TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3560 ~ 35 6 9   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.3999          3560     Re cei v ed  Jul y  24, 201 3; Revi sed  De ce m ber  15, 201 3; Acce pted Janua ry 4, 20 1 4   A Conv enient Control Strategy of Bearingless Induction  Motor Based on Inverse System Method      Wen - sh ao Bu*, Chun-xia o  Lu, Cong-li n Zu  Coll eg e of Information En gi ne erin g, Hena U n iversit y  of Sci ence a nd T e chnol og y,   Luo ya n g , 471 0 23, Chi na    *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l w s b u @ 163.c o m        A b st r a ct   T o  achiev e th e reli abl e cont rol of be arin gl ess ind u ctio n motor w h ic h i s  a mu lti-vari a b le a n d   non lin ear  obj e c t, a conve n ie nt deco u p lin control stra te g y  base d  o n  i n v e rse syste m   method  is pr op o s ed.  The revers ibi lit y of four-p ole t o rqu e  syste m   w a s analy z e d and th e i n vers e syste m   mod e ls w e re a n a l y s ed   also. The n  the  torque syste m  w a s dec ou p l ed i n to tw o se cond- order  lin e a r subsyste m s :  one is th e ro tor  spee d syste m ; anoth e r is the  rotor flux system. The s u s p e n sio n  contro l s ystem a d o p ts neg ative fee d b a ck   control strate g y , and the re qu ired a i r-ga p  flu x  linka ge  of torque syste m  w a s obtai ned fro m  the r o tor flux  an d   stator current ontim e; finally,  synt hesis and sim u lation of the decoup ling control system  for bearingless   ind u ction   moto r w e re rese arc hed. S i mul a tio n  resu lts hav e  de mo nstrated  that  go od  per forma n ce c an  b e   achi eved. T he  prese n ted co nt rol strategy is feasi b le.      Ke y w ords :   bear ing l ess in ductio n  motor, reversibi lity a nal ys e, conve n ie nt control s t rategy, decou plin g   control system ,  synthesis and  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  Based  on th e  simila rity of magneti c  be a r ing  and  usua l motor’ s stat or, Bea r ingle ss  motor  is p r o posed  [1-5]. Bea r in gless m o tor is  a ne wly type   of ele c tri c  ma chin with  su spe n si on  co n t rol  windi ng s em bedd ed in t he stato r   sl ots alo ng  wi th the conv entional  mot o windi ngs.  In   beari ngle s motor, the  u s ual moto win d ing s  a r e  call ed to rque   win d ing s , wit c will p r od uce u s ua l   torque  mag n e tic field; a n d  the suspen si on cont rol wi nding will p r odu ce  su spe n sio n  ma gnet ic  field. By the i n tera ction  bet wee n  to rque   magneti c  fiel d an su spe n s ion  ma gneti c  field,  the  ra dial  suspensi on f o rce  will  come into being [1], [6-7 ]. Because  of  t he structure compl e xity,  the  mathemati c al  model  of be aringl ess m o tor i s   so com p lex;  there a r e cro s s-co u p ling s   bet we en  multi-varia b le s. In  ord e r to a c hieve  g ood  co nt rol   perfo rman ce  of b eari ngl ess m o tor, i t  is  necessa ry to achi eve the d e co upling  bet wee n  rele va n t  variables. T he inverse  system metho d  is  an effective d e co upling  me asu r e fo r mul t i-variabl e an d nonli nea r system, and it s ba si c ide a   can   be de scribe d  as followi ng : based o n  the origi nal system model , the inverse  system can  be  con s tru c ted,  and the  inve rse  sy stem  can  be  used  to co mpe n sate the o r igi nal sy stem i n to   several de co upled line a subsy s tem [8].   In the pap er,  the inverse  system metho d  w ill be  appli ed to the vari able fre que ncy spee d   adjustment system of three-phas e bearingl ess induction m o tor.  The reversi b ility of four-pole  torque   syste m  was an alyzed  ba se d o n  rotor flux o r ientation,  an d the  inverse  syste m  m e tho d   wa s analyze d also. Then  the torque system will b e  deco uple d  into two secon d -o rd er linea sub s ystem s :  one i s  the  rotor  sp eed  sub s yste m; anothe r i s   the roto r flu x  sub s ystem ;  for  conve n ien c e,   the su spe n si on cont rol sy stem w ill  ado pt neg ative fe edba ck  cont rol st rategy, a nd  the requi red   air-gap  flux li nka ge  of  torq ue  system  wil l  be  cal c ul ate d  onli ne f r om   the rotor flux  and   stator  current  of torque sy stem.         2. Mathema t i cal Model of  Bearin gless  Induction M o tors    2.1. Working  Principle of Bearin gless  Induction M o tor    Bearin gle ss i ndu ction mot o r is  a ne wly  type of  electri c  ma chin e th at there a r e t w sets  of windi ng with a differe nce in p o le-pair numb e rs  em bedd ed tog e ther i n  its  stat or  slots: to rq ue   windi ng s (wit h pole  pai p and ang ular  frequ en cy  ω 1 ), and  su sp e n sio n  control  windi ng s (wi t h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Convenie n t Control Strat egy of Bea r in gless Indu ctio n Motor Ba se d on… (Wen -sha o Bu)  3561 pole pai p 2   and a ngula r  f r equ en cy  ω 2 ). Relevant re sea r che  re sul t s sh ow th at only whe n  two   sets  of win d in gs me et the q ualificatio n of  “ p 2 =  p 1 ±1 ω 1 = ω 2 ”, an d th e two  sets  of magneti c  fiel ds  prod uced by  two sets of  winding s rotate  in the sa me  dire ction, can  the ra dial force that  can  b e   stably controll able b e  p r od uce d  [1], [8-1 0]. By  the intera ction  between to rqu e  m agneti c  field  and   su spe n si on  magneti c  fiel d, the di stribu tion of co mpo s ite ma gneti c  field in ai r-g ap was chan ged,  then a radi al force g ene rat e s pointin g to the di rectio n  of the magnetic field enh ancement, thus  the stable  su spe n si on of the roto r sh aft is achi eved.   In the pa per,  beari ngle s s i ndu ction m o tors combin ed  4-p o le to rqu e  win d ing s  a nd 2 - pol e   su spe n si on  control  win d in gs  are  select ed a s  the  obj ect for stu d y. Figure 1  sh o w s the p r in cip l e of  the magneti c  su spe n si on force gen eration for an  ind u ction - type b earin gle ss m o tor. Wh en to rqu e   windi ng s an d  su spe n si on  control  windi ngs  are ele c t r ified by  I 1 ,  I 2 , they will generate  4-pole f l ux  linkage  ψ 1  an d 2-p o le flux linka ge  ψ 2 . Here,  α  a nd  β  r e pr es e n t  th e a x is  fo r  r o tor d i s p lac e me nt   control. At no-load  situatio n,  if the susp ensi on co ntro l winding s are electrifie d the cu rre nt  I 2  in  the dire ction  as  sho w n i n   Figure 1, on t he up per  of ai r gap, th e air  gap flux lin ka ge de nsity wo uld  be increa se  becau se of  ψ 1  and  ψ 2  in the area point ing to the sa me dire ction.  But on the lowe side, the flux linka ge de nsit y decre ases f o ψ 2  being in  the oppo site dire ction with  ψ 1 . Therefore ,   the radi al el ectro m ag neti c  force  F β   is gene rated a l ong  β -di r e c tion due to th e imbalan ce  of  magneti c  field. The radi al force in the o ppo site  β -dire c tion would b e  prod uced when suspen si on   control win d i ngs a r e ele c t r ified  the cu rrent whi c h co ntrary to  I 2  in  Figure1. In the same  way, the  radial fo rce al ong  α -di r e c tio n  can b e  gen erated al so.            Figure 1. Prin ciple of Mag n e tic Susp en si on Forc e G e n e ration of Be aringl ess Ind u ction Moto     2.2. Mathem atical Model s  of Four -pol e Torque Sy stem    The pri n ci ple  of torque g eneration for beari ngl e s s indu ction mot o r is  simila with the   conve n tional  indu ction mot o r. The m a th ematical  m o d e l of torque  system co nsi s t s  thre e pa rts  in   d-q  coo r din a te, whi c h is vo ltage equ atio ns, flux linka g e  equatio ns  a nd torq ue e q uation s . Voltage  equatio ns a r e  sho w n a s  Equation (1 ).     11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 0 0 sd s s d s d s q sq s s q s q s d rd r r d r d s r q rq r r q r q s r d UR i p UR i p UR i p UR i p                                                                                               (1)    Whe r ω is t he rotation  a ngula r  sp eed  of the d-q sy sn chrono us  referen c e fra m e;   ω s   is   the slip angl e  frequen cy,  ω s = ω 1 - ω ω   is the ang ular  sp eed of the rot o r;  i s 1 d i s 1 q  a nd  i r 1 d i r 1 q  are  the stator cu rre nt comp on ent and the rotor cu rr ent comp one nt of the torque windi ng s in d-q   referenc e frame;  U s 1 d U s 1 q  and  U r 1 d U r 1 q  are th stator volta g e  co mpon ent  and the  rot o r   voltage co mp onent of the t o rqu e  wi ndin g s in d - refe ren c e frame;  ψ s 1 d ψ s 1 q  and  ψ r 1 d ψ r 1 q  are   the comp one nt of the stator flux  linkag e  and the rot o r flux linkag e  of the torqu e  windi ng s in  d-q   referenc e frame;  R s 1 R r are the  stator and roto r re sistan ce;  p  is the differential  operato r .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3560 – 35 69   3562 Equation (2)  sho w s the rot o r flux linkag e  equatio n.     11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 s d ssd m r d d s s d sq s s q m r q q s sq rd m s d r r d d r l r d rq m s q r rq q r l r q L iL i L i Li L i L i L iL i L i Li L i Li                                                                                               (2)    In Equatio n (2):  ψ 1 d ψ 1 q   are th e ai ga p flux  comp o nent of  the t o rqu e   windi n g s i n   d-q   referenc e frame;  L is the  mutual in du ction b e twe en  stator  and  rotor in  d - refe rence fra m e;  L is  the self-ind uction of the  st ator,  L s =L m +L sl;   L s   i s  the  self-indu ction   of the rotor,  L r =L m +L rl  L sl L rl   are the lea k a ge indu ction  of  the stator a nd the roto r.   Equation (3)  sho w s the To rque e quatio n .       11 1 1 1 () m er d s q r q s d r L Tp i i L                                                                                                        (3)    Whe r e,  p 1  is the pole - pai rs  of the torque  windi ng s.     2.3. Mathem atical Model s  of T w o - pol e Suspensio n  Sy stem   The ra dial ma gnetic  su spe n sio n  forces  of  the bearin g l ess motor  ca n be expre ssed as  following [9, 10]:      21 2 1 21 2 1 () , ( ) ms d d s q q m s d q s q d FK i i F K i i                                             (4)    Whe r K m  is  t he levitation force c o effic i ent that is  relat ed to the stru cture of the m o tor.   In addition, there is a n  eccentric m agn etic  pull on the  rotor that can  be written a s     , s ss s F KF K                                                                                                                 (5)    Whe r K s   is the radi al disp lacem ent co e fficient.     2.4. Motion Equation o f  the Bea r ingle ss Moto r   The motion e quation s  of the beari ngle ss moto r ca n be  expresse d a s  Equation  (6 ).     1 / s s re L mF F mF F J pT T                                                                                              (6)     Whe r e, m i s   the roto r ma s s α  and  β  are the e c centric di spla cem ent of roto r from  the stat or  cente r .       3. In v e rse Decoupling Control of  the  Torque Sy stem   3.1. State Eq uations o f  th e Torque Sy stem    Oriente d  the  d-axe s  in th e roto r flux linka ge, then  11 rr d 11 0 rq r q  . Then,   Substituting Equation (2) into  Equation  (1), a nd eli m inating  i r 1 d i r 1 q ψ r 1 d ψ r 1 , and the  st ate   equatio ns of the torqu e  system can be  written as [11]:     22 1 11 1 1 1 2 1 sd s r r m m s ds q r s d sr s r r s d i RL RL L ii u d t LL LL T L                                           (7)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Convenie n t Control Strat egy of Bea r in gless Indu ctio n Motor Ba se d on… (Wen -sha o Bu)  3563 22 1 11 1 1 1 2 1 sq sr rm m s ds q r s q sr sr s di RL RL L ii u d t LL LL L                                             (8)    1 11 1 rm rs d rr dL i dt T T                                                                                                                 (9)    2 11 11 m rs q L r dp L p iT dt JL J                                                                                                             (10)    In addition, there is follo win g  relation e q u a tion:     1 11 1 1 () / 0 sq r rq r r m Li T                                                                  (11)    Then the rota tion angul ar speed of the d - q refe ren c e f r ame  can b e  written a s  followin g :     11 1 1 ms q rr Li T                                                                                                                                       (12)    By the Equation (9 ), the rot o r flux linkag e  can b e  ded uce d  as:      1 1 1 m rs d r L i Ts                                                                                                                                     (13)    Acco rdi ng to  the Equ a tio n  (1 2), th e rotation a ngle  of the  roto r flux linka ge  ca n be   dedu ce d as t he followi ng:     11 1 () [ / ( ) ] rs r m s q r r dt L i T d t                                                          (14)    3.2. Rev e rsi b ilit y  Anal y s is of the Torque S y stem s   The state vari able s  are  cho s en a s  [12-15 ]:       12 3 4 1 1 (, , , ) ( , , , ) TT sd s q r xx x x x i i                                                                                    (15)    Input variable s  are  cho s e n  as:      12 1 1 (, ) ( , ) TT sd s q uu u u u                                                                                                            (16)    Output variab les are ch ose n  as:     12 3 4 (, ) ( , ) ( , ) TT T r yy y x x                                                                                         (17)    The state e q u a tion of the system ca n be  written a s :      11 4 2 3 2 3 1 22 4 2 3 1 3 4 2 31 3 1 42 3 () ( / ) () ( / ) m m m L xx x L x x x x u x xx L x x x x x u xL x x p xx x T J                                                       (18)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3560 – 35 69   3564 In equation (1 8):     r s m L L L 2 1 ,   r r s s L R L R ,    r r R L ,   1 s L ,   r m JL L p 2 1 ,    r m L L     In order to analysis the reversi b ility of th e system, int e ractor al gorit hm is adopted.  Cal c ulate the  derivat ive of the output  12 , () T yy y with respe c t to time, until the Input variabl e s   are reveale d . The cal c ul ation pro c e d u r e s  ca n be expressed a s  follo wing:      11 3 2 11 4 2 3 2 3 1 1 22 3 23 2 4 2 3 1 3 4 2 2 1 3 [( ) ( / ) ]   [( ) ( / ) ] ( ) m mm L mm yL x x yL x x L x x x x u p yx x T J yx x x L x x x x x u x L x x           (19 )     A ssu ming 12 (, ) Yy y   , th en the Ja cob i  matrix with resp ect to input variabl e  can be   expre s sed a s  following:      3 0 0 m s s L L Y A x u L                                                                                                                        (20)    3 1 0 r x  , 2 2 3 det( ) / 0 m s AL x L   () 2 4 rank A . The  relativ e  ord e of the  sy st em is 12 , () ( 2 , 2 ) T T  . It is ea sily obtained that 12 4 , which is eq ual to the  orde r of the system. Then, there is  con c l u sio n  that the system is reversi b le.   A ssu ming 12 1 2 (, ) ( , ) TT Yy y v v    , an d sub s tituting  it into E quati on  (19 )  a n d  (20), th en  the inverse system model  of four-p ole torqu e  syste m  can be  writte n as:     2 11 1 3 42 3 22 2 1 4 3 4 3 11 1 [( ) ( ) ] 11 [] m mm Lx uv x x xx LL x uv x x x x x x                                              (21)    Whe r ν 1 ν are inp u t vari able s  of the inverse syste m    Con n e c ting  t he  inve rse sy stem  i n   fro n t of  the  to rqu e  system   in se ries,  a nd co m p lexing   them togethe r, then the torque  sy stem is deco uple d  to two pse udo -l inear  sub s yst e ms.    The input -out put relation of the compo und sy stem can be expressed a s  follo wi ng     1 1 v y 2 2 v y                                                                                                                                 (22)    Whe r e 11 r y 2 y .       4. Nega tiv e   Feedb ack Control of  the  Suspension  Sy stem   It can be see n  from Equat ion (4 ) that the ra dial suspen sion fo rce  is gene rate d  by the  intera ction b e twee n the air gap flux linka ge of  torque  windin g s  and the st ator cu rrent of  su spe n si on  control win d i ngs. In orde r to ac hi eve  the deco u p ling co ntrol  betwe en ra di a l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Convenie n t Control Strat egy of Bea r in gless Indu ctio n Motor Ba se d on… (Wen -sha o Bu)  3565 su spe n si on force co mpo n ents, the am plitude of  air gap flux linkage is n eed  to be identified  accurately so  that the suspen sion  control cu rre nt ca n be cal c ul ated acco rdin g  to the requi red   magneti c  su spen sion force .     The am plitud e of air  gap f l ux linka ge  can be  i dentifi ed by the  rel a tionship b e twee n air  gap flux linka ge and rotor f l ux linkag e , as Equation  (2 3) and  (24 ) .     11 1 () m dr r l s d r L Li L                                                                                                                (23)    11 m qr l s q r L Li L                                                                                                                                    (24)    Then   the re quire d su spe n sio n  cont rol   cu rr ent  ca n  be  de duced  by Equ a tion  (4 as  following:     11 2 22 2 11 11 1 () dq sd sq qd md q iF iF K                                                                                  (25)    And Equation  (25)  can b e  rewritten a s  E quation (26 )  as well.     2 2 1 1 co s s i n si n c os sd sq m iF iF K                                                                                            (26)    In Equation (25) an d (2 6):     22 11 1 () mm d q KK  11 arct an / qd                                                                  (27)      5. Sy nthesizing Sy stem    5.1. Closed  Loop Co ntro llers Design    From the in verse  syste m  comp en sa tion, t he torque sy stem is de coupl ed  into two  se con d -o rd er linear  sub s y s tem s : one i s  the rotor  sp eed sub s yste m; the other  is the rotor fl ux  sub s ystem,  e a ch  of the m   can b e   cont roll ed by  ν 1,  ν 2  in depe ndently,  as  sh own in   Figure 2. B u in   pra c tice, u n d e r the effect  of all kind s of factor s, the pseu do-li nea system  that h a s de co uple d  by  inverse  system is not a si mple and i d eal linear  syst em, thu s   closed lo op  co ntroller i s   nee de d to   desi gn a c cording to linea r system theo ry to  improve  the dynamic and st atic p e rform a n c e a n d   anti-jammi ng capability for the w hol e control  sy stem. As  ki nd  of cl assic and effective  controlle r, PID  cont rolle rs are  suitabl e  for t he  pse udo-li nea r sy stem of  be aringle s ind u ction  motor.   In the paper, for the transfer fun c tio n of motor speed  sub system and rotor flux  sub s ystem  ca n be expressed with G ( s)  =1/s 2 , PD con t rollers are u s ed to synthe sizing the to rq ue   system. The t r an sfer fun c ti on of PD cont rolle r ca n be  written a s :     () ( 1 ) cp d p d Gs K K s K T s                                                                                         (28)    In Equation (28 ) K p   is the pro portio nal gain coe fficient,  K d  is  the differential gain   c oeffic i ent,  T d  is  differential time c o ns tant, wh ich can b e  sho w n a s  follows:      d d p K T K                                                                                                                                                 (29)    The ope n loo p  transf e r fun c tion of the seco nd- ordere d  system  with  PD controller is:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3560 – 35 69   3566 22 (1 ) () pd p d ol KK s K T s Gs s s                                                                                                       (30)    The p a ram e t e rs of the  sp eed  controlle r an d t he rotor flux contro ller a r e the  same; the   setting of the param eters can b e  determined by  me thod of frequ ency dom ain  analysis. In the   pape r,  K =1 000,  K d   =50  were finally  selecte d  a s  p a r amete r  fo r the controllers. Then th e o pen  loop tran sfe r  functio n  of the system is:      2 50 ( 2 0 ) () ol s Gs s                                                                                                                          (31)    The clo s e d  lo op tran sfer fu nction of the  system  can b e  written a s :     2 50( 20) 50 100 0 cl s G s s                                                                                                                    (32)    For  th e su spen sion   cont rol system,  negativ e fe e dba ck contro l is u s ed  af ter the   identificatio of air  gap flu x  linkag e . Th e struct u r of the suspen sion  control  system is sim p le   relatively, the traditional PID co ntrolle rs are ap pr opri a te to synthesi z ing for a g o o d  perfo rman ce.     5.2.   O v erall Structure o f  Co n t rol Sy stem  and Simulation Res u lts     P o sition r e g u la tor R o tor flu x   l i nka ge   ide n tif icat ion - - - * * r * 2 d s i 1 s q i 1 s d i * 2 q s i r P o sition   r e g u la tor Mo t o r  s p e e d   r e gul a t or R o to r flux   r e gul a t or x B ILM 3/ 2 2s /2 r C u rre nt  r e g u la tor 2r/2s C a lc ula tio o f  a i ga fl ux  lin ka ge   2r/ 2s S u sp e n sio n   f o rce co ntr o mo d e l  ( 2 6 ) 3/ 2 2s /2 r S vpwm Inv e r t e r In v e r s e  sy ste m   m o de l   o f  f our  po l e   to r q u e  sy ste m 21 1 v 2 v d 1 q 1 ** 11 () sd uu ** 12 () sq uu * 2 d s u * 2 q s u d s i 2 q s i 2 2 s i 2 s i a i 2 b i 2 1 s i 1 s i a i 1 b i 1 s1q i s1 d i r * 2 s u * 2 s u - * * * F * F Sv pwm Inver t e r - - * 1 s u * 1 s u   Figure 2. Con t rol system of  bearin gle ss i ndu ction mot o r ba sed o n  inverse syste m        The d e si gne d overall con s tru c t of  con t rol sy stem f o r b eari ngle s s in ductio n   motor i s   sho w n  a s  Fi g u re  2. T he  st ator  cu rrents  and  ra dial   displacement can b e  m e a s u r ed  directly; t h e   motor  sp eed   can  be  re co g n ize d  by  sp e ed  sen s o r le ss; the  roto r fl ux linkage  an d the  air ga flu x   linka ge can  be identified  by flux  observer, the rotat i on ang ular   spe ed can b e  derived fro m   Equation (12 ) . As sho w n i n  Figure 2, for the to rque  system, the  detecte d sp e ed and  roto r flux  linka ge  are  compa r ed  wit h  their given  value s , the  deviation val ues are th e i nput of i n verse   sy st em   ν 1 ν 2 . The  output of inverse  system, i.e.  u * s 1 d  and  u * s 1 q  are  tran sform ed t o   u * s 1 α and  u * s 1 β Then by SVPWM inverter,  the tor que control  of three- phas e  bearingless   i nduc t ion  motor c a n be  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Convenie n t Control Strat egy of Bea r in gless Indu ctio n Motor Ba se d on… (Wen -sha o Bu)  3567 achi eved. F o r the susp ensi on control system , the differe nce betwe en the actu al ra dial   displ a cement α β  and th eir given val ues a r e regul ated by  PID controlle r, the req u ire d  gi ven  values of  radi al suspen sio n  force   are d e rived.  T he current com p o nents  i * s2d , i * s2 q  f o su spe n si on   control can b e  dedu ce d by Equati on (26 ) . By current regul ating,  u * s 2 d u * s 2 q  are o b tained, an by  coo r din a te transfo rmatio n,  u * s 2 α u * s 2 β  are derived wit c will be used  as the referenc e voltages of   SVPWM modulation.   In order to ve rify the fea s ib ility of the p r o posed de cou p ling co ntrol method as sh own   in   Figure 3, si m u lation i s  imp l emented  ba sed on  Matl ab /Simulink, the  bea ringle s s i ndu ction mot o with two - pole  su spe n si on winding a nd fo ur-pole to rqu e  windi ng is  a dopted a s  the  control obje c t .  The moto r p a ram e ters are given as f o llowin g s: th e stator resi stan ce  R s =0. 435 , the rotor  resi st an ce  R r =0. 8 1 6 , the  self-in d u c ta nce  of stato r   L s =0.0 71H the self -indu ctan ce of  rot o L r =0.0 71H, th e mutual  ind u ctan ce  of st ator a nd  roto L m =0.069 H,  the rotor  mo ment of in erti J =0.189 kg ·m 2 , the touch  down b eari n g  cle a ra nce  δ =25 0 μ m, the mass  of rotor  m =3.2 5kg, the   radial di spl a cement co efficient  K s = 2 .3H/ m.           Figure 3. Rot o r Flux Lin k a ge Re sp on se   Wav e fo rm         Figure 4. Rot o r Spee d Re spon se Waveform            Figure 5. Re spon se Waveform of  α -dire c tion  Radi al Di spla ceme nt     Figure 6. Re spon se Waveform of  β -di r e c tion  Radi al Di spla ceme nt       In the  simulat i on exp e rim e nt, the initial  values  are  se t as foll owi n g s : the  given v a lue  of  rotor speed  i s  1 500 r/min,  the given val ue of  rotor  flu x  linkag e  i s  0 . 8Wb; the i n itial value s  of t w radial  di spla cements a r -0.1mm, an d t he give n valu es  of radial  di spla cem ents  are  0.0mm; t he  motor  will  sta r t with n o  lo a d . The  simul a tion re sult s of  the de co upol ing control sy stem a r sh o w n   as Figu re 3 t o  Figure 6. From the si mul a tion re sults,  we can see that  each of the output me ets  the given  val ue  with fa st resp on se time s a nd  sm all o v ersh oot. In  o r de r to  verify the effe ctiven ess  of the de cou p ling control  st rategy,  the gi ven sig nal of  the syste m  varie s   with time. At t=0.6s, t h e   0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 t/s ψ r/ W b 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 t/s ω (r/ m i n ) 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 -0. 1 -0 . 0 8 -0 . 0 6 -0 . 0 4 -0 . 0 2 0 0. 02 t/ s α /m m 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 -0. 1 -0 . 0 8 -0 . 0 6 -0 . 0 4 -0 . 0 2 0 0. 0 2 t/s β /m m Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3560 – 35 69   3568 given value o f  rotor flux linkag e  be ch an ged to 1. 2Wb ;  at t=1.4s, the given value  of rotor spe e d   be  chan ged  to 100 0r/min.  As sho w n i n   Figure 4 to  Fi gure  7, the v a riation  of rotor  spe ed  coul dn’t   affect the  rot o r flux lin ka g e  an d the  ra dial di spla ce ments,  and t he vari ation  of the  rotor flux   linka ge ha s n o  influen ce o n  the other  co ntrolled va ria b les al so.    To furthe r ve rify the effect s of de co upli ng control  of su spe n si on  control sy ste m , the   given valu e o f   α -dire c tion  radial  displa ce ment b e   cha n gend  to  0.02 mm at th e m o ment of  0.5s;   at  the mom ent  of 1.2s, t he  g i ven value  ret u rne d  to   0; at  the m o ment  of 0.8s, t he  g i ven value  of  β - dire ction di spl a cem ent be chang ed to -0. 02mm, and  at  the moment of 1.5s, the given value of  β - dire ction di spl a cem ent retu rns to  0.0mm.  Fig.8 sh ow t he simul a t i o n  re sult s.  A s  sho w n in  Fig u re  7, when o ne  of the radial d i spla cem ent co mpon ents  chang es, an other is n o t be impacte d.          Figure 7. De couplin g Cont rol Re spo n se Wavefo rms o f  Suspen sion  System         From a bove  simul a tion  result s, better de cou p ling  control p e rfo r mance of  be aringl ess  indu ction mot o r ha s achiev ed, and the p r opo se d de co upling  control  strategy is ef fective.         6. Conclusio n    Thre e-p h a s e  bearin gle s s induction m o tor is a mu lti-variabl e, nonline a r an d  strong - cou p ling o b je ct. Aiming at  the the stron g -coupli ng p r oblem of Bea r ingle s s ind u c tion moto r, the  pape r p r o p o s ed a  conveni ent inverse   system d e cou p ling co ntrol strategy.  By comp en satio n   of  the Inverse  system, the   four- pole to rque  system  i s  d e couple d  into two  se con d -o rd er li near  integral  su bsystems: on e is the roto r sp eed sy st em; anothe r is th e rotor flux subsy s tem. Th en,   usin g the roto r flux linkag e   and st ator  cu rre nt, t he req u ired  air-ga p flux linkage  o f  torque  syste m   is identified o n time. By linear feedb ack control, t he ra dial displace ments  can be  control  relia b l y.    Simulation  re sults have  de monst r ated  th at  goo d d e co upling  control  pe rforma nce  ca n b e   achi eved wit h  the pre s e n t ed cont rol st rategy; t he o v erall syst em  has fine dyn a mic an d sta t ic   perfo rman ce  and hi ghe anti-jammi ng  cap ability. T he given  co ntrol  strategy  is fea s ible  an d   effec t ive.       Ackn o w l e dg ements   The  supp ort s  of Nation al Natu ral  Scien c e F o undatio n of  Chin a (51 2770 53),  Internation a l  Coop eratio n Proje c t on Scien c e  and Te ch nology of Hen an Prov ince   (114 300 510 0 29), an d Nature S c ien c e Fu nd o f  Hena n Province Edu c ation Bu re au   (201 0B51 001 1), are a c kno w led ged.        Referen ces   [1]    A Chib a, T  F u kao, O Ichika w a , et al. Magneti c   beari ngs an d  beari ngl ess dr ives. Boston, MA: Elsevier   Ne w n es Press.  2005.    0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8 2 -0. 1 -0 . 0 8 -0 . 0 6 -0 . 0 4 -0 . 0 2 0 0. 0 2 0. 0 4 t/s r adi al  di s p l a c e m ent / m m     α - d i r ec t i on r a di al  di s p l a c e m e n t β - d i r ec t i on  r adi a l  di s p l a c e m e nt Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Convenie n t Control Strat egy of Bea r in gless Indu ctio n Motor Ba se d on… (Wen -sha o Bu)  3569 [2]    Junic h i Asam a ,  Yuki Ham a sa ki, T a kaaki Oiw a et al. Pr op osal  and  Ana l ysis of a N o ve Sing le-Driv e   Beari ngl ess Motor.  IEEE Tra n sactions on Industrial Electronics . 201 3; 60( 1): 129-1 38.    [3]    Valci F V i ctor,  Filipe  O Qui n ta es , Jos é  SB  L opes,  et al.  An al ysis  an d Stu d y   of a  Bear in gl ess AC M o tor  T y pe  Div ide d   W i ndin g  B a sed  on  a C onve n ti ona l Sq uirre l C age I nducti on  Motor.  IEEE Transactions  on  Magn etics . 201 2; 48(11): 3 571 -357 4.   [4]    W S  Bu, SH H uan g, SM W a n, et a l . Gener al A nal ytic al M ode ls of In duct ance  Matrices   of F our-Po l e   Beari ngl ess M o tors  w i t h  T w o-Pol e  C ontro l ling  W i n d in gs.   IEEE Trans actions  on Magnetics . 20 09 45(9): 33 16- 33 21.   [5]    A Chib a, JA Santisteb an. A  PW M Harmonics E limi nati o n Method i n  Simulta neo us Estimation of   Magn etic F i el d  and Dis pl ace m ents in Be ari ngl ess Inducti on Motors.  IEEE Transactions on Industry   Appl icatio ns . 2 012; 48( 1): 124 -131.    [6]    A Chib a, J Asama. Influe nce  of Rotor  Ske w  in Inductio n  T y p e  Bear in gles s Motor.  IEEE Transactions   on Mag netics . 201 2; 48(1 1 ): 4646- 464 9.   [7]    W ensha o Bu, Shaoj ie W a ng She ngh ua  Huan g. Dec oup lin g c ontr o l s y st em of three-ph as e   bear ing l ess i n d u ction motor.  E l ectric Machi n e s  and Co ntrol.  201 1; 15(1 2 ): 32-37, 4.   [8]    Xi anz hon g Da i ,  He Dan, et a l . MIMO sy ste m  inve riti bil i t y   and  deco u p lin g control strat e gies b a se d on   ANN  α -order inversion.  IEE T r ans. on Co ntrol  theory and A p pl.  200 1;   148( 2 ) : 125-23 6.   [9]    Hen g  Ni an, Y i kang  He.  A nal ytical  mo del in g  and  fee dback  control   of the   ma gn etic l e vita tion forc e for   an in ducti on type be arin gl ess motor.  Proc ee din g s of the C SEE. 2003; 23( 11): 139- 14 4.   [10]    W ensha o Bu,  Shanm ing  W a n, Shen gh ua  Hua ng, et a l Genera l  a nalyt ical  mode l a b o u t control l a b l e   ma gn etic susp ensi on force of  beari ngl ess motor.  Proceed in gs of the C SEE. 2009; 29( 30 ): 84-89.   [11]   Z h iqu an  Den g ,, Xia o li W a n g Hong qu an Z hang et al.  non lin ear c ont rol of  be arin gl ess in ducti o n   motors b a se d on the  motor ro tor flux orientat ion . Proce e d i n g s of the CSEE. 2003; 23( 3): 89-92.    [12]    Xi ng hua Z h a n g , Xia n zh on g Dai, Daj un L u , Ji anqi an g Sh en. A decou pli ng Co ntrol Met hod Bas ed o n   Inverse S y ste m   T heor y  fo e Inducti on Motor  Drives.  Electri c  Drive . 200 1; 2(5): 28-3 1 .   [13]    Jianr ong  Cao,  Lie Yu, Yo u bai  Xi e.  Dyna mic fe edb ack  line a ri z a ti on  control for i n ductio n  type   bear ing l ess mo tor.  Proceedi ng s of the CSEE.  2001; 2 1 (9): 2 2 -26.    [14]    Hua ngq iu  Z h u ,  T i ngting Z h ang,  Hua l e i  Z ou,  Xi ao ya Diao.  Dec o u p l i ng  contro of be arin gles s   s y nc hro nous  r e lucta n ce  mot o r b a se d o n   i n verse  s y stem  metho d C h in ese Contr o l a nd Decis i o n   Confer ence.   Xuzho u . 201 0; 1: 2120-2 1 2 5 .   [15]    Qing Li, Xi an xing Li u.  Dec o upli n g  contro of the  bear ing l ess i n d u ction  motor b a se d  on r o tor flu x   orientation with inv e rse syst em theory.  Internati ona l C o nferenc e o n   Measuri n g  T e chno log y   an d   Mechatro nics  Automatio n . Shan gh ai. 201 1;  1: 894-89 7.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.