JNTETI, Vol. 2, No. 2, Mei 2013 47

Sinusoidal Pulse Width Modulation Berbasis LookupTable untuk Inverter Satu Fase Menggunakan 16-Bit

Digital Signal ControllerYohan Fajar Sidik1, F. Danang Wijaya2, Eka Firmansyah3

Abstract—Inverter as one equipment relates closely to therenewable energy sector gain more and more important rolein utilizing renewable energy widely. The inverter converts dcto ac form by a specific switching strategy. In this research,the switching strategy employed unipolar sinusoidal pulse widthmodulation (SPWM). The switching schemes were obtained bysynthesis from sine lookup table that the width of pulses wereobtained from simulation of PSIM. The aim of this research is tocreate a switching scheme in a software and then implemented in16-bit digital signal controller (DSC). Experiment in lab scale hasbeen done to verify the proposed unipolar SPWM. The resultsshowed that SPWM signals were easier generated in 16-bit digitalsignal controller (DSC). Other that, feature of PWM in this DSChas been supporting in inserting dead-time to avoid shoot throughcurrent at IGBT.

Keywords—renewable energy, inverter, SPWM, PSIM, 16-bitdigital signal controller

Intisari—Inverter memiliki peranan penting dalam peman-faatan energi terbarukan secara luas. Inverter ini mengkonversitegangan dc menjadi ac dengan metode penyaklaran tertentu.Pada penelitian ini metode penyaklaran yang dipilih adalahunipolar sinusoidal pulse width modulation (SPWM). Pola-polapenyaklarannya merupakan sintesis dari sebuah tabel sinusyang lebar pulsanya diperoleh melalui simulasi PSIM. Tujuanpenelitian ini adalah untuk membuat pola penyaklaran dalamperangkat lunak kemudian diimplementasikan dalam 16-bit dig-ital signal controller (DSC). Ekperimen dalam skala lab telahdilakukan untuk memverifikasi teknik penyaklaran unipolarSPWM yang diusulkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwasinyal SPWM dengan mudah dapat dibangkitkan oleh 16-bitdigital signal controller (DSC). Selain itu, fitur PWM pada DSCini telah mendukung penyisipan dead time untuk menghindariarus shoot through pada IGBT.

Kata Kunci—energi terbarukan, inverter, SPWM, PSIM, 16-bitdigital signal controller

I. PENDAHULUAN

Pemanfaatan energi terbarukan perlu ditingkatkan agarpenggunaan energi fosil dapat dikurangi. Inverter sebagaisalah satu peralatan yang terkait langsung dalam pemanfaatanenergi terbarukan ini semakin penting untuk dikembangkan.Pengembangan inverter dapat terkait pada topologi dan teknikpenyaklaran yang digunakan. Secara umum teknik penyaklaran

1Mahasiswa Pascasarjana, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi InformasiFakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jln. Grafika 2 Yogyakarta 55281INDONESIA (yohanfajarsidik@live.com)

2,3Pengajar, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Tek-nik Universitas Gadjah Mada, Jln. Grafika 2 Yogyakarta 55281 INDONESIA(e-mail: danang@te.ugm.ac.id, eka.firmansyah@gmail.com)

Gbr. 1. Rangkaian inverter dengan topologi full-bridge

yang digunakan adalah sinusoidal pulse width modulation(SPWM).

Studi mengenai SPWM untuk inverter satu fase dapat dite-mukan pada referensi [1], [2]. Teknik SPWM yang digunakanoleh [1] dan [2] menggunakan teknik penyaklaran bipolarSPWM yang harmoniknya lebih tinggi dibandingkan denganunipolar SPWM [3]. Kelebihan teknik yang diusulkan olehkeduanya adalah telah digunakannya digital signal proces-sor (DSP) untuk menghasilkan pola penyaklarannya. Denganmenggunakan chip DSP, kendali algoritma kendali yang rumitdapat dengan mudah diimplementasikan. Kendali digital lain-nya adalah menggunakan field page grid array (FPGA) [4].

Pada paper ini pola penyaklaran yang digunakan untukinverter satu fase dengan topologi full-bridge adalah SPWMunipolar yang pola penyaklarannya dibuat dalam perangkatlunak PSIM. SPWM unipolar dipilih karena kandungan har-moniknya lebih rendah dibandingkan dengan bipolar SPWM[3]. Algoritma ini diterapkan dalam 16-bit low cost digitalsignal controller dsPIC304012. Pembuatan tabel sinus danpengaturan sistem pewaktuan PWM dalam dsPIC30F4012 jugadipaparkan pada paper ini. Pada paper ini juga disajikanperbandingan hasil simulasi dan hasil eksperimen terkait polapenyaklaran yang digunakan dan bentuk gelombang keluaraninverter.

Paper terdiri dari pendahuluan, teori dasar teknik penyak-laran inverter, perancangan tabel sinus, pembentukan SPWMdalam digital signal controller (DSC), hasil simulasi daneksperimen, dan kesimpulan.

II. RANGKAIAN SISTEM INVERTER SATU FASE

Topologi inverter yang digunakan adalah full-bridge.Topologi ini merupakan topologi yang sederhana tetapi meng-hasilkan daya keluaran dua kali lipat daripada tegangan half-bridge [3]. Rangkaian inverter dengan topologi full-bridgeditunjukkan pada Gbr. 1. Pada gambar tersebut terlihat bahwainverter satu fase dengan topologi full-bridge terdiri dari empat

Yohan Fajar Sidik: Sinusoidal Pulse Width Modulation... ISSN 2301 - 4156

48 JNTETI, Vol. 2, No. 2, Mei 2013

Gbr. 2. Perbandingan antara sinyal referensi dengan sinyal pembawa meng-hasilkan sinyal SPWM

buah saklar semikonduktor. Pada penelitian ini, saklar-saklartersebut diberi penamaan S1 dan S2 yang masing-masing untuksaklar sisi atas dan sisi bawah pada leg A. Sedangkan S3 danS4 adalah untuk saklar sisi atas dan sisi bawah pada leg B.Saklar dalam satu leg merupakan sinyal yang saling berkom-plemen yang tidak boleh hidup secara bersamaan karena dapatmembuat hubung singkat pada sumber tegangan dc-nya.

Tegangan keluaran inverter merupakan beda potensial antaratitik A dan B (lihat Gbr. 1). Saat saklar S1 dan S4 nyalaberbarengan, titik A akan mendapat tegangan sebesar teganganrelnya Vs dan titik B akan terhubung ke ground sehingga besartegangan keluaran inverter adalah Vs. Sedangkan saat S3 danS2 nyala berbarengan, titik B akan mendapat tegangan sebesartegangan rel Vs dan titik A akan terhubung ke ground sehinggabesar tegangan keluaran inverter adalah −Vs. Dengan caraseperti itu, tegangan dc dapat dikonversi menjadi tegangan ac.

III. TEKNIK PENYAKLARAN

Sinyal unipolar SPWM dibentuk dari perbandingan antaradua buah sinyal referensi yang berbeda fase sebesar 180derajat dengan sebuah sinyal pembawa [3]. Sinyal referensinyaberupa sinyal sinus dengan amplitudo dan frekuensi tertentu.Besar amplitudo sinyal referensi akan menentukan besar tegan-gan keluaran inverter, sedangkan frekuensi sinyal referensimenentukan besar frekuensi keluaran inverter. Kedua param-eter ini dapat disebut parameter kendali untuk menentukanbesar tegangan dan frekuensi inverter yang diharapkan. Sinyalpembawanya merupakan sinyal segitiga yang frekuensinyadipertahankan tetap. Perbandingan antara amplitudo sinyalreferensi dengan sinyal pembawa disebut indeks modulasitegangan. Sedangkan perbandingan antara frekuensi sinyalreferensi dengan frekuensi sinyal pembawa disebut indeksmodulasi frekuensi.

Dalam perangkat lunak PSIM, sinyal SPWM dapat dibentukdengan menggunakan komparator sebagai pembanding antarasinyal referensi dan sinyal pembawa seperti ditunjukkan padaGbr. 2. Pada gambar tersebut terdapat sinyal Vref dalambentuk sinus dengan fase 0, sinyal −Vref dalam bentuk sinusdengan fase 180 derajat, dan sinyal Vcarrier sebagai sinyalpembawa. Hanya terdapat satu sinyal untuk setiap keluarankomparator sehingga akan dihasilkan dua buah sinyal SPWMsaja. Sinyal SPWM pasangannya merupakan komplemen yang

Gbr. 3. Pola SPWM dalam satu periode untuk satu buah saklar

Gbr. 4. Proses update duty cycle PWM untuk membentuk SPWM [5]

dibentuk dengan memberi logika NOT pada setiap keluarankomparator.

IV. PERANCANGAN SINE LOOKUP TABLE

Implementasi algoritma SPWM dalam sebuah mikrokon-troler pada dasarnya adalah sama dengan prinsip dalam sim-ulasi. Tetap diperlukan sebuah perbandingan antara sinyalreferensi dengan sinyal pembawa. Sinyal pembawa dalammikrokontroler adalah sistem pewaktuan PWM. Sistem pewak-tuan dalam dsPIC30F4012 dapat dipilih dalam mode cacahnaik dan cacah turun dalam satu periode. Dengan demikiansistem pewaktuan PWM dalam dsPIC dapat digunakan sebagaisinyal pembawa. Sedangkan sinyal referensi dapat dibentukdengan bantuan perangkat lunak PSIM untuk membentuklebar-lebar pulsa dalam satu periode sinus. Data-data lebarpulsa ini kemudian disimpan dalam variabel array sehinggamemiliki alamat yang spesifik dengan nilai 0 sampai dengann − 1 data. Serentetan pola-pola sinus yang disimpan dalamvariabel array ini umumnya disebut sine lookup table.

Hanya dibutuhkan sebuah pola SPWM untuk membuatempat buah sinyal S1, S2, S3, dan S4 dalam dsPIC304012.Pola SPWM dapat diperoleh dengan cara membuat rangkaianpada perangkat lunak PSIM seperti ditunjukkan pada Gbr. 2.Dengan menjalankan simulasinya dapat diperoleh pola sinyalS2 seperti ditunjukkan pada Gbr. 3. Gbr. 3 merupakan polaSPWM untuk satu frekuensi 50 Hz sehingga periodenya adalah20 ms. Indeks modulasi tegangannya adalah 0,8 dan indeksmodulasi frekuensi adalah 50. Dengan demikian frekuensisinyal pembawa atau disebut juga frekuensi penyaklarannyaadalah 2500 Hz.

Banyak pulsa pada Gbr. 3 adalah 50 buah. Lebar pulsa highpada sinyal tersebut kemudian dihitung lebar pulsanya dengancara memilih menu edit kemudian pilih view data points.Hasilnya ditunjukkan pada Tabel I. Pada Tabel I ini hanyasebagian data yang ditampilkan. Pada tabel tersebut memuatjuga hasil konversi nilai pulsa dalam satuan waktu menjadinilai register untuk duty cycle PWM dalam dsPIC30F4012.Pada dasarnya nilai tersebut merupakan rasio pewaktuan dalamdsPIC30F4012 agar diperoleh lebar pulsa dalam waktu ter-tentu. Perhitungan nilai register tersebut akan dijelaskan padabagian selanjutnya.

ISSN 2301 - 4156 Yohan Fajar Sidik: Sinusoidal Pulse Width Modulation...

JNTETI, Vol. 2, No. 2, Mei 2013 49

Table ITABEL POLA SPWM DALAM SATU PERIODE

No. Lebar Pulsa (µs) Nilai Register PDC

1. 190 3040

2. 170 2720

3. 150,6 2410

4. 131,8 2109

5. 114,2 182,7

6. 97,9 1566

7. 83,3 1333

8. 70,5 1128

9. 59,7 955

10. 51,1 818

... ... ...

46. 285,7 4571

47. 268,1 4290

48. 249,4 3990

49. 230 3680

50. 210,1 3362

Gbr. 5. Ilustrasi pembentukan dua buah sinyal yang berbeda fase 180 derajat

V. PEMBENTUKAN SPWM DALAM DSPIC30F4012Seperti telah dijelaskan pada bagian III bahwa SPWM

dibentuk dari hasil perbandingan antara sinyal referensi dengansinyal pembawa yang berupa segitiga. Dalam implementasinya,sinyal referensi ini berupa sine lookup table yang berisisekumpulan pola sinus yang akan menjadi duty cycle dalamsebuah PWM. Umumnya, PWM adalah pulsa-pulsa denganduty cycle tertentu yang tetap. Dengan cara memodifikasi dutycycle menyerupai pola sinus maka akan diperoleh SPWM.Pengubahan besar duty cycle dilakukan dengan mode intteruptseperti ditunjukkan pada Gbr. 4. Pengubahan data dilakukandengan cara pengambilan data dari sine lookup table.

dsPIC30F4012 ini memiliki 3 buah pasang modul PWM.Pada penelitian ini hanya digunakan 2 modul karena sinyalyang dibangkitkan berjumlah empat, yaitu sinyal S1, S2, S3,dan S4. Empat buah sinyal tersebut dapat dihasilkan darisebuah pola SPWM.

Fokus utama pembentukan SPWM dalam dsPIC30F4012hanyalah dua buah sinyal yang berbeda fase 180 derajat.Ilutstrasi pembentukan sinyal ini ditunjukkan pada Gbr. 5.Pada Gbr. 5a terdapat gambar lingkaran yang merepresen-tasikan roda fase ampitudo sinus dalam satu siklus. Setiaptitik pada roda fase tersebut memiliki sebuah alamat darinol sampai dengan 49. Alamat maksimal 49 adalah karenapada penelitian ini indeks modulasi frekuensinya adalah 50yang berarti terdapat 50 pulsa untuk membentuk sebuah sinyalsinus. Sinyal sinus yang dibangkitkan dengan alamat awal nolakan menghasilkan sinyal seperti ditunjukkan pada Gbr. 5b,

sedangkan sinyal sinus yang alamat awalnya adalah 25 akanmenghasilkan sinyal seperti ditunjukkan pada Gbr. 5c. Dengandemikian, secara digital proses pergeseran fase sebesar 180derajat dapat diperoleh dengan mengatur nilai awal pencacah(baca: counter) sebesar nol dan sebesar setengah dari jumlahdata yang tersedia dalam tabel sinus. Proses pembentukankedua buah sinyal lainnya adalah dengan mengaktifkan modecomplementary dalam dsPIC30F012. Dengan mode tersebutsecara otomatis akan dihasilkan keluaran PWM yang salingberkomplemen. Fitur menarik dalam dsPIC30F4012 adalahdapat disisipkannya nilai dead time pada sinyal dengan modecomplementary. Dead time adalah jeda waktu antara keduabuah sinyal yang berkomplemen untuk mencegah kedua buahsaklar nyala secara bersamaan. Kondisi nyala berbarenganini dimungkinkan terjadi karena saklar semikonduktor sepertiIGBT dan MOSFET bukanlah saklar yang ideal.

Hal-hal teknis dalam penerapan SPWM dalamdsPIC30F4012 ini adalah pengaturan sistem pewaktuansiklus instruksi Fcy dan sistem pewaktuan PWM. Padapenelitian ini sistem pewakuan intruksi Fcy diatur agar dapatbekerja pada frekuensi 16 MHz. Sedangkan pengaturan PWMdengan mode pencacah waktu naik dan turun terdapat padaPersamaan 1.

PTPER =Fcy

FPWM · (PTMR prescaler)− 2− 1 [5] (1)

dengan PTPER adalah register periode PWM, FPWM

adalah frekuensi penyaklaran yang diinginkan, danPTMR prescaler adalah precaler pewaktuan PWM.Perhitungan untuk penelitian ini adalah:

PTPER =Fcy

FPWM · (PTMR prescaler) · 2− 1

=16 MHz

2500 Hz · 2− 1 = 3199

Duty cycle PWM dapat dihitung dengan menggunakan Per-samaan 2.

PDCx = duty · (PTPER+ 1) · 2 [5] (2)

Nilai duty cycle maksimumnya adalah sebagai berikut:

PDCx = duty · (PTPER+ 1) · 2= 1 · (3199 + 1) · 2 = 6400

Agar tabel sinus yang telah dibuat sebelumnya dapat digu-nakan untuk duty cycle PWM, data dalam tabel tersebut harusdikonversi menjadi nilai yang sesuai untuk register PDCx.Persamaannya yang digunakan adalah Persamaan 3.

PDC = lebar pulsa(µs) · MaxPDC

Periode PWM(3)

Sebagai contoh, konversi pulsa dengan lebar 190 µs adalahsebagai berikut:

PDC = lebar pulsa(µs) · Max PDC

Periode PWM

= 190 µs · 6400

1/2500= 3040

Hasil konversi yang lain dapat dilihat pada Tabel I.

Yohan Fajar Sidik: Sinusoidal Pulse Width Modulation... ISSN 2301 - 4156

50 JNTETI, Vol. 2, No. 2, Mei 2013

Table IITABEL PARAMETER SIMULASI DAN EKSPERIMEN

No. Parameter Nilai

1. fpenyaklaran 2500

2. indeks modulasi tegangan 0,8

3. indeks modulasi frekuensi 50

4. dead time 4 µs

5. tegangan dc Vs 24 V

6. Saklar IRF540

7. Gate driver IR2110

Gbr. 6. Simulasi Pola SPWM untuk empat buah saklar

VI. HASIL SIMULASI DAN EKSPERIMEN

Pada penelitian ini telah dilakukan simulasi inverter satufase dengan topologi full-bridge menggunakan perangkat lunakPSIM. Selain itu, eksperimen dalam skala lab telah dilakukanuntuk memverifikasi hasil simulasi. Parameter simulasi danekperimen ditunjukkan pada Tabel II.

Gbr. 6 merupakan empat buah sinyal SPWM yang dihasilkandari simulasi. Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa sinyalS1 berkomplemen dengan S2. Sedangkan sinyal S3 berkomple-men dengan S4. Apabila sinyal S1 dan sinyal S4 ditambahkanmaka akan diperoleh sinyal yang berwarna merah yang dapatmerepresentasikan bentuk tegangan keluaran inverter. Dapatdilihat bahwa tegangan keluaran tersebut menyerupai polasinus dengan frekuensi 50 Hz atau periodenya 20 ms. Hasileksperimen menunjukkan hasil yang sama dengan simulasinya.Hal ini dapat diamati pada Gbr. 7. Dengan demikian pem-bangkitan empat buah sinyal ini telah sukses dibuat hanya darisatu buah pola sinus yang disimpan dalam bentuk tabel.

Hasil simulasi dan eksperimen lainnya adalah bentuk gelom-bang tegangan keluaran inverter. Bentuk tegangan hasil sim-ulasi dapat dilihat pada Gbr. 8. Dengan masukan sebesar24 Vdc akan diperoleh tegangan keluaran inverter sebesar17,03 Vac. Hal ini diperkuat dengan hasil eksperimen padaGbr. 9 yang menghasilkan bentuk gelombang tegangan yangserupa dengan bentuk gelombang hasil simulasi. Tegangan rmskeluaran inverter pun hampir sama yaitu sebesar 17,02 Vac.Perbedaan nilai tegangan tersebut dikarenakan semua rangka-ian pada PSIM adalah ideal. Padahal dalam kenyataannyaterdapat rugi-rugi yang berupa rugi penyaklaran dan konduksipada setiap IGBT/MOSFET. Berdasarkan hasil ini, PSIM telahmenyimulasikan rangkaian inverter topologi full-bridge denganbaik. Pola SPWM untuk tabel sinus pun dapat diperolehdengan mudah melalui PSIM.

VII. KESIMPULAN

Pembuatan pola penyaklaran SPWM telah dilakukan padapenelitian ini. Pola tersebut diperoleh melalui perangkatlunak PSIM yang diimplementasikan ke dalam sebuah

Gbr. 7. SPWM keluaran dari dsPIC30F4012 untuk empat buah saklar

Gbr. 8. Hasil simulasi tegangan keluaran inverter

mikrokontroler berbiaya murah. Berdasarkan hasil pengujian,mikrokontroler dsPIC30F4012 telah berhasil menghasilkanpola-pola penyaklaran berbentuk unipolar SPWM. KelebihandsPIC30F4012 ini adalah dapat membangkitkan dead time an-tara sinyal sisi atas dan sisi bawah sehingga dapat menghindariarus shoot through pada saklar IGBT.

REFERENCES

[1] B. Ismail, S. Taib, A. Saad, M. Isa, and C. Hadzer, “Development of asingle phase spwm microcontroller-based inverter,” in Power and EnergyConference, 2006. PECon ’06. IEEE International, nov. 2006, pp. 437–440.

[2] M. Tajuddin, N. Ghazali, I. Daut, and B. Ismail, “Implementation ofdsp based spwm for single phase inverter,” in Power Electronics Elec-trical Drives Automation and Motion (SPEEDAM), 2010 InternationalSymposium on, june 2010, pp. 1129 –1134.

[3] N. Mohan and T. M. Undeland, Power Electronics: Converters, Applica-tions, and Design, 2nd ed. United States of America: John Wiley andSons, Inc., 1989.

[4] A. Afarulrazi, M. Zarafi, W. Utomo, and A. Zar, “Fpga implementationof unipolar spwm for single phase inverter,” in Computer Applicationsand Industrial Electronics (ICCAIE), 2010 International Conference on,dec. 2010, pp. 671 –676.

[5] Microchip Technology Inc., “Motor control pwm,” Tech. Rep., 2007.

Gbr. 9. Hasil eksperimen tegangan keluaran inverter

ISSN 2301 - 4156 Yohan Fajar Sidik: Sinusoidal Pulse Width Modulation...