I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7 ,   p p .   1 30 ~ 146   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v8 i 1 . p p 1 3 0 - 146          130       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JP E DS   Ex peri m e ntal Co m pa riso b etw een F o ur and  Six S w itch  Inv erte rs  Fed  FL C Ba sed Spe ed Se nso rless   IM  Drive   a Very  Lo w  Speed       Z.   M.   S.   E lba rba ry     De p a rtme n o f   E lec tri c a En g in e e rin g ,   Ka f e re lsh e ih k   Un iv e rsit y -   E g y p t     De p a rt m e n o f   El e c tri c a En g in e e rin g ,   Kin g   Kh a li d   u n iv e rsity - KS A       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct  0 1 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   Dec   0 7 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   Dec   1 7 ,   2 0 1 6       T h is  p a p e in tro d u c e e x p e ri m e n tal  c o m p a riso n   stu d y   b e t w e e n   si x   a n d   f o u sw it c h   in v e rter   f e d   th re e   p h a se   i n d u c t io n   m o to d riv e   s y ste m .   Th e   c o n tro l   stra teg y   o th e   d riv e   is  b a s e d   o n   sp e e d   se n so re les s v e c to c o n tro u s in g   m o d e re fe re n c e   a d a p ti v e   s y ste m   a a   s p e e d   e stim a to r.   T h e   a d a p ti v e   m e c h a n ism   o sp e e d   c o n tro lo o p   d e p e n d o n   f u z z y   lo g ic  c o n tro l.     F o u sw it c h   in v e rter  c o n F ig u re u ra ti o n s   re d u c e t h e   c o st  o f   th e   i n v e rter,  th e   sw it c h in g   l o ss e s,  th e   c o m p lex it y   o f   th e   c o n tro l   a lg o rit h m s,  in terf a c e   c ircu it s,  th e   c o m p u tatio n   o re a l - ti m e   i m p le m e n tatio n ,   v o l u m e - c o m p a c tn e s a n d   re li a b il it y   o th e   d riv e   s y ste m .   T h e   ro b u st n e ss   o f   th e   p ro p o se d   m o d e re f e re n c e   a d a p ti v e   s y ste m   b a se d   f o u s w it c h   th re e - p h a se   in v e rter  (F S T P I)  fe d   in d u c ti o n   m o to d riv e   is  v e ri f ied   e x p e ri m e n tally   a d i ff e re n o p e ra ti n g   c o n d it i o n s.  Ex p e rim e n tal  w o r k   is  c a rried   u sin g   d ig it a sig n a p ro c e ss o (DS P 1 1 0 3 f o a   1 . 1   k W   m o to r.     A   p e r f o r m a n c e   c o m p a riso n   o f   th e   p ro p o se d   F S T P   i n v e rter  f e d   IM   d riv e   w it h   a   c o n v e n ti o n a six   sw it c h   th re e - p h a se   in v e rter  (S S T P )   i n v e rter  s y s tem   is  a lso   m a d e   in   ter m o sp e e d   re sp o n se .   T h e   re su lt sh o w   th a th e   p ro p o se d   d riv e   s y ste m   p ro v id e a   fa st  sp e e d   re sp o n se   a n d   g o o d   d istu r b a n c e   re jec ti o n   c a p a b il it y .   T h e   p ro p o se d   F S T P   in v e rter  f e d   IM   d riv e   is  f o u n d   q u it e   a c c e p tab le  c o n sid e rin g   i ts  p e rf o r m a n c e ,   c o st  re d u c ti o n   a n d   o t h e a d v a n tag e s   f e a tu re s.   K ey w o r d :   D ig ital  s i g n al  p r o ce s s o r   Fo u r   s w itc h   i n v er ter   Fu zz y   lo g ic  co n tr o l   I n d u ctio n   m o to r   Sen s o r les s   c o n tr o l   Six   s w itc h   i n v er ter   Co p y rig h ©   201 7   In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Z a k ar ia  Mo h a m ed   Sale m ,   Dep ar t m en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Kaf er els h ei k h   U n i v er s it y   Ka f e r elsh ei k h ,   E g y p t .   E m ail:  z_ elb ar b ar y @ y ah o o . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   I n d u ctio n     m o to r s   ar ca lled   th w o r k h o r s o f   t h m o tio n   in d u s tr y   b ec au s t h e y   ar m o s w id el y   u s ed   m o to r s   f o r   ap p lian ce s ,   in d u s tr ial  co n tr o l,  an d   au to m at io n .   T h ey   ar r o b u s t,  r eliab le,   s i m p le,   ch ea p   a n d   av ailab le  i n   al p o w er   r atin g s .   T h s q u ir r el  ca g e   t y p e s   o f   i n d u ctio n   m o to r s   ar v er y   p o p u la r   in   v ar iab le - s p ee d   d r iv es.  W h en   AC   p o w er   i s   s u p p lied   to   an   in d u ctio n   m o to r   at  ce r tain   s p ec i f icatio n s ,   it  r u n s   at  its   r ated   s p ee d .   Ho w e v er ,   m a n y   ap p licatio n s   n ee d   v ar iab le  s p ee d   o p er atio n s .   D u to   th p r o g r es s   i n   t h f ield   o f   s e m ico n d u cto r   i.e .   p o w er   elec tr o n ics  a n d   in teg r ated   cir c u its   en ab les  t h ap p licatio n   o f   in d u ctio n   m o to r s   f o r   h ig h - p er f o r m a n ce   d r iv e s .   T h ese  p o w er   elec tr o n ics  n o o n l y   co n tr o th m o to r s   s p ee d ,   b u ca n   i m p r o v t h e   m o to r s   d y n a m ic  a n d   s tead y   s tate  ch ar ac ter i s tics .   I n   ad d itio n ,   t h is   i m p r o v es   th e   e n er g y   s av in g s   a n d   r ed u ce s   n o is g e n er atio n   o f   t h m o to r .   I n d u ctio n   m o to r   d r iv es  h a v b ee n   th o r o u g h l y   s t u d ied   in   th p ast  f e w   d ec ad es   an d   m a n y   v ec to r   co n tr o s tr ateg ies   h a v b ee n   p r o p o s ed ,   r an g i n g   f r o m   lo w   co s to   h ig h   p er f o r m an ce   ap p licatio n s .   T r ad itio n ally ,   6 - s w itc h ,   3 - p h ase  ( SS T P )   in v er ter s   h av b ee n   w id el y   u til ized   f o r   v ar iab le  s p ee d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       E xp erimen ta l Co mp a r is o n   b etw ee n   F o u r   a n d   S ix  S w itch   I n v erter s   F ed   F L C   B a s ed     . . . .   ( Z.  M.  S .   E lb a r b a r y)   131   I d r iv es.  T h is   in v o l v es t h l o s s es o f   t h s ix   s w i tch e s   a s   well  as  th e   co m p le x it y   o f   th e   co n tr o l a l g o r ith m s   an d   in ter f ac ci r c u it s   to   g en er ate  s i x   P W lo g ic  s ig n als [ 1 ] - [ 3 ] .   I n   th p ast,  r esear ch er s   m ain l y   co n ce n tr ated   o n   t h d ev elo p m en o f   th e f f icien co n tr o alg o r ith m s   f o r   h i g h   p er f o r m an ce   v ar iab le   s p ee d   I d r iv es    Ho w e v er ,   t h co s t,  s i m p licit y   a n d   f le x ib i lit y   o f   th o v er al d r iv s y s te m   w h ich   b ec o m s o m o f   t h m o s i m p o r tan t   f ac to r s   d id   n o g et   th a m u ch   atte n tio n   to   th e   r esear ch er s .   T h at‟ s   w h y ,   d esp i te  tr e m e n d o u s   r esear ch   in   t h i s   ar ea   m o s o f   t h d ev elo p ed   co n tr o s y s te m   f ailed   to   attr ac t th in d u s tr y   [ 4 ] - [ 5 ] .     Usu al l y ,   h ig h   p er f o r m a n ce   m o to r   d r iv es  u s ed   in   r o b o tics ,   r o llin g   m il ls ,   m ac h i n to o ls ,   etc.   r eq u ir e   f ast  a n d   ac cu r ate  r esp o n s e,   q u ick   r ec o v er y   o f   s p ee d   f r o m   an y   d is t u r b an ce s   an d   i n s e n s i tiv it y   to   p ar am eter   v ar iatio n s .   T h d y n a m ic  b eh a v io r   o f   an   AC   m o to r   ca n   b s i g n i f ica n tl y   i m p r o v ed   u s i n g   v e cto r   co n tr o th eo r y   w h er m o to r   v ar iab le s   ar tr an s f o r m ed   i n to   an   o r th o g o n al  s et  o f   d - q   ax e s   s u c h   th a s p ee d   an d   to r q u ca n   b e   co n tr o lled   s ep ar ately .   T h is   g i v es  t h I m ac h in t h h i g h l y   d es ir ab le  d y n a m ic  p er f o r m a n ce   ca p ab ilit ies  o f   s ep ar atel y   ex ci ted   DC   m ac h i n e,   w h ile  r etain in g   t h g e n er al  ad v an ta g es o f   t h AC   o v er   D C   m o to r s   [ 6 ] - [ 8 ] .   I n   t h is   p ap er ,   co s t   ef f ec ti v FS T P   in v er ter   f ed   s e n s o r less   I d r iv i s   d ev elo p ed .   T h f o u r     s w itc h es   m ak e s   t h in v er ter   les s   co s t,   less   s w i tch i n g   lo s s es,  less   c h an ce s   o f   d estro y i n g   t h s w i tch es   d u to   less er   in ter ac tio n   a m o n g   s w itc h e s ,   less   co m p lex it y   o f   co n tr o alg o r ith m s   an d   in ter f ac cir cu it s   as  co m p ar ed   to   th co n v e n tio n al  SS T P   in v er ter ,   th p r o p o s ed   c o n tr o ap p r o ac h   r ed u ce s   th co m p u tati o n   f o r   r ea ti m e   i m p le m en ta tio n s .   F u r th er m o r e,   th e   u s o f   s p ee d   s en s o r less     f o r   in d u ctio n   m o to r   d r iv es   b esid es  b ei n g   r ed u c e   b u lk y   an d   i n cr ea s   t h r o b u s t n es s ,   it r ed u ce     ad d itio n al  elec tr o n ics,  ex tr w ir i n g ,   ex tr s p a ce   an d   r ed u ce   ex tr co s to   th d r iv s y s te m , s p ee d   s en s o r ,   also ,   im p lies   a n d   ca r ef u m o u n ti n g   w h ich   d etr ac t s   f r o m   th i n h er e n r o b u s tn es s   o f   t h d r iv e.     T h p r o p o s ed   s en s o r less   co n tr o m et h o d   v er if ie s   t h v alid it y   o f   a n   M R A S - b ased   F ST P   i n v er ter   f ed   I d r iv s y s te m   f o r   co s r ed u ctio n   a n d   o th er   p r ev io u s l y   m e n tio n ed     ad v a n ta g es   T h u s ,   th e   m ai n   is s u e   o f   t h is   p ap er   is   to   an al y s co s e f f ec tiv e,   s i m p le   an d   ef f ic ie n t   h i g h   p er f o r m a n ce   I d r i v e.   T h p er f o r m an ce   o f   a   clo s ed - lo o p   v ec to r   co n tr o s ch e m e   o f   th e   p r o p o s ed   FS T P   in v er ter   f ed   I s p ee d   s en s o r less   d r i v i s   i m p le m en ted   u s i n g   d ig ital  s ig n al  p r o ce s s in g   DSP 1 1 0 3   in ter f ac ed   w it h   th M A T L A B / SIM UL I NK  s o f t w ar e.         2.   D RIV E   SYS T E M   T h p r o p o s ed   s y s te m   in te n d ed   f o r   p er f o r m a n ce   an a l y s is   o f   s p ee d   s en s o r less   i n d ir ec r o to r   f ield   o r ien ted   co n tr o o f   in d u ct io n   m o to r   d r iv is   s h o w n   i n   Fi g u r 1 .   I co n s is ts   o f   I M,   in v er te r ,   s p ee d   esti m atio n   alg o r ith m   a n d   s p ee d   co n tr o ller .   T h esti m a ted   m o to r   s p ee d   is   co m p ar ed   w it h   th e   s p ee d   co m m an d   a n d   t h e   p r o d u ce d   er r o r   is   u s ed   to   d r i v   a   f u zz y   lo g ic  b ased   P I - co n tr o ller .   T h o u tp u t   o f   th e   co n tr o ller   is   to r q u e   co m m a n d .   T h f ield   o r ien ted   co n tr o ( FOC )   b lo ck   r ec eiv es  th to r q u co m m a n d   T * ,   w h il th f l u x   co m m a n d   * dr is   m ai n tai n ed   co n s ta n t.  T h f ield   o r ien ted   co n tr o b l o ck   p er f o r m s   t h s lip   ca lcu latio n   eq u at io n   ( 1 )   an d   g en er ate s   th c u r r en co m m a n d   co m p o n en ts           ee q s d s i a n d i in   r o tatin g   r ef er en ce   f r a m e,   eq u atio n s   ( 2   to   5 )   r esp ec tiv el y .   T h ese  co m p o n e n ts   ar f u r t h er   m a n ip u lated   b y   ax e s   tr an s f o r m atio n s   to   o b tain   t h ab cu r r en t   co m m a n d   co m p o n e n ts   iar ,   ib r ,   an d   icr .   Usi n g   p ar k s   tr an s f o r m atio n   T h ese  c u r r en co m m a n d   co m p o n e n ts   ar e   u s ed   as r ef er e n ce s   o f   c u r r en t c o n tr o l o f   th i n v er ter .   T h s lip   s p ee d   ca lcu lated   as f o llo w :     * r * e I L qs * m ω = . sl * T e λ dr                                                                                  ( 1 )     D - a x is   c u r r en t c o m p o n e n t i s   ca lcu lated   as  f o llo w :     * r ** 1 ee I = ( 1 + T p ) λ d s d r L m                    ( 2 )     An g u lar   f r eq u en c y   i s   o b tain ed   as f o llo w s ,     e r s l ω = ω + ω                                                                                    ( 3 )     e e θ = ω . d t                                                                                                    ( 4 )     T h to r q u p r o d u cin g   c u r r en co m p o n e n t i s   ca lcu lated   f r o m :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7     1 3 0     146   132   * K [ 1 + τ S ] ( ω - ω ) * p s c s 1 e rr I= qs * k τS e cs t λ dr                                   ( 5 )     W h er r ω   is   th m o to r   esti m ated   s p ee d .   A   co m p ar is o n   o f   t h p r o p o s ed   FS T P   in v er ter   f ed   I d r i v w it h   co n v e n tio n a SS T P   in v er ter   s y s te m   is   also   m ad e x p er i m e n tall y   i n   ter m   o f   to tal  h ar m o n i d is to r tio n   ( T HD)   o f   t h s ta to r   cu r r en t a n d   s p ee d   r esp o n s e.   T h p r o p o s ed   in v e r ter   f ed   I d r iv e   is   f o u n d   g o o d   co n s id er in g   i ts   co s r e d u ctio n   a n d   o t h er   ad v an ta g es.       I n v e r t e r   + - I B D Q     T o     A B C I B *   I R F O C + - i * s d i * s q M o t o r   s p e e d E x e c u t e   u s i n g     S i m u l i n k   a n d   d o w n l o a d   t o   D i g i t a l   S i g n a l   P r o c e s s i n g   C M o t o r     P h a s e   c u r r e n t s M R A S   S pee d   E s t i m at or     A B C   t o   D Q T r a n s f o r m a t i o n M o t o r   v o l t a g e s E l e c t r i c a l     L o a d T H D G e n e r a t o r I . M D C   S p e e d   R e f e r e c e N A 1 S w i t c h i n g   p u l s e s + - + - I c *   I A *   I C N A N B 1 N B N C 1 N C I A I N D U C T I O N M O T O R r r C u r r e n t   T r a n s d u c e r D C - L i n k   C a p a c i t o r   3 -   Φ   B r i d g e   r e c t i f i e r       A C -   s u p p l y   T *   -     F L C   K 3   K 1   K 2   d / d t   * dr     F l u x     R e f e r e c e     Fig u r e   1.   Ov er all  b lo ck     d iag r a m   o f   t h r ee - p h ase  i n d u ctio n     d r iv s y s te m   b ased   o n   v ec to r   c o n tr o t h eo r y       2 . 1 .   F uzzy   ba s ed  pi co ntr o ller  de s ig n   T r a d itio n al  co n tr o s y s te m s   ar u s u a ll y   b ased   o n   d ef in ite  m at h e m a tical  m o d el  o f te n     r ep r esen ted   b y   s et  o f   d if f er e n tial e q u atio n s   w h ich   d escr ib th e   r elatio n   b et w ee n   i n p u t   an d   o u tp u t   v ar iab les as  w ell  a s   t h e   s y s te m   p ar a m eter s .   I n   co n tr as t,  f u zz y   lo g ic  c o n tr o ller   d o es  n o r eq u ir s u ch   p r ec is m at h e m atica m o d el.   f u zz y   lo g ic  co n tr o ller   co n s i s ts   t y p icall y   o f   th r ee   s ta g es  o r   b l o ck s   n a m e l y ,   i n p u b lo ck ,   p r o ce s s i n g   b lo ck ,   an d   o u tp u b lo c k   as   ill u s tr ated   b y   F ig u r e   2 .   T h i n p u b lo c k   co n v er t s   i n p u t   s i g n als   in t o   ap p r o p r iate  w a y   to   p er tin en ce   f u n ctio n s .   T h p r o ce s s i n g   b lo ck   in v o k e s   ap p r o p r iate  r u les,  g en er ate s   r esu l f o r   ea ch   r u le,   a n d   co m b i n es  th r es u lt s   o f   t h o s e   r u les.  Fi n all y ,   t h o u tp u b lo ck   tr an s f o r m s   t h co m b i n ed   r esu lt  in to   co n tr o l   s ig n al  [ 9 ] , [ 1 0 ] .           Rule   Base   Fuzzi fi ca t ion   Defuz zi f ie r   Input   S igna l   Output   signal   Inte rfa ce    Engi ne   Membe rship f unc ti on    of  input  f uz z y  set   Membe rship f unc ti on    of  output  f uz z y  set       Fig u r 2 .   Fu zz y   c o n tr o l   s y s te m       T h f u zz y   lo g ic  P I   co n tr o ller   is   illu s tr ated   in   Fig u r e   3 ,   in   w h ich   KP   Ku   R ( Kd e)   an d   KI   Ku R ( Ke)   ar th co n tr o ller   p r o p o r tio n al  an d   in teg r al  g ai n s .   T h f u n ctio n s   R ( Kd e)   an d   R ( Ke)   ar d ef in ed   b y   th co n tr o ller   r u le  b as w h ich   is   s u m m ar ized   in   T ab le  1 .   I n itially   th f u zz y   in p u v ec to r   s h o u ld   b d ef in ed .   I co n s is ts   o f   tw o   v ar iab les;   th s p ee d   er r o r   an d   its   d er iv ativ as  ex p lain ed   in   eq u atio n s   ( 6 )   ad   ( 7 ) :     * rr e ( t )                                                                   ( 6 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       E xp erimen ta l Co mp a r is o n   b etw ee n   F o u r   a n d   S ix  S w itch   I n v erter s   F ed   F L C   B a s ed     . . . .   ( Z.  M.  S .   E lb a r b a r y)   133   * rr dd e ( t ) ( ) d t d t                                                    ( 7 )     A   f u zz y   s et  f o r   in p u an d   o u tp u v ar iab les  is   d esig n ed .   Fig u r e   4   an d   5   s h o w   th f iv lin g u is tic  v ar iab les  u s ed   f o r   ea ch   f u zz y   in p u v ar iab le,   w h ile  th o u tp u v ar iab le  f u zz y   s et  is   s h o w n   in   Fig u r 6 .   T h lin g u is tic  v ar iab les  ( L V' s )   u s ed   f o r   in p u ts   s h o w n   in   Fig u r es   4   an d   5   ar P B   ( P o s itiv B ig ) P ( P o s itiv Sm all) Z E   ( Z er o ) NB   ( Neg ativ B ig ) an d   NS  ( Neg ativ Sm all) .   T h s a m L V' s   ar u s ed   f o r   th o u tp u f u zz y   s et  s h o w n   in   Fig u r 6 .     I f   ( I n p u t1   A ND  I n p u t2 )   T HE Ou tp u t         R ule  B ase   K u   Z Z1   K e   de K ( Z 1 ) Z   Err or   C on t r ol   Si gn al         Fig u r 3 .   Fu zz y   l o g ic  P I   c o n tr o ller       A   lo o k - u p   tab le  is   r eq u ir ed   to   d ev elo p   th s et  o f   r u les,  in   w h ich   th r elatio n   b etw ee n   th in p u v ar iab les,  e ( t )   an d   d ( e ( t ) ) dt   ar d ef in ed   an d   th o u tp u v ar iab le  o f   f u zz y   lo g ic  co n tr o ller   ca n   b o b tain ed .   T h lo o k - u p   tab le  u s ed   in   th s im u latio n   p r o g r am   is   g iv en   in   T ab le  1 .   T h o u tp u d ep en d s   o n   th f u zz y   r u le  ex p r ess ed   as  f o llo w s ;       T ab le  1 .   Fu zz y   r u le   Er r o r   PS   PB   ZE   NB   NS     Er r o r     r a t e   o f   c h a n g e   ZE   NP   NS   NS   NS   NS   PB   ZE   NB   NS   NS   NB   PS   PB   ZE   NB   NS   ZE   PS   PS   PB   ZE   NB   PB   PS   PS   PS   PB   ZE   PS       I n   th is   s ec tio n ,   th e   F L C   co n tr o ller   is   co n s id er ed   w h ic h   h as   t w o - in p u t a n d   o n e - o u tp u t.  I F - T HE r u le s   u s ed   in   th f o r m u latio n   o f   t h k n o w led g b ase,   th e s I F - T HE r u les  h av t h f o llo w in g   f o r m   s h o w n   i n   Fig u r 4   an d   Fig u r 5 ,   r esp ec tiv el y .   T h f u zz y   s y s te m   co n s id er ed   h er h as f o llo w i n g   s p ec if icatio n s Sin g leto n   f u zz if ier ,   tr ia n g u lar   m e m b er s h ip   f u n ctio n s   f o r   ea ch   i n p u t,  a n d   f o r   th o u tp u t .           Fig u r 4 .   E r r o r   Me m b er s h ip s                     Fig u r 5 .   R ate  o f   C h an g o f   E r r o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7     1 3 0     146   134       Fig u r 6 .   Ou tp u m e m b er s h ip       2 . 2 .   M a t he m a t ica m o del o f   t hree - p ha s I M   Sq u ir r el - ca g T h r ee - p h a s in d u ctio n   m o to r   is   r ep r esen ted   in   it s   d - q   s y n c h r o n o u s   r ef er e n ce   f r a m e .   T h w i n d in g   ax e s   o f   t h r ee - s ta to r   w i n d i n g   ar d is p lace d   b y   1 2 0   elec tr ical  d eg r ee s .   I n   t h is   an al y s is   t h air   g ap   is   u n i f o r m   a n d   th w i n d i n g s   ar s in u s o id all y   d is tr ib u ted   ar o u n d   th a ir   g ap .   Ma g n etic  s atu r atio n   a n d   co r e   lo s s es  ar e   n e g lecte d .   T h w el l - k n o w n   d - q   r o tati n g   r e f er en ce   is   u s ed   in   an al y s is   an d   co n tr o l.  T h th r ee - p h ase   in d u ctio n   m ac h i n ca n   b m o d eled   w it h   t h f o llo w i n g   v o lta g eq u atio n s   i n   s y n ch r o n o u s   r ef e r en ce   f r a m e   [ 9 ] .   T h s tato r   q u ad r atu r e - ax i s   v o l tag is   g i v en   b y         q s s q s q s d s V R i s             ( 8 )         d s s d s d s q s V R i s                ( 9 )     Fo r   th s tatio n ar y   r ef er e n ce   f r a m ω   0 ,   s u b s tit u te  i n to   E q u atio n s   ( 8 )   an d   ( 9 )   y ield s :     q s s q s q s V R i s                                                  ( 1 0 )     d s s d s d s V R i s                                ( 1 1 )     T h s tato r   q - ax is   f lu x   li n k ag is   g i v e n   b y             ( ) () q s s q s m q r l s m q s m q r q s l s q s m q r q s L i L i L L i L i L i L i i                                ( 1 2 )     T h s tato r   d - ax is   f lu x   li n k ag is   g i v e n   b y                   ( )   ( ) d s s d s m d r l s m d s m d r d s l s d s m d r d s L i L i L L i L i L i L i i                ( 1 3 )     I n   m atr i x   f o r m ,     0 0 ( ) 0 0 ( ) mm s e e e e rr qs q s e e e mm ds d s e e s e e rr qr e r m r e r m dr r m e r m r LL R p L L p LL I V LL I V L R p L p LL R L R p L L R L L R p L                                 ( 1 4 )     T h elec tr o m a g n et ic  to r q u is   g iv e n   b y :     3 () 22 e d s q s q s d s p T i i                               ( 1 5 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       E xp erimen ta l Co mp a r is o n   b etw ee n   F o u r   a n d   S ix  S w itch   I n v erter s   F ed   F L C   B a s ed     . . . .   ( Z.  M.  S .   E lb a r b a r y)   135   el d T T j B dt                           ( 1 6 )     2 . 3 .   T hree - ph a s   i nv er t er   I n   th is   w o r k ,   th e   in v er ter   s w i t ch es  ar co n s id er ed   as  id ea p o w er   s w i tch e s   a n d   it  i s   as s u m ed   th at  t h e   co n d u ctio n   s tate  o f   th p o wer   s w itc h es  i s   ass o ciate d   w it h   b in ar y   v ar iab les  T h er ef o r e;  b in ar y   1 ”  w ill   in d icate   clo s ed   s tate,   w h ile  “0 ”  w ill i n d icate   th o p en   s tate.     2 . 3 . 1 .   Six - Sw it ch  t hree   t ha s i nv er t er       T h co n v en tio n al  th r ee   p h ase  in v er ter   is   co n Fig u r ed   w ith   s ix   s w itch es  S 1,   S2 ,   S3 ,   S4 ,   S5   an d   S6 ,   r esp ec tiv ely ,   as  s h o w n   in   Fig u r 7 .         V d c S 1 S 3 S 6 S 2 a b c a b c S 4 S 5 3 Ф -   I n d u c t i o n     M o t o r     Fig u r e . 7   Six - s w i tch e s   th r ee - p h ase  i n v er ter   to p o lo g y       T h in v er ter   co n v er ts   t h DC - v o lta g to   b alan ce d   th r ee - p h ase  o u tp u w ith   ad j u s tab le  v o ltag an d   f r eq u en c y .   T h o u tp u v o ltag e s   ar in tr o d u ce d   as a   f u n ct io n   o f   s w itc h i n g   lo g ic  b y   t h f o llo w i n g   eq u atio n :     (2 3 dc V V N A N B N C ) . a                                                                   ( 1 7 )       3 (2 dc b V V N B N A N C ) .                                                ( 1 8 )     (2 3 dc V V N C N B N A ) . c                                             ( 1 9 )     I n   m atr ix   f o r m ,     2 1 1 1 2 1 3 1 1 2 a dc b c V N A V V N B V N C     ( 20)     2 . 3 . 2 .   F o ur - s w it ch  t hree   ph a s inv er t er   I n   f o u r   s w itc h   ( S1   to   S4 )   in v er ter   th ce n ter   p o in o f   th ca p ac ito r s   f o r m s   th t h ir d   p h ase  c” ,   as   s h o w n   i n   Fi g u r e   8 .   T h cu r r en in   p h a s c”   i s   th r es u lt   o f   th cu r r en t s   in   t h t w o   c o n tr o lled   p h ases .   d etailed   co m p ar is o n   o f   t h f o u r - s w itc h   in v er ter   w i th   t h co n v e n tio n al  s i x - s w itc h   in v er ter   co n Fig u r eu r atio n   is   g iv e n   in   [ 1 1 ] - [ 1 4 ] .   T w o   co n tr o p o s s ib ilit ies   ex i s to   c o n tr o th e   f o u r - s w itc h   b r id g i n v er ter ,   i.e . ,   t w o -   le v e l   cu r r en co n tr o to   f o r ce   th t w o   co n tr o lled   p h a s es  c u r r en t s   to   b s in u s o id al,   o r   u s in g   P W to   co n tr o th e   v o ltag e s   ap p lied   to   th t h r ee - p h ase  q u asi  s in u s o id all y .   T h t w o   le v el  c u r r en co n tr o o f   t h e   f o u r - s w i tch   b r id g e   in v er ter   u s ed   to   co n tr o th l o ad   cu r r en b y   f o r cin g   it  to   f o llo w   r ef er en ce   o n e.   T h is   i s   ac h ie v ed   b y   t h e   s w itc h in g   ac tio n   o f   th in v er t er   to   k ee p   th c u r r en w i th in   t h h y s ter esis   b an d .     T h lo ad   cu r r en ts   ar s en s ed   an d   co m p ar ed   w i th   r e s p ec tiv e   co m m a n d   cu r r e n ts   u s in g   t w o   in d ep en d en h y s ter e s is   co m p ar ato r s .   T h o u tp u t   s ig n al s   o f   th co m p ar ato r s   ar u s ed   to   ac tiv ate  th in v er te r   p o w er   s w itc h es.  T h is   co n tr o ller   is   s i m p le  an d   p r o v id es e x ce llen t d y n a m ic  p e r f o r m an ce .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7     1 3 0     146   136   V d c 2 V d c 2 S 1 S 3 S 4 S 2 a b c a b c 3 Ф -   I n d u c t i o n     M o t o r     Fig u r 8 .   Fo u r - s w itc h es t h r ee - p h ase  in v er ter   to p o lo g y     T h m o d u lated   p h ase‟ s   v o ltag es  o f     f o u r   s w itch   in v er ter   ar in tr o d u ce d   as  f u n ctio n   o f   s w itch in g   lo g ic  NA ,   NA 1 ,   NB   an d   NB 1   o f   p o w er   s w itch es  b y   th f o llo w in g   r elatio n s .     0 . 5 6 (4 dc V V N A 2 . N B 1 ) . a                                                                ( 2 1 )         0 . 5 6 ( 2 4 dc V V N A . N B 1 ) . b                                                                ( 2 2 )     0 . 5 6 ( 2 2 dc V V N A 2 . N B ) . c                                                               ( 2 3 )     I n   m atr ix   f o r m ,     4 2 1 2 4 1 6 2 2 2 1 a dc b c V N A V V N B V                                       ( 2 4 )     W h er e,   NA 1   an d   NB 1   ar co m p lem en tar y   o f   NA   an d   NB ,   A ls o ,   it  w ill  b ass u m ed   th at  s tif f   v o ltag is   av ailab le  ac r o s s   th tw o   d c - lin k   ca p ac ito r s .     2 . 4 .   Sp ee d e s t i m a t o ba s ed  o n M RAS   Mo d el  R ef er en ce   A d ap ti v S y s te m s   ( MR AS)   tech n iq u e s   ar ap p lied   in   o r d er   to   esti m ate  r o to r   s p ee d .   T h is   tech n iq u is   b ased   o n   th co m p ar is o n   b et w ee n   t h o u tp u ts   o f   t w o   est i m ato r s .   T h o u tp u t s   o f   t w o   esti m ato r s   m a y   b ( th r o to r   f l u x ,   b ac k   e m f ,   o r   m o to r   r ea ct iv p o w er ) .   T h esti m ato r   th a t d o es n o t in v o l v th e   q u an tit y   to   b esti m ated   ( T h r o to r   s p ee d   ω r )   is   co n s id er ed   as  th i n d u c tio n   m o to r   v o ltag e   m o d el.   T h is   m o d el   is   co n s id er ed   to   b th r ef er en ce   m o d el  ( R M) .   T h o th er   m o d el  i s   t h cu r r e n m o d el,   d er iv ed   f r o m   t h r o to r   eq u atio n ,   t h is   m o d el  co n s id er ed   to   b th ad j u s tab le  m o d el  ( A M) .   T h er r o r   b et w ee n   th e   esti m ated   q u a n titi e s   b y   t h t w o   m o d el s   is   u s ed   t o   d r iv s u itab le  ad ap tatio n   m ec h a n i s m   w h ic h   g en er ate s   th esti m ated   r o to r   s p ee d   [ 1 5 ] - [ 1 7 ] .   I n   th is   p ap er ,   t h o b s er v er   d ep en d s   o n   m o d el  r ef er en ce   ad ap tiv s y s te m   ( MR A S)  tec h n iq u e.   T h s p ee d   o b s er v er   is   b ased   o n   s tato r   cu r r en t a n d   r o to r   f lu x   as st a te  v ar iab le s   as s h o w   in   F ig u r [ 1 8 ] .           PI  Control ler   K   d s q s       i   ,       i E s t i m a t i o n   d r q r         ,           C a l c u l a t i o n    ds    i   ds       i   qs       qs    i   qs       i   ds            d s q s       v ,   v   d s q s       i ,   i   rr   +   -   +   -   +   +   Esti mated   Speed   Ada ptive Me chan is m   Mea sured    Value s of     Stat or  Curre nt and  Volta ge     Speed      Err or     Ref erence M o del   Adjustable Model       Fig u r 9 .   B lo ck   Diag r a m   f o r   th Sp ee d   E s ti m a tio n   P r o ce d u r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       E xp erimen ta l Co mp a r is o n   b etw ee n   F o u r   a n d   S ix  S w itch   I n v erter s   F ed   F L C   B a s ed     . . . .   ( Z.  M.  S .   E lb a r b a r y)   137   T h s p ee d   esti m ati n g   p r o ce d u r es  f r o m   t h s tato r   cu r r en er r o r   ar as  f o llo w s Fro m   th e   in d u ctio n   m o to r   eq u atio n   t h s tato r   cu r r en t is r ep r esen ted   as :     1 1 d s d r r r q r r d r q s q r r r q r r q r i T T p Lm i T T p Lm               ( 2 5 )     Usi n g   E q u atio n   ( 2 3 ) ,   an d   esti m ated   in s tead   o f   m ea s u r ed   s p ee d ,   th s tato r   cu r r en t is e s ti m at ed   as:     1 1 d s d r r r q r r d r q s q r r r q r r q r i T T p Lm i T T p Lm                                        ( 2 6 )     Fo r m   th r elatio n s h ip   b etw ee n   th r ea s tato r   cu r r en an d   th esti m ated   s tato r   cu r r en t,  th d if f er en ce   in   th s tato r   cu r r en is   o b tain ed   as     r d s d s q r r r r q s q s d r r r T ii Lm T ii Lm                                               ( 2 7 )     T h d if f er en ce   b etw ee n   esti m ated   an d   m ea s u r ed   v alu es  o f   s tato r   cu r r en is   s in u s o id al  b ec au s it  is   th f u n ctio n   o f   r o to r   f lu x .         2 2 () () r qr d s d s q r r r r dr q s q s d r r r T ii Lm T ii Lm                           ( 2 8 )     B y   s u m m i n g   th ab o v tw o   eq u atio n s     22 ( ) ( ) ( ) r q r d r d s d s q r q s q s d r r r T i i i i Lm       ( 2 9 )     Hen ce ,   th er r o r   o f   th r o to r   s p ee d   is   o b tain ed   as f o llo w s :     22 [ ( ) ( ) ] /               ( ) r r d s d s q r q s q s d r r q r d r i i i i K T W h e r e K Lm                   ( 3 0 )   T h r ig h h an d   ter m   s ee m s   as  th ter m   o f   s p ee d   ca lcu latio n   f r o m   ad ap tiv o b s er v er ,   s o   th s p ee d   ca n   b ca lcu lated   f r o m   th f o llo w in g   eq u atio n :     1 [ ( ( ) ( ) )              ( ( ) ( ) )] r p d s d s q r q s q s d r I d s d s q r q s q s d r K i i i i K K i i i i           ( 3 1 )     2 . 5 .   E x per m ent a l set u p a nd   re s u lt s   T o   v er if y   t h v alid it y   o f   th p r o p o s ed   s y s te m ,   an   i n d u ctio n   m o to r   d r iv s y s te m   w as  co n s tr u cted .   Fig u r   1 0     s h o w s   b lo ck   d iag r a m   o f   t h e x p er i m e n tal   s y s te m ,   i co n s i s ts   o f   t h r ee - p h ase  s q u ir r el  ca g e   in d u ctio n   m ac h i n co u p led   to   s ep ar ately   ex cited   DC   g en e r ato r   w o r k i n g   as  lo ad .   T h m ac h in u n d er   test   w a s   o p er ated   u n d er   s p ee d   s en s o r less   in d ir ec t r o to r   f ield - o r ie n ted   co n tr o l.   T h p ar am eter s   o f   t h m ac h i n u n d er   te s ar g i v e n   in   t h Ap p en d ix .   T h co n tr o is   d o n o n   d ig ita l   s ig n al  p r o ce s s o r   co n tr o ller   b o ar d   ( DSP   1 1 0 3 ) ,   w h ic h   i s   b as ed   o n   3 2 - b it  f lo ati n g   p o in D SP   T I   T MS3 2 OC 3 I .   T h is   b o ar d   i s   p lu g g ed   in to   h o s co m p u ter .   I p er f o r m s   t h s p ee d   s en s o r less   v ec to r   co n tr o alg o r ith m ,   an d   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS    Vo l.   8 ,   No .   1 Ma r ch   2 0 1 7     1 3 0     146   138   h y s ter esi s   cu r r en co n tr o ller   g en er ate s   th p u ls s eq u e n ce s   f o r   th s w itc h es  o f   th r ee - p h ase  v o ltag s o u r ce   in v er ter .   T h er is   co m m u n i ca tio n   b o ar d   f o r   tr an s f er r i n g   an d   r ec eiv i n g   d ata  b et w ee n   t h co n tr o al g o r ith m   o n   th DSP   1 1 0 3   an d   th r ea l - ti m s y s te m .   T w o   p h a s es   cu r r en ts   a n d   v o lta g es I a ,   I b     an d   Va, Vb   ar s en s ed   b y   Hall - e f f ec c u r r en t   an d   v o lta g   tr an s d u ce r s .   T h ese  s ig n al s   a r f ed   to   th e   DSP   t h r o u g h   t h s ig n al   co n d itio n i n g   cir cu it.  A n   o p tio n al  s p ee d   s i g n al  o f   th e   r o to r   is   a v ailab le   b y   u s i n g   2 0 4 8   p u ls e/r e v o lu t io n   in cr e m en ta l e n co d er th is   s i g n al  o f   th m o to r   s p ee d   is   f ed   to   th e n co d er   in ter f ac o n   th DSP   b o ar d .     T h co n tr o alg o r ith m   i s   e x ec u ted   b y   Ma tlab / s i m u l in k   a n d   d o w n   lo ad ed   t o   t h b o ar d   th r o u g h   h o s co m p u ter .   T h o u tp u t s   o f   t h b o ar d   ar s ix   lo g ic  s i g n a ls ,   w h ich   ar f ed   to   t h e,   3 - p h a s i n v er ter   th r o u g h   d r iv er   cir cu its .   T h s a m p l in g   t i m e   f o r   m e n tal   i m p le m e n tatio n   i s   ch o s en   as  1 0 0   s ec .   T h p er f o r m an ce   o f   th e   co n v e n tio n al  s i x   s w i tc h   i n v e r ter   b ased   MRA s p ee d   s en s o r less   I d r iv s y s te m   an d   f o u r - s w itc h   b ased   s y s te m   ar co m p ar ed   at  d if f er en t o p er atin g   co n d itio n s   e x p er i m e n tall y   I   th f o llo w in g   s u b s ec tio n s .           Fig u r 1 0 .   E x p er im e n tal - s etu p       2 . 5 . 1 .   Sp ee d ste do w n c ha ng f ro m   8 0   T o   6 0   ra d/s ec   a t   f ull   lo a d   T h r esp o n s d u to   s tep   ch an g i n   t h s p ee d   co m m a n d   is   u s ed   to   ev a lu ate   th p er f o r m an ce   i n   ter m s   o f   tr an s ien t a n d   s tead y   s tate  er r o r s   also ,   s tab ilit y   o f   s p ee d   esti m atio n   al g o r ith m   f o r   b o th   n o   lo ad   an d   f u ll   lo ad   co n d itio n s   ar ex p lai n ed .   Fig u r 1 1   s h o w s   t h es ti m a te d   an d   m ea s u r ed   s p ee d   r esp o n s w it h   co m m a n d   s p ee d   s tep   d o w n   ch a n g f r o m   8 0   to   6 0   r ad /s ec   at  f u ll  lo ad   o f   f o u r   s w itc h   in v er ter   b ased   d r iv s y s te m .   Fi g u r e   11 A   s h o w s   t h m ea s u r ed   an d   esti m ated   s p ee d   w i th   it s   s p ee d   r ef er en ce ,   b o th   esti m ated   a n d   m ea s u r ed   s p ee d   s ig n al s   is   d ec eler ated   s m o o t h l y   to   f o llo w   it s   r e f er en ce   v al u e   w it h   n ea r l y   ze r o   s tead y   s tate   er r o r   w h ic h   m ea n s   g o o d   s p ee d   esti m at io n .   Fi g u r e   1 1 B   s h o w s   t h d if f er en ce   b et w ee n   t h esti m ated   a n d   m ea s u r ed   s p ee d ,   it  is   clo s ed   to   ze r o .   Fig u r e   11 C   s h o w s   th m o to r   p h ase  cu r r en w it h   its   r ef er en ce ,   it  is   n o t ed   th at   th e   c u r r en t   f o llo w s   its   r ef er en ce   d u r i n g   s p ee d   s tep   d o w n   c h an g e.   F ig u r 1 1 s h o w s   t h m o to r   th r ee   p h ase  c u r r en t s ,   t h cu r r en ts   f r eq u e n c y   d ec r ea s with   d ec r ea s in g   s p ee d .     I n   o r d er   to   p r o v id f air   co m p ar i s o n   b et w ee n   co n v e n tio n al  SS T P   an d   FS T w h e n   f e d   s en s ele s s   in d u ctio n   m o to r   d r iv s y s te m ,   th r esu lt s   o f   s p ee d   s tep   ch an g r esp o n s o f   th SS T P   in v er ter   f ed   I d r iv at   th s a m e   co n d itio n   o f   F ST P   in v er ter   is   p r esen ted   in   Fi g u r e   1 2 .   Fig u r 1 2 s h o w s   th e   est i m ated   an d   m ea s u r ed   s p ee d   s ig n a ls   w h ic h   f o llo w   it s   r ef er en ce   s p ee d .   Fig u r e   12 B   s h o w s   t h s p ee d   d if f er e n ce   b etw ee n   th e s ti m ated   an d   m ea s u r ed   s p ee d ,   th er r o r   b et w ee n   t w o   s ig n al s   is   clo s ed   to   ze r o   Fig u r 1 2 C   s h o w s   th m o to r   p h ase   c u r r en w h er ea s   Fi g u r e   1 2 s h o w s   t h r ee   p h ase  m o to r   cu r r e n ts   f o r   th s tep   d o w n   c h an g i n   s p ee d   co m m a n d .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       E xp erimen ta l Co mp a r is o n   b etw ee n   F o u r   a n d   S ix  S w itch   I n v erter s   F ed   F L C   B a s ed     . . . .   ( Z.  M.  S .   E lb a r b a r y)   139     ( A )         ( B )         ( C )         ( D)     Fig u r e   1 1 .     Sp ee d   Step   d o w n   c h an g o f   F ST P I   d r iv ( f r o m   8 0   to   6 0   r ad / sec  at  Fu ll lo ad )   E x p er i m e n tal  r es u lts   o f   FS T P I   d r iv e:  ( A )   m o to r   s p e ed ,   ( B )   s p ee d   er r o r   ( C )   p h ase  cu r r en t,  ( D)   th r ee - p h ase  c u r r en ts     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.