I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.   6 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7 ,   p p .   20 ~ 27   I SS N:  2 089 - 4 864 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r es . v6 . i1 . p p 20 - 27          20       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JR E S /in d ex   FP G A - ba sed  Arc hitectu re of  Dire c To rque  Co ntrol       Aza za   M a her,   E cha ieb K a m el,   M a m i A bd e l k a der   Na ti o n a S c h o o o f   En g in e e ri n g   o f   T u n is  ENIT ,   L a b o ra to ry   o f   S y ste m   A n a l y sis a n d   Co n tro L A CS ,     El m a n a Un iv e rsit y   T u n is,   T u n isi a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   3 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   J an   2 0 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   J an   2 7 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e p re se n ts  a n   o p ti m ize d   F P GA   a rc h it e c tu re   o f   a   DT d irec to rq u e   c o n tro l”  d riv e   o f   a n   in d u c ti o n   m o to r.   T h e   p r o p o se d   a rc h it e c tu re   i b a se d   o n   v a riab le  f ix e d   p o in w o rld   siz e   a n d   th e   u se   ip c o re in   o rd e to   a c h i e v e   h ig h e r   sa m p li n g   f r e q u e n c y   w h ich   l e a d to   re d u c e   th e   e lec tro m a g n e ti c   t o rq u e   a n d   f lu x   rip p les .   T h e   h a rd w a re   i m p le m e n tatio n   w a e x p e ri m e n tall y   v a l id a ted ,   th e   re su lt sh o w th e   e f f e c ti v e n e ss   o f   th e   h a rd w a re   DT d riv e   i m p le m e n tatio n   b y   th e   m in i m iza ti o n   o f   th e   to r q u e   a n d   f lu x   rip p le .   K ey w o r d s :   Dr u g   s u i tab ilit y   H y p er ten s io n   P r o f ile  m a tch i n g   I n ter p o latio n     Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A za za   Ma h er   Natio n al  Sc h o o l o f   E n g in ee r i n g   o f   T u n i s   E NI T ,     L ab o r ato r y   o f   S y s te m   A n a l y s i s   an d   C o n tr o l L AC S,    El m a n ar   Un i v er s it y   T u n i s ,   T u n is ia   E m ail:  m a h er . az az a@ g m ai l.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   B ef o r th p o w er   elec tr o n ic s   i s   i n tr o d u ce d ,   in d u ctio n   m o to r s   w er m a in l y   u s ed   f o r   ap p licat io n s   w i t h   al m o s co n s ta n s p ee d   b ec au s e   o f   t h u n a v ailab ilit y   o f   v ar i ab le  f r eq u en c y   d r iv e.   T h ad v an ce m e n o f   p o w er   elec tr o n ics  h as  s o lv ed   t h is   p r o b le m   an d   e x te n d ed   th u s o f   in d u ctio n   m o to r s   f o r   v ar iab le  s p ee d   ap p licatio n s ,   b u d u to   th i n h er e n li n k ag o f   f l u x   a n d   to r q u e,   th p er f o r m a n ce   d id   n o r ea ch es  t h at  o f   th D C   m ac h i n e.   Dec ad es  ag o ,   th m et h o d o lo g y   f ield   o r ien ted   co n tr o ( FOC )   o f   an   in d u c tio n   m o to r   w as  est ab lis h ed   w h ic h   h as   o p en ed   n e w   h o r izo n   f o r   in d u ctio n   m o to r s   ap p licatio n s .   T h is   m et h o d o lo g y   is   b a s ed   o n   th f r a m es   tr an s f o r m s   ( C o n co r d ia,   P ar k ,   P a r k   in v e r s e) ,   an d   th d ec o u p li n g   o f   co n tr o v ar iab les.  I ts   m aj o r   d r aw b ac k   is   t h co m p le x it y   o f   th co n tr o alg o r ith m   w h ich   m ak e s   th i s   s o lu t io n   co m p lex   o p er atio n   f r o m   i m p le m e n tatio n   o n   an   e m b ed d ed   tar g et.   T h d ir ec t to r q u co n tr o DT C   ( Dir ec t T o r q u C o n tr o l)   h as b ee n   p r o p o s ed   in   1 9 8 6   b y   T ak a h as h i [ 1 ] ,   it  allo w s   th s p ee d   co n tr o th r o u g h   th d ir ec co n tr o o f   t h m o to r   elec tr o m a g n etic  v ar iab les.  T h is   tech n iq u e   u s e s   s i m p ler   co n tr o s tr u ct u r b ased   o n   esti m ato r s   an d   h y s ter es is   r e g u la to r s ,   to   co n tr o in d ep en d e n tl y   t h s tato r   f l u x   an d   to r q u e.   T h s i m p licit y   lie s   i n   li m ited   v ec to r   o p er atio n s   an d   co o r d in ates  tr an s f o r m atio n ,   th e   ab s en ce   o f   m o d u latio n   o p er ati o n s   ( P W M,   SVM)   an d   th n o n - n ec e s s i t y   o f   p o s itio n   s e n s o r .   A lt h o u g h   its   s tr u ct u r i s   s i m p le,   DT C   r eq u ir es  f ast  p r o ce s s o r   to   p er f o r m   elec tr o m ag n e tic  to r q u an d   s tato r   f lu x   e s ti m ato r   co m p u tat io n .   Di f f er en e m b ed d ed   s o lu tio n s   w er i n v e s ti g ate d   to   ac h iev h i g h   s a m p li n g   f r eq u en c y   F s ,   s u c h   a s   DSP   [ 2 ] - [ 4 ]   w h er its   F s   ca n   r ea ch   u p   to   2 0   k Hz .   Ho w ev er ,   th i s   i s   n o en o u g h   f o r   th d i s cr ete  h y s ter esi s   co n tr o ller   to   r ea ch es  t h s a m p e r f o r m an ce   as  a n alo g   o p er atio n ,   w h er to r q u an d   f l u x   r ip p le  o u tp u t a r li m ited   w it h i n   t h h y s ter e s is   b an d .   T h er ef o r e,   o th er   s o lu tio n s   h a v b ee n   p r o p o s ed   in   th liter atu r e,   s o m s t u d ies  [ 6 ] ,   [ 7 ] , [ 8 ]   h av u s ed   co m b i n atio n   o f   D SP   an d   FP G A   to   r ed u ce   th co m p u tat io n al   lo ad   o n   DSP   b y   d is tr ib u ti n g   t ask s   to   th FP G A .   Ho w e v er ,   th i s   co m b i n atio n   o f   s o f t w ar an d   h ar d w ar s o lu tio n   i n cr ea s e s   th co s a n d   co m p lex i t y   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       F P GA - b a s ed   A r ch itectu r o Dir ec t To r q u C o n tr o l   ( A z a z a   Ma h er )   21   in ter f ac in g   t h cir cu it  a n d   is   n o p r ac tical  s o lu tio n   f o r   co m m er cial  p u r p o s es.  Ot h er   s t u d ies  [ 9 ] - [ 1 1 ]   h av e   p r o p o s ed   h ar d w ar FP GA   b a s ed   i m p le m e n tat io n   o f   t h en tire   DT C   alg o r ith m   w h er th VHDL   co d w a s   g en er ated   u s in g   Xil i n x   s y s te m   g e n er ato r   to o lb o x   o f   Ma tl ab ,   s ig n i f ican a m elio r atio n   o f   to r q u an d   f lu x   r ip p le  w er f o u n d   b u t th V H DL   co d w a s   n o t o p ti m ized   to   ac h iev h i g h er   s a m p li n g   f r eq u en c y .   I n   th i s   w o r k ,   n o v el  FP G A   i m p le m en ta tio n   o f   DT C   b ased   o n   h y s ter esi s   co n tr o ller   is   d ev elo p ed   u s i n g v ar iab le  f i x ed   p o in w o r ld   s ize  an d   in v o lv in g   ip - co r es  o f   Xilin x   to   co m p u te  co m p le x   f u n ctio n s   in v o l v ed   i n   DT C   alg o r it h m   s u ch   a s   t h s q u ar r o o an d   tr ig o n o m etr ic  f u n ctio n s .   T h p er f o r m an ce   o f   t h e   p r o p o s ed   FP GA   ar ch itect u r i s   ex p er i m e n tal l y   v alid ated .   h ig h   s a m p li n g   f r eq u e n c y   is   a ch iev ed   s h o w i n g   s ig n i f ica n t r ed u ce d   to r q u an d   f lu x   r ip p le       2.   DT A L G O R I T H M     T h DT C   ess en tiall y   co n s is ts   o f   to r q u co n tr o lo o p   an d   s p ee d   co n tr o lo o p ,   as  s h o w n   in   Fi g u r 1.   I n   th i s   to p o lo g y ,   t h s tato r   f lu x   an d   elec tr o m ag n etic   to r q u ar r esp ec tiv el y   co n tr o lled   b y   t h m ea n s   o f   2   lev el  an d   3   lev e h y s ter es is   r e g u la to r s .   T h o u tp u ts   o f   co m p ar ato r s   an d   th s ec to r   n u m b er   ar u s ed   to   in d ex   th s w itc h in g   tab le  " lo o k - up - t ab le"   in   o r d er   to   s elec th ap p r o p r iate  s w itc h i n g   s tate s   o f   th in v er ter   s w itc h e s .   I n   th is   lo o p ,   th m o s i m p o r t an s u b - m o d u le  th at  ca n   g u ar an tee  s ati s f ac to r y   p er f o r m a n c o f   th DT C   is   th esti m ato r   o f   th s ta to r   f lu x   a n d   to r q u [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ] .           Fig u r 1 .   Mo d u les o f   th DT C   alg o r ith m       T h co m p u tatio n   o p er atio n s   in v o l v ed   in   th f lu x   an d   to r q u esti m ato r   ar d escr ib ed   b y   th ab o v e   eq u atio n s :     ● ( α , β )   tr a n s fo r m:   { =   = 3 3   ( + 2 )               ( 1 )     { =    3 ( 2   ) = 3 3  ( + )                     ( 2 )     S ta to r   flu in   ( α ,   β )   fr a me:     { =   0 + ( ) =   0 + ( )   ( 3 )     W h er T s   is   th s a m p li n g   p er io d   ( µs)   an d   R is   th s tato r   r esis tan ce   ( o h m s ) .   Neg lecti n g   t h s ta to r   r esis ta n ce ,   eq u atio n s   1 3   an d   1 4   i m p l ies  t h at  t h tip   o f   t h s tato r   v ec to r   w ill   m o v in   t h d ir ec tio n   o f   th ap p lied   v o ltag v ec to r   in   s tr aig h lin as  in d icate d   in   Fi g u r 2 .   Fo r   c o n tr o llin g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 7   :   20     27   22   th a m p lit u d o f   th s ta to r   f lu x ,   th v o lta g v ec to r   p lan is   d iv id ed   in to   s ix   r eg io n s .   E ac h   o f   th ese  s ec to r s   i 6 0 °  w id e.   I n   ea ch   r e g io n ,   t w o   ad j ac en v o ltag v ec to r s   m a y   b s elec ted   to   in cr ea s o r   d ec r ea s th s tato r   f l u x   a m p lit u d an d   g i v m i n i m u m   s w i tch i n g   f r eq u e n c y   [ 1 4 ] .   T h s w itc h i n g   tab le  is   g i v e n   b y   th T ab le  1:       T ab le  1 .   Sw itch in g   T ab le   φ   T   Z o n e   1   Z o n e   2   Z o n e   3   Z o n e   4   Z o n e   5   Z o n e   6   ϕ   = 1   1   V 2   V 2   V 4   V 5   V 6   V 1   0   V 7   V 0   V 7   V 0   V 7   V 0   - 1   V 6   V 1   V 2   V 3   V 4   V 5   ϕ   =   0   1   V 3   V 4   V 5   V 6   V 1   V 2   0   V 0   V 7   V 0   V 7   V 0   V 7   - 1   V 5   V 6   V 1   V 2   V 3   V 4           Fig u r 2 Selecte d   s tato r   v o lta g r eg r ad in g   th s tato r   f l u x   s e cto r       T h to r q u an d   f lu x   h y s ter esi s   co n tr o ller s   s elec th ap p r o p r i ate  v o ltag v ec to r s .   T ab le  1   in d icate   th e   s ix   a n d   eig h v o ltag v ec to r s   s w itc h in g   s tr ateg ie s ,   in   ea c h   r eg io n   T an d   φ   ar in cr ea s in g   o r   d ec r ea s in g   f u n ctio n s   o f   ti m e.   W h en   t h to r q u is   in cr ea s i n g   o r   d ec r ea s in g ,   th f l u x   lin k a g ca n   b in cr ea s ed   o r   d ec r ea s ed   b y   s elec ti n g   a lter n ati v el y   o n e   o f   th s ix   n o n   ze r o   v o lta g v ec to r s   an d   o n o f   th t w o   z er o   v o ltag v ec to r s   [ 1 5 ] [ 1 6 ] .   T h to r q u an d   f l u x   ar i n cr ea s ed   o r   d ec r ea s ed   b y   s elec ti n g   o n l y   th e   s i x   n o n   z er o   v o ltag e   v ec to r s .   T h to r q u is   ch an g ed   b y   r ev er s i n g   t h m o v e m e n o f   t h e   s tato r   f l u x   v ec to r   at  ea ch   s t ate  o f   th h y s ter esi s   co n tr o ller   o u tp u t [ 1 7 ] .   ●S ec to r   n u m b er   o f   f lu x   v ec to r :     =   ( )   ( 4 )       T o r q u an d   s tato r   f l u x   m a g n i tu d esti m atio n :     { φ s = φ α 2 + φ β 2 T e = 3 4 P ( I β φ α I α φ β )   ( 5 )     W h er P   is   th e   p o le’ s   n u m b er   o f   t h i n d u ct io n   m o to r ,   T is   t h elec tr o m a g n etic  to r q u ( N. m )   a n d   φ is   t h s tato r   f l u x   m a g n i tu d ( W b ) .   T h f l u x   2 - le v el  h y s ter e s is   co n tr o ller ,   as  d ep icted   i n   F ig u r e   3 ,   is   d escr ib e b y   t h f o llo w in g   eq u atio n s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       F P GA - b a s ed   A r ch itectu r o Dir ec t To r q u C o n tr o l   ( A z a z a   Ma h er )   23       Fig u r 3 .   2 - lev el  h y s ter is i s   s at ates       { = 1                       = ( ) / 2 = 0                         = ( ) / 2   ( 6 )     W h er C i   is   t h co n tr o l in v er te r   co n tr o l sig n a l,  an d   Δ h   is   th h y s ter esi s   b an d .   T h to r q u 3 - lev el  h y s ter es is   c o n tr o ller   is   d escr ib ed   b y   th f o llo w i n g   eq u atio n s :       { = 1                                     / 2 = 0                        2  2 = 1                                                   / 2   ( 7 )       3.   F P G B ASE ARCH I T E C T UR E   3 . 1 .     E lect ro m a g net ic  t o rque   a nd   s t a t o f lux   esti m a t o a rc hite ct ure   T h m aj o r   im p o r tan m o d u le  in   DT C   d r iv is   th f lu x   an d   to r q u esti m ato r   w h ic h   in v o l v es   d if f er en t   co m p u tatio n al  o p er atio n s   s u c h   as  b asic  ar ith m etic  b in ar y   ad d itio n ,   s u b tr ac tio n ,   m u ltip li ca tio n .   Oth er   m o r e   co m p le x   ca lc u latio n   o p er atio n s   ar al s o   i n v o l v ed   s u ch   a s   tr ig o n o m etr ic  f u n ctio n s   an d   th s q u ar r o o co m p u tatio n ,   th e s o p er ato r s   ad d   m o r co m p lex it y   to   t h s ta g o f   i m p le m en tatio n   d u r in g   w h ic h   t h e   p er f o r m a n ce   a n d   u s ed   FP G A   r eso u r ce s   ar o f   m aj o r   im p o r t an ce .   I n   th i s   w o r k ,   th e   esti m a to r   is   i m p le m e n ted   in   t w o   p ip elin ed   s ta g es a s   s h o w n   i n   Fi g u r 4.       ΔX   0   Δ h /2   - Δ h /2   1   C i   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 7   :   20     27   24       Fig u r 4 .   A r ch itetcu r o f   f l u x   an d   to r q u esti m a to r       T h i m p le m e n tat io n   o f   t h es ti m ato r   i s   p er f o r m ed   u s i n g   t h t w o 's  co m p le m e n f i x ed   p o in f o r m a t   th r o u g h o u t h o p er atio n s   in v o lv ed   in   th ca lcu la tio n   al g o r ith m   w i th   th e x ce p tio n   o f   t h o p er atio n   o f   t h e   s q u ar r o o t.  I n   th is   p ar ticu lar   ca s e,   th n u m b er s   ar r ep r es en ted   in   u n s i g n ed   f i x ed   p o in f o r m at  as  o p er an d   an d   th r es u lts   ar al w a y s   p o s i tiv e.   T h i m p le m e n tat io n   o f   t h es ti m ato r   i s   p er f o r m ed   u s i n g   t h t w o 's  co m p le m e n f i x ed   p o in f o r m a t   th r o u g h o u t h o p er atio n s   in v o lv ed   in   th ca lcu la tio n   al g o r ith m   w i th   th e x ce p tio n   o f   t h o p er atio n   o f   t h e   s q u ar r o o t.  I n   th is   p ar ticu lar   ca s e,   th n u m b er s   ar r ep r es en ted   in   u n s i g n ed   f i x ed   p o in f o r m at  as  o p er an d   an d   th r es u lts   ar al w a y s   p o s i tiv e.   Dete r m i n i n g   th e   n u m b er   o f   b its   al lo ca ted   to   v ar ia b le  is   o n o f   t h cr itica p o in ts   in   t h e   i m p le m en ta tio n   o n   FP G A .   Fir s t,  th u s o f   a n   i n s u f f icie n n u m b er   o f   b its   ca n   r ed u ce   t h p r ec is io n   an d   ca u s a   ca lcu latio n   er r o r ,   w h ich   ca n   d estab ilize  t h o v er all  s y s te m .   On   t h o th er   h a n d ,   m a y   i n cr ea s th e   o v er   s iz in g   o f   th h ar d w ar i m p le m e n tatio n   s u r f ac s u c h   as  th ca s w h en   u s in g   f lo ati n g   p i n f o r m at .   I n   th is   w o r k ,   th e   ar ch itect u r is   i m p le m en ted   u s in g   v ar iab le  f i x ed - p o i n f o r m at  d ep en d i n g   o n   th e   m a th e m atica o p er atio n   to   b p er f o r m ed .     T h s q u ar r o o f u n ct io n   a n d   th a r ctg ”  f u n ctio n   i n v o lv ed   in   t h s tato r   f lu x   m ag n it u d an d   s ec to r   co m p u tatio n   ar p er f o r m ed   b y   ip co r es  w h ic h   ar p r e - o p ti m ized   m o d u les  f r o m   ti m i n g   an d   r eso u r ce s   co n s u m p tio n   p o in t   v ie w .   T h esti m ato r   is   i m p le m e n ted   in   t w o   p ip elin ed   s tag e s I n   th f ir s t   s ta g e,   t h e   C o n co r d ia  tr an s f o r m   o f   s tato r   cu r r en ts   a n d   v o lta g es  a s   w ell  as  th s tato r   f l u x   in   ( α , β )   f r a m ar p er f o r m ed   i n   p ar allel  co m p u tatio n .   I n   th s ec o n d   s tag e,   t h est i m a ted   to r q u e,   th es ti m a ted   s tato r   f l u x   m ag n it u d e,   an d   t h s ec to r   n u m b er   co m p u ta tio n   a r p er f o r m ed   i n   p ar allel.   T h t w o   s eq u en tial  s ta g es  ar s y n ch r o n ized   u s i n g   a   n u m b er   o f   r eg i s ter s .   Di f f er en esti m ato r   o p er atio n s   ar co n tr o lled   b y   lo ca l f i n ite  s tate  m a ch in FS M.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       F P GA - b a s ed   A r ch itectu r o Dir ec t To r q u C o n tr o l   ( A z a z a   Ma h er )   25   3 . 2 .     F P G Arc hite ct ure  o f   t he  DT C   T h FP GA   ar ch itect u r o f   t h e   DT C   alg o r ith m   i s   d escr ib ed   in   Fi g u r 5 .   A th t i m t k ,   D T C   co n tr o l   s eq u en ce r   i s   ac tiv a ted   b y   t h e   s tar s ig n al  at  h ig h   lo g ic  lev el,   it  tr i g g er s   s eq u e n tiall y   th d ig ital  a n alo g   co n v er s io n   a n d   t h i n ter n a s eq u en ce r   o f   t h DT C .   I n itiall y   C o n co r d ia  tr an s f o r m   a n d   t h P I   co n tr o ller   ar e   ac tiv ated   in   p ar allel,   t h ese  m o d u les  g e n er ate  th v al u es  o f   I α   ,   I β  ,     an d   Vβ  a s   w ell  t h to r q u r ef er en c e   v alu e.   Af ter   th e s ti m ato r   co m p u tat io n   t h s ec to r   p o s itio n   an d   th h y s ter e s is   co n tr o ller   ar ac tiv ated .   E r r o r s   s ates  o n   t h f l u x   an d   to r q u e   a r co m p ar ed   to   th h y s ter esi s   b an d   at  t h e n d   o f   ea ch   co m p u tatio n   c y cle;   t h co n tr o l p u ls es ( S1 ,   S2 ,   S3 )   ar g en er ated   an d   ap p lied   to   th s w itc h e s   o f   th DC - AC   in v er te r .           Fig u r 5 .   DT C   ar ch itetcu r e       4.   F P G SYN T H E SI S RES UL T S   T h FP GA   s y n t h esi s   r es u lts   o n   Sp ar tan - 3 E   FP GA   ( X C 3 S5 0 0 E - 4 FG3 2 0 C )   ar e   p r esen ted   in   T ab le. 2   an d   T ab le  3   as f o llo w :       T ab le  2 .   R ess o u r ce s   u t ilizatio n   s u m m ar y   R e so u r c e s u t i l i z a t i o n   S l i c e s n u mb e r   9 7 0   ( 2 1 %)   L U T s Nu mb e r   1 1 5 3   ( 1 3 %)   M u l t   ( 1 8 × 1 8 )   2 ( 1 0 %)       T ab le  3.   FP GA   co m p u tatio n   p er f o r m an ce   M o d u l e   L a t e n c y   Ex e c u t i o n   T i me   A D C   1 2 0   2 . 4   µ s   S p e e d   e n c o d e r   2   0 . 0 4   µ s   a b c - αβ   4   0 . 0 8   µ s   Est i m a t o r   :   T e a n d   F l u x   6   0 . 1 2   µ s   S e c t o r   p o si t i o n   4   0 . 0 8   µ s   S w i t c h i n g   T a b l e   4   0 . 0 8   µ s   H y st e r i si s   3   0 . 0 6   µ s   PI   6   0 . 1 2 µ s   D T C   = T αβ T E s t + T S e c t e ur + T H y s + T PI   0 . 5 4   µ s   T t o t a l = T D T C   + T ADC   3 . 2 2   µ s       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 7   :   20     27   26   T h i m p le m e n ted   DT C   al g o r ith m   is   ex ec u ted   i n   0 . 5 4   µs,  t h to tal  n ec es s ar y   ti m f o r   t h DT C   is   3 . 2 2   µs c o n s id er in g   th a n alo g   to   d ig ital c o n v er s io n .       5.   E XP E R I M E NT A L   RE SUL T S AN CO M P ARAISON   T h ex p er i m e n tal  s et   u p   is   d escr ib ed   b y   t h Fi g u r 6 .   I co n s i s o f   t h r ee   m ai n   s ta g es;  p o w er   elec tr o n ic  s ta g ( p o w er   s u p p l y ,   VSI ) ,   ad ap tatio n   an d   co n d i tio n in g   ( A D C ,   D AC ,   Am p l if i er ,   ac q u is itio n ) ,   t h FP GA   a n d   th t h r ee   p h ase  i n d u ctio n   m o to r   w i th   p ar a m eter s   ar lis ted   in   T ab le  4 .       T ab le  4 .   I n d u ctio n   Mo to r   P a r a m eter s   P a r a me t e r s   V a l u e s   N o mi n a l   v o l t a g e   2 3 0 / 4 0 0   V   N o mi n a l   c u r r e n t   2 . 8 / 4 . 5   A   N o mi n a l   P o w e r   1 . 3   KW   N o mi n a l   s p e e d   1 5 7 8   r p m   P o l e s   2   M o me n t   o f   i n e r t i a   ( J)   0 . 0 0 3 8   K g . m 2   V i sco u s   f r i c t i o n   c o e f f i c i e n t   0 . 0 0 3 2   N . m . s/ r a d           Fig u r 6 .   Sch e m atic  o f   t h ex p er i m en t set u p       An   ex p er i m en ta v alid atio n   o f   th DT C   i m p le m en ted   o n   FP GA   i s   ca r r ied   o u to   s tu d y   t h e   p er f o r m a n ce   o f   th e   DT C   FP GA - b ased   co m p o n e n ts   as   w el as   th e   e f f ec t iv e n es s   o f   t h e   d ev elo p ed   h ar d w ar ar ch itect u r th a r es u lted   i n   a n   e x ec u t io n   ti m e   o f   3 . 2 2   μ s   .   Fig u r e   s h o w s   t h e x p er i m e n tal  r e s u lt s   o f   s tato r   f l u x ,   t h r ef er en ce   v al u is   0 . 8   W b   an d   th elec tr o m a g n e tic   to r q u esti m ated   f o r   s a m p li n g   f r eq u e n c y   o f   5 0   k Hz  an d   f r eq u en c y   o f   2 0 0   k Hz.               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E     I SS N:  2089 - 4864       F P GA - b a s ed   A r ch itectu r o Dir ec t To r q u C o n tr o l   ( A z a z a   Ma h er )   27                 Fig u r 8 .   Stato r   F lu x   an d   elec t r o m a g n etic  to r q u esti m ated   f o r   s am p li n g   f r eq u e n c y   o f   5 0   k Hz   an d   2 0 0   k Hz       B ased   o n   th ex p er i m e n tal   r esu lt s   o f   t h DT C   co n tr o p er f o r m an ce   i s   i m p r o v ed   i n   ter m s   to r q u e   r ip p le  an d   s tato r   f l u x   w h e n   th s a m p l in g   f r eq u e n c y   in c r ea s es.T h e   to r q u an d   f lu x   r ip p le  ac h iev ed   ar e   r esp ec tiv el y   1 2 . 5   an d   4 . 3 2   s h o w in g   t h h i g h   p er f o r m an ce   o f   t h p r o p o s ed   DT C   ar ch itect u r e.   T ab le  5   p r esen ts   co m p ar aiso n   o f   th p r o p o s ed   ar ch itectu r to   o th er   w o r k s   in   t h liter at u r e.       T ab le  5 .   C o m p ar aiso n   T ab le   Re f e r e n c e   S a mp l i n g   f r e q u e n c y   D T C   P l a t e f o r m   R i p p l e   ( %)   T o r q u e   F l u x   P r o p o se d   2 0 0   k H z   H y st e r i si s   F P G A   1 2 . 5   4 . 3 2   [ 1 8 ]   2 0   k H z   F u z z y   F P G A   X i l i n x   V i r t e x - V   x c 5 v f x 7 0 t - 3 f f 1 1 3 6   5 9 . 6 4   6 . 3 7   [ 1 9 ]   2 0 0   k H z   H y st e r i si s   F P G A     A l t e r a   A P EX 2 0 K 2 0 0 EF C 4 8 4 - 2x   9 . 0 9   2   [ 2 0 ]   ( - )   S V M   F P G A   X i l i n x   S p a r t a n   3   8 0 %   10       6.   CO NCLU SI O N   T h is   p ap er   p r esen ted   an   FP G i m p le m e n tatio n   o f   DT C   d r iv e.   T h DT C   FP G A   ar ch i t ec tu r w a s   d escr ib ed   w h er t h esti m ato r   w a s   h i g h li g h ted .   T h esti m at o r   w as  i m p le m en ted   u s i n g   v ar iab le  f ix ed   p o in t   f o r m at  i n   o r d er   to   en h an ce   i ts   co m p u tat io n   p er f o r m a n ce .   I n   a d d itio n   th h ar d w ar im p le m e n tat io n   w as   o p tim ized   to   ac h iev h i g h er   s a m p lin g   f r eq u en c y   lead in g   to   r ed u ce   th to r q u an d   f lu x   r ip p le.   T h to r q u an d   s tato r   f l u x   r ip p le  ac h iev ed   ar r esp ec tiv el y   1 2 . 5 an d   4 . 3 2 at  2 0 0   k Hz  s a m p li n g   f r eq u en c y .   T h DT C   p er f o r m a n ce   i s   en h a n ce d   w it h   an   o p ti m ized   FP GA   r e s o u r ce s   u t ilizatio n   as  w el an   e x ec u ti o n   ti m o f   3 . 2 2   µs  co n s id er in g   th a n alo g   to   d ig it al  co n v er s io n .       RE F E R E NC E S   [1 ]   T a k a h a sh I,   No g u c h T ,   A   Ne w   Qu ic k - Re sp o n se   a n d   Hig h -   Eff icie n c y   Co n tro S trate g y   o f   a n   I n d u c t i o n   M o t o r IEE T ra n sa c ti o n o n   In d u stry   A p p li c a ti o n s ,   1 9 8 6 ;   2 2 8 2 7 . 1 9 8 6 .   0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 T i m e   ( s ) S t a t o r   F l u x   M a g n i t u d e   ( W b ) T i m e   S e r i e s   P l o t : F s =   5 0   k H z 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 T i m e   ( s ) S t a t o r   F l u x   M a g n i t u d e   ( W b ) F s =   2 0 0   k H z 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 -2 0 2 4 6 8 10 12 T i m e   ( s ) T o r q u e   ( N m ) F s = 5 0   k H z 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 -2 0 2 4 6 8 10 12 T i m e   ( s ) T o r q u e   ( N m ) F s =   2 0 0 k H z Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4 864     I J R E S   Vo l.  6 ,   No .   1 ,   Ma r ch   2 0 1 7   :   20     27   28   [2 ]   Bo se   B.   K,  S z c z e sn y   P .   M .   m icro c o m p u ter - b a se d   c o n tro a n d   sim u latio n   o f   a n   a d v a n c e d   I P M   s y n c h ro n o u s   m a c h in e   d riv e   sy st e m   f o e lec tri c   v e h icle   p ro p u lsi o n ”,   In d u stria E lec tro n ics ,   IEE E   T ra n sa c ti o n o n .   1 9 8 8 3 5 ;   5 4 7 - 5 5 9 1 9 8 8 .   [3 ]   L ian b in g   L ,   h ig h - p e rf o r m a n c e   d irec to rq u e   c o n tr o b a se d   o n   DSP   in   p e rm a n e n m a g n e s y n c h ro n o u m o to d riv e ”,   In telli g e n C o n tr o a n d   Au to ma ti o n ,   Pro c e e d i n g o t h e   4 t h   W o rld   Co n g re ss   o n ,   2 0 0 2 2 1 6 2 2 - 1 6 2 5 .   [4 ]   Cru z   S .   M .   A ,   DSP   im p lem e n tatio n   o f   th e   m u lt ip le  re fe re n c e   f ra m e th e o r y   f o th e   d iag n o sis  o f   sta to f a u lt s   in   a   DT in d u c ti o n   m o to d riv e ,   En e rg y   Co n v e rs io n ,   IEE E   T ra n sa c ti o n s o n .   2 0 0 5 2 0 3 2 9 - 3 3 5 .   [5 ]   Ri e sg o   T ,   T o rro ja  Y,  De la  T o rre   E,   De sig n   m e th o d o l o g ies   b a se d   o n   h a rd w a re   d e sc rip ti o n   lan g u a g e s,”   IEE T ra n s .   In d .   El e c tro n .   1 9 9 9 4 6   ( 1 );  3 1 2 .   [6 ]   Jid in   A ,   S im p le  D y n a m ic  Ov e r m o d u latio n   S trate g y   f o F a st  T o rq u e   Co n tro in   DT o f   In d u c ti o n   M a c h in e w it h   Co n sta n t   S w it c h in g   F re q u e n c y   C o n tr o ll e r ”,   In d u stry   A p p li c a ti o n S o c iety   An n u a M e e ti n g   ( IAS ).   2 0 1 0 1 - 8.   [7 ]   T ri m b e rg e S .   A   re p ro g ra m m a b le g a te arra y   a n d   a p p li c a ti o n s Pr o c .   IEE E .   1 9 9 3 ;8 1 1 0 3 0 1 0 4 1 .   [8 ]   M o n m a ss o n   E,   Cirstea   M .   N ,   F P G A   De sig n   M e th o d o l o g y   f o In d u s tri a C o n tr o S y ste m s:  A   Re v iew ,   In d u stri a El e c tro n ics ,   IEE E   T ra n sa c ti o n o n .   2 0 0 7 5 4 ;1 8 2 4 - 1 8 4 2 .   [9 ]   F e rre ira  S ,   De sig n   a n d   p ro t o ty p in g   o f   d irec to rq u e   c o n tro o f   in d u c ti o n   m o to rs  in   F P G A s ,   In teg ra ted   Circ u it s a n d   S y ste ms De sig n ,   2 0 0 3 .   S BCCI  2 0 0 3 .   Pro c e e d i n g s.   1 6 th   S y mp o siu o n 2 0 0 3 ;1 0 5 - 1 1 0 .   [1 0 ]   Ri e sg o   T ,   T o rro ja  Y,  De la  T o rre   E,   De sig n   m e th o d o l o g ies   b a se d   o n   h a rd w a re   d e sc rip ti o n   lan g u a g e s ”,   IEE T ra n s .   In d .   El e c tro n .   1 9 9 9 4 6   ( 1 );  3 1 2 .   [1 1 ]   Din u   A ,   F P GA   n e u ra c o n tro ll e f o th re e   p h a se   se n so rles in d u c t io n   m o to d riv e   s y ste m s ,   P h . D.  d isse rtatio n ,   De   M o n tf o rt  U n iv . ,   L e ice ste r,   U.K.,   2 0 0 0 .   [1 2 ]   Ch a p u is   Y.A ,   Blo n d e   J.  P ,   Bra u n   F F P G A   I m p le m e n tatio n   b y   M o d u lar  De sig n   Re u se   M o d e   to   Op ti m iz e   Ha rd w a re   A rc h it e c tu re   a n d   P e rf o rm a n c e   o f   A M o to Co n tro ll e A lg o rit h m ”,   Pro c .   EP E - PE M Co n f;   2 0 0 4 .   [1 3 ]   Ch a ra a b L ,   M o n m a ss o n   E,   S lam a - Be lk h o d ja  I,   P re se n tatio n   o f   a n   e ff icie n d e sig n   m e th o d o l o g y   to   d e v e lo p   IP - c o re   f u n c ti o n f o c o n tro sy ste m s:  A p p li c a ti o n   t o   th e   d e sig n   o f   a n   a n ti w in d u p   P c o n tr o ll e r ”,   Pro c .   IEE IECON S e v il la,  S p a in ,   No v .   2 0 0 2 .   [1 4 ]   M o n m a ss o n   E,   Cirstea   M ,   F P G A   De sig n   M e th o d o lo g y   f o In d u s tri a Co n t ro S y ste m   A   Re v ie w ”,   IEE T ra n s.  In d .   El e c tro n .   2 0 0 7 5 4 ( 4 );1 8 2 4 - 1 8 4 2 .   [1 5 ]   T ri m b e rg e S ,   A   re p ro g ra m m a b le g a te arra y   a n d   a p p li c a ti o n s ,   Pr o c .   IEE E ,   1 0 3 0 1 0 4 1 ;   Ju l.   1 9 9 3 .   [1 6 ]   Jid in   A ,   A n   Op ti m i z e d   S w it c h in g   S trate g y   f o Qu ick   D y n a m i c   T o rq u e   Co n tro i n   DT C - H y st e re sis - Ba se d   In d u c ti o n   M a c h in e s” ,   In d u stri a El e c tro n ics ,   IEE T ra n s a c ti o n s o n .   2 0 1 1 ;   5 8 3 3 9 1 - 3 4 0 0 .   [1 7 ]   Jid in   A ,   T o rq u e   rip p le  m in i m iz a ti o n   in   DT in d u c ti o n   m o to d riv e   u sin g   c o n sta n f re q u e n c y   to rq u e   c o n tr o ll e r ”,   El e c trica M a c h in e a n d   S y ste ms   ( ICEM S ),   919 - 9 2 4 ,   2 0 1 0 .   [1 8 ]   S o u f ien   G ,   A b d e ll a ti f   M ,   M o h a m e d   M ,   De sig n   a n d   Ex p e rim e n tal  Im p le m e n tatio n   o f   DT o f   a n   In d u c ti o n   M a c h i n e   Ba se d   o n   F u z z y   L o g ic Co n tro o n   F P GA ”,   IEE tra n s a c ti o n s o n   f u zz y   sy ste m s .   2 0 1 5 ; 2 3 ; 9 9   [1 9 ]   S u ti k n o   T ,   Ni k   Id ris  NR,  Ji d in   A ,   Cirstea   M N,   A n   Im p ro v e d   F P GA   I m p le m e n tatio n   o f   Dire c T o rq u e   Co n tr o f o In d u c ti o n   M a c h i n e s” ,   IEE T r a n sa c ti o n o n   In d u stri a I n fo rm a t ics .   2 0 1 3   9   (3 )   1 2 8 0     1 2 9 0 .   [2 0 ]   Ra jen d ra n   R,   De v a ra jan   N,   F P GA   B a se d   I m p le m e n tatio n   o f   S p a c e   V e c to M o d u late d   Dire c T o rq u e   Co n tro f o r   In d u c ti o n   M o to r   Driv e   In ter n a ti o n a J o u rn a o f   Co m p u ter   a n d   El e c trica En g in e e rin g .   2 0 1 0   ;   2   ( 3 )   5 8 9 - 5 9 4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.