Int ern at i onal  Journ al of  P ower  El ectr on i cs a n d  Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  No.   3 ,  Septem be r 2020 , pp.  1132 ~ 1144   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 3 . pp 1132 - 1144       1132       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Implem ent ation o f SVM f or  five - l evel  cascaded  H - bridg e  multile vel i nvert ers utiliz ing  FPG A       Maher  Ab d  I brah im  A l - je wa ri ,  Auza ni  Jidin,  Siti  Azu ra  Ah m ad  T ar usa n , M oh am med  Ra s hee d   Facul ty   of Electr ic a l  Eng ineeri ng ,   Univer si ti T ekn ika l   Mala ysi a  M el ak a  Hang   Tu a h  Jaya ,   Mal aysia       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Sep   3 , 2 01 9   Re vised  Dec   20 , 2 01 9   Accepte d  Fe b   16 , 20 20       The   Spa ce  Vec t or  Modulation  S VM   te chni qu e  h as  won  large  acc ept an ce  for  AC   drive  appl i ca t ions.  How ev er  the  ut il i za t i on  of   multil ev el  inve r te rs   conne c te d  with  SV M  by  Digit al   signal   proc essor  (DS P)  rai se  the   i ntri c ac y  of   cont rol  al gori th m  or  com put a ti onal   loa d ,   in cre ase s  of  th e   obta ini ng   distort ions   outp ut  vo lt ag e.  The  deve lop me nt   of   SV M  in  mu lt i level   inve r te rs   ma y  off er  h igh er  numb ers  of   sw it chi ng   vectors  for  a cqui r i ng  furthe r   enha nc em en ts  of   outpu t  vo lt ag e   per forma n ce s   an d  i mpl e me nt   by   using  Fiel d   Programm er   Gate  Array  (FP GA ),   inve stig ate  lower   To ta l   Hormonic   Distorti on  (THD).  Th is  p ape r   r ep orts  th e  p erf orm anc e   ev al u at ion   of  SV M  for   five - l eve l   of  Casca ded   H - Bridge   Mult il ev el   Inv ert er   C HM I  using  MA TL AB/S im uli nk,   whi ch  is  sampled  at   the   mi nim u m  sampling  ti m e,   i.e.   DT  =  5   μs .   The  sw it chi ng  signa l s  for  drivi ng   ins ula t ed  ga te   b ipolar  t r ansistor  (IGBTs)  which  are   stor ed  in   MA TL AB  works pac es,   ar e  th en  used  to  b e   progra mmed  in   FP GA   using  a  Quart us  II  soft ware .   Which  c a n  be  st at ed     the  lower   THD  of  th e  si mul a ti o n  resul t  is  about  14. 48%  for   f ive - le ve l  CHM I   and  expe r im en t   result  is   about  14. 3 1%   for   five - le ve l   CHM I  a t   modu la t ion   inde x  M_i=0 . 9.   The  err or  p ercent ag e  be twee n   the   si mulati on   result s  an d   expe ri me nt al   r e sults  of  the   fun dam en ta l  ou tput  volt ag e  in  SV M  is  smal l   which  is  appr oxi ma t el y  le ss   th an 1 % .   Ke yw or d s :   Ca scaded H - bri dg e C H M I   Five  le vels  in ve rter   M ulti le vel in ve rter   Sp ace  vecto r mo du la ti on   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   M a her   A bd Ibra him  A l - je wa ri ,   Faculty  of  Ele c tric al  Engineer ing ,   Un i ver sit i Te knikal  M al aysia  M el a ka ,   Hang T ua h  Ja ya , 76100  D ur ia n  T unggal ,  M e la ka,   M al aysia   Emai l:  mah e r. a bd74@ ya hoo. c om       1.   INTROD U CTION     M a ny  AC  dri ve   a pp li cat ions  util iz e  V oltage   S ource   I nvert ers   ( VS I )   w hic h  ha ve   ev olv e d  as  the  m os t   popula r  po wer  conversi on.  T he  in vo l veme nt   of   V SI   is  in  li ne  with  the  de velo pm e nt  of  var i ou s  Pu lse   Width   M od ulati on  ( P W M )   al gorith ms  s upporte d  by  the   a dv e nt  of  s olid - sta te   switc hing   de vi ce  te ch no l ogie s,  fast   dig it al   sign al   process or s ,  Fi el d  Program m able  Gate  A rrays  ( FPGA )  in  orde r  to  c re at e  a  PWM   si gn al   f or    the  real - ti me  a nd  micr oc on tr oller  s ys te m  as   means   of  a  di gital   processi ng.  Since  a  fe w   deca des  a go,  sever a l  PWM  al go rith ms  ha ve  bee n  dev el op e d  t o  i mpro ve  s om e   performa nces  of   VSI  s uc h  as   high - powe r  e f fici ency  [1 – 5] .  Few  st ud ie s  in dicat e d  that  the y  ar e  no t  acc ount ed  f or   P W M   con t ro l  wit h  high  f reque nc y  an d   div e rsified   te c hn i qu e s  of  sa mp li ng,  pro duce  gr eat e r   ou t pu t  volt age  wi th  opti mum  f unda mental   value,   kee p   total   har m onic   distor ti on  (T HD)  lo wer   within   the   crit ic al   range  with  lo wer   rati o   of   s witc hing   f re quency   t o   fun dame ntal  frequ e nc y   [ 6].  Appa ren tl y,  th e  researc h  ab out  VSI,  th us   f ar,  ha s  not  rea che d  t o  the  st at e  of  sat ur at io n,  as  novel   or  sim plif ie d  P W M   methods   are   sti ll   emer ging  for  va rio us   t opolog y  inv e rter  ci rcu it s  an d  mu lt il evel  in ve rters   [ 7].  Th rough   va rio us  ty pes   of  m odula ti on   strat egies   or  P W M   meth od s ,   a  Sp ace   Vecto r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Impleme nta ti on  of SVM fo r fi ve - le vel  ca sc ad ed H - br id ge m ulti le vel …  ( M aher A bd  Ib r ahim Al - je w ar i )   1133   M od ulati on  ( S VM)  te c hniq u e  has   gaine d  wide   acce pta nc e  beca us e   of   seve ral  a dv a nt ages  s uc h  as   higher  ou t pu t  volt age s,  lo wer  T HD,   high - ef fici enc y  a nd  fle xib il it y  to   be   imple mented   in   vec tor  c ontr ol  sys te ms    [8] – [ 13].  Be sid es  that,   this   m odulati on   sche m e  al so offers   in   opti mizi ng  t he   use d of  dc  volt age  li nk   util iz at ion  wh ic h  mean s  i t  can   incre ase  t he  rati on  of  outpu t  mag nitu de   volt age.   I n  ge ner al ,   the   im plementat io n  of  SVM   involve   with  t he  us e d  of   D S P  bo a r d  a nd   re qu i red  sect or  i den ti ficat io n  w hich   br in gs  int o  t he   f ormat io ns  of  ro ta ti ng   s pace  vecto r  diag ram .  I n  t he  th ree  phases  sy ste m ,  t her e   are   six   f ra ct ion s  i n  the   s pace  vecto r  dia gr a m  sp in ning   36 0°  wh ic h  eac h  ha s  e qu al ly   div id ed  by  60°.   T hi s  s pace  vecto r   diag ram   is  a   tr ansfo rmati on  f rom  a  balance  of   th re e  ph ase  quantit ie s  into  two  phas e  sy ste m  of   α - β  ref e rence   f rame.  T he  S V M   main  operat ion   is   to  use   the   ne ar est   three   vect or  rec ogniti on  of  the   re fer e nce  vo lt age   a nd  de te rmin e d  the   c orres pondin g  on - ti me   us in g  t he prin c iples o f vo lt  se cond  e quivale nt  [ 14 - 17] .    A  m ulti le vel  inv e rter  offer s   gr eat er  num be r  of  volt age  ve ct or s  as  c ompare d  to  ei gh t  vecto rs  f or   a  two - le vel  in ve rter.  Fi gure  1  il lustrate s  the  sp ace  ve ct or   di agr ams  f or   Se ct or   I ,  in  a  tw o - le vel  inv e rte r  an d  three - le vel  in ve rter.  The  sp ac e  vecto r  diag ra ms  can   be   use d  to   co m pa re  t he  im plementa ti on   of   SVM  i n  tw o - le vel  an d  t hr e e - le vel  in ve rters.  As   co mp a r ed  to   tw o - le ve l  sp ace  vect or  diag ram ,  th e  sect or   i n  t hr ee - le vel   inv e rter  is  di vid ed   int o  f our   identic al   small er  tria ng le s  (i. e.  ∆_ 0,  ∆ _1,  ∆_2  an d  ∆_ 3).   To   re duce  T HD  ( or   dv⁄d t)   an d  s witc hing  los ses  in   mu lt il evel  in ve rter  (i .e.  th ree - le vel),  it   is  ne cessar y  to  swit chin g  vecto rs  wh ic h  are  the  near est   to  the  re fer e nc e  vecto r  v  ̅ _s^ *.   He nce ,  thr ee - le vel  S VM   switc h  the  vec tors  v  ̅ _2,  v  ̅ _7   an d   v  ̅ _14fo r  a  giv e n  re fer e nce  vec tor.   T he  cal c ulati on   of  on - dur at ion   in  mu lt il evel  SVM  is  quit e  com plica te d  and   diff e re nt  f or   va rio us   tria ng le s  due  to   small   tria ng le s   in  t he  s pace  vecto r  dia gr a m  of   t hr ee - le vel  in ve rter  in   Fig. 1  do  no t  e xa ct ly  imi ta te   th e  ge om et r y  of  a  sect or  of  tw o - le vel  in ve r te r.  I n  tw o - le vel  S VM,  t he  cal c ulati on  of   on - durati on   is  strai gh t for ward  wh ic h  is   valid  f or  eve r y  sect or.  H owever,  the  t hr ee - le vel  S VM  ne eds  to   modif y  the   re f eren ce   vect or  with  new  ori gi n  po i nt  to   ap pl y  the  t w o - le ve l  base d  S V M  f or   cal c ulati ng  on - durati on.  As  s how n  by  Fig ure  1  (b),   t he  modifie d  re fer e nc e  vecto r  v  ̅ _s ^ *  with  vector  v  ̅ _2  as  or i gin   po i nt  is   determi ned  suc h  that  t he  cal culat ion   of  on - durati on  is   li ke  that  of  tw o - le vel  based  S VM.  T he  cal c ulati on   becomes  c omp li cat ed  if  the  r efere nce  volt age  vect o r  v  ̅ _s^ *   li es  in  tria ng le   ∆ _2,  w he re  the  ori entat ion   of  tria ng le   is  dif f eren t  a mon g  ot her s;  as   can   be   seen  t he  tria ngle s  ∆_ 0,  ∆_ 1  and  ∆_ 3  ha ve  the  same  ori en ta ti on  with   a  si ngle   tr ia ng le   or   Sect or  I   in   tw o - le vel  S V M ,   as   s hown  in   Fig. 1.  T he   co mp le xity   inc reases   as   numb e r   of  lev el s o f  i nverter b ec om e s  higher , e.g.  in  f ive - le vel in ve rter,  the re ar e si x  tria ngle s am ong  sixtee n  tri ang le s ,  that ha ve dif fere nt orientat io n          Figure  1 .   Com par is on  bet wee n  (a)   t wo - le vel  sp ace  vecto r di agr a m a nd (b) t hr ee - le vel s p ac e    vecto r diagr am , e.g. f or   sect or i       The  im pleme nt at ion   of  S V M  for  mu lt il evel  inv e rters  re quire  some   im portant  par ts  wh i ch  ar e  a s   fo ll ows;  ( 1)  de te ct ion   of  sect or    ,  ( 9)  detect i on  of  tria ngle   ∆ ,  (10 )  cal culat ion  of  on - du rati on  f or   switc hi ng   the  ne a rest  vec tors,  an d  ( 11)  determi nation  the  s witc hing  seq uen ce   f or  e very  s witc hing   pe rio d.   As  f ound  i n  li te ratur e,  t here  are  t wo  co mmon  meth od s  to  cal c ulate   the  on - durati on s .  T he  first   meth od  is  to   detect     the  tria ng le   an d  s olv e   th ree   s imult ane ou s   e quat ions  of  the   t rian gle  to   de te rmin e   the   on - ti mes  as   s uggest ed  i n  [18].  The   sec ond  met hod  is  t o  detect   t he  tri ang le   an d  us e  on - durati on  e quat ions  st or e d  in  a   lo okup   ta ble  for   this  tria ngle ,   as   pro pose d  in   [ 19 ,  20] .  B oth  m et hods   howe ve r  require   co mpl ex  c ompu ta ti on s  a s  the   numbe r  of   le vel  increase s .  Alte r nativel y,  the  cal culat i on   of  on - dur a ti on   ca n  be   obta ined   us i ng  gen e ral  al gorit hm s .   Sp eci fical ly,   use s  a   E uclidea n  vect or  s ys te m  with   seve ra l  matri x  tra nsf ormat ion,  pro vi ded  that   it   does  no t   pro vid e  a  s ys te mati c  appr oac h  f or   real  ti me  SVM  imple m entat ion .  O n  th e  oth e r  wa y,   c al culat ed  on - durati on   and   obta ined  s witc hing  sta te s  by   m eans  of   c oor din at e  sy ste m,  w her e  t he  a xes  are  60  de grees  apa rt.  H oweve r,   the  60  degrees   trans formati on  le ads   to  the   com plexity  sin ce  the  volt a ge   ref e ren ce   is  c om m only  def i ned  in     the  or t hogona l  coord i nate  syst em.   Re centl y,   a  sim ple  S VM   al gorithm   for  mu lt il eve l  inv erter s  bas ed  o n    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :   1132   –   1144   1134   sta nd a rd  tw o - l evel  S VM.  T he   two - le vel  ba sed  S V M   c on c ept  is  init ia te d  by  [ 21],   howe ver,  the  cal c ul at ion   of  on - durati on   is   base d  on  or i gin   m odific at ion   a nd  60  de gr ees  c oor din a te   transformat ion,  w hich   can no t  be   exten ded  in  i mp le me ntin g  SVM  f or  hi gher  le vels,  i.e .  L  great er  tha n  three.   U nlike   the  f ormer  m et hods ,     the  impleme ntati on   of  S VM   that  include s  the  detect io n  of   sect or   an d  tria ng le ,  a nd  cal cu la ti on   of   on - durati on   wer e  d e rive d g eometrical ly a nd syst emat ic al ly which  su it a ble for  any le ve l of in ver te r  [22 - 24].       2.   RESEA R CH MET HO D   Ba sed  on  the   inv est igati on  i n  li te ratu re  re view  a bout   ty pe  of  P W M ,  t he  S V M   is   pr efera ble  as  it   offer s  se ve ral  adv a ntages  a nd   recentl y  know n  as  the  mo st  po pu la r  te chn iq ue  for  man y  el ect rical   dr iv e   app li cat io ns .   T his  c ha pter   dis cusses   the   devel op me nt   of  spa c e  ve ct or  m odulati on   (SV M)  al gorithm   ba sed   on   five - le vel  casc aded   H - bri dge   mu lt il evel  inv erter s  as  pro po s ed  by   [ 18 ,  25].   It  is  ne cessar y  to  de s cribe    the  pr i nciple  or  f or m ulati on  of   the  SVM  al gorithm  with  t he  ai d  of   s uitable   diag rams  a nd   e quat ions  f or   e ve r y  le vel  of  in vert er  is   gi ven  t o  de velo p  a  pro per  m odul at or  f or  e valu at ing  it s  perf ormances   T H D.  T he   performa nces   evaluati on   will   be   pr e sente d  in  res ults  a nd  di scussion.   T he n,  the   sim ulati on  model  of  S VM  for   every  le vel  of  inv e rter  is  de ve lop e d  us i ng  M A TLA B - Si mu li nk.  T he  de velo pm e nt  of   the  simulat io n  m od el   us es  same   pa r amet ers  value s ,  e. g.  sam plin g  ti me,   th ree - ph a se  loa d,  D C  volt age,   et c.,  as   im pleme nted   in    the  ha rdwa re  s ys te m.  The  ve r ific at ion   a nd   e valuati on  ar e  a lso  car ried  out  via  ex pe rimen ta l.  In   t he  h a r dware   sy ste m,  t he  S VM  al gorith m   is  execu te d  usi ng   a  Fiel d  P r ogram mable  G at e  Ar r ays  (FP GA)  DEO   C ontr oller.   The   implem en ta ti on   of  t he  hard war e   s ys te m  e mphasiz e s  on  s om e   i mporta nt  as pe ct s  f or  pro per  S V M  op e rati ons,   pro vid in g  a  blan ki ng   ti me   ge ne r at or   t o  a vo id  s hort  ci rc uit  co nd it io ns ,   en sur ing   t he  DC  vo lt age  su ppl y  for  ea c h  H - B rid ge  i nv erter  ci rcu it   ha s  pr ov i des  is ol at ion   a nd  a   c onsta nt   DC   volt age  a nd  a pplyi ng  gate   dr i ver  ci rc uits wh ic h  ha ve  suf fici ent p owe r  a mp li ficat ions  a nd  is olati on  to  sw it ch   O N/OFF  the   IG BTs  o f   V SI .   On ce  t he  simu la ti on   an d  ex pe rimental   res ul ts  are  ob ta i ned,  al l  the  reco r de d  data  is  ta bu la te d  in  ta bles,   and  gr a phs  for  c ompa rison  t o  performa nce  evaluati on.   T hen,  base d  on  s uitable   e quat ions  a nd  t heories,     the  anal ys is  of   performa nces  is  ca rr ie d  out  to  ve rif y  the  im pro veme nts/ad van ta ges  of   us i ng   dif fer e nt  ty pe  of   le vels  of  in ve rters  wh ic h  is  five - le vel  casca ded  H - Bri dg e   mu lt il evel  in ve rters.   The   de ve lop me nt  of  ha r dw a re   is  us e d  to   obta in  the   e xperim ental   res ults  w hich   will   be   c ompare d  with   th e  sim ulati on  resu lt s,   validat ion  of   SVM alg ori th m as  well  as th e ad van ta ges o f  S V M  in  m ulti le vel inverte rs .     2.1.   Spa ce   vec t or m od ul at i on   of  f ive - le vel c as c ad ed   H - brid ge  multil evel in vert er   This  sect i on  br ie fly  desc ribes   the   pri nciple   of  S V M   for  fi ve - le vel  CH MI  base d  on  tw o - le vel  SVM.   Since  t he   SVM   co ntr ol  al gorithm   is  base d  on  tw o - le vel  S VM,  it   can   be  pro ven  that   m os t  par ts   util ize  sam e   equ at io ns   a nd  appro ac hes  f or   im pleme nting   t he  switc hi ng   m odulati ons.  Fi gure  2  dep ic ts  a  fi ve - le vel   Ca scaded  H - B rid ge  Mult il evel  I nv e rter   (C HMI)  w hich   c on sist s   of  six   isolat ed  DC   volt ages.   T he   CHM I   sh ow n  i n  Fi gure  2  is  ref e rr e d  to  five - le vel  i nv e rter  is   due  t o  the   fact  t hat  the  in ver te r  ca n  pro du ce   fi ve   le vels  of   ou t put  vo lt a ges,   wh ic h  are  2  5 ,   5 ,  0 ,  −  5   and   − 2  5 .  The  five  ou t pu t  vo l ta ges  can  be  obta ined  by   pro vid in g  poss ible  switc hing  sta te   com bin at ion s   on   the   simpli fied   ci rc uit  of  the   fi ve - le vel  CH MI  (i.e.   f or  a   sing le - phase) gi ven   in Figu re 2 . H ence  a  si ngle - ph ase o utput  volt age  of  th e  CHMI  (i.e .  - ph a se  w her e  = - ,  - , or  - ph ase )  c an be e xpresse d  as:        = ( 1 − 2 ) .  5 +   ( 3 − 4 ) .  5   (1)     The   tria ngle   f or  five - le vel   CH M I   as   s how n  in  Fig ur e   4  is  de fine d  us i ng  (2)  a nd   ( 3).  It  ca n  be   s how n  that ea ch  secto r  will   hav e  16 t rian gles ( i.e .  ∆ 0 ,  ∆ 1 ,  ∆ 2 ,…,   ∆ 15 ).     ∆ = 1 2 + 2 2   (2)   ∆ = 1 2 + 2 2 + 1   (3)     The  discussi on   ab ov e   sho ws  the  di ff e ren t  pa rts  util iz ed  in   five - le vel  C H M I   as  c ompar ed  to   that  of  three - le vel,  w her e   the  five - le vel  CH MI  in vo l ves  gr eat e r   num ber s   of  t rian gles,  le vel  outp ut  vo lt ag es  an d  vo lt age   vecto rs .  T he  rest  pa rts  will   util iz e  same  a ppr oach es   an d  eq uatio ns .   F or  exa mp le ,   the  on  durati on s  f or   switc hing  vect or s  in five - le ve l C HMI  a re cal culat ed usin g ( 4), (5 )  a nd (6).      =   3 2  5 (  ∗ −   1 √ 3  ∗ )   (4)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Impleme nta ti on  of SVM fo r fi ve - le vel  ca sc ad ed H - br id ge m ulti le vel …  ( M aher A bd  Ib r ahim Al - je w ar i )   1135       Figure  2 .   The   c ircuit  of  five - le vel  CH MI             Figure  3 .   Sim pl ifie d  fiv e - le ve l   H - br i dg e  in ve rter  (for an y Phase )     Figure  4 .  De fin it ion  of  tria ngle   ( ∆ = ∆ 0 ,   ∆ 1 ,  ∆ 2 ,…,  ∆ 15 )  f or  e very s ect or       2.2.   Simul at i on   m od el   of sp ace  vector m odul ati on   This  sect ion   presents  a  sim ul at ion   model  of  Sp ace  Vecto r  Modula ti on  (S V M)  us i ng   M A TLAB - Simuli nk.  Fi gure  5  de picts  th e  simulat ion   m od el ,  sp eci fical ly  the  co ntr ol  al gorithm  of   S VM   w hich  ge ne rates   switc hing  sta tu s.  The  sim ulati on   model  sho wn   i n  this  fig ure  is  us e d  to  ge ner at e  s witc hin g  sta te s  f or   dri vin g  IG BTs   of  fi ve - le vel  CH MI  by  modif ying   th e  num be r  of  i nputs   a nd  DC  volt age  te rms  in   s om e   cal culat ion s .   The   simulat io n  is  performe d  us in g  t wo  set s   of  sa mp li ng   ti mes,  s uc h  a s   1 = 200      for  detect ing  s ect or s,   tria ng le s  a nd  com pu ti ng  on - durati on,  a nd    2 = 5    for  ge ne rati ng   a ppr opriat e  pulse   width   with  highli near it y  a nd  accu rac y.   Gen e rall y,  the  simulat ion  m odel   is  co ns tr uc te d  us i ng  tw o  t yp e s  of  pro gr a mmin g  appr oach es ,  na mely  the   gra phic al   pro gr a m ming  ap proac h  us in g  Sim ul ink   blo c ks   a nd  the   c - pro gr a mmin g  appr oach  wr it te n  i n  MATL A B  f un ct io n  bloc ks .   T her e   a re  two  in pu ts   r eq uire d  i n  t he  simulat ion  mode l  w hic h  are  the  dema nds  of  ma gnit ude  an d  f re qu e ncy.  T hese  tw o  in pu ts  w il l  pro du ce  a  ref e ren ce  of   t hr ee - phase   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :   1132   –   1144   1136   vo lt age .  The   Si mu li nk  blo c ks  inside  t he  Subs ys te m 1  for  ge ne rati ng  the   re fe ren ce   of   three - ph a se  a re  pr e se nted  in Figu re  6.   It  can  be  see n  t ha t t he  re fer e nce  is co ns tr ucted usin g (7).     ∗ = .  ( 2  )   (5)   ∗ = .  ( 2  − 2 3 )   (6)   ∗ = .  ( 2  + 2 3 )   (7)     wh e re    is  the  mag nitud e   of  r efere nce  vo lt a ge.   B y  c onside rin g  the  li mit at ion   of  the  poss ible  outp ut  vo lt age  pr oduc ed  in  the  SVM   for   five - le vel  CHMI , t he ma gn it ude    can   be  calc ulate d  as  foll ows :       =   Μ 4  5 √ 3   (8)           Figure  5 .   Sim ul at ion   m odel  of  sp ace  v ect or   modu la ti on  (SVM)  (e. g.   f or fi ve - le vel  C H MI)       wh e re  Μ   can  be   var ie d  bet we en  0   to  1   f or   a dj us ti ng   t he  ma gn it ude  of   i nput  an d  hen ce  ou t pu t   vo lt age s.  T his  means ,  Μ   is  set   to  1   for  pro duci ng   t he  maxi m um   ou t pu t  volt age.  T he  th ree - phase  vo lt age   is   then   tran sf orm ed  i nto   re fer e nce  volt age  c ompone nts   ∗   a nd   ∗ ,  as  t he  i nput  of  the   modu la to r.  T he   trans formati on  is o btained  u si ng (9) an d ( 10) .      ∗ =   2 3 ⌊ ∗ − ∗ 2 − ∗ 2 ⌋   (9)      ∗ =   1 √ 3 ⌊ ∗ − ∗ ⌋   (10)     Using  these  e qu at io ns,  the  t ran s f or mati on  is  con st ru ct e d  us in g  Sim ulink   blo c ks   as   pr ese nted  i n  Figure  7. The s e Simulin k bl oc ks  a re  g r oupe d  as  a  Subs yst e m2 , as sh own  in  Fi gure  5.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Impleme nta ti on  of SVM fo r fi ve - le vel  ca sc ad ed H - br id ge m ulti le vel …  ( M aher A bd  Ib r ahim Al - je w ar i )   1137         Figure  6 .   The   s imulat ion m odel  b loc k of t hre e - phase  gen e rato r   (at  Subsy ste m 1 )     Figure  7 .   The   s imulat ion m odel  b loc k of t hre e -   to  two - phase t ransformati on  (at  Subs yst e m2)       It  ca n  be   noti c ed  from   t he  c omplet e  sim ulat ion  m od el   s hown  in   Fi gure   5  that   the   re fer e nce  volt age   com pone nts   ∗   a nd   ∗   are  sam pled  at    1 = 200      us in g  Zer o - Or der  H old   blo c ks .   T hese  two  in pu ts   are   us e d  t o  pro duce  re fer e nce   volt age  vect or  into   a  pola r   f orm  us in g  ( 11)  and  ( 12) .  The n,  the   ma gn it ude  a n d  ang le   of  re fer e nce   volt age   ve ct or ,   i.e.   ∗   a nd    are   bein g  fe d  to   MA TLAB   Fu nction1   bl oc k  f or  detect in g  sect or s    ,   tria ngle s  Δ ,  an d  cal cul at ing   ∗   an d   ∗ ,  a s  discusse d  in   previo us  sect io ns.  T he   s ource   c od e   or  c - pro gr am min g wr it te n  i n  the   MATLAB  F un c ti on 1   bl ock as  sh ow n  in  Fi gur e 8 .       ∗ =   √ ̅  ∗ 2 + ̅  ∗ 2   (11)     =  − 1   ( ̅  ∗ 2 ̅  ∗ 2 )   (12)             Figure  8 .   S our ce  co de  li sti ng  for  M A TL AB  functi on1   f or de te ct ing  secto r s,  tria ngle s,  and    cal culat ing    ∗   an d   ∗   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :   1132   –   1144   1138       Figure  9 .   S our ce  co de  li sti ng  for  M A TL AB  functi on2 f or c al culat ing   on - durati on       The  re fe ren ce  vo lt age   co mpo nen ts   ∗   an d   ∗   produce d  f rom  MATLAB  Fu nc ti on 1  bl ock   a re  the n  us e d  as  the  in pu ts  of   MA TL AB  Fu nctio n2   blo c k.   T his  blo c k  is  res pons ible  to  cal c ulate   on - durati on   fo r   switc hing  vector s  within  a  t riang le   for  fi ve - l evel  CH M I .  T he  sou rce  co de   for  cal culat in g  on - durati on  sh ow n  in  Fig ure  9.   T he   on  durati ons     an d     pro duced   from   the  MAT LAB  F unct ion2   blo c k  a re  us e d  to   cal culat e   du t y  rati os  o f   pre - s witc hing  st at es  for  eac h  phase,   ,    an d  .  T he  cal c ulati on   i s  pe rformed   by   Subsy ste m 3  blo c k,   as  ca n  be   no ti ce d  in  Fi gure  5.   Fi gure  10   sho ws  Sim ulink   bloc ks   c on ta ine d  i n  Su bs yst em 3  blo c k,   wh ic h  are c on s t ru ct e d usi ng (13),  (1 4) an d (15 )  f or  five - le vel CH M I .     =   − 2 (  4 )   (13 )   =   − 2 (  4 +  2 )   (14)   =   − 2 (  4 +  2 +  2 )   (15)           Figure  10 .   T he   simulat io n  m odel  b l ock of  du ty r at ios  calc ul at or   (at  Su bs yst em3)       Figure  11  s ho ws  a   sim ulati on  model  of  pr e - switc hi ng  sta t es  ge ne rato r  w hich   is  dev el oped   based  on   the  c omparis on  betwee n  dut y  rati os  an d  tri angular   wav e f orm.   The   sim ul at ion   model  or  Si mu li nk   bl oc ks  are  gro up e d  a s  a   Subs yst e m4 ,  as   de picte d  in   Fi gure  5.  T he  t riangular   w ave f orm  is   ge ner at ed  at   sam plin g  ti me   2 = 5    by the   Re pea ti ng S e quence   bl ock,  wh il e th e  du t y rati os  a re  updated  ev e r y  1 = 200    .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Impleme nta ti on  of SVM fo r fi ve - le vel  ca sc ad ed H - br id ge m ulti le vel …  ( M aher A bd  Ib r ahim Al - je w ar i )   1139       Figure  11 .   T he   simulat io n  m odel  b l o ck   of  pre - switc hi ng sta te s g e ner at or  ( at   Subs yst e m4 )       At  the   la st  part   of  Fi gure  5,  i t  can   be   obse r ved  that   al l  th e  inf ormat io n  su c h  as   sect or  (  ),   tria ngle   ( ∆ )  an d  pre - swit chin g  sta te s  (  ,     an d   )   for  sel ect ing   ap pro pr i at e  switc hi ng  s ta te s  to  dri ve   I GBTs   o f   five - le vel  CH M I .  T hat  pe rfo rme d  by  MA T LAB  F un ct io n3   bl ock,  as  s how n  in  Fig ur e   5,   the   sou rce  cod e   a s  sh ow n  in  Fi gur e 12   is  giv e n first sect or  (  )   at  f irst t rian gle ( ∆ ).           Figure  12 .   Sou rce  c od e  li sti ng for   MATL AB  FUNCTI ON3 f or  pro duci ng s witc hing stat es       Finall y,   t he  s witc hing  sta te s   are  us e d  to  dri ve  IG BTs   of   the  in ver te r.   Figure  2  dep ic ts  simulat ion   models  f or  fi ve - le vel  CH MI.   N ote  that,  t he   switc hi ng   of   IG BT s  is  determine d  by  th e   switc hi ng   sta te s,  pro vid e d  that   the  s witc hing   of  uppe r  a nd  lo wer  I GBTs  f or  eac h  le g  m ust   be  co mp li m ented   to  eac h  oth e r.    The  ou t pu t  of  each  in ver te r   is  connecte d  to  an  i den ti cal   three - phase  a nd   series  c onnected  resist iv e  and     inducti ve  l oad s .      2.3.   The  descri p tio n of  ex peri me nt al  set u p    In   this  sect io n  desc ribes  t he   assignme nts   of   the  ci rcu i ts  or   c ompon ents  em ployed   to  set   up     the  e xperime nt al   platf orm   f or  ve rif ying   the   eff ect ive ness   of  SVM   te ch nique   f or  five - le ve l  casca de d  H - br i dg e   mu lt il evel  in ve rters.   T he  str uctu re  of  e xpe rimental   platf orm   in dicat ed  t he  c omp on e nt s  use d,  a s  s ho wn  in  Figure  13.  Th e  Fiel d  Pro gr a mmable  Gate  Array s  (FPG A )  Co ntr oller  w as  util iz ed  to  perform  t he  ta sk s  of  SVM tec hn i que.      2.4.   FPGA   co nt r ol le r    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :   1132   –   1144   1140   The   Fiel d  Pro gramma ble  Gat e  A rr a ys  ( FP G A)  Co ntr oller  i s  kn own   to   ha ve  high - sp ee d  cl ock  w hich  is  superi or  to  execu te   lo gical   or  dig it al   ope rati on.  It  feat ured   a  powe rful  Alte ra  C yclo ne   I V  E P42 2F1 7C6N   FPGA  with  22 ,320   l og ic   el e ments,  32  M B   of   SD R AM,  2  kb  EE PRO M ,  a nd  a  64  M b  serial   co nfi gurati on   memor y  de vic e.  The   FP GA  bo a r d  40 - pi n  Head e rs  (GPI Os)   pro vid e d  72   I/O  pi ns ,  5V  po wer   pins,  two  3.3V  powe r  pi ns   a nd  f our  gro und  pin s ,  15 3  ma xi mu m  F PGA  I /O  pins  an d  56  em be dd e d  m ulti pliers.  T he  DE 0 - Nano   boar d  in cl ud e d  a   bu il t - i n  US B   Bl ast er   f or  F PGA  pro gr a mmi ng,   a nd  the   boa rd  co ul d  be   po wer e d  ei ther   from   this   U SB  port  or  a n  exte rn al   po wer  s ource.   I nputs   an d  outp uts   inclu de d  2  pu s hbutto ns ,   8  us e r  LED s  a nd   a  set   of   4  dip s witc hes.   T he  boar d  incl ud e d  exp a ns i on   hea der s  t o  at ta ch  va rio us   te rasic  da ughter  ca r ds   or  o t her  dev ic es .  Fi gure   13  s hows   the  FPGA  receives   inf ormat io n  of  Q uar t us   II   pro gr a m  a nd  pre - s witc hing  sta te s    ,     an d   .  T he  FP GA  is  a cco unta ble  to   perf orm  the   assi gnm ent  of  sel ect in g  s uitable   swit chin g  sta te s  ba sed  on the  date  rec ei ved .  T his  ta s k  is si mil ar  to  t he  MA TLAB  F un ct io n3  blo c k as  dep ic te d i n Fi gure  5.            Figure  13 .   T he   ex per ime ntal s et up       2.5.   Qua r tu s  II  pr og r am   f or  FP GA  c ontr oller  board   The  Q uar t us   II  abs orbe d  t he  data  ob ta ine d  f rom  the   s witc hi ng   sig nals  f or   dri ving  I GBT s  sto red  in  M A TLAB   wor ks pa ces.   T hen,   the   data   we re   save d  in   E xce l  file .  Ne xt,  t he   data   we re  t ra ns fe rr e d  to   mif   file .   The   fir st  par t   in  pro gr a mmi ng  c reated   a   project   name   ( N ew  Proje ct ),  f a mil y  a nd   de vice  set ti ngs  for   FPGA.   The num ber   of wor d  ( 4001 ) were  sel ect ed wh ic h  c ou l d  tr ansf e r  the  d at a  from 1 2  s witc hi ng  stat es  of E xcel file   to  12  s witc hi ng  sta te s  of   mif .f il e.  T his  file   consi ste d  of   0 - 4000,  t hen,  dis playe d  the   mif   file .  at   Qu a rtus  II .     The   M e g a   Wiz ard  Plu g - I n  Ma nag e r   w ould  i ns ert   (sa 1…s a 4,  sb1… sb4   an d  sc 1…sc 4)  un der  ( mif  file ).  VHD L   file   was   create d  a nd  sa ved  a s  ‘s vm5level ’.vhd  f or  co mpu ta ti on al   pur pos es.  I n  ad diti on,  ot her  V H DL   Fil es  save d  as  ‘clk _div ’.vhd,   ‘ blan king_ c ompa rator’. vhd,  ‘ blan ki ng _lower _c ounter’.v hd,  ‘ blank i ng_mo d18’. vhd,   ‘b la nk i ng_upp er_ c ounter ’.v hd  a nd  ‘ blan ki ngte me_ main ’.v hd,  e dit  co ding  wer e   create d  as  s how n  i n  Figure  13.  T he n,  the   project   w as  a na lysed   afte r  ve rify i ng  the   s uc cess  of  the   ana lyses.   The   assi gn i ng  pin  on  F PGA  sel ec te d  pi n  pl ann e r  for  2  i np uts  a nd  24  out pu t  pins  12  lo wer  switc hi ng  ou t pu ts   an d  up per  switc hi ng  ou t pu ts .   Hen ce ,  a  f ull c ompil at ion  des ign  wa s  s ucces sfu l   to   pr ogra mme  t he   FP G A  ha rdwar e   i n  order  to   see   th e  dis play   of outp ut  wav e form o n oscil lo sco pe,  as  s how n  in  Fig ure  14.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Impleme nta ti on  of SVM fo r fi ve - le vel  ca sc ad ed H - br id ge m ulti le vel …  ( M aher A bd  Ib r ahim Al - je w ar i )   1141       Figure  14 .   Flo wch a rt  of   a ppla id   FP G A  in   quart us  ii  pr ogra m       2.6.   Po wer  in vert e r a n d  gate  driver ci rcui ts   Figure  15   t he  FPGA  for  ci rc uit  casca de d  H - bri dge  m ulti le vel  in ver te r  C HMI  a nd  gate  dr i ver   e .g.  f or  five - le vel.   The   FP G A  c ontr oller,  it   a ppli ed   the  date   f rom  Qu a rtus  II  P rogr a m  t o  a bsor b  t he   gate   dri ve r  a n d  powe r  in ver te r   ci rcu it s  th ey   a re  us ed   to  pro du ce   d e sired   outp ut  volt ages .   The   ai m  of  use   gate  dr i ver  c ircuit s  was  t o  pro vide   isolat ion  between  the   el ect ronic  c on t ro l  ci rcu it s  a nd  powe r  i nv e rter   ci rcu it s  a nd  pr ov i de   enou gh  powe r   ex pa ns io n  f or  s witc hing  I G BTs.  He nce,   the  same   s witc hing  sta te s  we re  pro duced   f r om  the   ou t pu t   of  gate  dr i ver  ci rc uits,  yet,   with   diff e r ent  gro unding   po i nts.   T he  i de ntica l  switc hing  sta te s  wer e   use d  to   dr i ve  I GBTs  i n  CH M I  with  e nough  volt age  and  cu rr e nt.  Figure  15  s howe d  the   six   unit s  of   H - Brid ge  i nverter   ci rcu it s  to  plan t  five - le vel   C HMI  as   s how n  in  Fi gure  2.   E very  H - B rid ge   inv e rter  ci rcu i t  was  s upplied   by  a n  isolat ed DC v ol ta ge  sup ply .             Figure  15 .   T he  FPGA  for  ci rc uit   CH M I  and  gate dri ve r  e .g.  for   five - le vel       3.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION   In  this   pa rt  e va luate s  the   tot al   ha rm on ic   di stortio ns  (T H D)  of   outp ut  volt age  a nd  t he   f unda mental   ou t pu t   volt age     f or  fi ve - le ve l  inv e rter   of  S pace   Vect or  M od ulati on  (SVM)   te ch niqu e.  T he   eval uat ion  is  base d  on the si mu la ti on r es ults i.e. the  value s o f TH D  a nd   f undame ntal o ut pu t v oltage a r e o btaine d usin g  Fast   Four ie r  Tra ns f orms  ( FFT )  an al ys is  an d  validat ed  with  the   exp e rime ntal  resu lt s.   T he  re su lt s  are  ob ta i ned   a t                                               Start   Generat o r F P GA   O n  Switchi n g   Sta te   Wo rk spa ce   Exc el fil e   Start   Qua rtus II   N ew  pro jec t   Ap p li ed  wi th  N am e   M e m o r y  In itial iz ati o n  Fil e   m if.   fil e   M ega   Wiz ard  P lu g - In   M an a g er   p ro ces s es   u n til fin i sh   VH D L  Fil e   C o m p u tat i o n   o f  VHDL  Fi les   Fu ll  c o m p il atio n   D e sig n   P ro g ra m m er   H ard ware  S e tup   B y   - US B   Outp u t  Wa v ef o r m   D isp laye d   A ssig n m ents   P in   P lan n er       Y es   Un successful   No   Y es   Un successful   No   P ro g ra m m er  is  succ essful   End   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.