TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5268 ~ 52 7 4   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.436 7          5268     Re cei v ed Se ptem ber 10, 2013; Revi se d F ebruary 1 4 , 2014; Acce pted March 5,  2014   A New Anti-Windup PI Controller for Direct Torque  Control System      MIAO Jing-L i *, LI Qi-meng  Heb e i Un iversit y  of Eng i ne eri n g, Chin a   *Corres p o n id n g  author, e-ma i l : 8716 66 238 @ qq.com       A b st r a ct  Spee d c ontrol l e r i n  i nducti o n   motor  dir e ct torqu e  c ontro l (DTC) syste m   usu a lly  ad o p ts th e   traditio nal PI c ontrol l er. But the trad itio nal P I  controll er h a s  character i st ic  of non lin ear s a turation, w hat  w ill   m a k e  the control perfor m ance of actual s ystem  be com e  worse. In or der to  improv e system  control  perfor m a n ce, this p aper  ad op ts a new  type  Anti-W ind up PI  control l er, T h i s  meth od s e p a rately co ntrol t h e   integr al state  b y  feed  back i n g  the  outp u t of  the i n tegrat or t o  the  in put  por t of the  inte gra t or accor d in g t o   whether the contro ller output is saturated or  not, which can m a k e  the system  leaving satur a tion as soon as   possible. As  a result, the  oversh oot and settling tim e  of the syst em  ar e reduced. Simulation  and  exper imenta l  r e sults s how  th at this  metho d   can s i gn ifica n tl y sup p ress  the  inte gral  w i nd u p  p h e n o m e n o n  as   w e ll as re duc the overs h o o t and s horte n th e settlin g ti me.  T he new  Anti- W indu p PI con t roller  has  a b e tter   perfor m a n ce th an the traditi on al PI controll er.    Key wo rd s:  induction motor; direct to rque control; PI controller;  Anti-Windup; simulation    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Dire ct torq ue  control (DT C ) te chnol og y is  a high-perfo rman ce  AC spe ed regulatin techni que. It  appe ars later than the vector co ntrol  technolo g y. But  comp ared wit h  vector cont rol  techn o logy,  DTC technol ogy will  not b e  re stri cted  b y  curre n t re g u lator  ban dwi d th. So the to rque   dynamic resp onse is faster and not  sen s itive to  the change of the  param eters of motor [1-5]. But  a typical spe ed cont rolle r of DTC syst em usu a lly  use s  PI controller. Whil e the tradition al   PI  controlle r doe s not  con s id e r  the up pe r li mit of ac tual t o rqu e . Wh en  the mutation i n  the spee d i s   happ ened, PI  co ntrolle wil l  output a  big  torqu e . Bu actually the   motor  ca n’t o u tput such a  big   torque. It will  make the p e rform a n c e o f  the  system  become  worse. We call this phe nom en on  Wind up   [6-10] To solve this  probl em, this pape r ado pts a new type Anti-Win dup  PI controlle r. The ne w   controlle r can   qui ckly exit  the saturated zon e So  a s   to reali z e  the  red u ci ng  of  overshoot  an faster respon se spee d   [11-14].      2. Ne w   Anti-Windup PI Controller   In the inducti on motor, the  relation ship  betwe en spe ed and torqu e  is:     * () EL TT d dt J J B                                                                                 (1)    Usi ng s-fun c tion ca n be ex pre s sed a s   * () E L TT Js B                                                                                         (2)      In the  equ ation,    is angu lar vel o city of  the m e chani cal  roto r,  J  i s   the mom ent  of ine r tia   of the m o tor,  B  is th e Viscous fri c tion  coefficient,  T E *  is th e give torque  of th motor,  T L  i s  t he  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A New Anti-Wind up PI Controlle r for Direct To rqu e  Control Syste m  (MIAO Jing-Li)  5269 load torq ue,  J / B  is  c a lled th e  me c h anic a l time  c ons ta n t. L e t   k m = J / B , that is  to s a k m  is  mech ani cal t i me con s t ant .   Traditio nal PI controller i s   affected by  the Wi ndup  p henom eno n, its equivale nt on the   output sid e  joined a limiti ng functio n   T E   *  ( u ). Equation (3 ) is the  ex pressio n . Figure 1 is the  function of th e   corre s po nd ing cu rve. Fig u re 2 is the P I  controlle r st ructure with a  saturation lim it.       max m ax * max sgn( ) , , E Tu u T Tu uu T                                                                 (3)    In this equati on,  u  is the o u tput of traditional PI controller, sg n( u ) is  the s i gn func tion.           Figure 1.  The  Function  Cu rve of  T E * ( u     u * E T * e B Js 1 L T p K i K s 1     Figure 2.  T r a d itional PI Co ntrolle r Struct ure with a Sat u ration Li mit       To inhi bition  the saturation ph eno me non, this arti cle int r od uce d  a n e w typ e  Anti -  Wind up PI co ntrolle r, figure  3 sho w s the control  blo c k diagram. Accordin g to the Figure 3, Wh en   u  =  T E   * ,  swi t ch S will be closed, S 2  will be opened. The  cont roller  turns into the typical  PI  controlle r. When  u  >  T E   * ,  swit ch S 2 will  be closed, S 1  will be opened. The out put multiplied  by  a   coeffici ent an d then n egati v e feedba ck to the inp u t.  So that the inte gral o u tput ca n co nverg e s t o   zero ra pidly.     p K i K s 1 C B Js 1 1 S * L T e i * E uT * E uT * E T u 1 k 2 S     Figure 3.  The  New  Anti -Wi ndup PI Cont rolle r Structu r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5268 – 52 74   5270 The  in the Figure 3 i s  inte gral state. Its  expre ssi on is:     , 1 i s n s n K eu u s i iu u k                                                                                    (4)    In Equation (4),  K is integral con s tant.  k  is the integra l  feedba ck g a i n coeffici ents. And  k K i << k m     3. Stabilit y  Anal y s is   If the system  is  stable, th e sy stem mu st m e e t  tw o   c o nd itio ns . F i r s t th e s y s t em in  th linear  regio n  is stable. Seco nd the system coul d conve r ge nce  to the linear are a  from  the  saturated zone. If  two conditions are sati sfied at  the same time, the system will be stable.     3.1. First Co ndition   In the linea r, the ne w Anti-Wind up PI co ntrolle r is the  same  as tra d itional PI co ntrolle r.  At this time th e error  can b e  expre s sed  as:     * () 1 () p L mm K iT ee kJ k J                                                                       (5)      Lyapun ov function is d e fine d as follo w:    2 2 0 1 () 1 (, ) 2 i ii Le i J e K                                                                             (6)      In the Equation (6 ),  i is  i ’s stable value,  so:    *2 10 (, ) ( ) ( ) p L K Le i e B T i B e J                                                                  (7)    * 0 L iB T                                                                                          (8)      In the linear, it always meet s:     2 0m a x (, ) 0 Ve q iT                                                                                          (9)      To sum u p , the controlle r’s  stable  con d ition in the line a r is:     * ma x L TB T                                                                              (10)    3.2. Second Conditio n   In the saturated zo ne, we  can g e t the ex pressio n  of error fro m  Equation (1 ).     * * () EL mm TT e e kJ k                                                                           (11)    From e quatio n (4)  we can  get:    i i k                                                                                      (12)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A New Anti-Wind up PI Controlle r for Direct To rqu e  Control Syste m  (MIAO Jing-Li)  5271 Be c a us e o f   k << k m , the d y namic  sp ee d erro r i s  far slo w e r  tha n  the integ r al  dynamic  state. That is  to sa y, the integral  state  i  wa s immedi ately set to zero whe n  the controlle r is in  the  s a turated zone. So:    p p uK e i K e                                                                                    (13)    If  E b = T max / K p . From E quati on (13),  we  can find that,  whe n  | e |<= E b  the co ntroll er is in th linear, when | e |> E b  the con t roller i s  in the saturated zone.   Lyapun ov function is d e fine d as follo w:    2 2 () 2 e Le                                                                              (14)    After the deri v ation:    2 * 2* () () EL mm Le e e TT e e kk J                                                                           (15)    Take Eq uatio n (2) a nd Equ a tion (13 )  into  Equation (1 5 )     2* ma x 2 * 2 ma x () ( ) () L mm L mm Te T e Le e kJ J k TT e e kk J                                                                          (16)    Becau s e of 1 () 0 Le , only need to meet:    * ma x 1 {( ) } mL ek T T J                                                                   (17)      So we ca n ge t the conditio n   * ma x m ax L p B TB T T K                                                                  (18)      Comp ared E quation  (10 )   and Equ a tion  (18 ) , we  ca n se e that a s  lon g  a s  th e syste m   meet Equatio n (10 )  must  meet Equatio n (18 ) . So Equation (1 0) i s  the stable  co ndition.   To sum u p  we can g e t the stable  con d ition as follo w:     * ma x L TB T                                                                            (19)      4. Modeling and Simulation  Matlab/Simuli nk is u s ed t o  carry out the modeli n g  and simul a tion. Figure 4  is the   stru cture ch a r t of the DTC system  with  the new Anti -Wind up PI co ntrolle r. First  of all, accordi ng  to Figu re  the mod e l o f  indu ction  motor  DT system  with  tradition al  PI controller wa establi s h ed.  And then  the  model  of the  new Anti-Win dup PI  cont ro ller  wa s e s tab lishe d, sho w n  in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5268 – 52 74   5272 the Figu re 5.  Finally the n e w Anti-win d up PI co ntro ll er repla c e d  the tra d itional  PI controller,  so   that we ca n g e t two differe nt simulation  diagram s of speed respon se.    c b a s s s , , a i b i d c U  s i s e T  s U * e T * IM a u b u T d d s     Figure 4.  The  Structure  Ch art of the System          Figure 5.  The  New  Anti -Wi ndup PI Cont rolle r Simulati on Dia g ra m       5. Simulation and Experi ment  5.1. The Simulation Re su lts   Motor  param eters a r e li sted a s  follo ws: th e stat or  re sistan ce   R s =2.5 , the rotor  resi st an ce   R r =2. 7 , the  st ator in du ctan ce  L s =0.3 325 mH, the  roto r indu ctan ce  L r = L s = 0.33 25 mH,  the mutual  inducta nce   L m = 0.319 4mH, the l ogarith m ic  P =2, the moment of inertia  J =0.008 6kg.m 2 . PI para m eters is  sa me in the t w cont rolle rs,  K p =1 K i =10. The i n te gral  feedba ck gai n co efficient s in the n e w Anti-Win dup  PI cont rolle r i s   k =0.95. Th maximum o u tput  torque  of the motor is  T ma x =10N.m, discrete  sam p lin g peri od is 5 0 s . The stator flux linka g e   given value is  * = 0 .8Wb.  Inductio n  mo tor is sta r ting  with no load , but the load torque  will become 4 N .m at 1s.  Speed i s  0 at  the begin n in g, then step t o  400 rad/ s at  0.1s. Figu re  6 is the resul t s of simul a tion   grap hs. Fig u re 7 and Figu re 8 are the p a rtial enla r ge d figure s From  Figu re   7 we  can  se e that, tra d itional  PI  co ntroller’ s ove r sh oot am ount  o f  spe e d   respon se  re a c he d 17.5%  and a d ju stme nt time is  0.6 s , but the  ne w Anti-Wind u p  PI cont rolle r is  almost  no ov ershoot  amo unt of spee d  re spo n se  an d adju s tme n t time is  only  0.25s. F r om  the  simulatio n  re sults  can be see n the ne Anti-Win du p PI controll er’s  control p e rform a n c h a very obvious  advantag e.  From  Figu re  8 we can  se e that, wh en  the loa d  tu rns i n to 4 N .m , the two  cu rves a r simila r. Two t y pes of co ntroller’ s ability to  resi st load  disturban ce i s  almo st the same.   q TE * 1 u Su m P P r o por t i on al 1 s I n t egr al Ac t i o n q& q If  A c t i o n Su bs y s tem 1 Ac t i o n e& q If  A c t i o n S ubs y s t e m u1 i f ( u1 ~ =  0) el s e If 2 1 e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A New Anti-Wind up PI Controlle r for Direct To rqu e  Control Syste m  (MIAO Jing-Li)  5273     Figure 6. Simulation Result           Figure 7. Partial Enlarg ed  Grap h of Spe ed Step Re sp onse         Figure 8. Partial Enlarg ed  Grap h of Join ing the Loa d       5.2. Experimental Result  On  the ba sis of  theoretical  analysi s   a nd digi tal si mulat i on, this  arti cl e ha ca rrie d  on the   corre s p ondin g  expe riment al re se arch.  Experiment  system ad opt s the  spe c ial  motor control  digital sign al pro c e s sor T M S320F2 812  as the co ntroller. Pro c e s sor T M S320 F2812  with RS -  232 serial  co mmuni cation  ports  will be collecte d  expe rimental d a ta transmitted to the PC.  The motor p a ram e ters are the same.  The  stator flux linkage a m plitude to 0.8 Wb.   Speed given  value for 50 rad/s = 4 77.5  r/min. The loa d  is abo ut 1 N.m.  Figure 9 to  1 0  are the  experim ental  re sults.  T he  experim ental  re sults and  si mulation   results a r e co nsi s tent. It validates  the  correctn ess of th is method.     0 0. 1 0. 2 0. 3 0. 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 1.1 1.2 1. 3 1.4 1.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 t/ s ω / (ra d / s )     t r adi t i onal  P I  c ont r o l l e r n e w  A n ti - W i ndup P I  c o n t r o l l e r g i v en s p eed 0.2 0.3 0. 4 0. 5 0.6 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 t/s ω / (rad / s )     t r adi ti onal  P I   c ontr o l l e r new  A n t i - W i ndup P I   c ontr o l l e r gi v en s peed 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 37 0 37 5 38 0 38 5 39 0 39 5 40 0 t/s ω / (ra d / s )     new  A n ti - W i ndup  P I  c ontr o l l e r gi v en s peed tr adi ti o nal  P I  c ontr o l l e r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5268 – 52 74   5274     Figure 9. Experime n tal Re sults of  Conve n tional  PI Controlle r with Saturatio n   Limits  Figure10. Experim ental Result s of Ne w Anti- Wind up PI Controlle     6. Conclusio n   The traditio n a l PI controlle r ha s integ r al  saturation p r oblem, so this pap er a dop ts a ne type Anti-Wi ndup PI con t roller. And the co ndition   for the sta b ility of the  system i s  given.  Simulation  an d expe rime ntal re sult sho w  that, th e  ne w Anti-Win du p PI controll e r   can  re du ce  or  even eliminat e oversho o t amount of  sp eed respon se , and sh orten s  adju s ting ti me. At the sa me  time, the co ntrolle r also  has the a d vantage s o f  simple structure and  easy to project  impleme n tation.      Referen ces   [1] T a kahashi  I N aguc hi T A N e w  Quick-res p onse  and  Hin g - efficienc y C o n t rol Strateg y  of  an Inducti on   Motor.  IEEE Transacti on o n  Inductio n  App lica t ions (S00 93- 9 994).  19 86; 22( 5): 820-8 27.   [2]  M.Depe nrock. Direct self-co n t rol of inverter- f ed machi ne.  IEEE Transactions on Power  Electronics.   198 8; 3(4): 420 -429.   [3]  W ang  Hua n -g ang,  Xu W e n-l i , Li  Jia n , et  a l A n e w  ap pr oach  to  direct  torqu e  c ontrol  of i n d u ctio n   mac h i nes . Pro c eed ings  of the CSEE. 2004; 24(1) 10 8-11 1.  [4]  S T a rbouriec h , M T u rner. Anti- w in du des ign:  an  overv i e w   of some  r e cent  adv ance s  an d o p e n   prob lems.  IET   Contro l T heory  and App lic atio ns . 2009; 3( 1): 1-19.   [5]  Sudh akar Am bara pu, M Vij a ya Kum a r. N eura l   Net w o r k  Contro llers  in  DT C of S y nc hron ous Mot o r   Drives.  T E LKOMNIKA Indone sian Jo urna l of Electrical E ngi neer ing . 2 013;  3(3): 311- 32 0.  [6]  Yang   Min g , Xu  Di an- guo,  Gui Xi an-g uo.   Revi e w   of c ontrol  s y stem  anti- w i n dup  desi gn.  El ectri c   Machi nes an Contro l. 200 6; 10(6): 62 2-6 2 6 .   [7]  Z hou  Hua- w e i,  W en  Xu-h ui,  Z hao F e ng,  et al. Pr edic a tiv e  a n ti- w i n d up  strateg y  for  PI-t y p e  sp ee d   control l er.  Elec tric Machin es a nd Co ntrol . 20 12; 16(3): 1 5 -2 1.  [8]  H w i-Be om Shi n , Jong-G y u P a rk. Anti- w in du p PID cont rol l e r  w i th integr al state  predict or   for  variabl e- spee d motor dr ives.  IEEE Trans. Industrial E l ectron ics . 201 2; 59(3): 15 09- 151 6.  [9]  JK Seok, KT  Kim, DC Lee. A u tomatic mod e  s w itch in g of P/PI speed cont rol for ind u str y  servo drive s   usin g onl in e spectrum an al ysis of torque c o mman d IEEE Trans. Industrial Electro n ic s . 2007; 54(5):   264 2-26 47.   [10]  Y Peng, D Vr ancic, R  Han u s . Anti- w i n dup,  bump l ess, an d con d itio ne transfer techn i ques for PI D   control l ers.  IEEE Trans. Control System s . 1 9 96; 16(4): 4 8 -5 7.  [11]  H w i-Be om Shi n . Ne w  Anti w i n dup PI contro ll er for varia b le- s pee d motor d r ives . IEEE Trans. Industri a l   Electron ics.  19 98; 45(3): 4 45- 450.   [12]  Yu Yanj un, C hai F e n g , Gao Hon g w e i, et  al. Design of  PMSM Sy ste m  Based on  Anti-W ind u p   Contro ller.  T r a n sactio ns of Chin a Electrotec hnic a l Soci ety.  200 9; 24(4): 66 -70.  [13]  Jong-W o o Chi ,  Sang-Ch eo l Lee. Anti w i n d up strateg y  fo r PI-ty p e spe ed contro ll er.  IEEE Trans.   Industria l Elect r onics.  20 09; 5 6 (6): 203 9-2 0 4 6 [14]  Miao Ji ngL i,  Huan g Xia o  Gu ang;  Yua n   Xia ngme ng.  Base d on Anti- w i n d up PI of brushl ess Dc moto r   control s y stem  desi gn.  T E LKOMNIKA Indone sian J ourn a l of  Electrical E n g i neer ing . 2 0 1 3 ; 2(12): 1 278 - 128 4.  0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 S p e e d /ra d /s 0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 S peed / r ad/ s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.