Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 2, No. 3,  Jun e  201 6, pp. 522 ~ 52 9   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v2.i3.pp52 2-5 2 9        522     Re cei v ed Ma rch 5, 2 016;  Re vised  Ma y 2, 2016; Acce pted May 1 4 , 2016   Hardwa re Implementation of Induction Motor using  ANN Controller under Low Spe e d Operation       Saran y a R * , Thangav e S   Dep a rtment of Electrical  and  Electron ics En gi n eeri ng, K.S.Ran gasam C o lle ge of T e chnol og y,  T i ruchengo de,  T a mil Nadu, India   Phon e No: 82 2 011 01 35   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : saran y ar ama k rishn an9 3@g m ail.com       A b st r a ct   F o r the h i g h  p e rformanc e dr i v es the  artifici al  n eur al  netw o rk bas ed  Ind u c tion  mot o r is  prop osed .   Durin g  the  lo a d  vari ation, th e  perfor m a n ce  of the In d u ctio n motor pr ove s  to be l o w .  Intellig ent co ntro ller   provi ded  for c ontrol lin g th spee d of  in du ction  mo tor e s peci a lly  w i th  hig h  dy na mic   disturb ances.   An   effective sens o r less strategy  base d  on  artifi cial n eur al  n e tw ork controller  is deve l op ed t o  esti mate roto r s   positi on a nd to  regu late th e stator flux u n d e r low  s pee d, he lps to track the  motor s p e ed  accurate ly dur i n g   the w hole  op er ating r egi on. T he ov eral l co mbin ation  of  this  setup is s i mul a t ed i n  the MA T L AB/SIMULINK   platfor m . F i nal l y  an exper i m e n tal prototyp e of the  propos e d  drive h a s b een d e vel o p e d  to validate th e   perfor m a n ce o f  Induction M o tor and th e dyna mic spe e d  respo n se of  Induction  mo tor w i th propo sed   control l er w a s estimated for v a rio u s spee d a nd f oun d that the spe ed ca n be  contro lle d e ffectively.    Ke y w ords Ind u ction  motor, a r tificial n eura l  n e tw ork, Sensorless Spe ed C o ntrol         Copy right  ©  2016 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  The maj o Househol d app liances in clu d e  cloth  wa sh ers, ai r condi tioner s, refri g erato r s,  vacuum  clea ners, free zers, etc. The s applia nce s   h a ve [2] traditionally relie d on cla s sic el e c tri c   motor te chn o l ogie s  such a s  DC m o tors,  singl ph ase  AC ind u ctio n motors. Th ese  motors a r typically ope rated at  con s t ant-spee d di rectly fr om A C  main s. Consumers n o w d e mand  for l o wer  energy co st s, high er ef ficien cy, better pe rf orma nce, redu ce d acou stic  noise an d more   conve n ient. T he traditio nal  techn o logie s  can not meet  these  dema nds. Th e Ind u ction m o tor  in  these  appli c a t ions i s  b e co ming very  co mmon d ue to  the features of high  effici ency, hig h  flu x den sity per u n it volume and high po wer density due  to the absen ce of field wi nding in ad dition  the ab se nce  of b r u s he s lead s to   high  relia bility, low m a in tenan ce  req u irem ents a nd    electroma gne tic interferen ce probl em s [8].    In this pape r an effective sen s orl e ss  strat egy ba sed on artifici al neural net work is  develop ed to  estimate  sp e ed of i ndu ctio n moto r a nd t o  re gulate  th e stato r  flux u nder lo spe ed  and h e lp s to  track the  mot o spe ed a ccurately d u rin g  the whole  o peratin g regi on. Such con t ro redu ce s the  drive cost,  size an d maintena nce  requireme nts while in creasi ng the system  reliability and  robu stne ss.  To estimate  the  motor speed, Back  Propa gation  Network (BP N algorith m  is  use d  in ANN techni que f o r whole  op eration. T h is sen s o r le ss  vector  cont ro lled  indu ction mot o r d r ives  use d  for hi gh p e rforman c e i n d u strial  appli c a t ion; it improv es the  sp eed   of  the motor un der lo w sp ee d.      2. Proposed  Metho d   In these  pro posed  metho d  the  thre pha se i nput  sup p ly is giv en to  re ctifie whi c h   conve r ts AC  to DC an d is given to the DC lin k indu ctor to smooth en the DC voltage. The  DC  output voltag e is supplie to the three  p hase volt ag e sou r ce  inve rt er whi c h co n v erts DC  to AC   and th en  given to th e in ductio n  moto r. In an  Ar tificial  Neu r al   Network d e tects the th ermal   variation in the stator re si stanc e at different operating  condition. Th e voltage and  current sig n a l are  determin ed from  the  output of  the  inverter an d  is give n to t he three p h a s e to t w ph ase  transfo rmatio n which  con s i s t of  Cla r ke t r an sform a tion  (a bc to  αβ and Pa rk T r a n sformation  ( αβ   to dq).The vol t age and current signal s are given to   ANN controller  whi c h cal c ul a t e the error a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 3, Jun e  2016 :  522  – 529   523 to get the esti mated rotor position. In trai ning  data incl ude input/target data set s   is used to trai n   the pro c e s s.  The blo c k dia g ram  of the  p r opo se d sy stem is  sh own   in Figu re 1.   At each  sam p le  the neu ral n e twork o u tpu t  is co mpa r e d  with t he t a rget valu and the  wei ght co rrectio n  is  perfo rmed  to  minimize the   error bet wee n  the  tw o  val u es.  The  out put related  to  ch ang e in  d u ty  cycle  whi c h i s  given to  th e PWM  circui t. The PWM  gene rato r ge nerate s  th e p l use s   whi c are   given to the  gate d r iver.  Whe n  the firi ng inp u t is  gi ven to the vo ltage source  i n verter  ba se d on  the turni ng O N  an d OF F i n verter  switch, indu ct ion motor spe e d is  controlled even  un de l o spe ed op erati on.        Figure 1. Block di agram of  the propo se d  work      3. Simulation of the Pro posed Me th od  The Simulin k model of Indu ction motor d r ive us in g ANN cont rolle r is sho w n in Fi gure 2.    Inductio n  mo tor will p r o d u c e diffe rent t o rqu e wh en  the roto r is  runni ng at di fferent speed unde r va riou s load  conditio n and  DC  bu s voltag e u n d e ce rtain tu rn-on  an d tu rn -off switche s .   In   this wo rk a fe ed forward n eural n e two r k is cr eate d  wi th two neuro n s (set spe e d  and ch ang e  in  spe ed) in th e input layer and one ne uron in the  output layer  with one hid d en layer. T h e   activation fu nction s u s ed  for the inp u t neuro n are pu re lin ear an d the  tangent sig m oid  activation fun c tion is u s ed f o r output ne u r on.   F o r all gi ven training p a tterns the b a c k-p r op agatio n   training te ch nique adj ust s  the weight and bia s  in all con n ectin g  links so th at the difference   betwe en the  actual a nd tar get output is  minimized.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Hardware Implem entation of Induction  Motor u s ing  ANN Controll er und er L o   (Sa r an ya R)   524     Figure 2. Simulink  Diag ram  of Inducti on  motor d r ive using ANN con t roller      The te st sy stem is sim u lat ed un de r vari ous  low spee d condition s.  Figu re 3  sh ow th spe ed re sp on se of the indu ction moto r u s ing ANN con t roller.           Figure 3. Speed wavefo rm        4 Hard w a re  Implementation and disc ussions    De sign  of voltage  sou r ce in verter fed i n d u cti on  motor  drive u s ing A NN  co ntrolle r is al so   use d  to elimi nate the ha rmonics in the  stator  curren t and red u ce the ripple  co n t ent in gene rated   electroma gne tic torque.    The h a rdwa re re sult s fro m  the p r otot ype such a s  input a nd  o u tput wavefo rms are   analysed wit h  the help  of Digital Storag e O sc ill oscop e . Figu res  4(a) a n d  4(b )  sh ow  the   schemati c  diagra m   a nd o v erall  Propo sed Hardwa re   Setup of  th Indu ction  motor usi ng ANN  controlle r re spectively       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 3, Jun e  2016 :  522  – 529   525    (a)       (b)     Figures 4 Experim ental se tup, (a) Sche matic diag ra m, (b) overall prop osed ha rdwa re setup  of  the indu ction  motor             4.1. Voltage Source Inv e r t er    The main o b j e ctive of voltage source i n verter s is to  produ ce a n  AC output waveform  from a dc p o we r su pply. This type of wa veform s req u ired in Adjustabl e  Speed Drives,   Uninte rruptibl e  Powe r Sup p lies, an d voltage com pen sators, whi c h  are only a few ap plicatio ns.   For si nu soid al ac outp u t, the magnitude, fr equ en cy, and pha se shoul d  b e  controllabl e.  Acco rdi ng to  the type of a c  o u tput waveform the s e topologi es ca be co nsi d e r ed as  voltag e   sou r ce inve rt er, whe r e th e inde pen de ntly controlle d a c  outp ut i s  a  voltage  waveform.   Ou tp u t   voltage wave form i s  sho w n in Fi gure 5.  A 45 W Singl e -ph a se in du ction m o tor f ed by a  volta g e   sou r ce type inverter  wa s u s ed in the ex perim ental  se tup. The inverter was impl emented u s in g a  four IGBT po wer m odul e, AT mega microcontrolle r b oard of AT3 2 8  microc ontro ller pe rform s   the  control algo rit h m and ge ne rates th e PWM waveform s for the IGBT motor d r ive inverter  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Hardware Implem entation of Induction  Motor u s ing  ANN Controll er und er L o   (Sa r an ya R)   526     Figure 5. CRO output       4.2. Pulse Genera tion    The Pulse wi dth modulati on is a mod u lated  techni que that con f orm the widt h of the   pulse, formal ly the pulse  duratio n, b a se d on  mo dulator  sig n a l  informatio n. Although th is  modulate d  techni que can  be use d  to enco de inform ation for tran smissio n , its main use is to  allow the  co n t rol of the po wer  su pplied  to electri c al d e vice s, esp e c ially to inerti al load  su ch  as  motors, the term duty cy cl e describe s  the propo rtion   of ON time to the reg u la r interval or  pe riod   of time.             Figure 6. Switchin g plu s e s  Wavefo rm         The pul se  g eneration of  the voltage  sou r ce can  be obtai ne d by usi ng  ATmega  microcontroll er  T he Figu re   6 sho w the  input sw it chin g plu s e s . Ba sed o n  the  sp eed va riation   of  the indu ction  motor cl osed  loop c ontrol t he pul se can  be varied.     4.2. Driv er Circuit    The indu ctio n motor is p o we red  with the  help of d r iver ci rcuit. The output o f  voltage  sou r ce inve rter i s  conve r ted into  DC  whi c h i s   furt her  given a s  input to the   driver  ci rcuit. The  output of the  driver  circuit f o two  differe nt operating  spe ed of t he  motor i s  in trape zoid al sh ape   whi c h is  sho w n in Figu re  7(a )  and 7 ( b ) .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 3, Jun e  2016 :  522  – 529   527 (a)     (b)     Figures 7. Th e output wav e form for o p e r ating spee d of the motor at frequen cy   (a) 7 57.6 H z , (b) 1 63.9 H z         In the above  waveform, the frequ en cy d enoted i s  for  one full cy cle.  The ind u ctio n motor  is o perated i n  varia b le  op erating  spee d conditio n So the frequ ency  of the  motor i s  va ri ed for  different ope rating sp eed o f  the motor.     4.3 DC Link  Voltage Wav e form     DC lin k exits between  a  rectifier an d i n ve rter.  On   one  end, th e  utility con n e c tion i s   rectified  into  a high  voltag e DC. On  the  other end,  t hat DC i s   swi t ched  to ge n e rate  a ne AC  power waveform. It’s a link be cau s e it  conne cts the i nput and o u tp ut stage s.  The te rm  “DC link” i s   also  use d  to  de scribe the  de co u p ling  ca pa cito r in  the  DC li nk. T he  swit chin g net work  on the  o u tput sid e  ge nerate s  ve ry large  tran sie n ts at the  switching freque n cy.   The  DC li nk  cap a cito r h e l p s to  ke ep th ese t r an sie n ts fro m  radiati n g ba ck to th e input. Th DC  link voltage  waveform from  the SMPS is  sho w n in the  Figure 8.           Figure 8. Output of DC Lin k  Voltage         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     Hardware Implem entation of Induction  Mo tor u s ing  ANN Controll er und er L o   (Sa r an ya R)   528     Figure 9. View of Experim ental Setup       PWM wavefo rm from mi croco n trolle r is  then  amplifie d with op en  collecto r  opto  cou p ler  and fed to th e DC chop pe r thro ugh  an i s olato r  an d d r iver  chip. T h e DC chop pe r outp ut is giv en  to the armatu re of the  ind u ction  motor.  The vo ltag e  tran sform e con n e c ted to  the moto r shaft  gives a  DC  voltage prop ortional to th e sp eed, an d  this DC voltage i s  fed to  the ADC  of the  microcontroll er. The Experimental se tu p  used i s  given  in Figure 9.       5. Sy stem under Various  Opera t ing Speed Conditi on    The te st sy stem is sim u la ted un der va ri ou s o perating  conditio n, while  the In ductio n   motor is working unde r co n s tant load co ndition, the  current dra w from the input  supply is 0.8  A.  The expe rime ntal respon se s of an Induct i on motor  for  a step ch ang e in refere nce spe ed from  to  rated speed with ANN  c o ntroller    .           10(a )       10(b )     Figure 10(a)  and 10 (b ). Co ntrolling the S peed u nde r 1 1 79 rp m and  826 rp m re sp ectively      Figures  10 (a) and  10(b)  show th cont rolling  the  sp eed of th e in ductio n  moto r u s ing   ANN controll er  unde 117 9rpm  an d 8 2 6 rpm  respect i vely, While t he Ind u ctio motor i s   wo rking  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 3, Jun e  2016 :  522  – 529   529 unde r loadi ng  (LOW) load  con d ition, the current dr awn from the input supply is  0.849A. At th at  time the spee d maintai ned  as 8 2 4 r pm  (A ctual Sp eed for the  826 rp m (Set Spe e d ) a s   sho w n  i n   the Figu re 1 0 ( b). T he d e si gned  co ntroll ers were  i m pl emented  by u s ing  an Atmel  microcontroller.  The  rating of indu ction   motor  used  are  220/2 3 0 V , 45  watts,  and  24 00  rpm.  T he A N controlle r’s p e rform a n c wa s teste d  with the  ind u c tion moto r. The result are com pared  and   tabulated a s   sho w n in the  Table 1.       Table 1. Anal ysis of Simul a tion Re sult    Char ecter i stics  Simulation Resul t   Har d w a r e  Result  Speed         Phase Voltage            Linearl y  varied a nd settled do w n   slow l y  to th e refe rence speed  (870rpm )  (0 .065 ms)      The Phase Volta ge Waveform  is  exactl y  in tra pezoidal shape  The speed of t h e  motor is kept  varies under lo w   load  condition(861rp m )  b y   controlling DC link voltage w i th  the help of ANN  Control l e r(BP N ) ,  mi ni mum  oscillation occurs  The Phase Volta ge Waveform   is in trapezoidal  shape  w i th  minimum distortions                                                                                     6. Conclusio n   In this p ape r, the propo se d metho d  Vo ltage Sou r ce  Inverter fe IM drive u s in g ANN  controlle r u n der lo spe e d  op eration  condition   is ex perim entally i m pleme n ted  usin g AT  me ga   microcontroll er bo ard of A T  Mega 32 for a 45 W si ngle ph ase Indu ction mot o r. The p r op ose d   scheme  has sho w n satisfacto ry perf o rma n ce  for wide rang e of spee d  variation. The   comp arative analysi s  of the simulate d a nd exper i m e n tal re sults  shows t he effe ctivene ss of t h e   prop osed d r i v e system. T he propo se scheme i s   re comm end ed  solutio n  for t he ap plicable  of  low power Induc tion motor. In the future work re ne wabl e en ergy  like Sol a r, F uel cell  can  be   use d  a s  the rene wable  en ergy sou r ce for this  sy ste m  whi c h i s  u s eful to redu ce the d e ma nd of   electri c ity. It a l so re du ce s the pollution  a nd gre enh ou se effect.      Referen ces   [1]  KS Naren d ra  and K Parth a s a rath y. “Identifi c ati on a nd C o ntrol of D y na mic S y stems  usin g Neur al   Net w orks”.  IEEE Trans. Neural Networks . 1990; 1: 4-27.   [2]  Z u rada JM. “ Introducti on to Artificial N eur al S ystems ”. Mum bai: Jaic o Pub l i s hin g  Hous e. 1 992.   [3]  Zak y  MS. “Stabilit y Ana l ysis  of Speed a nd  Stator  Resista n ce Estimators  for Sensorles s  Induction   Motor Drives”.  IEEE Trans. In d. Electron . 20 12; 59: 85 8–8 7 0 [4]  Gadou e SM, G i ao uris  D a n d   F i nch JW . “MR AS Sen o rl ess   Vector C ontrol   of an  Ind u ction  Motor  usin g   Ne w  Sl idi ng-M ode  and F u zz y-L o g i c Ada p ta tion Mech an is ms”.  IEEE Tra n s. on Energy  Convers i on 201 0; 25(2): 39 4-40 2.  [5]  Ibrahim Moh d  Alsof y an i, Nik Rumzi Nik Idris .  “S imple F l u x  Reg u lati on for Improvin g State Estimati o n   at Ver y  L o w  an d Z e ro Spee of a Spee d Se nsor l e ss Direct   T o rque Co ntro l of Inductio n  Motor”.  IEEE  T r ansactio n s o n  Pow e r Electronics . 20 15; 18 (2).  [6]  F Balaabjerg, M Lise rre  an K Ma. “Po w er  Electron ics Co nverters for W i nd T u rbine S ystem”.  IEEE   T r ans. Ind. Appl . 201 2; 48(2):  708-7 19.   [7]  Bazzi AM, Bu yukde g irme nci  VT , Krein PT . “S y s tem-L eve l   Po w e Loss  S ensitivit y t o  Va rious  Co ntro l   Varia b les  in V e ctor-Co n troll e d Inducti on M o tor Driv es”.  IEEE Trans. Ind. Appl 201 3;  49(3): 1 3 6 7 - 137 3.  [8]  Khob ara gad T ,  Barve A. Enha ncem ent  of po w e r s y stem stabil i t y   u s ing fuzz y l o g i c control l er.   Internatio na l Journ a l of Pow e r El ectronics a nd Driv e System (IJPEDS) . 2012: 2 (4): 38 9 - 401.   [9]  Buja  GS a n d  T odesco F .   “Neura l   net w o rk impl eme n ta tion  of a  fuz z y   lo gic c ontr o ller”.  IEEE   T r ansactio n s o n  Industria l Ele c tronics . 199 4; 41(6):   66 3– 665   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.