaan berikut:

Gs(t) := (−1.20)e(−455)t + 1.2e(−.169e4)tcos(.169e6t)+447e(−.169e4)tsin(.169e6t)

-27


Diketahui bahwa time constant relatif kecil yaitu 1/455s, jika dimasukkan pada persamaan fungsi transfer un-tuk sensor tersebut didapatkan Gs(τ ) = 6,77 V. Dengandemikian, sensor piezoelektrik dan rangkaian pengon-disi sinyal efektif digunakan sebagai komponen trans-ducer dalam kontrol vibrasi ini.

2. KontrollerPemilihan mode kontrol merupakan hal yang pentingdalam kontrol vibrasi, dipilih mode kontrol PID sesuaidengan persamaan:

Gc(t) = 2.∆(1, t) + 2.∆(t) + .500

Evaluasi kontroller ini menggunakan uji impuls 1 volt,diketahui bahwa kontroller tidak mempunyai time con-stant (τ = 0). Dengan men-substitusikan nilai tersebut,didapatkan Gc = 0,5V.

Bila dievaluasi berdasarkan respon suspensi yang sifat-nya periodik, mode kontrol ini perlu ditinjau ulang.Sekalipun, pada dasarnya secara teoretis mode kontrolini menurunkan ripple dan mempercepat off-set, bebe-rapa bentuk sinyal uji suspensi masih didapatkan rippledengan amplitude lebih dari 5%. Mengingat penentuanparameter kontrol berdasarkan teknik optimasi terkaitkomponen elektromagnet, kompleksitas fungsi transferinput arus listrik terhadap output vibrasi massa utamaperlu diperhatikan pula.

3. AktuatorAktuator yang digunakan dalam kontrol vibrasi yaitupenguat daya (penguat tegangan), yaitu mengubah inputtegangan menjadi arus listrik. Berdasarkan penelitiansebelumnya, didapatkan fungsi transfer untuk poweramplifier sebagaimana tercantum di bawah ini.

Ga(t) := 803.e(−110)t.cosh(95.5t)− 924.e(−110)tsinh(95.5t)

Adapun evaluasi uji impulse 1 volt, dan time constant relatifkecil yaitu 1/110 s diperoleh output aktuator pada waktu inisebesar Ga = 80,3A. Dengan demikian, sebagaimana perfor-mansi ini, power amplifier ini juga dapat digunakan aktuatorpada kontrol vibrasi.

D. Evaluasi loop kontrol vibrasi

Sebagaimana dijelaskan di awal, implementtasi kontrolvibrasi dalam kasus ini efektif untuk sinyal uji random,sedangkan terhadap sinyal uji yang lain, responnya identik.Adapun evaluasi terhadap loop kontrol, tidak ada perbedaanrespon suspensi antara implementasi loop kontrol umpan majumaupun umpan balik. Meninjau hipotesis awal yang me-nyatakan bahwa performansi loop kontrol umpan maju lebihbaik, setidaknya terdapat beberapa rasioanalisasi terkait ke-samaan respon suspensi kedua loop kontrol ini dan terhadapsedikitnya perbedaan dengan sistem suspensi tanpa kontrol,sebagai berikut:

1. Pada dasarnya komponen kontrol untuk loop umpanmaju dan umpan balik adalah sama, yang berbeda yaitufungsi transfer perubahan tekanan pneumatik terhadapposisi magnet permanen atau massa utama. Perbedaanfungsi transfer ini seharusnya menyebabkan perbedaanfungsi input sensor. Dimungkinkan pula fungsi transferini menghasilkan nilai output yang relatif kecil untukbeberapa fungsi input.

2. Fungsi transfer antara input arus listrik terhadap out-put perpindahan massa utama relatif kompleks denganselisih orde antara numerator dan denumerator yaitu4 orde dan selisih koefisien suku masing-masing ordeyang relatif besar, dimungkinkan menjadikan berbagainilai input memiliki korespondesi output yang relatifkecil, atau dapat didekati dengan nilai nol (A(s).I(s) ≈0).

3. Terkhusus evaluasi terhadap sinyal uji random, peruba-han nilai amplitude yang acak terhadap fungsi waktudimungkinkan terjadi superposisi sinyal padasummingpoint dengan nilai outputA(s).I(s) 6= 0

Mengingat keterbatasan ini, validasi lanjut terkait rasiona-lisasi hasil simulasi terhadap hipotesis awal perlu dilakukan,sehingga alasan teoretis tersebut dapat diterima.

V. SIMPULAN

Berdasarkan hasil analisis data simulasi dan interpre-tasinya, dapat dirumuskan beberapa kesimpulan antara lain:

• Telah dilakukan pemodelanactive magneto-pneumaticssuspensiondengandual dynamics vibration absorberyang terdiri atas model geometrik dan model mate-matik, terbagi dalam 2 kategori; komponen suspensiyang terdiri atas magnet permanen Nd-Fe-B dan elek-tromagnet tersusun dalam konfigurasi serial-vertikal,dan komponen kontrol vibrasi terdiri atas piezoelektrikbeserta charge amplifier, PID voltage controller, danpower amplifier,

• Magnet dalam sistem isolasi vibrasi kendaraan bermo-tor memiliki performansi yang cukup baik, ditunjukkanberdasarkan kapabilitasnya dalam mereduksi vibrasimelalui evaluasi transmisibilitas yang relatif kecil danstabilitas respon suspensi yang relatif stabil.

Ucapan Terima Kasih

Kepada LPPM ITS yang telah membiayai riset ini melaluiDana Program Unggulan Mandiri (PUM) ITS Tahun 2011Sesuai Surat Perjanjian Nomor: 781.13/I2.7/PM/2011 tanggal2 Mei 2011.

-28


[1] MAGCRAFT, Permanent Magnet Selection and Design Hand-book(USA: MAGCRAFT Advanced Magnetic Materials, 2007).

[2] T. Namerikawa, and M. Fujita, T.IEE Japan,121-C(6) (2001.[3] K. Ogata, System Dynamics(Prentice Hall-Pearson Education

International, New Jersey-USA 1998).[4] S. Segla, and S. Reigh, S.,Optimization and Comparison of Pas-

sive, Active and Semi-Active Vehicles Suspension System, 12thIFToMM World Congress, Besanon (France), June 18-21,2007.

[5] R.W.P. Drever,Technique for Extending Interferometer Perfor-mance Using Magnetic Levitation and Other Methods, Proceed-ings of the International Conference of Gravitational Waves:Source and Detector, Cascina-Italy March 19-23, 1996.

[6] H. Deo, and N.P. Suh,Pneumatics Suspension System with Inde-pendent of Control Damping, Stiffness and Ride Height, Proceed-ings of ICAD 2006 4th: International Conference on Association

Design, Firenze June 13-16, 2006.[7] C. Ting-Kong, Design of An Adaptive Dynamics Vibra-

tion Absorber (South Australia: Department of MechanicalEngineering-The University of Adelaide, 1999).

[8] U.S. Deshpande,Recent Advances in Materials for Use in Per-manent Magnet Machines: a Review, In Proceedings of IEEEElectric Machines and Drives Conference, IEMDC’03, Madison,United States, 1-4 June 2003, Vol. 1, pp. 509-515, 2003.

[9] Hitachi Metals, 2004. Product Catalogue: HILOP. Available at:http://www.hitachimetals. co.jp/e/prod/prod03/pdf/hg-a17-e.pdf.[cited 10 December 2004]. Available from Hitachi Metals Ltd,Tokyo, Japan.

[10] G.E. Fish,Soft Magnetic Materials, In Proceedings of the IEEE,Vol. 78, No. 6, pp. 947-972, 1990.

-29

Pemodelan Active Magneto-Pneumatics Suspension Sistem ...

Documents

Transcript of Pemodelan Active Magneto-Pneumatics Suspension Sistem ...