Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l.  6, N o . 3 ,  Sep t em b e r   2015 , pp . 43 3 ~ 43 I S SN : 208 8-8 6 9 4           4 33     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  Influence of Sensorless Contro l on the Noise of Switched  Reluctan ce M o tor Dri v e       Alexander  Petrushin,  Maxim Tchavych alov  Rostov State Tr ansport Univ e r sity , Russia n  Fe de ra tion      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received  Mar 22, 2015  Rev i sed   May 18 , 20 15  Accepte J u n 2, 2015      The influen ce o f  the switched reluc t an ce motor drive sensorless control on  the lev e l of i t s noise is conside r ed.  Th eoret i c a ll y jus t i f ied  the i n creas e o f   noise level while sensorless  S R M  control .   The  r e s u lts  of s w it che d  relu ctan ce   motor noise measurement with  sensor less control and con t rol using the  ph y s ic al  position  sensor ar e giv e n .   Keyword:  Mag n e tic asymmetry   Sens orl e ss  co n t rol   Switche d reluc t ance  m achine  Noise   Copyright ©  201 5 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r Al exa nde r Pet r ushi n,   Ro stov  State Tran spo r Un iv ersity,  R u ssi an  Fe dera t i on,   Em ail: alex331685@yandex.ru      1.   INTRODUCTION  As a rule, m odern drive system s are built on the  ba sis of induction elec tric   m achines. Howe ver in  recent years  ot her type s of el ectric m o tors becom e  in crea singly popula r . For e x am pl e, a large  proport i on  of  recent  publications is  de vote d  to t h e study  of s w itc he d reluctance electric m achines (SRM) which c a n be   cal l e d o n of  t h e m o st  pr om isi n g  t y pes  of  electrom echanical  energy c o nverters.  For effective use of  SRM it is necessa ry to c ont ro p h a se ex citatio n  cu rren t in  acco r d a nce with  ro tor  p o s ition .  Ty p i cally th is is  d o n e   u s ing p h y sical ro to p o sitio n  sen s o r  fi x e d   on  th e m ach in e sh aft   (o pt pel ect r o ni c senso r s, Hal l - effect  sens or s,  et c). Fo r sy st em s i n t e nded t o  operat e  i n  ha r s h en vi r onm ent s  t h p o s ition   sen s or m a y b eco m e   a li m i t i n g   facto r . Mean wh ile it is po ssi b l e t o   d e term in e roto po sitio n ind i rectly  u s ing   d e p e nd en ce  o f  ph ase  fl u x  of the ph ase curren t  and   ro to po sitio ψ = f ( i θ ) [1]. C ontrol system s based  on  th e ind i rect  ro t o r po sitio n estimatio n  are call e d  sen s o r less syste m s.   C u r r ent l y  rese arche r pu bl i s hed  m a ny  wor k on  sy nt hesi s an d st u d y  o f  sens orl e ss c o nt r o l  o f  SR M   [2].  Typically, the m e thods   of indirect rot o r position est i m a tion a r cl assified  on m e thods  of active phase  m easurem ent  and m e t hods  ba sed o n   passi ve  phase m easur em ent .  Usi n g t h e m e t hods o f   t h e fi rst  g r ou l i m i t s   t h e act i v e pha se curre nt  co n t rol  and  hence  t h e SR M  t o rq ue co nt rol .  A m ong t h m e tho d s o f  seco n d  gr o u p   t h ere are m e t h ods , base d o n  sort  v o l t a ge  pulses (sen sing  pu lses) app licatio n  [3 ]. In  th is case it  is p o ssib l e to  u s e effectiv e alg o rith m s  o f  activ e ph ase con t ro l.  Howev e r it is nece ssary to consi d er t h e im pact of s e nsing  current on ene r gy effective n es s inde xe s and torque curve when the se nsin g curre n t is commensurate with the  activ e ph ase cu rren t. On  th o t h e r h a nd , if t h e sen s ing  cu rren t  is sm al l it i s  n ecessary to   p r o t ect u s efu ll  sig n a l   fr om  noi se.   An ot he r ap pr o ach al l o ws t o   al l o cat m e t hods base d o n  t h e use of m a rk ers an d m e t hods base d o n   l o o k - u p t a bl es  whi c h re qui re  not   onl y  a l a rg e am ount   of m e m o ry  of t h e m i cropr ocess o r co nt r o l  sy st em s, but   al so t i m e -cons um i ng t o  det e r m i n e t h e l ook - up t a bl e dat a I n  ad di t i on, l o o k - u p t a bl es do  not  t a ke i n t o  a ccou n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S   Vo l.  6, No . 3, Sep t em b e r  2 015  :   43 3 – 438  43 4 the diffe re nces  in the characte r istics  of the phases which m a y arise as a  result of the inac curacies  during SRM  m a nufact uri n g  proce ss [4] .   M e t h o d s base d o n  t h e use of m a rkers ar e general l y  l i m i t e d t o  t h e r o t a t i o n   fre que ncy   or  e x ci t a t i on c u r r e n t  co nt r o l .   SR M  sens orl e s s  co nt r o l  en ha nces a ppl i cat i o of t h e s w itched rel u ctance  dri v e system s  in the m o st   ad v e rse  o p e ratin g  cond itio ns: h i gh  tem p e r atu r e, ch em ically ag g r essi ve en v i ron m en t, in ten s rad i atio n   expos u re  to the m o tor.  In thi s  case, of  pa ra m ount  im portance  t h e fact of  the  possibility of  SRM  operation  with ou p h y sical ro t o po sition  sen s o r . Accord i n g to  t h e level o f  reliab ility and   d u rab ility  sen s o r less  swit ch ed  relu ctan ce drive ex ceed s  its  nearest co m p etito rs. Th e situ atio n  is  d i fferent in  th field   of gen e ral ind u strial  electric d r iv e, wh en  ex cep t  reliab ility  an d  du rab ility  o t h e r ind i cato r s are i m p o r tant (en e rg y effi cien cy,  electrom a gnetic torque ri pple   and the  noise l e vel).      2.   R E SEARC H M ETHOD  To  con s id er the in flu e n ce o f   sen s o r less co n t ro l on  th e SR M n o i se lev e l it is n ecessary t o  id en tify th m a i n  reaso n s  o f  i t s  occ u rre nc e. SR M   noi se   s o urces a r e clas sified as  follows  [5,  6]:    Noi s e  f r om  t h e st at or  vi b r at i o n;     No ise fro m  radial fo rces acting   o n  th ro to r;     No ise fro m  th e lo ad and  add itio n a l sou r ces;     Aer o dy nam i c noi se;     Electronic  noise sources  (s ources  of  noise  associated  wi th powe r el ect ronic com p one n ts operating i n   switch i ng  m o de and   with  the  ch ar acteristics o f  con t ro l algorith m ) In add itio n to  t h e classification  as a so urce  of  n o i se t h e torqu e   ripp le are co n s i d ered   [7 ].  C onsi d eri ng t h e i n fl ue nce  of  sens orl e ss c o nt rol   on  n o i s e an d vi brat i o n l e v e l  i t  i s  necessar y  t o  speci fy   that the greate s t i m pact on t h ese in dicators will provide inaccurate indi r ect rotor  position estim at ion.  Using  position se nsor control  system  receives inform ation about the rotor  position  with a  relat i vely low latency due   to the spee d of CPU. In this case  the error  of rotor position estim at i on depe nds on the accuracy of  position  sens or calibration.  When se nsorless c ontrol is use d   the  accuracy of l o ok-up ta ble,  the large am ount  of  com put at i on  r e qui red  t o  det e rm i n e t h e val u of   θ  a n d t h e accuracy  of  measur em ent equi pm ent impact  on  ro t o p o sitio n   esti m a t i o n  accu r acy.  All th is is th e cau se  of a tim e-v a ryin g  error  o f  estimatin g  ro t o po sitio n,  and  as a re sul t  - cha n gi n g  t h e act ual  a ngl es of  o p e n i n g  and  cl osi ng t h e sem i cond u c t o r s w i t c hes  of t h e   co nv erter.  In  t h is case, th e m a g n e tic system is in  a  st ate of artificial asy mmetry,  as d u ri n g   dwel l  a ngl pha se  flux  lin k a g e  t a k e  on   d i fferen t  v a lu es. Th us, th e m a in  d i fferen ce  o f   SRM sen s orless co n t ro will b e  th artificial p h a se ex citatio n unbalan ce wh ich  serv es as  a source of ad d ition a l n o i se and   v i bratio n [8 ].  It should als o  t a ke int o  acc ount the e ffect  of th e sen s ing  curren t  pu lses app lied  to estim a t e th e ro tor  p o s ition .  Th ese p u l ses are typ i cally o f  a h i g h e r frequ e n c y th an  th e pu lses o f  th p o wer su pp ly an d  affect on  une ve nne ss el e c t r om agnet i c  t o r q ue, si nce t h e sensi n g  cu rr ent  fl ows  t h ro ug h t h pha se,  rel a t i v e t o  w h i c h t h e   rot o r i s  i n  t h area o f  t h ge nerat o ope rat i on m ode.  Sen s i ng c u r r ent  al s o  co nt ri but es t o  n o i s e i n  t h up pe fre que ncy  ran g e   o f  heari n g d u e   t o   m a gnet o st ri ct i on.   Based  on  t h e ab ov p r ov isions, it is p o s sib l e to  assu m e  th a t  th e no ise level o f  sen s o r less con t ro lled   switch e d  relu ct an ce driv e will b e  h i gh er th an wh en  u s ing   the p h y sical ro tor p o sitio n  sen s o r . In  th is case, it is   pos si bl e t o  che c k t h e val i d i t y  of t h i s  co ncl u s i on o n l y  be a p h y s i cal   m odel  as a  m eans of com put er t ech nol ogy   do  n o t  al l o w i n cl udi n g  al l  cau ses of  SR M  no i s e i n  t h e cal cu l a t i on o f  t h e da t a . It  sh oul d be  bo rne i n  m i nd t h at   an a d equate as sessm ent of the im pact of se nsorless c o n t rol o n  electric  no ise in  co m p ariso n   with  trad i tio n a l   syste m s u s in ro t o po sitio n sen s o r  can   b e   g i v e n und er th fo llo wi n g  cond itio n s :   •  as an object of  study s h oul d s e rve  the sa me  S R M  f e d  f r o t h e  s a me  p o w e r  co n v e r t e r ;   •  measu r em en t sh ou ld b e  p e rform e d  with  th sam e  in stru m e n t s in con s tan t   en v i ron m en tal co nd itio ns;    SR M  sho u l d   n o t  be m oved  b e t w een m easur em ent s , unac c e p t a bl e sepa rat i on  of SR M  st r u ct u r al  el em ent s   and  cha n ge of shaft  l o ad.  To m easure t h e noi se l e vel  SR M  wi t h  t o o t h zone co n f i g urat i o n 6/ 4 ( f i g u r e 1 )  was ut i l i zed (SR M   rat e p o we 5k W,  rat e d  spee d  1 5 0 0   r p m ) . Ex peri m e nt al  assem b l y  i s  gi ve on  Fi g u r 2.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       In flu en ce  o f   S e n s orless Con t ro l on  t h e N o ise o f   S w itch e d Relu cta n c e Mo to Drive   ( A l exan d er  Pet r us hi n)   43 5     Fi gu re  1.  SR M  6/ 4  m a gnet i c  f i el         Fi gu re  2.  Ex pe ri m e nt al  assem b l y  f o n o i s e l e vel  m easurem ent   1 –  m o tor,  – encode r, 3 – re silient  m ounts ,   – s h aft t o rque sens or,  – c ont rolled loa d       Po wer  su p p l y  of e n gi ne  was  per f o r m e d by   hal f - b ri d g e c o nve rt er.  M i cro c ont rol l e A V R  At m e ga16   was u s ed  as th e CPU  o f  the co n t ro l system .  Th e ro t o p o s ition  at com p arativ e test s d e term in ed  u s ing  an  abs o l u t e  enc o der  or  sen s o r l e ss co nt r o l  al go ri t h m  [9] ,  b a sed  on t h u s e of  sen s i n pul ses  an d a  m a rker .   Am pl i t ude  o f  sensi n g p u l s e cur r ent   i n  unal i gne r o t o position (180 electrical degrees ) is used as a  marker.  Swi t c hi n g   of   pha ses  occu rs  aft e r m a rker,  i . e.  whe n  c o nt r o l  sy st em  regi st ers t h e c u rre nt  am pl i t ude o f  t h e   sensi n g p u l s e,  whi c h i s  l e ss than t h e cu rre n t  am pl it ude of  t h e previ ous  sensi n g p u l s e.  Pi ct ure o f  t h e pha se  cu rren t is shown  in Figure  3 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S   Vo l.  6, No . 3, Sep t em b e r  2 015  :   43 3 – 438  43 6     Fi gu re  3.  Se ns orl e ss  co nt r o l l e d SR M   p h ase c u r r ent       Noi s e l e vel   m easurem ent s  were car ri ed  out  f o r t h ori e nt at i on m e t h o d  at  fi ve  poi nt s o f  t h e   measuring s u rface (Fi g ure  4)  for thr ee  different val u es  of rotor s p eed.          Fi gu re  4.  Locat i on  o f  m easuri n g  p o i n t s  o n  t h e m easuri ng  su rface   1- – m easure m ent  poi nt s,  – m easurem ent  su rface –  di st ance f r o m  no i s e so urce  ( 1  m e t e r)   The c o m put at i o n  o f  a v era g noi se  l e vel   bas e on  t h e e q uat i on     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       In flu en ce  o f   S e n s orless Con t ro l on  t h e N o ise o f   S w itch e d Relu cta n c e Mo to Drive   ( A l exan d er  Pet r us hi n)   43 7 n i i K L n L 1 1   (1 )     wh ere  n  is a nu m b er of m easu r emen t po i n ts in  wh ic noise  level m easurement wa s,  K is   the prem ises   con s t a nt , c o m put ed  by  e quat i on .     v S A A S K 1 4 1 lg 10   (2 )     whe r e   S is the  area  of selected m easuri n g surface,  S v  is t h e a r ea  of lim iting s u rfaces  of the  pre m ises,  А  is  the equivale nt  area  of ac oustic abs o rption.  Equ i v a len t  area of aco u s tic ab sorp tio n is  d e termin ed  fro m   eq u a tion    v s S a A   (3 )     whe r a s  is t h avera g e c o e ffic i ent of ac oustic  ab so rp tion  is a fu n c tion   o f  pre m ises typ e C h an gi n g  t h e r o t o r spee d was   m a de di rect l y  chan ge t h e va l u e of t h e s u p p l y  vol t a ge vi a  l a borat or y   tran sform e r, wh ile th v a lu o f  t h phase  c u r r ent  i s  l i m ited t o   1 5   A. T h noi se m easurem ent s  were  m a de  usi n g a  s o u n d  l e vel  m e t e r C e n t er 3 2 0  e x hi bi t e d t e m poral  c h aracteristics of "Slow",  the measurem ent of rot o spee d - using a  m echanical tachom eter. T h engi ne   was  running at idle  during t h e m easure m ents.      3.   R E SU LTS AN D ANA LY SIS  R e sul t s  o f   noi s e  l e vel  m easur em ent  are  gi ve n i n  Ta bl e 1 .       Tab l 1   Resu lts of SRM  no ise lev e l m easu r e m en P a r a me t e r   S e r i a l  n u mb e r  o f  me a s u r e m e n t    1   2   3  SRM shaft rotation speed (m in -1 800  1000   1500   SRM  contr o l using phy sical r o tor  pos ition sensor   Noise level in  m e asur ing point 1( dB A)  57, 7  60, 1   64, 7   Noise level in  m e asur ing point 2 ( d B A 57, 8  59, 4   65, 0   Noise level in  m e asur ing point 3 ( d B A 57, 3  60, 4   65, 6   Noise level in  m e asur ing point 4 ( d B A 57, 7  60, 7   64, 7   Noise level in  m e asur ing point 5 ( d B A 57, 6  60, 9   64, 8   Average noise leve l (dBA)   52, 49  55, 17   59, 83   SRM  sensor less co ntr o Noise level in  m e asur ing point 1 ( d B A 59, 2  61, 9   66, 4   Noise level in  m e asur ing point 2 ( d B A 58, 9  62, 1   66, 8   Noise level in  m e asur ing point 3 ( d B A 58, 2  62, 7   66, 3   Noise level in  m e asur ing point 4 ( d B A 59, 7  61, 6   66, 8   Noise level in  m e asur ing point 5 ( d B A 58, 3  61, 1   67, 4   Average noise leve l (dBA)   53, 73  56, 75   61, 61       As see n  f r om  Tabl 1, t h n o i s e l e vel  o f  s e ns orl e ss  SR M  i s  hi ghe r i n  c o m p ari s on  wi t h  SR M  wi t h   encode r. T h noise le vel increases  with t h e SRM s h af t  spee d inc r eas e. Conside r i ng that an i n cre a se in  rotation freque ncy increase s  the inacc ur acy  of rot o r po si t i on  est i m at i on,  we  conclude t h at the inacc uracy of  o f  ro tor  p o s ition  estim at io n  con t ribu tes to th e in crease in   no i s     4.   CO NCL USI O N   From  these theoretical findi ngs  and re sult s of  noise m e asurem ents can be  seen t h a t  sensorless  cont rol  i s  carri ed o u t  at  a hi gher  noi se l e vel  of SR M .  The  noi se i n c r ease d  by  1, 2 4 - 1 , 7 8  dB A,  we can  assum e   th at th e ch aracteristics o f   SR M are  v e ry sen s itiv e to  sm al l ch ang e s i n  ti min g  of t h e pulse v o ltag e Artificial   mag n e tic asymmetry th at arises as a  resu lt of error i n  estimatin g  th e ro tor  p o s ition  sho u l d  recogn ized  as m a in   reason  of n o i se  lev e in creasin g .   Mod e rn  ro tor p o s itio n  sen s o r can prov id e accurate  measu r em en ts with  an  error  not exce eding 0,25 o -0 ,1 25 o . In this  case, accordi n g to prelim in ary estim a tes  of th e authors at the  sen s o r less con t ro l erro r in d e t e rm in in g  th po sitio n of the ro tor is  2 , 5 o -3 o B a sed  on  t h i s ,   we ca n c o n c l u de t h at   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S   Vo l.  6, No . 3, Sep t em b e r  2 015  :   43 3 – 438  43 8 for co m p etitiv e adv a n t ag e sen s orless switch e d rel u ctan ce  driv e it is  n e cessary to tak e   measu r es t o  i m p r o v e   the accuracy of the indirect  rotor  position esti m a tion. Im provem e nt of  sensorless c ont rol is possi ble by  cho o si ng  t h ra t i onal  pa ram e ters  of  sensi n pul ses ,  inc r easi n g the acc urac y of  lookup tables, etc.      ACKNOWLE DGE M ENTS  The w o r k   i s  sup p o rt e d  by  The  M i ni st ry  of   education  and science  of Russia.  Agree m ent    1 4 .604 .2 1.0040 , i d en tif ier  RFMEFI 6041 4X 00 40 .       REFERE NC ES   [1]   Acarnley  P, Hi ll R, Hooper C .  Detection of  rotor pos ition i n  stepping and  switched relu ctance m o tors by   monitoring of  cu rrent wav e forms.  IEEE Trans. In dus trial El ec tronics . 1985 ; 3 ;  215 –222.  [2]   Tchav y chalov  MV. Methods o f  switched reluctan ce electric machin es  sensorless control.  Rostov State Transp o rt  University Studies . 2011; 4; 86-8 8 [3]   Mvungi NH. Sensorless Commutation Cont r o l of Switched  Reluctance M o tor.  World Academy of Scien ce,  Engineering and  Technolog y . 20 07; 25; 325-330.  [4]   Petrushin A, Tchav y chalov M, Miros hnichenko  E. The S w itche d Reluctan ce E l ectr i c M achin e with Cons tructiv Asy m etry I n ter national Journal  of Powe Electr onics and Drive  Systems . 2015; 6 ( 1): 86-91   [5]   Krishnan R. Switch e d reluc t an c e  m o tor drives: m odeli ng, simulation ,  analy s is , design, and app l ications.  Magna   Physics Publishing . 2001; 416.  [6]   Ghousia SF. The Impact Analy s is of  Dwell Angles on Current S h ape and  Torqu e  in Switched R e luctance Motor s International Jo urnal of  Power  Electronics and   Drive Systems . 2 012; 2(2): 160-1 69.  [7]   Bösing M. Acoustic modeling  of elec tric al  drives. Noise a nd vibrati on s yntesis based on force respose  superposition.  Dis s .  RWT H  Aa ch en Univ er s ity . 2 013; 208.  [8]   Nasirian V, Dav oudi A, Kabo li  S, Ed ring ton CS. Ex citation  shif ting:  a g e ne r a low-cost solution  for eliminating   ultra- low-frequency  torqu e  ripp le  in  switched  r e luctance mach ines.  IEEE Transactions on ma gnetic . 2013 ; 4 9 5135-5149.  [9]   Tchav y chalov MV. Complex algorithm of switc hed relu ctance  motor sernsorless control.  Science and education .   Electronic resea r ch and  develop m ent publication .  2012; 12. http:/ /technomag.edu .ru/doc/496400 .h tml      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.