TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 9, September  2014, pp. 65 7 3  ~ 657 8   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i9.461 5          6573     Re cei v ed O c t ober 3, 20 13;  Revi se d May 18, 2014; Accepte d  Ju ne  10, 2014   The Research on Control Method of Variable Speed  System of Permanent Magnet Synchronous Motor      Li Qian-Yu* Zhang Rui-Ping Xiong Jian  Sch o o l  of A u to mati on & E l e c trica l  En gi n eer in g, La nz ho u Ji a o to ng  Un iver sit y , L a n zh o u ,Ch i na   *C orre sp on di n g  aut hor,  e-m a i l :  lq yzit on g@ 16 3.com       Abstrac t   In ord e r to so lv e the pr o b l e m that th e trad iti o na PI contr o l l e r  can n o t meet  the h i g h  p e rfor manc e   spe e d   c ontr o l   r e q u ir e m ent of per ma ne nt ma gn et  sy nc hr on ou mo to r, the  fu z z con t rol  the o r y i s  app li ed   to   the speed loop of speed  control system  of per m anent   magnet sy nchr onous mo tor,  and reali z ed t h par a m eters  tu n i n g   in  re al  ti me  of PI  co ntro ll er.  F i n a l l y,  by   me ans  of  th e s i mu lati o n   exp e r i me nt, th e s o l u ti o n   verif i e d  th e n e w  fu zz y  PI c ont rol sy ste m  h a go od r o b u st nes s to the sy ste m  loa d   an d d i stur ba nc e.    Key w ords :   p e rma n e n t   ma gnet syn ch ron o u s   mo to r,  p a r am e t e r s sel f  reg u la tin g ,  fu zz y PI, rob u s tn ess    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.  Introduction   Sine-wave pe rmanent mag net synchron ous mo tor (P MSM for short)has many features  like high po wer factor, sim p le structure, high e fficien cy, small size, high powe r  den sity, hig h   torque curre nt, the moment of ine r tia is lo w,  easy for h e a t dissipatio n  and  plann ing   maintenance. In recent years, with the dev elopment of microelectronic tech nology, power  electronics, micro-comput er technolog y, s ensor technology, rare earth permanent magnet  materials and  motor control theory, scholars begun  to  pay attention  to research a nd application  of permanent  magnet synchronou s moto r control  sy st em [1-2]. Meanwhile, in th e PMSM cont rol  system, the conventional PI cont rol can   not meet the requirement s,  and it can  no t achieve goo d   control effect  desired.   According to the fuzzy the o ry, we use fuzzy  PI controller as a speed loop controller in  the whole sy stem. And based on  the  simulation  experiments to  the system, we verified the   effective  and  feasible of th is methoed.    2.  Vector Contr o l Theor y  of  Permanent Magnet Sy nc hronous Motor  Esse ntially, vector  control aimed at  the  motor  stator  curre n t  vector pha se an amplitude  co ntrol. Thi s   re quire s esta bli s hme n of  dq  axis  mathe m atical  mod e l  of pe rma n e n magnet syn c hron ou s moto r [3]:               As can b e  seen f r om th e  mathe m ati c al mod e l, if the ex citati on  flux of perman ent   mag net  an dire ct-axis in du cta n ce,  cro s s-axi s  i ndu ct an ce  i s  d e te rmine d , th e m o tor to rq ue  ca n   be d e te rmi n e d  by sp a c e v e ct or of  stato r  curre n t is,  and th e ma g n itud e a nd p h a s e of i s  a r dete r mi ne d b y  id and iq, then it can b e  said th e mot o r to rq ue can  be co ntroll e d  by co ntrolli ng   id an d iq. An y spe ed  an d torq ue  corre s pon d s  to a  set of id*  and  iq*, by  co ntro lling t h e s e t w o   cu rre n ts, t h e   act ual  valu e i d  a n d  iq  woul d tra c kin g  th e  in stru ctio n v a lu e id an d i q *, i n  thi s   wa y,  we  re ali z e d  t he m o to r to rq ue a nd  sp ee d  co ntrol.   In thi s  pa pe r,  we  use id =0  co ntrol  strate gy. Co ntrol  system i s   sh o w n i n  Fi gu re  1 [4].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 73 – 657 8   6574 PI Sp ee     Co nt ro ll er PI Cu rr en co nt ro ll er In ve rs e Pa rk SV PW M Th re e - ph as in ve rt er M 3~ Cl ar ke Pa rk Po si ti on   se ns or Sp ee     ca lc ul at i o n     Figure 1. PMSM Vector Control Structure      3. Design of  Fuzz y  PI Controller   3.1. Th e Bas i c Principl of F u zzy  PI  Co ntroller   Curre n tly, PI  regul ator i s  o ne of the mo st  widely u s ed  controlle r, if the fun c tion of  input   error i s   e out put function i s   u then th e  time-dom ain  expre ssi on  of the relatio n shi p   betwe en  e  and  u  can be written as [5]:      u  e  e      Where:    is pr oportional coefficient,   is  in tegral c oeffic i ent,  1 /  is in tegration  time c ons tant.  However, the r e are  some thing wrong  with the con t rol quality o f  PI control, in a  condition, the  PI paramete r s may be optimal, bu t it may not be go od in another condition. So   the traditional PI controller is not able to   meet  the d y namic require m ents of effe ctive control.  Fuzzy PI controller is a combination of  conventional PI controller  and fuzzy co ntrol  theory. In  this  paper, we de signed a ‘2-in put(input erro r is e and error rate is  e ), 2-output(    and   )’ fuzzy PI controller as a speed regu lator,  the  principle is shown in Figure 2 [6-7].      co nv en tio na l   PI  c on tro ll e r PMS M   D riv e con t rol   sys t e m F U Z Z Y q u a n t i z a t i o n FU ZZ Y r eas o nin g FU ZZ Y d eci s ion     Figure 2. Schematics of Fuzzy PI Controller      Through the  real-time detection and calculat ion of speed of out put data, we can  obtain the speed error  e  and change rat e  of speed error  . We fuz z y  up   and  , a n d then   inputting  them into  fuzzy controller, by fu zzy in ference and de fuzzification we can get  incremental o f  PI controller   ,  Self-tunin g  controller p a rameters in  real time can be   realized throu gh formula (1).        K   K                                                                               (1)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Re se arch on Co ntrol  Method of Va riabl e Sp eed  System  of Perm anent… (L i   Q i a n - Y u 6575 Where:    and     are original set parameters of PI controller, which  1 1 . 7  140   3.2. Th e Cho i ce o f  Univ erse, Sc aling  Fac t o r  an Qua n ti zatio n  Fac t o r   The actual range of inputs  (error, erro change rate)  and outputs (control variable) of  fuzzy controller is called basic universe o f  variable.    We suppose the basic universe of error is  x x , the  basic universe of ch ange rate of  error is  x  x  th e basic universe of control volume   and   are  y  y   and  y  y    separately.  Let the basic universe of  fuzzy subset that error take is    , the   basic universe of fuzzy subset t hat change rate of error take is    , the basic universe o f   fuzzy subset that control vo lume    and    tak e  are    and    separately.    For fuzzy processing, input variables  need to be multiplied by the corresp onding  quantization  factor, so th e input variables fr om th e basi c  universe  are  co nverted to the  corre spon din g  fuzzy universe. K  represents quantiza t ion factor ge nerally, quantization factor  of  error is  , the   quantization factor of error  change rate is    , the  calculation  formula  is shown   as (2):      /   /                                                                                      (2)     Similarly, control variable derived by fuzzy  control al gorithm shoul d operate wit h  scale  factor, and th en, they can  be converted   to a basi c  uni verse that a  control object  can a cce pt. The   scale factor   of output control variable (  and   ) are    and   the calculation formula is  shown a s  (3):       /    /                                                                                     (3)     Design  of fuzzy controlle r, not only need  to have a good fuzzy control rul e , but a  reason able choice of qua ntization factor of fuzzy  controller inpu t variable and scale facto r  of  output control quantization  is also  very important. Th ere are exper iment conclusions shows that  the control e ffect of fuzzy controller is influenc ed  greatly by the size  of scale factor a nd  quantization factor, and relative relationships of  size between different quantization factors.    3.3, Desi gn  of F u zzy  Contr o l Rules   Fuzzy  control  rules are  ba sed on lo ng-st anding experi ence  and p r o f essional  kno w ledge  of operator, it is a langu age rep r ese n tation wh ich  reaso n ing i n  accordan ce with peopl e's  perception. Fuzzy rules are usually connec ted by a series of relative words.  The article ch ooses  seven conventional word s to describe input and out put  variables,  namely  {positive big, positiv e median,  positive small, zero , negative small, negative median,  negative big}, abbreviated as {PB, PM,  PS, ZO, NS  , NM, NB}. If  the vocabulary is too small, it   will make the variable description be comes  rough , which led  to poor perf ormance  of the  controller. But too much  vocabulary will make cont rol  rules becom e  so complex that brings rule   explosion pro b lem [10].  In the choice  of membership functions, in or der to simplify  the calculation, the  article   uses triangle  as membe r sh ip functions o f  input  and ou tput variables. Control rule s are  sho w n i n   Table 1, and  Table 2.      Table 1. Fu zzy Control Rul e s of  K   ec  NB   NM  NS   ZO   PS  PM  PB  NB   PB  PB  PM  PM  PS  ZO   ZO   NM  PB  PB  PM  PS  PS  ZO   NS   NS   PM  PM  PM  PS  ZO   NS   NS   ZO   PM  PM  PS  ZO   NS   NM  NM  PS  PS  PS  ZO   NS   NS   NM  NM  PM  PS  ZO   NS   NM  NM  NM  NB   PB  ZO   ZO   NM  NM  NM  NB   NB   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 73 – 657 8   6576 Table 2. Fu zzy Control Rul e s of  K     e        ec  NB   NM  NS   ZO   PS  PM  PB  NB   NB   NB   NB   NB   NB   NB   NB   NM  NB   NB   NB   NB   NB   NB   NB   NS   NB   NB   NB   NB   NB   NM  NM  ZO   NB   NB   NB   NB   NM  NS   NS   PS  NB   NB   NB   NM  NM  NS   ZO   PM  NB   NB   NM  NM  NS   ZO   ZO   PB  NB   NB   NM  NS   NS   ZO   ZO       4 .  Simu lat i o n   Re sea rc In the environ ment of Matlab / Simulink,  the simul a tion  model of permanent ma gn et  synchro nou s motor  vecto r  system  i s  est ablished, sho w n in Figu re  3.        Figure 3. Vector Control Simulati on Model of  PMSM  Based on Fuzzy  PI       Motor model  parameters shown in Table 3       Table 3.  P a ra m e t e rs of PMSM  Mot o r p a r am et ers  stat or resist anc e Rs   2.8 75 Ώ   stat or d - a x is in du ctanc Ld   0.0 08 5H   m o me nt  of  in er t i a J  0.0 08 Kg ·m 2   Exci tati on  fl u x   0.1 75W b   stat or q - a x is in du ctanc Lq   0.0 08 5H   num be of  p o le  p a irs   p       In order to verify the performance  of t he designed  system, the  article compa r ed the   fuzzy PI control with co nventional PI con t rol. Simu latio n  time is  set to be 0.2 s , the motor no -loa startup, the g i ven speed i s  2000r/min,  when time   co mes to 0.1s l oaded 4  N • m. Simulation   waveforms sh own in Figure 4-9.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Re se arch on Co ntrol  Method of Va riabl e Sp eed  System  of Perm anent… (L i   Q i a n - Y u 6577       Figure 4. Spe ed Curve under the Fuzzy PI  Control   Figure 5. Spe ed Curve under Conventional PI  Control       From the speed test results shown in Fi gure 4 and Figure 5, we can see that the  regulating time of Fuzzy PI cont roller system is shorter than the  traditional PI  control syste m   obviously, an d in the case of sudden load when the  time is 0.02s, the speed of fuzzy PI syste m   almost have no disturban ce and can  qu ickly return  to  equilibrium. It follows that, the fuzzy PI  controller that  we  design  is much  better  than t he conv entional PI controller in re sponse spee d   and capacity of disturbance rejection.            Figure 6. stator 3-phase Current Waveforms  under the con t rol of  fuzzy PI controller  Figure 7. stator 3-phase Current Waveform  under the con t rol of conven tional PI contr o lle     From the simulation results of three-phase st ator cu rrent waveform that F i gure 6 and  Figure 7 sho w s we can  see that under the contro l o f  the  fuzzy PI controller, th e three-phase  stator cu rrent s is la rge  after starting the  moto r and  su dden loading,  but soon  ach i eving stability,  and stability e ffect is be tter  than t he  traditional PI control system.      Figure 8. Torque Waveform under the control  of fuz z y  P i  c ontroller  Figure 9. Torque Waveform under the  Control  of Convention al PI Controller  0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.1 8 0.2 0 50 0 100 0 150 0 200 0 250 0 t/s n/ ( r / m i n ) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0. 1 0.12 0.14 0.16 0. 1 8 0.2 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 n/ ( r / m i n ) t/ s     0 0.02 0. 0 4 0.06 0.08 0.1 0. 1 2 0.14 0.16 0.18 0. 2 -60 -40 -20 0 20 40 60 t/ s i sa  i sb  i sc /A 0 0. 02 0. 04 0. 06 0. 08 0. 1 0. 12 0. 14 0. 16 0. 18 0. 2 -6 0 -4 0 -2 0 0 20 40 60 t/ s i sa  i sb  i sc /A 0 0.02 0.04 0.06 0. 08 0.1 0.12 0.14 0. 16 0.18 0.2 -10 -5 0 5 10 15 t/ s N m gq ( ) 0 0.0 2 0.0 4 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -1 0 -5 0 5 10 15 t/ s N m El e c t r o m a g n e t i c   to r q u e   Te   (N m ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  65 73 – 657 8   6578 From the loa d  torque waveform that F i gure  8 and Figure 9 shows we can see that both   the two syste m s have fluctuations  when starting, bu t load torque   of fuzzy  PI control  system   back to 0 N • m quickly, wh ile the load torque of c onventional PI control sy stem fluctuates ne a r   0 N • m, and  the pulse amplitude is greater; when  0.1s loaded 4 N • m,  the loa d  torque of fu zzy   PI control system restored  to 4 N • m qui ckly, t he traditional PI control sy stem fluctuates near 4   N • m, and th e pulse amplitude is greater.      5. Conclusio n   Replace  spe ed loop PI co ntroller in the   permanent  magnet synchronou s  mot o r vector  cont rol sy st e m  wit h  f u zzy  P I  cont roller there are outstanding advantages in making full use of  fuzzy control  in dealing wit h  impreci s e a nd comp lex sys tems  with  unc ertain  c o ntrol objec ts . In  improving the speed control performan ce of per man ent magnet synchronou s  motor, the fu zzy  PI control shows stro nger  advantages  than PI control. Finally, simu lation results sho w  that, the  control syste m  combined  with fuzzy co ntrol t heory is better than conventional PI control in  respon se spe ed, anti-interference ability  and other static and dynamic performance.      Referenc es   [1]  C H E N  R ong Pe rmane n t  magn e t  sy nch r on ou s mo to r con t ro l  sy ste m . BEIJIN G:  Chin W a ter  Po w e r   Press, 2009: 1-2.  [ 2 ]   CHE N Yi- g uang, YANG Bo,  SHEN Y o ng- h uan, GU  Xin.  Spe e d  Serv o S y stem of IPM S M Base d o n   F u zz y-P l  C ontr o l l er  w i t h  Vo lta ge B o o s ter.  J o urn a l of  T i a n j i n Un iver sity . 2006 ; 3 9 (8 ):  9 3 2 - 93 7 .   [3]  T A NG Ren- y u an. T heor y a n d  Des i g n  of  moder n p e rma nent m agn et  motor.  BEIJING: Ma chin er In du stry   Pre ss. 1997: 2 48-2 4 9 .   [ 4 ]   RONG Xiao-f e i. Study   on the PMSM Fuzz y   PI Co ntro l Meth od  bas e d  on M a tlab/ Sim u l i nk .   Micro c o m put er Infor m ati o n . 2 0 10; 2 6 ( 6 -1 ): 69 - 70.   [ 5 ]   RUA N Yi, C H E N Bo- s h i C ontr o l S y st em s of Ele c tric  Driv es:  Moti o n  Contr o l S y ste m s. BEIJING:  Ma chin e r y  In dustry  Pre ss.  2 0 0 9 45-46.   [ 6 ]   CHE NG  Mi ng, SHU Ya- g a n g KONG Xi an g- xin.  F u zz a dap ti ve  PI co n t ro l o f  sta t o r-dou bly - fe d   do ubl salient mot o r.   Electr ic M a ch in es a nd  Co ntro l .  20 08; 1 2 ( 6 ): 6 91- 69 5.   [ 7 ]   JI Z h i-ch e ng,  SHEN Y a n - xi a,  JIANG Jia n -g uo.A  nov el fu z z y  P l  i n tel l i g en t contro l met h od of B L D C M   speed serv o s ystem.   El ectric Mach i nes an d Co ntro l . 2 0 0 3 ; 7(3):  24 8- 25 4.   [8]  Ji  Z h i-c h e ng, Xue Hu a,  S h e n  Yan- xi a.  A Nov e F u zzy  Pl  In te ll ig en t Co n t ro l Stra tegy   o f  PMSM Spe ed  Serv o S y stem.  T r ans acti on s of  Chi n a El ectrot ech n i c a l  Soc i ety.  20 03; 1 8 ( 6 ):  53- 57.   [ 9 ]   DING W e n-s h ua ng,  H u  Y u - w e n ,   LU W en- qi,  LIANG  Ji a o - y a n F u z z y   PID P a ramet e r  Self-Tur ning  Control for PM SM Serv o Syst em .   Sma ll & S pec ia l El ectr ica l  Mac h i n e s . 20 11; ( 5 ): 1 7 -2 1.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.