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 t  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 l  S c h o o l  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  L A CS ,     El m a n a r  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 r  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 C  “ d irec t  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 s  b a se d   o n   v a riab le  f ix e d   p o in t  w o rld   siz e   a n d   th e   u se   ip c o re s  in   o rd e r  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 s  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 s  e x p e ri m e n tall y   v a l id a ted ,   th e   re su lt s  sh o w s  th e   e f f e c ti v e n e ss   o f   th e   h a rd w a re   DT C  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 t  ©   2 0 1 7   In stit u te o f  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 l  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 e  th e  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 e  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 t  co n s ta n t  s p ee d   b ec au s e   o f   t h e  u n a v ailab ilit y   o f   a  v ar i ab le  f r eq u en c y   d r iv e.   T h e  ad v an ce m e n t  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 e  u s e  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 t  d u e  to   th e  i n h er e n t  li n k ag e  o f   f l u x   a n d   to r q u e,   th e  p er f o r m a n ce   d id   n o t  r ea ch es  t h at  o f   th e  D C   m ac h i n e.   Dec ad es  ag o ,   th e  m et h o d o lo g y   f ield   o r ien ted   co n tr o l  ( 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   a  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 e  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 e  d ec o u p li n g   o f   co n tr o l  v ar iab les.  I ts   m aj o r   d r aw b ac k   is   t h e  co m p le x it y   o f   th e  co n tr o l  alg o r ith m   w h ich   m ak e s   th i s   s o lu t io n   a  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 e  d ir ec t to r q u e  co n tr o l  DT C   ( Dir ec t T o r q u e  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 e  s p ee d   co n tr o l  th r o u g h   th e  d ir ec t  co n tr o l  o f   t h e  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   a  s i m p ler   co n tr o l  s tr u ct u r e  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 l  in d ep en d e n tl y   t h e  s tato r   f l u x   an d   to r q u e.   T h e  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 e  n o n - n ec e s s i t y   o f   a  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 e  i s   s i m p le,   DT C   r eq u ir es  a  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 e  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 t  e m b ed d ed   s o lu tio n s   w er e  i n v e s ti g ate d   to   ac h iev e  a  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 e  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 t  en o u g h   f o r   th e  d i s cr ete  h y s ter esi s   co n tr o ller   to   r ea ch es  t h e  s a m e  p e r f o r m an ce   as  a n alo g   o p er atio n ,   w h er e  to r q u e  an d   f l u x   r ip p le  o u tp u t a r e  li m ited   w it h i n   t h e  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 e  b ee n   p r o p o s ed   in   th e  liter atu r e,   s o m e  s t u d ies  [ 6 ] ,   [ 7 ] , [ 8 ]   h av e  u s ed   a  co m b i n atio n   o f   D SP   an d   FP G A   to   r ed u ce   th e  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 e  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 e  an d   h ar d w ar e  s o lu tio n   i n cr ea s e s   th e  co s t  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 S      I SS N:  2089 - 4864       F P GA - b a s ed   A r ch itectu r e  o f  Dir ec t To r q u e  C o n tr o l   ( A z a z a   Ma h er )   21   in ter f ac in g   t h e  cir cu it  a n d   is   n o t  a  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 e  FP GA   b a s ed   i m p le m e n tat io n   o f   t h e  en tire   DT C   alg o r ith m   w h er e  th e  VHDL   co d e  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 ,   a  s ig n i f ican t  a m elio r atio n   o f   to r q u e  an d   f lu x   r ip p le  w er e  f o u n d   b u t th e  V H DL   co d e  w a s   n o t o p ti m ized   to   ac h iev e  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 ,   a  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 a  v ar iab le  f i x ed   p o in t  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 e  s q u ar e  r o o t  an d   tr ig o n o m etr ic  f u n ctio n s .   T h e  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 e  i s   ex p er i m e n tal l y   v alid ated .   A  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   a  s ig n i f ica n t r ed u ce d   to r q u e  an d   f lu x   r ip p le       2.   DT C  A L G O R I T H M     T h e  DT C   ess en tiall y   co n s is ts   o f   a  to r q u e  co n tr o l  lo o p   an d   a  s p ee d   co n tr o l  lo o p ,   as  s h o w n   in   Fi g u r e  1.   I n   th i s   to p o lo g y ,   t h e  s tato r   f lu x   an d   elec tr o m ag n etic   to r q u e  ar e  r esp ec tiv el y   co n tr o lled   b y   t h e  m ea n s   o f   a  2   lev el  an d   3   lev e l  h y s ter es is   r e g u la to r s .   T h e  o u tp u ts   o f   co m p ar ato r s   an d   th e  s ec to r   n u m b er   ar e  u s ed   to   in d ex   th e  s w itc h in g   tab le  " lo o k - up - t ab le"   in   o r d er   to   s elec t  th e  ap p r o p r iate  s w itc h i n g   s tate s   o f   th e  in v er ter   s w itc h e s .   I n   th is   lo o p ,   th e  m o s t  i m p o r t an t  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 e  o f   th e  DT C   is   th e  esti m ato r   o f   th e  s ta to r   f lu x   a n d   to r q u e  [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ] .           Fig u r e  1 .   Mo d u les o f   th e  DT C   alg o r ith m       T h e  co m p u tatio n   o p er atio n s   in v o l v ed   in   th e  f lu x   an d   to r q u e  esti m ato r   ar e  d escr ib ed   b y   th e  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 x  in   ( α ,   β )   fr a me:     { =   0 + ( − ) =   0 + ( − )   ( 3 )     W h er e  T s   is   th e  s a m p li n g   p er io d   ( µs)   an d   R s  is   th e  s tato r   r esis tan ce   ( o h m s ) .   Neg lecti n g   t h e  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 e  tip   o f   t h e  s tato r   v ec to r   w ill   m o v e  in   t h e  d ir ec tio n   o f   th e  ap p lied   v o ltag e  v ec to r   in   a  s tr aig h t  lin e  as  in d icate d   in   Fi g u r e  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 e  a m p lit u d e  o f   th e  s ta to r   f lu x ,   th e  v o lta g e  v ec to r   p lan e  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 s  6 0 °  w id e.   I n   ea ch   r e g io n ,   t w o   ad j ac en t  v o ltag e  v ec to r s   m a y   b e  s elec ted   to   in cr ea s e  o r   d ec r ea s e  th e  s tato r   f l u x   a m p lit u d e  an d   g i v e  a  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 e  s w itc h i n g   tab le  is   g i v e n   b y   th e  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 e  2 .  Selecte d   s tato r   v o lta g e  r eg r ad in g   th e  s tato r   f l u x   s e cto r       T h e  to r q u e  an d   f lu x   h y s ter esi s   co n tr o ller s   s elec t  th e  ap p r o p r i ate  v o ltag e  v ec to r s .   T ab le  1   in d icate   th e   s ix   a n d   eig h t  v o ltag e  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 e  an d   φ   ar e  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 e  to r q u e  is   in cr ea s i n g   o r   d ec r ea s in g ,   th e  f l u x   lin k a g e  ca n   b e  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 e  s ix   n o n   ze r o   v o lta g e  v ec to r s   an d   o n e  o f   th e  t w o   z er o   v o ltag e  v ec to r s   [ 1 5 ] [ 1 6 ] .   T h e  to r q u e  an d   f l u x   ar e  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 e  to r q u e  is   ch an g ed   b y   r ev er s i n g   t h e  m o v e m e n t  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 e  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 e  an d   s tato r   f l u x   m a g n i tu d e  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 e  P   is   th e   p o le’ s   n u m b er   o f   t h e  i n d u ct io n   m o to r ,   T e  is   t h e  elec tr o m a g n etic  to r q u e  ( N. m )   a n d   φ s  is   t h e  s tato r   f l u x   m a g n i tu d e  ( W b ) .   T h e  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 d  b y   t h e  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 S      I SS N:  2089 - 4864       F P GA - b a s ed   A r ch itectu r e  o f  Dir ec t To r q u e  C o n tr o l   ( A z a z a   Ma h er )   23       Fig u r e  3 .   2 - lev el  h y s ter is i s   s at ates       { = 1                       = ( − ) ≥ ∆ ℎ / 2 = 0                         = ( − ) ≤ ∆ ℎ / 2   ( 6 )     W h er e  C i   is   t h e  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 e  h y s ter esi s   b an d .   T h e  to r q u e  3 - lev el  h y s ter es is   c o n tr o ller   is   d escr ib ed   b y   th e  f o llo w i n g   eq u atio n s :       { = 1                                     ≤ − ∆ ℎ / 2 = 0                        − ∆ ℎ 2 ≤  ≤ ∆ ℎ 2 = − 1                                                   ≥ ∆ ℎ / 2   ( 7 )       3.   F P G A  B ASE D  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 r  f lux   esti m a t o r  a rc hite ct ure   T h e  m aj o r   im p o r tan t  m o d u le  in   DT C   d r iv e  is   th e  f lu x   an d   to r q u e  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 e  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 e  s q u ar e  r o o t  co m p u tatio n ,   th e s e  o p er ato r s   ad d   m o r e  co m p lex it y   to   t h e  s ta g e  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 e  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 e  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 e  4 .   A r ch itetcu r e  o f   f l u x   an d   to r q u e  esti m a to r       T h e  i m p le m e n tat io n   o f   t h e  es ti m ato r   i s   p er f o r m ed   u s i n g   t h e  t w o 's  co m p le m e n t  f i x ed   p o in t  f o r m a t   th r o u g h o u t  t h e  o p er atio n s   in v o lv ed   in   th e  ca lcu la tio n   al g o r ith m   w i th   th e  e x ce p tio n   o f   t h e  o p er atio n   o f   t h e   s q u ar e  r o o t.  I n   th is   p ar ticu lar   ca s e,   th e  n u m b er s   ar e  r ep r es en ted   in   u n s i g n ed   f i x ed   p o in t  f o r m at  as  o p er an d   an d   th e  r es u lts   ar e  al w a y s   p o s i tiv e.   T h e  i m p le m e n tat io n   o f   t h e  es ti m ato r   i s   p er f o r m ed   u s i n g   t h e  t w o 's  co m p le m e n t  f i x ed   p o in t  f o r m a t   th r o u g h o u t  t h e  o p er atio n s   in v o lv ed   in   th e  ca lcu la tio n   al g o r ith m   w i th   th e  e x ce p tio n   o f   t h e  o p er atio n   o f   t h e   s q u ar e  r o o t.  I n   th is   p ar ticu lar   ca s e,   th e  n u m b er s   ar e  r ep r es en ted   in   u n s i g n ed   f i x ed   p o in t  f o r m at  as  o p er an d   an d   th e  r es u lts   ar e  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   a  v ar ia b le  is   o n e  o f   t h e  cr itica l  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 e  u s e  o f   a n   i n s u f f icie n t  n u m b er   o f   b its   ca n   r ed u ce   t h e  p r ec is io n   an d   ca u s e  a   ca lcu latio n   er r o r ,   w h ich   ca n   d estab ilize  t h e  o v er all  s y s te m .   On   t h e  o th er   h a n d ,   m a y   i n cr ea s e  th e   o v er   s iz in g   o f   th e  h ar d w ar e  i m p le m e n tatio n   s u r f ac e  s u c h   as  th e  ca s e  w h en   u s in g   f lo ati n g   p i n t  f o r m at .   I n   th is   w o r k ,   th e   ar ch itect u r e  is   i m p le m en ted   u s in g   a  v ar iab le  f i x ed - p o i n t  f o r m at  d ep en d i n g   o n   th e   m a th e m atica l  o p er atio n   to   b e  p er f o r m ed .     T h e  s q u ar e  r o o t  f u n ct io n   a n d   th e  “ a r ctg ”  f u n ctio n   i n v o lv ed   in   t h e  s tato r   f lu x   m ag n it u d e  an d   s ec to r   co m p u tatio n   ar e  p er f o r m ed   b y   ip co r es  w h ic h   ar e  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 e  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 e  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 e  s tato r   f l u x   in   ( α , β )   f r a m e  ar e  p er f o r m ed   i n   p ar allel  co m p u tatio n .   I n   th e  s ec o n d   s tag e,   t h e  est i m a ted   to r q u e,   th e  es ti m a ted   s tato r   f l u x   m ag n it u d e,   an d   t h e  s ec to r   n u m b er   co m p u ta tio n   a r e  p er f o r m ed   i n   p ar allel.   T h e  t w o   s eq u en tial  s ta g es  ar e  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 t  esti m ato r   o p er atio n s   ar e  co n tr o lled   b y   a  lo ca l f i n ite  s tate  m a ch in e  FS M.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R E S      I SS N:  2089 - 4864       F P GA - b a s ed   A r ch itectu r e  o f  Dir ec t To r q u e  C o n tr o l   ( A z a z a   Ma h er )   25   3 . 2 .     F P G A  Arc hite ct ure  o f   t he  DT C   T h e  FP GA   ar ch itect u r e  o f   t h e   DT C   alg o r ith m   i s   d escr ib ed   in   Fi g u r e  5 .   A t  th e  t i m e  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 t  s ig n al  at  a  h ig h   lo g ic  lev el,   it  tr i g g er s   s eq u e n tiall y   th e  d ig ital  a n alo g   co n v er s io n   a n d   t h e  i n ter n a l  s eq u en ce r   o f   t h e  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 e  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 e  v al u es  o f   I α   ,   I β  ,   Vα   an d   Vβ  a s   w ell  t h e  to r q u e  r ef er en c e   v alu e.   Af ter   th e  e s ti m ato r   co m p u tat io n   t h e  s ec to r   p o s itio n   an d   th e  h y s ter e s is   co n tr o ller   ar e  ac tiv ated .   E r r o r s   s ates  o n   t h e  f l u x   an d   to r q u e   a r e  co m p ar ed   to   th e  h y s ter esi s   b an d   at  t h e  e n d   o f   ea ch   co m p u tatio n   c y cle;   t h e  co n tr o l p u ls es ( S1 ,   S2 ,   S3 )   ar e  g en er ated   an d   ap p lied   to   th e  s w itc h e s   o f   th e  DC - AC   in v er te r .           Fig u r e  5 .   DT C   ar ch itetcu r e       4.   F P G A  SYN T H E SI S RES UL T S   T h e  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   T  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 e  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 e  to tal  n ec es s ar y   ti m e  f o r   t h e  DT C   is   3 . 2 2   µs c o n s id er in g   th e  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 D  CO M P ARAISON   T h e  ex p er i m e n tal  s et   u p   is   d escr ib ed   b y   t h e  Fi g u r e  6 .   I t  co n s i s t  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 e  ( 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 e  FP GA   a n d   th e  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 e  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 e  6 .   Sch e m atic  o f   t h e  ex p er i m en t set u p       An   ex p er i m en ta l  v alid atio n   o f   th e  DT C   i m p le m en ted   o n   FP GA   i s   ca r r ied   o u t  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 l  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 e  ar ch itect u r e  th a t  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   8  s h o w s   t h e  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 e  r ef er en ce   v al u e  is   0 . 8   W b   an d   th e  elec tr o m a g n e tic   to r q u e  esti m ated   f o r   a  s a m p li n g   f r eq u e n c y   o f   5 0   k Hz  an d   a  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 S      I SS N:  2089 - 4864       F P GA - b a s ed   A r ch itectu r e  o f  Dir ec t To r q u e  C o n tr o l   ( A z a z a   Ma h er )   27                 Fig u r e  8 .   Stato r   F lu x   an d   elec t r o m a g n etic  to r q u e  esti m ated   f o r   a  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 e  ex p er i m e n tal   r esu lt s   o f   t h e  DT C   co n tr o l  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 e  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 e  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 e  h i g h   p er f o r m an ce   o f   t h e  p r o p o s ed   DT C   ar ch itect u r e.   T ab le  5   p r esen ts   a  co m p ar aiso n   o f   th e  p r o p o s ed   ar ch itectu r e  to   o th er   w o r k s   in   t h e  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 A  i m p le m e n tatio n   o f   a  DT C   d r iv e.   T h e  DT C   FP G A   ar ch i t ec tu r e  w a s   d escr ib ed   w h er e  t h e  esti m ato r   w a s   h i g h li g h ted .   T h e  esti m at o r   w as  i m p le m en ted   u s i n g   a  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 e  h ar d w ar e  im p le m e n tat io n   w as   o p tim ized   to   ac h iev e  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 e  to r q u e  an d   f lu x   r ip p le.   T h e  to r q u e  an d   s tato r   f l u 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 %  at  a  2 0 0   k Hz  s a m p li n g   f r eq u en c y .   T h e  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 l  an   e x ec u ti o n   ti m e  o f   3 . 2 2   µs  co n s id er in g   th e  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  I,   No g u c h i  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 l  S trate g y   o f   a n   I n d u c t i o n   M o t o r ” ,  IEE E  T ra n sa c ti o n s  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 .   “ A  m icro c o m p u ter - b a se d   c o n tro l  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 r  e lec tri c   v e h icle   p ro p u lsi o n ”,   In d u stria l  E lec tro n ics ,   IEE E   T ra n sa c ti o n s  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 ,   “ A  h ig h - p e rf o r m a n c e   d irec t  to rq u e   c o n tr o l  b a se d   o n   DSP   in   p e rm a n e n t  m a g n e t  s y n c h ro n o u s  m o to r  d riv e ”,   In telli g e n t  C o n tr o l  a n d   Au to ma ti o n ,   Pro c e e d i n g s  o f  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 s  th e o r y   f o r  th e   d iag n o sis  o f   sta to r  f a u lt s   in   a   DT C  in d u c ti o n   m o to r  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 E  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 r  F a st  T o rq u e   Co n tro l  in   DT C  o f   In d u c ti o n   M a c h in e s  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  S o c iety   An n u a l  M e e ti n g   ( IAS ).   2 0 1 0 ;  1 - 8.   [7 ]   T ri m b e rg e r  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 r  In d u s tri a l  C o n tr o l  S y ste m s:  A   Re v iew ” ,   In d u stri a l  El e c tro n ics ,   IEE E   T ra n sa c ti o n s  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 t  to rq u e   c o n tro l  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 m  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 E  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 l  c o n tro ll e r  f o r  th re e   p h a se   se n so rles s  in d u c t io n   m o to r  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 C  M o to r  Co n tro ll e r  A lg o rit h m ”,   Pro c .   EP E - PE M C  Co n f;   2 0 0 4 .   [1 3 ]   Ch a ra a b i  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 t  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 s  f o r  c o n tro l  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 I  c o n tr o ll e r ”,   Pro c .   IEE E  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 r  In d u s tri a l  Co n t ro l  S y ste m s  –   A   Re v ie w ”,   IEE E  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 r  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 r  Qu ick   D y n a m i c   T o rq u e   Co n tro l  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 l  El e c tro n ics ,   IEE E  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 C  in d u c ti o n   m o to r  d riv e   u sin g   c o n sta n t  f re q u e n c y   to rq u e   c o n tr o ll e r ”,   El e c trica l  M a c h in e s  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 C  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 l  o n   F P GA ”,   IEE E  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  T o rq u e   Co n tr o l  f o r  In d u c ti o n   M a c h i n e s” ,   IEE E  T r a n sa c ti o n s  o n   In d u stri a l  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 r  M o d u late d   Dire c t  T o rq u e   Co n tro l  f o r   In d u c ti o n   M o to r   Driv e ”   In ter n a ti o n a l  J o u rn a l  o f   Co m p u ter   a n d   El e c trica l  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.