TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 13, No. 1, Janua ry 201 5, pp. 65 ~ 7 5   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 13i1.690 4          65      Re cei v ed O c t ober 2 4 , 201 4; Revi se d Novem b e r  25, 2014; Accept ed De cem b e r  15, 2014   A Review Paper on Torque Ripple Reduction in  Brushless DC Motor Drives with Different Multilevel  Inverter Topology      S. Arunkum ar*, S. Thangav e l  Dep a rtment of Po w e r El ectron ics and Dr ives,   K.S.Rangas a m y  Co lle ge of  T e chnolog y (A utonom ous)   K.S.R Kalvi Na gar, T i rucheng ode, Nam a kkal ,   T a milnad u, India, Ph./F ax: 0 428 8 27 474 1-4 4 /042 88 2 7 4 8 6 0   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : akumar5 989 @gmai l .com*       A b st r a ct   T h is pa per  pr esents th e ov erall  revi ew  of torqu e  rip p l e   reducti on tec h niq ues  in  brus hless  D C   motors (B LDC)  and d i fferent  mu ltilev e l i n ver t er topol ogi es  suitab le for BL DC motor driv es. BLDC  mot o rs   are w i dely us ed for ho useh old a ppl icati o n s  due to its  features of h i g h  reli abi lity, simp le fra m e, h i g h   efficiency, fast  dynamic re s p o n se, co mpact s i z e   and  l o w  ma inten anc e, etc.. T he sw itches   are  electro n ic al ly   co mmu ta te d ba se d o n  th e   i n fo rm a t io n   o f  roto r p o s i t io n d e t e c ti o n .  The  posi t i o n   o f  th e roto r i s  de te rm i ned  w i th the h e l p   of the s ens or  or se nsorl e ss  techni qu es . H ence  it is  a n   electro n ically c o mmutated  motor.   Becaus e of  thi s  co mmutati on,  the ri pp les are   ge nerate d  in  t he electro m ag netic tor que  a n d  the  pow er f a ctor  of AC mai n s  gets affected.  So, in or der t o  i m pr ove  the  perfor m a n ce  of these  mot o rs the rip p le  in  th e   electro m agn eti c  torque  cou l d  be re duc ed  an d the  pow er  fa ctor of the A C   ma ins s h o u ld  be i n cre a sed.  A n   enor mous revi ew  of different torque ri ppl e re ductio n  tech n i q ues an d differe nt multi l ev el in verter topol ogi e s   suitab le for torque ri ppl e min i mi z a t i o n  and  p o w e r qual it y impr ove m ent w i th different co nverter topo lo g i es   are disc ussed      Ke y w ords :   brush l ess dir e ct current mot o r (BLDC), mult ilev e l i n vert er (MLI), back EMF ,  pow er  factor  corrected (PF C ), pow er quality ,  discontin uo us   inductor curr e n t mo de (DICM ) , bridge l e ss (BL)        Copy right  ©  2015 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  Hou s e hold a pplian c e s   li ke   wa shin g  m a chin es, roo m  air con d itione rs, refrig erato r s,  fan s ,  water  pump s ,  vacuum  clea ner a nd free zer are to  be  expecte d one  of the fastest growi ng en d  prod uct s  in  the ma rket ov er the  next fe w yea r s  [1-4]. Conve n tion ally DC moto rs li ke  shunt  and   seri es moto rs are widely u s ed in the s e applia nc e s  a nd due to so me dra w ba cks like freq ue nt  maintena nce and spa r king   in  brus he s, con s um ers a r e switchi ng o v er to si ngle  pha se in du ction   motors. Squi rrel  ca ge i ndu ction  motors  are  po pula r   due to  its ru gged  con s tru c tion. But th e s e  motors offe rs poo r  po wer  factor an d eff i cien cy  comp ared  to  syn c hron ou s m o tor. O n  the  ot her  hand the sy nch r on ou s motors a r e affected with   speed limitatio ns, noise problem an d EMI.  These moto rs operate at co nstant spee d dire ctly  from AC  main s wit h  low effici en cy. No w-a - da ys  con s um ers a r e dema nd for high efficie n c y, low  co st, low a c o u sti c  n o ise  and b e tter pe rforman c e  motors for th ese  applia nces. The  co nventional te ch nologi es d o e s n’t meet the s e d e man d s.  The   use  of sp eci a l ele c trical  machi n e s  like br u s hl ess  DC m o tors (BLDC), pe rmanent m a g net  synchro nou s  motors (PMS M) in these a pplian c e s  ar e  a better choi ce du e to the feature s  of high   reliability, hig h  efficiency, low mainte n ance,  high flux density per unit volu me, high po wer  den sity due t o  ab sen c e  of  field win d ing  and lo w el ect r oma gneti c  in terfere n ce p r oblem [5 -6].  The   spe ed  adju s ti ng p e rfo r man c e  and  po we r den sity of BL DC moto r i s   high  com p a r e d  to PMSM.  So   BLDC moto r i s  p r efe r abl e i n  num erou s  applia nce s .  T he BL DC mot o rs a r e  also  use d  in  ro boti cs,  medical equi pment, pre c i s e motion  co ntrol sy st ems, industrial to ols, heatin g and ventilatio n   sy st em s.    Typically a BLDC m o tor is an elect r onically com m utated mot o r. It has three  ph ase   distrib u ted wi nding on  the  stator, whi c h is  ma de  u p  o f  stacked  ste e l laminatio n  and p e rm ane nt  magnet  on  ro tor. Depen din g  up on th e a pplication  req u irem ents the  pe rman ent  magnet s  on  rotor  is either in  surface mou n ted type or b u ried ty pe. As the name i ndicates it ha s no brushe s fo r   comm utation.  The BLDC  motor is po wered  with  the help of VSI  or CSI. Base d on rotor p o s ition  obtaine d by rotor p o sitio n   sen s o r s like  hall sen s ors,  re solvers  or optic al  en co ders, the p o w er  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  65 – 7 5   66 electroni c swi t che s  are  co mmutated. T he sh ape of  the gen erate d  back EMF in these moto rs are  depe nd s on   stator  co nst r uction. In  BL DC moto rs, t he g ene rated  ba ck EMF i s  in  trap ezoi dal  sha pe a nd in  PMSM the ge nerate d  ba ck  EMF is in  sin u soi dal  wave  sha pe. Depe nding  upon th e  rotor  po sition , the stator  windi ng s are  energiz ed b y  rectan gula r  curre n t wav e form s which  is   displ a ced wit h  120 0  [7].      2. State o f  th e Art on To r que Ripple Reduc tion Te chniques    Due  to en ormous ap plications of BL DC mo to rs  i n   indu stri es as well as  h ousehol d  appli c ation s ,  the pe rforma nce  of th ese   motors a r e  consi dered to   be q u ite  signi ficant. Norm a lly  the gen erate d  ba ck EMF  waveform is  not ideal  i n  t hese moto rs  becau se of it s ma nufa c turi n g   limitation and  desig n co nsi deratio n of magneti c  ma terials. The ba ck EMF wavef o rm is d epa rted   from its o r igin al shap e. As  said  ea rlier,  the  BL DC mot o r i s  a n  el ect r oni cally  com m utated m o tor,   due to  com m utation of  power el ect r onic  swit ch e s  the g ene rated ele c tro m agneti c  torque  contai ning ri p p le in its wav e form [8]. Thes e torque ri pple produ ce s noi se whi c h degrade s the  perfo rman ce of  the  motor and compli ca tes  the sp e e d -control cha r acte ri stics e s pe cially at l o w  spe ed. So commutation t o rqu e  rip p le,  torque ri ppl e prod uced  by diode fre e wh eeling in  an   inactive ph ase are the research hot spot  in rece nt years [9].  The pra c tical  BLDC motor setup and trape zoid al ba ck EMF waveform s are shown in  Figure 1  and  Figu re 2. T h e squa re  wa ve output of   the VSI is fe d to the  stat or  windi ng of  the  motor. Ba se d upo n the  roto r po siti on the  po wer el ect r oni c switch es i n  the inve rter are  comm utated.           Figure 1. BLDC Moto r Set u p   Figure 2. Tra pezoidal ba ck EMF wavefo rm       Conve n tional  control tech nique s en erg i ze the  stator windin g s  by in jecting th e  similar  recta ngul ar p hase cu rrent  comma nd without the  kn owle dge of n on-lin ea rity in the back EMF   waveform whi c h ori g inate s   more am ount  of ri pple in the gene rated  electroma gne tic torque.    Cal s on et al.  analyzed that  the rippl e in t he gen erated  torque  due t o  pha se  com m utation  is relate d to the ene rgi z ing  phase  cu rre nt and varies with spee d. To minimize the torqu e  rip p le   in BLDC m o tor two level s   of the  control  schem e  i s  p r opo sed fo r  st ator  cu rre nt. The first met hod  employs the  positio n sen s or to determi ne the pha se   seq uen ce of the re ctang ula r  cu rre nt sign als  and the mo ment of current comm uta t ion from  on e pha se to anothe r pha se and the ot her  method controls the en ergi zing  curre n t amplit ude by PWM switchin g of the inverter [10].  Chu ang  et al . discu s sed  different P W M techniqu e s   suitabl e fo r co mmutatio n  torque  ripple  re du ction in BL DC  motor d r ive a nd p r op osed  that PWM_ O N  meth od i s  t he be st  choi ce for  BLDC m o tors. But in  this discussio n  the BLDC m o tor i s  assum ed wi th ideal back  EMF waveform  and the no n-li nearity is n o t con s id ere d  [11]. Zhang et al. analyze  commutation t o rqu e  rip p le  and  prop osed th a t  the rippl e in  the ele c tro m agneti c  to rqu e  is mi nimi ze d by re gulati ng the  DC li nk   voltage  with t he h e lp  of b u c k conve r ter  as f r ont  end   conve r ter of t he VSI. With   the hel p of  b u ck   conve r ter, th e sup p ly voltage is  step d o wn a nd  fed t o  the VSI whi c h results in  minimum am ount  of rip p le i n  th e loa d  to rqu e .  PWM_ ON switchi ng  pattern  is  a  bette r  choi ce  for  commutation  of  VSI. The propo sed  meth od effe ctively red u ced t h e  torqu e   spi k es  and  dip s , but it do esn’t  con s id ere d  th e ban dwi d th  of the bu ck  converte r,  so i t  is suita b le  at the low  sp eed rang e on ly  [12].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Revie w  Pa per on T o rq u e  Rippl e Red u ction in  Brushless DC Mot o r Drives… (S.Arunkum ar)  67 Che n  et al.  d e scrib e s that  the bu ck con v erte r i s   suita b le for low po wer ap plications only  and it is repl ace d  with Su perlift luo co nverter  top o l ogy for DC li nk voltage re gulation  which is  suitabl e for hi gh p o wer  app lication s  to o.  But the  ci rcuit  co nfiguration  is  more  com p lex compa r e d   to buck  conv erter  and  give better p e rfo r man c e  und e r  high -spe ed  operation o n l y . To overco me   these  drawbacks, the luo conv erter is replaced  with SEPIC c onverter. B u t it needs t h ree  addition al switch es an d  their corre s po ndin g  ind u ctan ce, cap a citan c e an d  diodes, wh ich   increa se the  co st and swit chin g losse s  [13].  Another  majo r re ason fo r  torque  rip p le  in BLDC m o tor i s  du e t o  diod e fre e w he eling  curre n t in inactive pha se. This wa s analyzed  with differen t  modulation  techniqu es for   comm utation  torque  ri pple  and  while  co nsid erin g the  po wer di ssi p a tion PWM_ ON_P WM i s   the  better m odul ation meth o d  [14-15].  While  con s id ering  the  no n-line a rity in  the b a ck  EMF   waveform, there a r e o n ly two ki nd s of resolvent s to  minimize th e com m utati on torq ue  rip p le.  One m e thod  regul ate the  armatu re  cu rrent of the  mo tor by empl oying direct to rque  cont rol [ 16- 19] and the o t her on e is to  apply the m o tor’s  ba ck E M F as a  cont rol pa ram e ter to regulate t he  c u rrent. In direc t  torque  control, the back   EMF esti mation  a nd p hase curre n t  mea s u r eme n ts  increa se the  compl e xity of  the circuit [20 - 23].   Fang  et al.  pro p o s ed   novel a u tom a tic  cu rre nt  control m e th od for torqu e  rip p le   minimization i n  gyro/BL DC  motor d r ive. The no n- li ne arity in the ba ck EM F wa s  con s id ere d  a s  a   control functi on for cu rre n t control a nd PWM_ O N _PWM mo dulation met hod is u s ed  for   comm utation  whi c h minimi ze s the torq u e  rippl e  due t o  the diod e freewheelin g i n  inactive p h ase   [24]. Now-a - days  several  artificial int e lligen ce  b a s ed co ntrol algorith m s a r e  p r op osed   to   minimize the  torque  rip p le  with no n-lin e a rity in the b a ck EMF  wa veform. In ha rmoni c inj e cti on  method the  ripple in th e  gene rated  el ectro m ag neti c  torque  due  to back EM F harmoni cs are  eliminated. B u t this metho d  ignores the  higher o r d e r fourier  seri e s  term s used  for harm onics  cal c ulatio ns  becau se of its com p lexity and ti me-con sumi ng calcul ation s  a l so it is mo re  compli cate d for re al time impleme n tatio n  due to its h a rmo n ics calculation [25-26 ].    Torq ue  control in multiph a s e BL DC  mo tor ca n be  achieved  with the hel p of in equality  con s trai nts via Kuhn-T u cker theo rem which le ad s to copp er lo ss  and torq ue ri pple re du ctio ns.   But the ineq uality con s traints requi re s feedb ac k sensors like h i gh re solutio n  encode rs  and   torque tran sd uce r  whi c h i n crea se the  overall co st  of the syste m  [27 ]. In direct torque a n d   indire ct flux control meth od, the flux and tor que  e s timation s a r e ca rri ed o u t with the h e l p  of  Clarke  an d P a rk tra n sfo r m a tions. But  th ese  tran sfo r mations  a r e more   time co nsumi ng be cause   of the difficulty in accu ra cy of  the param eter estim a tio n s [28-29].       3. Rev i e w  on  Differ e n t  Mu ltile v e l In v e rter Topolog y   Normally the  BLDC moto r is  po wered  by ei ther V S I or CSI. T he two l e vel  inverter  prod uces  sq u a re  wave o u tput with ha rmonic  dist ortions  in its  waveform, which res u lts  in total   harm oni c di stortion s (THD) in the  outp u t. Due to th ese  effects the ri pple s  a r e create d  in  the  output ele c tromagn etic t o rqu e  an d distortio n  in  the trape zoidal ba ck  EMF wavefo rm.  Conve n tionall y  controlle d rectifier  with large valu e of  inducto r in serie s  a c t as  a cu rre nt sou r ce   whi c h in cre a se the overall  co st of the syst em a s  well  as the sy ste m  looks so b u lky.  Whe n  the  level of the  outp u t voltage i s  i n crea sed, th e ha rmo n ic  content g e ts  redu ced.   The wavefo rm is in stairca s e shape.  The disto r tions in the stator cu rre nt as well a s  the  electroma gne tic torq ue  get re du ced  with  high  levels. T h ese  cau s e s  the g ene rated  electroma gne tic torqu e  co ntains mi nim u m rippl e in  its waveform. Also the two level inverter is  not suitabl e for hig h  po we r appli c atio ns but the mu ltilevel inverter is suita b le f o r hig h  po we r  appli c ation s  b y  increa sin g  the level of the output voltage.  A compa r ativ e analysi s  be tween two le vel invert er a nd multilevel  inverter  with different  modulatio n te chni que s a r e  ca rrie d  out  a nd the  re su lt s a r e d epi cte d  as graphi cal view in  Fig u re   3(a )-3 (d ). Fro m  the grap hi cal re pr esent ation, it was  clea r that th e multilevel inverter is the  best  choi ce fo r m o tors. Th e p e rform a n c e a nd efficien cy  of the motor  is incre a sed  with the help  o f   increa sing th e output level s  of the invert er. Even  thou gh increa sin g  the numbe r of levels re su lts   in more  num ber of  swit ch es and  the  control will be more  compli cated, which i s  often a limitation  for the use  of the multilevel inverter,  better  qualit y of load torque is con s i dere d  to be th e   outcom e  of the MLI fed BLDC moto r.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  65 – 7 5   68   (a)     (b)       (c )     (d)     Figure 3. Co mparative an alysis of (a ) P mech ,  (b) efficiency, (c) Spe ed and (d) torque of the two  level and mul t ilevel inverter      The multilev e l inverter i s  grou ped int o  th ree type s of co nfiguration namely ,  Diode  clamp ed m u ltilevel inverte r , flying capa ci tor multilevel  inverter  and  cascad ed  H-b r idge multilev e l  inverter.     3.1.  Diode Clamped Multilev e l  In v e rter  The sin g le ph ase five level diode clam p ed multilevel inverter is  sh own in Figu re  4. The  voltage stress on th e po wer devi c e i s  li mited with  th e help  of the diode s i s  the  major  co ncep t of  these i n verte r s. The th ree   pha se inve rte r  out p u t voltage shares co mmon  DC  bu s voltage  and  it  is divide d for five level with the hel p of  the ca pa cito rs. Th e volta ge a c ro ss ea ch  cap a cito r  and  swit che s  is V dc  which i s  same as the  supply voltage . So there is no po ssi ble for high volta ge  stre ss a c ro ss device s . Ea ch le g a s   co nsi s t of switches,  clam pin g  diod es, fre e wh eeling  di ode s   and also cap a citors.  It  i s  a l so nam ed as  neut ral cla m ped  i n verte r . The  m a jo r  d r awb a ck of  th ese  inverter i s  DC link voltage u nbala n cin g . The co m pon en ts requi re d for n-level inve rter is:   a)  Voltage so urces: (n -1 )  b)  Switchin g de vices: 2 ( n-1)  c)  Diod es:  (n -1 ) * (n- 2 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Revie w  Pa per on T o rq u e  Rippl e Red u ction in  Brushless DC Mot o r Drives… (S.Arunkum ar)  69     Figure 4. Dio de Clam ped  Multilevel Inverter      The switchin g pattern for five level d i ode cl ampe d multilevel inverter i s  sh own i n     Table 1.       Table 1. Swit chin g States for 5-l e vel DCMLI  Voltage  Sw itching States   S 1  S 2   S 3   S 4   S 5   S 6   S 7   S 8   Vdc/2  1  1  1  1  0  0  0  0  Vdc/4  0  1  1  1  1  0  0  0  0  0  0  1  1  1  1  0  0  -Vdc /4  0  0  0  1  1  1  1  0  -Vdc /2  0  0  0  0  1  1  1  1      In the lo ok up  table ‘ 1 ’  rep r ese n ts th at th e corre s po ndi ng  swit ch i s  i n  O N  p o sitio n  and  ‘0’  rep r e s ent s that the switch  is in OFF co ndition. At  an instant four  swit che s  are in ON po sitio n .  The up pe r a r m switche s   are  comm uta t ed at maximum po sitive  voltage an d  the lower a r m  swit che s  are  comm utated at  neg ative maximum  val ue. At funda mental frequ enci e s, it i s   more   ef f i cien cy .     3.2.  Fl y i ng Capacitor Multilev e l In v e rter  The  circuit co nfiguratio n of  this inverte r  i s  si milar to th e neutral poi n t  clampe d  co nverter  but it require s high num b e rs of auxilia ry capa cito rs which i s  sh own in Figu re 5. It doesn’t  requi re s any  clampi ng dio des. As the  name indi cat e s, the com m on DC bu s voltage is di vided  into five level with the hel p of flying capa citors. Th e main a d va ntage s of thi s  converte r i s  it  doe sn’t  requi re  any filters  for hi gh l e vel  and  a c tive  a nd  rea c tive p o we r flo w  i s   possibl e in  b o th   dire ction s . Bu t the cont rol  of the syste m  is co mpli cat ed when th e  output level i s  in cre a sed.  Th e   comp one nts required for n - level inverter  is:  a)  Main c a pac i tors  : (n-1)  b) Auxiliary  capacito r : (n-1)*(n-2)/2   The lo ok  up  table fo r th ese i n verte r s are   simil a r  to that of n eutral  point  clamp e d   multilevel inverter. Th e onl y difference i s  ab sen c e of  the clampi ng  diode s.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  65 – 7 5   70     Figure 5. Flying Ca pa citor  Multilevel Inverter      3.3.  Cas cade d  H-Bridge Multil ev el In v e rter  The ca scad e d  H-b r idg e  m u ltilevel inverters a r e b u ilt with se rie s  conne ction of H-b r id ge  inverter  with  sep a rate  DC  sou r ces. A s  t he na me in di cate s  H-b r idg e  inverte r s are cascad ed  with   each othe r to pro d u c e st aircase wave form. Wh e n   the level gets incre a sed  the numb e r  of  inverters ca scad ed is al so increa sed.  It  doesn’t  need s any clampi ng dio des an d flying   cap a cito rs. F o r thre e pha se configu r atio n, the ca scad ed conve r ters can be lin ke d either in st ar  con n e c tion o r  delta conn e c tion. Co mpa r e to other to pologi es, it use s  less com pone nts which  results in mi n i mum amo unt  of switching l o sse s . The control of the s e inverter i s  a l so si mple. B u t  it requi re s i s olated  DC source s fo r th e po we r  con v ersio n , which limits it s u s e. Fo r  n-lev e l  inverter the n u mbe r  of swit chin g device requi re d is  2(n-1 )  per le g [30]. The circuit configu r ati o n   of single ph a s e five level inverter a nd its  output voltage waveform is sho w n i n  Figure 6 and  Figure 7 re sp ectively. The swit chin g stat es for five level inverter i s  sho w n in Ta b l e 2.          Figure 6. Ca scad ed H-b r id ge Multilevel Inverter  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Revie w  Pa per on T o rq u e  Rippl e Red u ction in  Brushless DC Mot o r Drives… (S.Arunkum ar)  71     Figure 7. Five level output voltage wavef o rm       Table 2. Swit chin g States for 5-l e vel CHBMLI  Sw itches Tu rn ON  Voltage Level  S1, S2  +Vdc  S1,S2,S5, S6  +2Vdc  S4,D2,S8,D6  0  S3,S4 -Vdc  S3,S4,S7,S8 -2Vdc      In the look up  table, diode free whe e ling  occurs  at the zero voltage level. At  Vdc only two  swit che s   are  in  con d u c tin g  mod e . Wh en the  level  gets i n crea sed, the  num ber  of switch es  con d u c ted is  also in crea se d. Two switch es from  u ppe r cell an d the two switch es  from lower ce ll  are  co ndu cte d .  Wh en the  BLDC moto r i s  po we red  wi th two level i n verter, the  g e nerated to rq ue  contai ns  signi ficant amou nt of ri pple whi c h is sh own in Figure 8.          Figure 8 Electromag netic T o rqu e  Wavef o rm (T wo lev e l Inverter)        Figure. 9 Electrom agn etic  Torq ue Wave form (Multilev e l Inverter)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  65 – 7 5   72 Whe n  the BLDC moto r is powered with  multilevel inverter, the generate d   electroma gne tic torque  co ntains mini m u m amou nt  of ripple in its waveform wh ich is  sho w n  in  Figure 9.      Table 3. Co m parative Anal ysis of Di ffere nt Multilevel Inverter T opol ogy  Terms  Diode  Clamped   Fl y i ng  Capacitor   Cascaded H- Bridge  Sourc e  (n-1)   (n-1)   2(n-1 )   Clamping  diodes  (n-1)* (n-2 )  -  -  Capacitors (n-1)   (n-1)* (n-2 )/2   -  Component  Count   High High  Minimum  Sw itching   Loss  Moderate  Moderate   High  Voltage Stress  Moderate   Moderate   Minimum      Among the s e  three top o lo gies  singl e so urce,  multi DC link  ca scad ed H-bri dge  multilevel  inverter is  the bes t c h oice for torque rippl e minimization in the BLDC motor drive.      4. Po w e r F a c t or Co rrec t io n  The p o wer  q uality has be come  the m o st si gnifi cant  factor to  be  c onsi dered at the  point  of BLDC mot o rs. Th e international  stan dard s   su ch  a s  Intern ationa l Electrote c hn ical Commi ssion   (IEC)  610 00-3-2,  sug g e s te d su ch th at the ha rmo n i cs in the  sup p ly cu rre nt sh ou ld be  within t he  accepta b le li mit. For  cla ss-A eq uipme n t (< 6 00  W,  1 6  A p e r ph ase)  whi c h  in cl ude s h o u s eh old  applia nce s , t he IEC  610 0 0 -3 -2 limit s t hat the T H D  of the supply  cu rrent  shou ld be  belo w   19%  [31]. Conve n tionally dio de  bridg e   re ctifier (DBR)  wi th l a rge  value  of  DC lin k  capa citor i s   used  a s   a front-end  re ctifier in VSI fed BLDC m o tors. T h is  circuit results in  highly dist ort ed supply  current   with THD of 65% and a p oor po we r factor of 0.8  which i s  not accepte d  by Internatio nal Po wer  Quality (PQ )  stan da rd s  such  a s  IEC-6100 0-3 - 2   [3 2]. Hen c e  a  power fa cto r  co rrecte d  (PFC)  frontend  re cti f iers  are  ne cessary to  im prove th e po wer facto r  in  ord e r to  im prove th e po wer  quality (PQ) a t  the AC mains.  Two stag e  PFC conve r ters  a r e  in pra c ti ce  in whi c h o ne  PFC co nverter co ncent rated  o n   improvin g the  power  qualit y (PQ) at A C  main s wh ich is typically a boost  converter an d an oth e r   one i s  for vol t age control,  whi c h de pen ds u pon t he  choi ce  of ap plicatio n. A si ngle  stage P F C  conve r ters  h a sg aine d mu ch m o re care be cau s e  th e PFC  ope ra tion and  the  DC-lin k volta ge  control ca n b e  achi eved in  a single  stag e [33-34].   In the  conve n tional PF C  scheme  the   spe ed  co ntro l ca n b e  a c hi eved  with th e hel p of   pulsewi dth-m odulate d  voltage  sou r ce i n verter  (PWM -VSI) with  con s tant d c  l i nk voltag e. Thi s   results hi ghe r switching lo sse s  in the VSI which  i s  the sq ua re fu nction of  swit chin g frequ e n cy.  The  sp eed  o f  the BL DC  motor i s   dire ctly propo rtio nal to th e  DC lin k volta g e . So the  sp ee d   control ca n be attained  by a variabl e DC lin k  voltage of VSI with funda mental freq u ency  swit chin g (ele ctroni c  comm utation). Thi s  provide s  mini mum switchi n g losse s .   Singh and Si ngh [35] have prop osed the con c e p t of buck-bo ost  conve r ter fed  BLDC  motor a nd th e sp eed  co ntrol ca n be  ach i eved by PWM_ VSI with consta nt DC li nk voltag e, which  offers high   switchi ng l o sses. T he  bu ck-boo st  conve r ter  i s  re pla c ed with singl e-en ded   p r im ary- induc t anc e  converter  (SEPIC) based  VSI fed BLDC moto r drive has been proposed by   Gopal arath n a m  and Taliya t. But it requires m o re nu mber of cu rre n t and voltage sen s o r s wh ich  rest rict s its applicability to lo w power applicat ions [36] .    The  swit chin g lo sses du e  to fund ame n tal freq uen cy swit chin g  of VSI for el ectro n ic  comm utation  of BLDC mot o r can be mi nimize d wi th  the help of Cuk convert e r  fed BLDC m o tor   drive with a variabl e DC lin k voltage ha s been pro p o s ed by Singh and Singh [3 2]. But it requires  three voltag e  control sensors fo r PFC  o peratio n  which is not  co st effective and  suitabl e for hi gh  power ap plications o n ly.  For fu rthe r im provem ent in  the efficien cy   and  perfo rm ance of the B L DC moto r th e front - end b r idg e  re ctifiers  are re placed with  b r idgel ess  (B L )  topolo g ie s. The BL top o logy provid es  less  con d u c tion lo sses a c ross  the swit che s .  Jang an d Jovanovic [37]  and Hub e r  et al. [38] ha ve   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A Revie w  Pa per on T o rq u e  Rippl e Red u ction in  Brushless DC Mot o r Drives… (S.Arunkum ar)  73 prop osed the   BL bu ck  and  boo st co nvert e r for PFC  op eration. But it  limits the o p e rating  ra nge  of  the dc lin k voltage control  due to se pa rate ste p   up  and ste p  do wn op eratio n  of the conve r ter.  Also large inrush  curre n t at the time of st arting is m a jo r dra w b a ck of  these converters.   Abbas A. Fordoun  et al. an alyze the  Cuk deriv e d  conv erters fo r PF C op eration i n  BLDC  motors. The y  propo sed  three types  of cuk  d e riv ed co nverte rs. The Cuk converte r h a s  cha r a c teri ze d  as natu r al p r otectio n  ag a i nst in rush current and  o v erload  cu rre n t, lower  ripp le   conte n t in th e  cu rrent a nd l o w  ele c trom a gnetic in terfe r ence (E MI) [3 9]. The  equiv a lent  circuit o f   Cu k derive d  converte rs i s  shown in Figu re 10(a ) -(c).         (a)     (b)       (c )     Figure 10. Equivalent circui ts for (a) Ty pe I. (b) Type II and (c) Type III Cuk deri v ed PFC  Conve r ters      Among th e d i fferent BL  converte r top o l ogie s ,  the b r idgele s s bu ck-b oo st rectifi e r h a s  less co mpon ent cou n t co mpared to cu k de rived  con v erters. To a c hieve in here n t powe r  fact or  corre c tion  at  AC main s, th e re ctifier i s   func tion ed in  a di scontinu ous indu cto r   curre n t mod e   (DIC M). T h is  re ctifier  offers   low switching losses in VSI, bec au se  th e  VSI ope r a tes  in low  freque ncy fo r elect r oni c  commutation i n  BLDC m o tor [40]. Th e  equivalent  ci rcuit for the  BL  buck-boo st converte r is  shown in Figu re 11. The compa r at ive analysi s  betwe en the differe nt   PFC co nverte r topologi es i s  tabulate d  in  Table 4.   Hen c e the B L  buck-bo ost  PFC co nverter is a be st  choi ce for i m provin g the  powe r   factor at the  AC main s in ord e r to o b tain the be st power q u a lity. Compa r ed to othe r BL  topologi es th e buck-bo ost  conve r ter h a v e a minimu m numbe r of  comp one nts.  So the losses   asso ciated  wi th the switche s  and  st re ss on switch es g e ts red u ced.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 13, No. 1, Janua ry 2015 :  65 – 7 5   74 Table 4.Com parative Anal ysis of BL Co nverter T opol ogie s           Figure 11. Equivalent circui t of  bridgele s s  bu ck-bo o st conve r ter       5. Conclusio n   An exhau stive overview of torque  ripple  minimi zation te ch ni que s with d i fferent   multilevel inverter to polog ies an d po wer qu ality improvem ent in  the bru s hle ss  dc m o tors  (BLDC) h a s b een presente d  in this pape r. Among  different torque  minimization tech niqu es, th e  ca scade d  H-bridg e  m u ltilevel inverte r   gives  better  perfo rman ce   in the  efficie n cy a s  well   as  smooth e r  distortion le ss  stator current.  The h a rm o n ics in the  stator current  are effe ctively  redu ce d  whi c h minimi ze th e THD. Al so  different  PF C co nverte rs a r e a nalyzed f o r p o wer  qual ity  improvem ent  at AC mai n s. From  this a nalysi s   the  B L  bu ck-boo st co nv erte r p r ovides re du ced  swit chin g lo sse s  an d  stre sses a c ro ss t he  switche s .  The BL DC m o tor h a s inhe rent h o u s eh o l d   appli c ation s   and the  pe rforma nce of t hese mo to rs have b een i m prove d  by  BL bu ck  boo st   conve r ter a s  front-en d  re ctifier an d cascad ed  H-b r idge m u ltilevel inverter fe d BLDC mot o r  drive.      Referen ces   [1]  Dai M, Ke yha n i A, Sebastia n  T .   T o rque rippl e  ana l y sis  of a PM brushless DC mot o r using fin i te   elem ent metho d .  IEEE Trans.  Energy Conver s . 2004; 19( 1): 40– 45.   [2]  W ang HB, Li u HP. A novel s e nsorl e ss contro l method for  brushl ess DC mo tor.  IET Electr.  Power Appl.   200 9: 3(3): 240 –24 6.  [3]  Gan W C , Qiu L.  T o rque a n d  veloc i t y  r i pp le el imin atio n of AC perma n ent  mag net motor contr o l   s y stems usi ng  the intern al mo del pr inci ple.  IEEE/ASME Tr ans. Mechatron . 2004; 9( 2): 436– 44 7.  [4]  T abarraee K,  I y er J, Atig he chi H, Jatsk e vich  J. D y n a m ic aver age-v a lu e mo del ing  of 12 0° VSI- commutated br ushl ess DC motors  w i t h  trap ezoi dal b a ck EMF .   IEEE T r a n s. Energy Co nvers . 201 2 ;   27(2): 29 6– 307 .  [5]  Kim T H  and E h san i  M. Se ns orless c ontro l  of t he BL DC m o tors from n e a r-zero to  hig h   spee ds.  IEEE   T r ans. Pow e r Electron.  20 04;  19(6): 163 5– 1 645.   [6]  Ozturk SB, Alex ander WC , T o li yat  HA. D i re ct torque  co ntrol  of four-s w i tc h br ushl ess  D C  motor   w i t h   non-s i nus oi dal back  EMF .   IEEE T r ans. Pow e r Electron.  201 0; 25(2): 26 3–2 71.   [7]  Bhim Si ngh, S anj eev Si ng h.  State of the A r t on Perma ne nt M agn et Bru s hless  DC Mo tor Drive s .   Journ a l of Pow e r Electron ics.  200 9; 9(1): 1-1 7 .  [8]  Haife ng Lu, Le i  Z hang, W enlo ng Qu. A Ne w   T o rque C ontrol   Method  for T o rque  Ri pp le M i nimizati on  of   BLDC Motors  w i t h  Un-Ideal B a ck EMF.  IEEE  Trans. Power  Electron . 20 08;  23(2).   [9]  Yand amuri H ari bab u, Narasi mha Murth y   VV.  A Ne w  T o rqu e  Contro l  Method for T o rque Ripp l e   Suppr essio n  in  BLDC Motor  w i th Non i de al Ba ck EMF .   Indian  Streams R e se arch Jour nal.  2 013; 3(1 1 ).  [10]  Calso n  R, Milc hel LM, F agu n des  JC. Anal ys is of torque rip p le d ue to ph a s e commutatio n  in brus hles s   dc machi nes.  IEEE Trans. Ind. Appl.  199 2; 28(3): 632 –6 38.   Configuration   No. of  Devices  S u itability   S W D L  C T OTAL   BL-BUCK   2  4 2 2 10  NO  BL-BOOST   2  2 1 1 6   NO  BL-CUK  T - 1   2  3 3 3 11  Y E S   BL-CUK  T - 2   2  2 3 4 11  Y E S   BL-CUK  T - 3   2  4 4 3 13  Y E S   BL-BUCK-B OOS T   2  4 2 1 9   Y E S   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.