Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l.  5, N o . 3 ,  Febr u a r y   201 5,  pp . 44 1 ~ 45 I S SN : 208 8-8 6 9 4           4 41     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  Improved Torqu e  Cont rol Perf ormance i n  Direct Torqu e   Control using Optimal Switching Vectors       Muhd Z h arif  Rifqi Z uber  Ahmadi 1 ,  Auz a ni Jidin 2 , Maaspa liza  A z ri 3 , Khairi  Rahim 4 , Tole S u tik n o 5    1,2,3,4 Faculty  of Electrical  Engin e ering,  Facu lty of Electrical Engin eering , Un iv ersiti Tekn ik al  Malaysia Mela k a   Hang   Tu ah  Jay a ,76 100   Durian  Tun g g a l, Melak a  Malaysia  5 Depa rt m e nt  of  El ect ri cal  En g i neeri n g,  U n i v ersi t a s A h m a d Dahl a n Y ogy a k art a ,  I n d o n esi a       Article Info    A B STRAC Article histo r y:  Received Nov 3, 2014  Rev i sed  Jan  6, 2 015  Accepte Ja n 19, 2015      Th is p a p e p r esen ts th e sign ifi cant im provem ent of Direct Torque   C ont r o l  (D TC )  of 3- p h ases i n d u c tion m ach ine using a Cascade d  H- Bid g e  Mu ltilev e l Inv e rter (CHMI). Th e l a rg est torqu e   ripp le and  vari a b l e  s w i t c hi n g   fre q u enc y  are  kn o w n  as t h e  m a jo pr obl em   foun d e d  in  DTC o f  in du ction  m o to r. As a resu lt, it can  d i min i sh  th p e rf or m a n ce in du ction  m o to r  con t ro l. Th eref or e, th e conven tio n a 2 - l e vel  i nve rt er  has bee n   repl a ced wi t h  C H M I  t h e i n   or der t o  i n cre a se  the  perform a nce of t h e m o tor eith e r  i n   dynam i c or st eady-state   co nd itio n. By u s ing  th e m u ltilev e l in v e rter, it can  p r od u c e a  m o re  sel ect i on  of t h e v o l t a ge  vect ors .  Besides  that, it can m i nimize the  to rq u e  ri p p l e ou tpu t  as well a s  in cr ease the efficiency by re duci ng the   swi t c hi n g   fre q u ency  o f  t h i nve rt er.  The   sim u l a t i on m odel   of  t h e   pr o pose d  m e t hod  has  bee n  d e vel o ped  an t e st ed by  u s i n g M a t l a b   soft ware . Its im pro v em ents were  also verified via  experim e ntal  resu lts.  Keyword:  Casc ad ed H- Bri d g e    D i re ct  T o rq ue   Co n t ro In du c t ion  m ach in Mult ilev e l In ver t er   Swi t c h i ng Ve ct or      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 M u h d  Z h a r i f  R i fqi  Z ube A h m a di    Faculty of Elec trical Engineering  Un i v ersiti Tekn ik al Malaysia Melak a   H a ng   Tu ah  Jay a , 761 00   Du r i an  Tun g g a l, Melak a  Malaysia  Em a il: zh arifri fq i@stud en t.u t e m .ed u . m y       1.   INTRODUCTION     In t h m i ddl 1980 ’s, a simpl e  cont rol  st r a t e g y  t o  enhance perform ance of i nduct i o m o t o r was  prop osed by  Takahashi  and Noguchi . The co nt rol  st rat e gy   i s  pop ul arly  kno wn as Di rect  Torque C ont rol  ( D TC [1] .  Thi s   m e t hod gradual l y  repl aci ng t h e t r adi t i onal  m e t hod of Fi el d  Ori e nted C ont rol (FOC ) proposed b y   F.Bla s k h e  [2 ]. At earl y  stag es , th e FOC was ex ten s iv e y  u s ed   to  estab lis h e d  th e co n t ro l o f   AC q u a n tities o f   st at or fl ux, current s and volt a ges by  usi ng vect or cont rol  app r oach.  H o w e v e r ,   t h i s   s c h e me   i s   c o mp l i c a t e d   d u e   to  th e ex isten c e o f   fram e  tran sfo r m a tio n ,  cu rren t co n t roll er and re quires  knowle dge of  m achine pa ra meters.   In  DTC ,  t h e  t o rq ue a nd  fl u x  are co nt rol l e d i n de pe nde nt l y , i n  w h i c h t h ei de m a nds are sa t i s fi ed   sim u l t a neousl y  by  c h oosi n g  sui t a bl e  v o l t a ge  vect o r s a ccor d i n g t o  t h di gi t i zed  s t at us p r od uce d   fr om   hy st eresi s  c ont rol l e rs . U n l i k e  t h e F O C ,  t h e  t o r que a n d fl ux a r e c ont rol l ed b a sed  o n   p r o d u ci n g  t h e c u r r ent   com pone nt s (d -q a x i s  com ponent  o f  st at or  cur r ent  re fer r i ng t o  e x ci t a t i on refe re nce fra m e ) whi c h re s u l t s  i n   co m p lex  m a th e m atical eq u a tio n s   Desp ite th e DTC si m p lici t y,  it  is k n o wn  t o  h a v e  two  maj o r prob lem s , n a m e ly v a riab le switch i ng  fre que ncy  a nd  l a rge t o r que  ri ppl e.  The s e p r obl em s t h at  ha ve ari s e n   due t o  t h u n p r edi c t a bl e t o r q ue a n d fl ux  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 3 ,     Febru a r y  20 15   :   441  –  4 52  44 2 cont rol   be havi or  f o r  va ri o u s   ope rat i n g c o n d i t i ons i n  hy st e r esi s  o p erat i o n.  O bvi ou sl y ,  m a ny  rese arc h er s ha ve   extensi v ely propose d  s o m e /m inor a d justm e nts to m i nim i ze the  problem s.  S p ace  vector m odulation te chni que   i s  one of t h p o p u l a r m e t hod s t o  over c om t h e pr obl em . Thi s  way  i s  wi del y  used by  researche r s i n  o r der t o   achieve  greate r  perform a nce m o tor as was reported i n   [3]. The m a jor  different  betwee DTC hystere s is base an d DTC-SVM is th e ho w t o   g e n e rate t h stato r   vo ltag e   r e fere nce.  I n   D T C-SVM ,  th e stator voltage refere nce  can be p r o d u c e d by  cal cul a t i ng wi t h i n  a sam p l i ng t i m e [4, 5] . B y  doi n g  so, i t  can p r o d u ce t h e co nst a nt   swi t c hi n g  as  o p p o se d t h DT C - hy st eresi s   b a sed.  H o we ver ,  t o  ge ne rat e  t h e st at or  v o l t a ge re fere nces i n v o l v e   the com p lex calculation and  burde n  the proc essor  de vice.  Anothe r im provem ent used is  a variable  hys t eresis   ban d .  B a si cal l y , w h en  re d u c e  t h ba nd wi dt hy st eresi s   ba nd , t h e  t o rq ue   ri p p l e  ha s al so  bec o m e   m i nim i ze.  Ev en  so, th po ssib ility to  select th e rev e rse v o ltag e  v ect o r  can   b e   o c cu rred   wh enev er th e torq u e  ch ang e rapi dl y  at  t h e ext r em e condi t i ons  (i .e.  at  ve r y  l o w s p eed s).  Thi s  m ean, o v e rsh o o t  an un ders h oot   of t o r que t o   vary  o u t s i d e t h e hy st eresi s  ba nds m i ght  be h a ppe ne d. A s  a resul t ,  t h e e x t r em e t o rque  ri p p l e  i s  pr od uce d  d u e   to  th e in app r op riate selectio n  vo ltag e  v ect o r . To  im p r o v e th e switch i ng  frequ en cy, t h e d ith ering  meth od  is  use d  [ 6 7] . Th i s   m e t hod  was  appl i e wi t h  i n ject i ng t h hi g h  swi t c hi n g  f r e que ncy  o f  t h err o r c o m pone nt  f o r   flux  and  to rque. Ho wev e r, it still a l so  n o t   main tain s th e switch i ng  frequ e n c y.  Furth e rm o r e,  m a n y  k i n d s   o f   t echni q u e we r e  ado p t e d i n  DTC  dri v es i n  orde r t o  o v ercom e   the proble m  as  well as  enha nce the excellent   perform a nce of m o tor drives  s u ch as  [8,  9].  In   recen t  years, th research es  on  DTC drives u tilizin g  m u ltilev e l in v e rter b e co m e  th e ho t top i c fo pr o v i d i n g t h m o re excel l e nt  and  p r eci si o n   of sel ect i o vo l t a ge vect o r  t o   im pro v e D T C  per f o r m a nce[1 0 - 1 2] .   In g e n e ral, m u ltilev e l in v e rter can   b e  catego r ized  in  three layo u t s, n a m e ly, CHMI, n e utral po in t cap a cito   m u l tilev e l in v e rter an d   flyin g  cap acito r mu ltilev e l in v e rt er as was repo rted  [1 3,  1 4 ]  . Th e all  k i nd of  m u l tilev e l h a v e  d i fferen co nfigu r ation s , n u m b e r of  switch i ng  d e vices,  switch i ng   states/v ectors  and  arran g e m e n t s.  Mu ltilev e l in verter can   offer sig n i fican t  adv a n t ag es to  im p r ov e DTC  p e rfo r m a n ce, especiall y   fo r m e di um  an d hi gh - p o w er  v o l t a ge a ppl i cat i on.  Fu rt he rm ore, i t  al so ca n o p erat e at  hi g h   vol t a ge  an pr od uc e   l o we r harm oni (i .e.   sl o p e of  vol t a ge   ch an ge d dv/ dt )[ 1 5 ] .      In t h i s   pa per, t h e DTC   per f o r m ances, i n  t e r m s of t o r q ue ri ppl e,  harm oni c s  di st ort i o n a n d swi t c hi ng   fre que ncy   wer e  im pro v e d   by  ap pl y i ng a p pr op ri at e sel ect i o n  o f   vol t a ge  vect o r of fere d i n  C H M I  t o pol ogy .   The sel ect i o n  of t h e a p p r o p ri at e ve ct or s  de pen d o n   t h e m o t o r o p e r at i ng c o ndi t i ons  w h i c h  i n here nt ly  det e rm i n ed by  t h e out put  st a t us o f  7 - l e vel  of t o r que  hy st eresi s  com p ara t or. T h e ap pl i c at i on o f  si m p le DTC   st ruct u r e an d f a st  i n st ant a neo u s co nt r o l  wi t h  hi gh co nt r o l  b a nd wi dt h of fer e d i n  hy st eresi s  based D T C  can be   retain ed. Th is  p a p e r is organized  b y  section  as fo llowed ;  Sectio n   II  d e scrib e d  abou t th e con cep o f  DTC- hy st eresi s  ba s e d, Sect i on  II I p r ese n t s  t h e  t o p o l o gy  an d  swi t c hi n g   ve ct ors a v ai l a bl e  i n  C H M I  t o pol ogy Sect i on I V   di scusses t h pr o pos ed sel ect i o n o f  vect o r s in DTC-CHM I ; Sectio n   VI  p r esen ts th e sim u latio resul t s  t o  s h o w  t h e i m pro v em ent s   of fere d a n fi nal l y  Sect i o VI gi ves  t h e  co ncl u si on       2.   CO NCEPT  O F  DT C- HYST ERESIS B A S E D T h a s a simp le stru ctur e co nf igu r ation as show n in Figur 1 ,  yet it is su p e r i or  t o  en han ce t o rq ue  and  fl u x  c o nt r o l ,  i n  t e rm s of  fast  dy nam i and  rel i a bl c o ntrol due to the hysteresis   o p er atio n. By do i n g so,  t h e ap p r o p ri at e  sel ect i on  o f   v o l t a ge  vect o r can i n de pen d e n t l y  cont rol   b o t h t o rq ue a n d f l ux.  T h ere f o r e,  i t  can   of fer a  fast er i n st ant a neo u s c ont rol   of t o r q u e  and  fl u x   bas e d. Sel ect i o v o l t a ge  vect or  o r  swi t c hi n g  st at e ca n   b e   ob tain ed fro m  th e lo ok-up  tab l e as  was  tab u l ated in   Ta ble I.  Where, i n  t h e s w itching ta ble contains three  m a i n  com pone nt s,  nam e l y  t h e st at us  of  t o r que fl u x  a n d  s t at us fl u x  o r i e nt at i on  f o r  sel ect i ng t h e a p p r op ri at e   swi t c hi n g  st at e .  T h e s w i t c hi n g  st at es a r e c h oosi n based   on  th e requ iremen t of t o rqu e  an d stato r  fl u x eith er  to increase  or  decrease a n d also stator  fl u x   s ect or. In or der t o   m a ke  t h de cision either to increase or de crease   can be  obt ai ne d fr om  t h e 3-l e vel  an d 2 - l e v e l  hy st eresi s  o f  t o r q ue an d st at or fl ux , res p ect i v el y .  B e si des t h at ,   t h e est i m a t e d val u e of fl ux a n d t o r que ca n b e  pro d u ce fr om  t h e cal cul a t i on of v o l t a ge an d  curre nt  com p o n ent .   In  p o w er ci rcu i t s , t h vol t a ge  so urce  i n vert e r  i s   per f o r m e d by   IGB T  de v i ce. The  sc he m a t i c  di agram  o f   3- pha se v o l t a ge  sou r ce i n vert e r  i s  real i zed i n  Fi gu re 2 .  Acc o r d i n g t o  t h ese  fi gu res, t h e i n vert er  has co nt ai ned  six  switch  m o des to  op erate in  th e 3-p h a se i n du ction  m achine. The r e f ore, it can ge ne rat e  ei ght  v o l t a ge  space   vectors, as illustrated in Figure 3.  Eac h  vol t age space vec t or,  has a thre e switching state, [Sa,Sb,Sc]. Six  active  voltage  vector (  to   )   an t w o  no n- act i v e o r   ze ro  vol t a ge vect o r   (  and  ) c o rres p on d i ng  to  [ 0  0   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Im pr oved  T o rq ue C ont r o l  Per f orm a n ce i n  Di rect  Tor q ue C o nt rol   usi n g …  ( M u h d  Zh ari f  R i f q i  Zu ber A h m adi )   44 3 0]  an [1  1] ,  res p ect i v el y .   Each s w i t c hi n g   devi ce m u st  be c o m p l e m e n t i ng eac ot he r  fo (u p p er a n d  l o we r   switch )  to  avo i d  sh ort circu it  co nd itio ns.                                S a   V DC   1   0   S b   1   0   S c 1 0 d q   +   -   v a v b   v c v n   IM VSI   Fi gu re  2.  Sc he m a t i c  di agram   of  VS I Fi gu re 3.   V o l t a ge vect o r a r e gene rat e d   by   VSI   V3,  ( 110)   V4, ( 010) V5 ,( 011 ) V6, ( 001 ) V1, ( 101)   V2,  ( 100) V7, ( 111)   V0, ( 000)             L   U   T       V   S   I   +   MM   S a S b S c Ψ sd Stator  flux and electr o m a gnetic tor q u e  estim a tor s   -   T e,ref   +   -   Ψ s,ref   T e   Ψ s Ψ s +   E Te   T stat i b   i c V DC i a   Sector detection Voltage calculatio n   Ψ sq v sd v sq   i sd i sq   - +   d-q current calcula tion   0 1   0 1 -1 HB Ψ HB Te E Ψ   Fi gu re  1.  C o m p l e t e  st ruct ure   of  DTC - Hy st er esi s  B a sed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 3 ,     Febru a r y  20 15   :   441  –  4 52  44 4 Table 1. Look-up table                                       3.   CASCADED H-BRIDGE MULTI LEVE L  IN VERTE R  ( C H M I )     C H M I  is one  of t h e popul ar power ci rcuit t opol ogi es used i n  hi gh-power  m e d i u m  vol t a ge. These  nam e s were given because, it uses  m u ltiple  units of power  cells connected  in a ser i es  to  operate in  m e d i u m  or  hi gh vol t a ge as well  as  t o  generat e   l o wer har m oni c r i ppl e. A few i s ol at ed DC  sources are requi red for t h i s   i nvert er  t o  sy nthesi ze an out p u t  vol tage wav e for m . The st r u ct ure of t h i s   invert er is sho w n i n  Fi gure 4 ,  whi c each phase consists of two  H-Bridge. Each cell has  single DC-link source to fe d the induction  m o to r with  connect ed  i ndi vi duall y .   So, for t h ree phases  m o t o r requi r e d t h ree isol ated DC -l i nks. Four swi t c hes off t h device (Sa+, S a -, Sb+ and Sb-) are op erating when they receive  the sig n al fro m  the gate drives.  B y   f o u r   swi t c hes  of t h e  i nve rt er t o  t r i gge r, ca pr o d u ce t h ree  di scr e t e  out put   Vab  wi t h  t h e l e vel  +V dc  f o (S 1 a nd  S4   switch  is ON),  -V dc   f o r ( S 2  and S 3  swi t c h i s  ON ) an d 0 V  fo r (al l  swi t c h OFF ) . T h e n u m ber of vol t a g e  l e vel ,   L f o r  C H M I  c a be  defi ned   by  L= 2m +1, whe r e m ,  fo num bers  o f   H- bri dge  cel l  pe r  p h ases.  F o r  a  3 - l e vel   C H M I ,  t h e  v o l t a ge vect or  ca ge nerat e   3 27  di ffe re nt  v o l t a ge vect ors    an d   3L  (L -  1)   +1=  19  vol t a ge  vect o r s  p r act i ces use d  i n  C H M I  t o p o l o gy . F i gu re 5 s h ows t h e v o l t a ge  vect or a v ai l a bl e as  sho w n i n  C H M I  o n   a d - q  ax is  . It  can  b e  seen  that, th e ou ter hex a gon  wh ich   co n t ains 12  voltag e  v ectors  with  sing le switch i ng  st at e com b i n at i on,  w h i l e  f o r  i nne he xag o n   whi c h c ont ai ns  vol t a g e  vect o r s a r e  pr o d u ced  wi t h  t w o   co m b in atio n  switch i ng  state. Th erefo r e,  when  in crease  t h e lev e l of m u ltil ev el inv e rter,  m o re v o ltag e   vecto r will b e  p r odu ced .  So  th at, th e v o ltag e  v ect o r s can  b e  catego r ized  in  th ree co nd itio ns (i.e: lo w sp eed ,  m e d i u m   and  hi gh ) acc o r di ng  t h e s p ee dy  o p e r at i o n .   As a  res u l t ,   the to tal nu m b er of switch i ng s t ate becom e  increas e ,   an d it offered th e m a n y  p o ssib ilities to  i m p r o v e  con t ro l strateg i es of  i n d u ctio n   m o to r.          Stator flux  erro r    s t atu s ,   Ψ s +   Tor que   erro status,   T stat   S ec  S ec  II   S ec  III   S ec  IV   S ec  S ec  VI   [10 0 ]   [11 0 ]  [01 0 ]   [01 1 ]  [00 1 ]  [10 1 ]   [00 0 ]   [11 1 ]  [11 1 ]   [00 0 ]  [00 0 ]  [11 1 ]   -1   [ 0 01 [ 1 01 ] [ 1 00 [ 1 10 ] [ 0 10 ] [ 0 11 [11 0 ]   [01 0 ]  [01 1 ]   [00 1 ]  [10 1 ]  [10 0 ]   [11 1 ]   [00 0 ]  [00 0 ]   [11 1 ]  [11 1 ]  [00 0 ]   -1   [ 0 11 [ 0 01 ] [ 1 01 [ 1 00 ] [ 1 10 ] [ 1 01 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Im pr oved  T o rq ue C ont r o l  Per f orm a n ce i n  Di rect  Tor q ue C o nt rol   usi n g …  ( M u h d  Zh ari f  R i f q i  Zu ber A h m adi )   44 5   4.   PR OPOSED  SWITCHING  STRA TEGY   In t h pr op ose d  st rat e gy , a  n e w bl oc k m odi fi cat i on  of t o r que  er ro r st at u s  i s  i n t r od uce d  i n  t h DTC   st ruct u r by  i m pl em ent i ng t h e  C H M I  t o p o l o gy , i s  cal l e d “ O pt i m u m  St atus  Det ect i on  o r  O S D” . T h i s   bl oc k i s   resp o n si bl e t o   m odi fy  t h e t o r q ue er ro r st at us    ), w h i c h pr o duces ne w   t o rq ue  st at u s     , )  fo sel ect i ng t h e o p t i m u m  swi t c hi ng vect ors .  Fi gu re 6 s hows th e co m p lete s t ru ctur e o f  th e DTC-CHMI  with  i n cl usi o n o f  O S D bl o c k   ( g ray   col o r ) . Fr om   the fi g u re i t   ca be  noticed t h at, som e  different  parts a s  c o m p ared  wi t h  t h e DTC   con v e n t i onal .  These i n cl ude  t h e defi ni t i on  of t h e st at o r  fl ux  pl ane ,  cal cu l a t i on of  v o l t a ge p h ase   fo d a n q c o m ponent ,  an m odi fi ed t h e  l o o k - u p -t a b l e  f o r  DTC - C H M I . T h fol l o wi n g  s u bsect i o n s   di scus s   t h e f u nct i ons  o r  e quat i o ns  use d  t o  m odel  t h part s.                 Fi gu re    St r u ct ure  of  D T C - hy st eresi s   base d i n d u ct i o n  m a chi n wi t h  t h pr o pose d  m odi fi cat i on  of   flu x  er r o statu s   T e,ref   Ψ s, r e f   M odi fic a tion of  tor que  e rro statu s         L ook -u Tab l e   I.M  S a , S b , S c , S d , S e , S f     Ψ sd   T e   Ψ s   σ T   i b   i c   i a   Ψ sq   v sd     v sq     i sd     i sq     3-L e ve Hys t er es i s   C ontr o lle r E Ψ   E T   χ   σ Ψ   2-L e ve Hys t er es i s   C ontr o lle r S ect o r   de te c tion   d-q c u rre nt  cal cu l a t i o Volta ge   c a lc ula tion   Sta t or flu x    an d  el ect r o m a g n e t i c  t o r q u e  es t i m at o r s    3-L e ve CHMI   σ T +   Figure 4. 3-Level CHMI conn ected to  3-phase in duction   m achine.   V DC   V DC V DC S a1 +   S a1 -   S a2 +   S a2 -   S b1 +   S b1 -   S b2 +   S b2 -   S c1 + S c1 - S c2 + S c2 - Induction   M achine   Figure 5.  Vol t a ge vect o r  gene rat e d by   t h e   3 - l e vel   C H M I  on   d - q pl ane.   (10 100 1)   (00 100 1)   (01 100 1)   (01 100 0)   ( 0 11 01 0 )   (01 001 0)   ( 0 10 11 0 )   (00 011 0)  (10 011 0)   (10 010 0)   (10 010 1)   (10 000 1)   ( 1 01 00 0)  ( 0 00 00 1)  (1 000 00 )   (00 010 1) ( 0 00 10 0)  (1 00 010 )   (0 00 01 0) (010 10 0) ( 0 10 00 0 )   ( 0 01 01 0 ) (001 00 0)   (0 10 00 1) (10 101 0)   (0 00 000 )   (0 10 101 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 3 ,     Febru a r y  20 15   :   441  –  4 52  44 6 (i)   Definiti on  o f  s ector  flu x  pl a n A secto r   d e fi n itio n  of stato r  fl u x   p l an e in  pro p o s ed  m e th o d  is sp lit  in to  two  d i fferen t sequ en ces and  angle bet w een sectors is  m a intained to 60 degree s.  It is because, in i m ple m enting the CHMI topology  pr o duces  m o re v o l t a ge  vect o r  an d t h num ber  of  swi t c hi ng state als o  increases. Figure  7. is s h owing  a two  di ffe re nt  de fi ni t i on o f  t h e st at or  fl u x  pl a n e t o  ap pl y  i n  t h i s  researc h Fi g u r e 7 ( i )  i s  s h o w n t h defi ni t i on o f   st at or  fl u x   pl ane f o r m i ddl e spee d o p e r at i o n.  In  t h i s  case ,  t h e m i ddl e v o l t a ge vect o r  a m pli t ude i s  c h ose n  t o   increase a n d decrease the  flux.  While  for low and  high s p e e d, t h e sect o r   defi ni t i on  of t h e st at or  fl u x  pl ane a s   in  Fig u re 7   (ii) is u s ed  eith er t o   increas e or  decrease flux. T h e thres h old  va l u e fo r b o t h   of  t h e defi ni t i on s t at or  fl u x  pl ane  ca n be det e rm i n ed usi n t h i s   eq ua t i on;          , if  σ T +    =  0, 1 or  3  , if  σ T +    =  2                        (1)            (ii)   Calcul ati o of d  and  q c o mp onen t     B y  applyi ng t h i s  t opol ogy;  t h e vol t a ge co m p onent  can be o b t a i n ed fro m  t h e swi t chi ng patt ern of t h 3-phase vol t a ge source i nverter as fol l o ws    V d = V dc 3 2S a1 -2 S a2 -S b1 +S b2 -S c1 +S c2      (2 V q = V dc 3 S b1 -S b2 -S c1 +S c2    (3   (iii)   Mo dified L o o k -U p-T a ble   As a sh o w n t h e pre v i o us sect i on, l o o k   up t a bl e i s  an i m port a nt  pa rt  i n  D T C  dri v e s . I n  t h e l o ok -u p - tab l e h a v e  th ree co nd ition s  mu st b e  satisfied to  choo se  th ap pro p riate switch i n g  state, i.e. to rqu e  statu s , flux  st at us and sect or . In l o ok - up  t a bl e wi t h  a pr op ose d  st ru ct ure co nsist o f  vo ltag e  v ectors  with three di fference  am pl i t udes,  (i . e . Sh o r t ,  m e dium  and l o n g ) .  The sel ect i o n  of  v o l t a ge ve ct ors  depe n d on t h e t o rq ue  err o r   statu s . Fo r ex am p l e, wh en the h i gh  sp eed  co nd itio n m o d e , th e torqu e  erro statu s  is sel ected  3 to  i n d i cate is  h i gh  sp eed as  w e ll as is choosin g  t h e long est v o ltag e   v ect or . Fo r th e m e d i u m  sp eed , t h to rq u e  er ror  is  selec t   t h e st at us  2  i s  s h o w n t h e m o t o r i n  m i ddl e spe e d m ode.  Fi nal l y ,  at  l o w  s p ee op erat i o n,  t h e sh ort e st  am pli t u d e   vol t a ge  v ect or   i s  sel ect ed. T h e l a bel i n g t h e   vol t a ge  v ect or   base on  t h s p eed  o p e r at i o n  as s h o w n i n  F i gu re  and  Ta bl e I I  s h ows  t h e  l o ok -u p t a bl o f   DTC  wi t h   p r o p o sed  st ruct ure  an d s t rat e gy .         I   II   III   IV   V   VI   d Ψ sq,1   V IV   III   II I VI d   Ψ sd,1                     (i i)  For  mid d l e sp eed  co nd itio n               (i) For low an d h i g h  sp eed  co nd ition s Fig u re 7 .      Differen c sector defin itio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Im pr oved  T o rq ue C ont r o l  Per f orm a n ce i n  Di rect  Tor q ue C o nt rol   usi n g …  ( M u h d  Zh ari f  R i f q i  Zu ber A h m adi )   44 7                                               Tabl 2. T h e  L o o k - U p  Ta bl For  D T C   dri v e s  by  a p pl i e   Stator flux  erro status,   Ψ s +   Tor que   erro status, T stat   S ector   S ector   II   S ector   III   S ector   IV   S ector   S ector   VI   vsL,2  vsL,3   vsL,4  vsL,5  vsL,6  vsL,1   2 vsM,6  vsM,5  vsM,4  vsM, 3 vsM, 2 vsM, 1 vsS,2  vsS,3  vsS,4  vsS,5 vsS,6 vsS,1  vsZ,0  vsZ,0   vsZ,0  vsZ,0  vsZ,0  vsZ,0   -1 vsS,6  vsS,1  vsS, 2 vsS,3 vsS,4 vsS,5  -2  vsM, 4 vsM, vsM, 2 vsM, 1 vsM, 6 vsM, -3 vsL,6   vsL,1   vsL, 2 v s L , 3 v s L , 4 v s L , vsL,3  vsL,4   vsL,5  vsL,6  vsL,1  vsL,2   2 vsM,1  vsM,6  vsM,5  vsM, 4 vsM, 3 vsM, 1 vsS,3  vsS,4  vsS,5  vsS,6 vsS,1 vsS,2  vsZ,0  vsZ,0   vsZ,0  vsZ,0  vsZ,0  vsZ,0   -1 vsS,5  vsS,6  vsS, 1 vsS,2 vsS,3 vsS,4  -2  vsM, 3 vsM, vsM, 1 vsM, 6 vsM, 5 vsM, -3 vsL,5   vsL,6   vsL, 1 v s L , 2 v s L , 3 v s L ,     A desc ri pt i o n of t h e o p t i m al   sel ect i on base d  on t h e o p erat i ng s p eed i s  det e rm i n ed from  the be havi or  o f  error statu s  (flux  an d to rqu e ) an d to rqu e  error as fo llo ws:  1)   Sel ect i on o f  t h e l o n g est  v o l t a ge vect or  ha pp ened , w h e n  t h e swi t c hi n g  f r e que ncy  o f  t o rq ue st at us i s  l e s s   t h an t h e s w i t c h i ng  fl u x  st at u s   (Tst at  < Fst a t )   du ri n g  t h e t o rq ue  dem a nds  or  hi g h  s p ee ope rat i o n .     2)   Selection of the  m e diu m  of the vector  is activ e wh en  th e switch i ng  frequ en cy of to rq ue statu s  is sl ig h tly   hi g h er  t h a n  t h a t  of  fl u x   st at us.   3)   The sh ort e st  a m pli t ude vol t a ge vect o r  i s  ch ose n  whe n  t h e  swi t c hi ng  fre q u ency  o f  t o r q u e  st at us i s  hi gh er   t h at  fl u x   st at u s  (Tst at  >  Fst a t ) . T h i s  case  o ccur r i n d u ri n g  at  l o w  spee ope rat i o n a n negat i ve t o r q u e   dem a nd .        5.   E X PERI MEN T AL SETUP     Th feasib ility o f  t h D T C of  i m p l e m en tin g  CH MI topo logy in  red u c ed  the to rq u e  ripp le o u t pu t and  con s t a nt  swi t c hi n g  f r eq ue ncy  has bee n  real i zed wi t h  a  com p le te d r iv e syste m . In  th e ex p e rim e n t al t e st, th p r op o s ed  algo rith m  sw itch i n g  str a teg y  h a s co ndu cted  b y  dSPA CE  d s 1104 . To  in ter f ace in  r eal ti me b e tw een  har d ware a nd  soft ware sy st e m t h e C ont r o l  Desk  has  bee n  p r o v i d ed i n   or der t o  easi l y  cont rol  t h par a m e t e r.  ( 1 01 00 1) ( 0 11 00 1) ( 0 11 00 0 ( 0 11 01 0)  ( 0 10 01 0)  ( 0 10 11 0) ( 00 01 10 ) ( 10 01 10 ) ( 1 00 10 0)  ( 1 00 10 1)  ( 1 00 00 1) (vs S ,3)   ( 0 00 00 1 ) ( 1 00 00 0 ) (vs S ,2)   ( 0 00 10 ( vs S , 1 ) ( 0 00 01 0 (vs S ,6)   ( 0 10 00 0 (vs S ,5)   ( 0 01 00 0 ) (vs S ,4)   ( 1 01 01 0)  ( 0 00 00 0)  ( 0 10 10 1)  vsL , vsL , vsL , vsL , 6 vsL , 1 vsL , 2 vsM, 3 vsM, 4 ( 0 01 00 1)  vsM, 5   vsM, 6   vsM, 1 vsM, 2 vsS , vsS , vsS , vsS , vsS , vsS , vs Z , 0 Fi gu re  9.  V o l t a ge  Vect o r  a v ai l a bl e i n  C H M I   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 3 ,     Febru a r y  20 15   :   441  –  4 52  44 8 The co nt r o l  Desk a ppl i cat i on i s  very  f r i e ndl y  use r  t o  confi g u r e t h e  l a y out  experi m e nt  t o   m oni t o r t h e   expe ri m e nt al  r e sul t .  Fo r FP GA  de vi ce, t h e al gori t hm  blanki ng t i m es for  3-l e vel  C H M I  i s  const r u c t e d i n   pr o p er f o r p r e v ent i n g t h e sh ort  ci rcui t  at  powe r  de vi ce  circu it (IGBT). Th is d e v i ce is  respon sib l e to  ach ieve  th e propo sed   strateg y  in  sm o o th  and  successfu l . Th e sam p li n g   p e riod  in  this syste m  is set  5 0 u s   with  same th sim u l a t i on sa m p li ng t i m e. Fi gu re 1 0   sh ow s t h e c o m p l e t e  har d ware  set u has  been  d o n e. T h ree  uni t s  o f  t h e   DC-Li n k  is set 1 2 0 V fo r testin g  DTC-C H MI an d  fo DTC co nv en tional in v e rter is set 2 4 0 V. Th e m o to p a ram e ters are d e term in ed  b a sed  on  th b l ock e d   ro to r and n o  l o ad  test.  Th e m o to r p a ra m e ter as tab u lated  in   Tab l III.  In the exp e rim e n t , in du ction  m o tor is cou p l ed  to a DC  m o to r as a lo ad .  To  co n t ro l t h e lo ad is by   ap p l ying  th vo ltag e  supp ly at th e arm a tu re wind ing  in  the DC m o to r. Th e DC m o to was m a n u f actured   b y   LO  REN Z O  and  th e pow er r a t i n g  is 1.1kW .           Figure 10. Co m p lete experi m e n t al setup       T a b l e  3 .   M o tor  param e ters    I n du ction  motor p a ramet ers     Rated  power, P  1.1 kW    Rated  voltage,  V s  380    Ra ted  curr ent,  i s,rated  2.7  A     Ra ted  s p eed ω m  2800  rpm    S t a t or r e s i s t anc e R s  6.1      Rotor re sista n ce ,   R r  4.51      S t a t or s e lf indu ctan ce L s  306.5  mH    Rotor  s e lf  indu ctan ce L r  306.5  mH    Mutual  inductance,  L m  291.9  mH    Combined  iner tia, J  0.0565 kg-m 2     Combined  viscous friction, B   0.0245 N.m.s     Number of  pole pairs,  P  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       Im pr oved  T o rq ue C ont r o l  Per f orm a n ce i n  Di rect  Tor q ue C o nt rol   usi n g …  ( M u h d  Zh ari f  R i f q i  Zu ber A h m adi )   44 9 6.   IMPLEME N TATION AND E X PE RIMENTAL  RESULTS    These sect i o n s  prese n t  t h e expe ri m e nt al resul t s  of si gni fi cant  im provem e nt  by  usi n g C H M I   con f i g urat i o n .  B e fo re t o  t h e al go ri t h m  conduct e d at  har d ware t e st i n g, t h e si m u l a ti on has bee n  si m u l a t e d t o   m a ke sure t h pr o pose d  st rat e gy  can achi e v e  t h e excel l e nt  perf o r m a nce  of  DTC   dri v e s  vi a C H M I .  M a t l a R 2 0 1 1 a ve rsi o n i s  use d  as a  t ool  t o  c o n f i r m  t h at  a st rategy . T h en , t h e  pr op ose d  s w i t c hi ng  st rat e gy  wa s   v e rified  through  ex p e rim e n t al  test. So m e  test co nd iti o n s  were cond u c ted   o n   D T C - driv es con t ro l sch e mes to  eval uat e  t h e p e rf orm a nces. The t w o  di f f e rent  t o pol ogi es of i n vert er  and co nt r o l  schem e  used in t h es e   ev alu a tion s  are con d u c ted as  fo llo ws;  i.   C ont r o l  of   DT C - Hy st eresi s  b a sed o n   th e 2-lev e l conv en ti on al inv e rter.  ii.   C ont r o l   of  DT C  base on  t h e  3 - l e vel  C H M I   usi n pr o p o s ed  swi t c hi ng  st rat e gy   Each  test was  p e rform e d  u nder th e sam e  co nd itio n in   o r d e r t o  h a v e   fair co m p arison s for  b o t h  of inv e rter  to po log y  as tabu lated  in Tab l e 4 .       Tabl e 4.  Co m p a r ison  be tw e e n t h e c o n v e n ti on al  a nd pr op o s e d   m e tho d     Control  Paramet ers   Inverter topology  (a)   2-Level  Conventional  I n verter   (c) 3- Level  CHMI    T o r que  ref e ren ce  Change     Low to High    0.7 Nm – 2 . 5 N m     High to  Low    2.5 Nm – 0 . 7 N m   Sam p ling tim e,   T s  50  µs  Torque h y s t eres i s   bandwidth, HB T   0.36 Nm    Flux h y steresis b a ndwidth,  HB i   0.02 Wb  Torque lim it    4 Nm      The t o r q u e fl ux vol t a g e   ph ases an cu rre nt  wa ve fo rm  resul t  f o r  b o t h  o f  i n ve rt er t o pol ogy   a r e   sho w n i n  Fi g u r e 11 . Tw o di ffe rent  re fere n ces of t o r q ue have  been a p p l i e d for  bot h of t h e i n vert er . The   si gni fi ca nt  i m pr o v em ent  i n  t e rm  t o rque  ri ppl e a n d s w i t c hi n g   pat t e rn   can  be  obt ai n e by  ap pl y i n g  t h e   pr o pose d  s w i t c hi n g  st rat e gy A st ep  ch an ge  of  re fere nce t o rq ue  (T re f ) was   ap pl i e d fr om   0. 7 Nm   t o   2. 5 Nm   at   t=0 . 4s as sh own  in  Fi g u re  1 1 (i) and  (iii) and 2 . 5 N m  to   0 . 7Nm  as sh o w n  i n  Figure 11 (ii) an d   (iv) fo bo th   o f   th e inv e rter .  In in itially, th e stato r  fl u x  an gu lar v e l o city as well as  m o to r sp eed  i s  slower. So in  th is  co nd itio n, th e t o rqu e  error statu s  is selected  b e tween  S t =0 a nd S t =1  in   o r der to  choo se the lo wer am p lit u d e   of  vol t a ge vect or.  W h e n   t h t o r que refe re nce sud d e n l y   cha n g e d  t o  2.5Nm ,  it can  b e  seen th at, th e torque erro status S t =2 m o m e nt ari l y  for  v e ry  sh ort   of t i m e respo n se  d u ri ng t o r que t r ansi ent   was oc cur r i n g. T h i s  i s  sh o w   t h at , w h e n   hav e  a ne dem a nd, t h e l o n g est  a m pli t ude v o l t a ge  vect o r  i s  a p pl i e d t o  p r o d u c e  t h e fa st er  dy nam i to rq u e  respon se to  in crease.  Based  on  th e ob serv ation  of  th e exp e rim e n t al resu lts, it  can be seen that when the   t o r que  refe re n ce cha nge t o  l o we r t h e m a gni t ude , s u d d enly th e n e g a tive lo ng est rev e rse vo ltag e  is  ch osen.  That m eans, the torque e r ror  status is selected S t =- 3 i n   or der t o   q u i c k re spo n se t o  reac h t h e dem a nd  of t h e   m o t o r. The r ef o r e, i t  sh ow s t h e  t o r que e r r o st at us St  g r ad ual l y  change s f r o m  S T =3 2 t o   S T =2 1 a nd  fi nal l y   to  S T =1 0  f o r dec r easi n g t h out put   v o l t a ge i n  sat i s fy i n g  t h e t o r que   dem a nd as t h e  st at or  fl u x  a n gul a r   vel o ci t y  red u c e . The e ffect s  of t o r que  ri p p l e  an d swi t c hi n g  f r eq ue nc y  by  appl y i n g  pr op ose d  s w i t c hi ng   strategy ca be clearly seen in t h e m a gnified im ag e o f   Fig u r e   12 . By  ob serv i n g th e pr opo sed sw itch i ng  strateg y , it can  be seen  th at , th wav e fo rm  fo r vo ltag e   p h a se is to  sho w  t h e leng th  o f  sl o p e wh en to rq u e   referen ce is  app lied .  Th is is i n d i cated th e l o n g e st vo lta ge  vect o r  i s  ch ose n  w h e n  s u d d e n l y  t o r que  re fe rence   ch ang e d   eith er for forward  o r  rev e rse  con d itio op eratio n.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S    Vo l. 5 ,  No . 3 ,     Febru a r y  20 15   :   441  –  4 52  45 0             (b)  Pr op osed s t ra teg y   (a )   Co nve n ti onal  i n verter   (i)   (ii)  (iii)  (iv)   Tref  =  0. 7Nm  t o   2. 5Nm   Tref  =  2. 5Nm  t o   0. 7Nm   vd   Ia   Ia   vd   vd   Ia   Ia   vd   Figure 11. Experi m e nt al result for torque referecene wa s applie d for condition   Te        Te  Te     Te     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.