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 . 43 3 ~ 44 I S SN : 208 8-8 6 9 4           4 33     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJPEDS  Experim e ntal Evaluati on of T o rque Performance of Voltage  and Current Models using Meas ured Torque for Induction  Mot o r Drives       Ibrahim  M.  Alsofyani 1 , Tole  Sutik no 2 , Ya hy a A. Alam ri 3 , Nik  Ru mz i Nik Idris 4 N o rj u lia Mo ha ma d   N o rd in 5 , Aree . W a n g s upph ap hol 6    1,3,4,5,6 UTM-PROTON Future Drive  Labor ator y,   Universiti  Tekno logi Ma la ysia   4 P o wer Ele c tron i c s  and Dr ives  Re s earch Group , F acul t y  of  El ectr i cal  Engin eer ing,   Univers iti  Tekno logi M a la ys ia ,   81310 Skudai, Johor, Malay s ia  2 Departement of  Electr i cal  Engin eering ,  Univ ersi tas Ahmad Dahlan, Yog y ak arta 5 5164, Indon esia      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Nov 9, 2014  Rev i sed   Jan 12, 201 Accepte Ja n 26, 2015      In this paper, two kinds of  ob servers are proposed to investigate torqu e   estim ation .  The  first one is based  on a  voltage m o del repr esented  with a low- pass filter (LP F ); which is norm a ll y  used  a s  a replac em en t for a pure  integr ator  to avo i d integration drift pr oblem due to dc offs et  or m eas urem en t   error.  The  s eco nd es tim ator  us ed is   an ex tend ed Kalm an f ilt e r  (EKF ) as   a   current model,  which puts into  accoun all noise problems. Both estimation   algorithm s  are  i nves tigat ed duri ng the s t e a d y  a nd trans i en t s t a t es , t e s t ed   under light lo ad, and then compared with the measured mechanical torque. In   all  condit i ons, i t  will be shown that th e torqu e  es tim ation  error fo r EKF has  remained within  narrower  error  band  and  y i eld e d minimum torque ripples  when com p ared to LP F  es tim ati on. This  m o tivat es  the us e of E K F  obs erver  in high performance control  drives  of induction machines for achiev i n g   improved torque response.           Keyword:  C u r r ent  m odel   Esti m a ted  to rqu e   Ex tend ed  Kalman   filter   I ndu ctio n m o to r     Low p a ss filter  Mechanical torque   Vol t a ge  m odel   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 Ib rahim  M .  Al sofy a n i,    UTM - PR OT O N  F u tu re  Dri v e  Lab o rat o ry ,     Power  Electronics a n d Drive s  Researc h   Gr oup Fac u lty of  Electrical Engi neeri n g,    U n i v ersiti Tekn o l o g i  Malaysia, 813 10   Skudai, Joho r, Malaysia.  Em a il: also fyan i20 02@yahoo .co m       1.   INTRODUCTION   Most real  world a pplications  need accurate  spee and t o rque estim ations  in orde r to avoid im prope o p e ration  and  to  ach iev e  h i gh stab lity. W h en  d e si g n i n g  an o b s erv e r fo r an  electrical d r iv e syste m , two k i n d of est i m at i on m e t hods  ha ve  been  i n vest i g a t ed t o   dat e  w h i c h are  base on t h vol t a ge   m odel  ( V M ) ,   or t h current m odel  (CM). T h VM is known  for a stator fl u x   esti m a to r u s ed in  sensorless i n du ction  m o to r (IM)  dri v es si nce t h e rot o r spee d i n f o rm at i on i s  not  re q u i r ed  fo r t h e st at or fl u x  est i m a t i on, and t h onl y  im po rat n t   vari a b l e  of t h e  obse r ve r i s  t h e st at or resi st ance [1] .  VM  i s  norm a l l y  used  i n  hi gh s p eed  appl i cat i o ns, si nce at   l o spee d,  s o m e  pr obl em s are e n co u n t e re d .  T hus , t w o   rec o gnized  proble m s are asso ciatied wit h   VM s i nce a   p u re in tegrator is u s ed : Th e first o n e  is a d r i f t an d  saturation  in  th e esti m a ted  flu x   d u e  to th e p r esen ce of th DC o f fset in  the  m easu r ed  curren t [1 -2 ], and  th e secon d   p r ob lem is th e ex t r em e sen s itiv it y to  stato r  resistan ce  mis m a t ch due  to te m p erature  increase,  parti c ularly at low  spee d when t h stato r  vo ltage is lo w [2 ]. Sev e ral   sol u t i o ns t o  t h ese pr o b l e m s   have  bee n   pr o pos ed . F o r t h e  dri f t   pr o b l e m ,  a l o w - pa ss fi l t er (LP F ) i s   n o rm al ly  use d  in place  of a pure i n tegra t or.  Howe ver, this m e thod re duces the  perform ance of t h e s y stem  drive be cause  of t h p h ase  and m a gni t u de  err o rs  d u e to the LPF, es pecially when fr eque ncies are  close to the  cutoff  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 ,  Feb r uar y  201 5 :   4 33 –   44 43 4 freq u e n c [3 ].  In an atte m p t to  so lv e th is  p r o b l em , Ka ran a yil et. al. [4 hav e  ad dressed   sm a ll-ti me-co n stan t   cascade d  LPFs to  decrease   the DC  offset  decay tim e.  Com a nescu and L o ngya [5]  have  prese n ted fl ux  est i m a ti on  b a sed  on a  p h ase  l o cke d  l o o p  ( P LL)  pr o g ram m abl e  LPF de pi ct i ng a n  e n h a ncm e nt  i n  t h e pha se   an d  m a g n itud e  o f  the esti m a t e d  fl u x . On line ad ap tation   of th e stator resistan ce is ad d i tio n a lly i m p o r tan t  to  enha nce t h e p e rf orm a nce o f  t h e VM  at  l o w f r eq ue ncy  r a nge . T o  s o l v e  t h i s  d r aw bac k , [ 6 ]  has  pr o p o se d a  si m u ltan e o u s  esti m a t i o n   o f  roto r and  stator resistan ces  u s ing  ex tend ed Kal m an  filter (EKF).  Altern ativ ely,  CM esti matio n ,  on  th e o t h e han d , is su itab l e to  b e  app lied   at v e ry lo freq u e n c y, an req u i r es i n fo r m at i on on  d and  q st at or c u r r ent  an d sp eed   [ 2 ],  [7 ].  I n  real ti me  applications, acc urate  speed  m easurem ent  is im port a nt   fo r  ro b u st  an d p r e c i s e cont r o l   of  IM s. H o weve r,  t h e use  of  a sp eed se nso r  t o   g e t  t h e   sp eed   o r   po sitio n of t h e ro tor  is no t fav o red   as it d ecr eases  th e reliab ility an d rob u s t n ess  o f  th e m o to r co n t ro l ,   and i n creases  har d ware c o m p l e xi t y  and c o st  [ 8 ] .  Th us,  speed est i m at i on t ech ni q u e s  base d o n  t e rm i n al   varia b les that can replace m e chanical spee d sensors, ha ve  receive d incre a sing atten tion in recent deca des. It  is well-kn own  th at ev en  t h oug h  t h e u s o f   CM h a s m a n a g e d  t o  rem o v e  th e sen s itiv ity to  th e stato r  resistor  v a riation  at l o w sp eed, it  h a s i n tro d u c ed   p a ram e ter-sen sitiv ity d u e  to  t h ro t o r p a ram e ter v a riatio n s especi al l y  at  hi gh  s p eed  re gi o n To  ad d r ess t h i s   pr obl em , v a ri o u s m e t hods  ha ve  bee n   pr o pos ed . F o r  i n st ance,   Salm asi  and N a jafa ba di  [9]  h a ve ad dres sed  an ada p t i v o b s erve r w h i c h i s  capabl e  o f  co n c ur rent  est i m ati on o f   stato r  cu rren ts  an d ro tor fl u x e s with   on lin e ad ap tation   o f   rotor a n d stator resistances. T o l i yat et al.[10]  have   devel ope d a r t i f i c i a l  neu r al  n e t w o r ks  ( A N N s ) i n  cl osed  loo p   ob ser v er  fo r estim ating rot o resistan ce a n d   m u t u al  i nduct a nce. T h ere i s  a l so a st oc hast i c  app r oach t h at  uses E K F i n   es t i m a t i ng t h va ri abl e s o f  IM suc h   as speed , t o r q ue, an d  fl ux  [1 1] -[ 1 4 ] .  Usi ng E K F - base d  obse r ve r, i t  is possi bl e t o  est i m a t e  t h e unkn o w n   param e ters of  IM, taking int o   account the  pa ram e ter va riations  and m easurem ent noises,  in a relatively short   ti m e  in terv al [1 5 ]-[1 6 ] The m a i n  cont ri b u t i on  of t h i s  pape r i s  t o  eval uat e  t h e t o r que  per f o r m a nce for  bot h LP F and E K F   obs ervers  under the  sam e  conditions. Unlike previ ous  st udies,  where t h e em phasis is  only  on spe e d, rot o fl u x , st at o r   fl u x or  m o t o pa ram e t e rs, t h i s  pape foc u ses   on  i n vest i g at i o of t h e t o r q u e  be havi or  bas e o n   b o t h   ob serv ers du r i n g  th e st ead y an tra n sient states, a n d the n  c o m p ared  with the   measured m e c h anical  t o r que . T h p a per i s  o r ga ni zed i n  fi v e  se ct i ons.  Th e follo wing  section   p r esen ts th e EKF-b a sed to rqu e   calcu latio n .   Sectio n  three d e als with  th e low p a ss filter,   wh ich  rep r esen ts th v o ltag e   m o d e l. Ex p e ri men t al  resul t s  a n di scussi o n  a r pre s ent e d  i n   Sect i o n  f o ur.  Fi nal l y ,  sect i o n  fi v e   concl ude s t h e   wo rk .       2 .  E X TENT D ED KALMAN FILTER ALGORIT HM  In  this st udy ,   EKF  is  used  t o  c o ncu rre ntly  estim a te curr ent,  rot o r  fl ux ,  an rot o r  s p e e fo r s p ee sen s o r less co n t ro l of IMs. Howev e r, th precise esti m a ti on of t h es e st at e vari a b l e s i s  ve ry   m u ch rel i a n t  on   how  well the  fi lter m a trices are selected  over a  wide  sp ee r a nge  [ 1 7] . T h e  ext e nde d m o d e l  t o   be  use d  i n  t h d e v e l o p m en t of th e EKF algo rith m  can  b e  written  in  th fo llowing  g e neral form  (as referred  to  th stato r   stationary  fram e   ) ( )) ( ), ( ( ) ( t w t u t x f t x i i i i          (1 )     ) ( ) ( )) ( ( )) ( ), ( ( t Bu t x t x A t u t x f i i i i i           (2 )     ) ( ) ( ) ( )) ( ( ) ( t v t Bu t x t x H t Y i i i i            (3 )     There  i  = 1,  2, ext e nde d st at e vect or x i  i s  representing the estim a ted states,  f i   is t h e no n lin ear  function  of t h states and inputs,  A i  is th e syste m   m a trix u  i s  th e con t ro l - inp u t   v ector,  B  is th e inpu t m a tri x w i   i s  t h e proces s noi se H  is th m easu r em en matrix , an d   v i  i s  t h m easure m ent  noi se. Th e gene ral  fo rm  of IM   can be rep r ese n ted by  (4 a n d   ( 5 ).     ) ( . 0 0 0 0 0 0 / 1 0 0 / 1 . 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 2 2 2 t w v v L L i i L R L L R L R L R L L R L L L L L L R L L R L L L L L R L L L R L L R i i u sq sd B X r rq rd sq sd A r r r m r r r r r r r r r m r m r r r m s r m r r r m r r m s X r rq rd sq sd        (4 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Experi me nt al   Eval u a t i o of   Tor que  Perf or ma nce  of  V o l t a ge  an d C u rre nt  Mo del s  ( I b r ahi m M .  Al s o f y ani )   43 5 ) ( . 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 t v i i i i X r rq rd sq sd H sq sd           ( 5 )     Whe r i sd   and  i sq  are t h e d an d  q com pone nt of st at o r  cu rre n t Ψ rd  and  Ψ rq   ar e d- q  ro t o r  f l ux  co m p on en ts,  ω r  is   t h e r o t o r el ect r i c ang u l a r s p ee d i n   ra d/ s,  vsd   and  vs q a r e t h e st at or  vol t a g e  com pone nt s,  L s , L r   and  L m  ar e  th stator,  rotor and m u tual induc tances re specti v ely,  R s  is t h e s t ator re sistance , and  R r  is th e ro tor resistan ce.  In  th is section ,   th e EKF al g o ri th m  u s ed  in  the IM m o d e l will b e  d e rived   usin g  th e ex ten d ed  m o d e l in   (4 ) an d (5 ). F o r n o n linear  pr o b lem s such as the one in co nsid erati o n, th e KF meth od  is n o t  strictly   ap p licab le, since lin earity p l a y s an  i m p o r tant ro le in  its d e riv a tio n  and  p e rform a n ce as a n  op ti m a l fi lter. Th EKF techn i que atte m p ts  to  o v e rco m e th is d i fficu lty  by using a linearized a pprox im a tio n ,  wh ere th linearization is pe rform e d about t h e c u rre n t state estim a t e . Thi s  p r oce ss  r e qui res t h di scret i zat i on  of  ( 4 )   a n d   (5) as fo llo ws:    ) ( )) ( ), ( ( ) 1 ( k w k u k x f k x i i i i           ( 6 )     ) ( ) ( )) ( ( )) ( ), ( ( k Bu k x k x A k u k x f i i i i i          ( 7 )     ) ( ) ( ) ( )) ( ( ) ( k v k Bu k x k x H k Y i i i i          ( 8 )     Th e lin earizatio n of  (7) is  p e rform e d  ar ound the c u rrent  esti m a ted state vector i x ˆ  gi ve n as  f o l l o w s :       ) ( ˆ ) ( ) ( ), ( ( ) ( k x i i i i i k x k u k x f k F           ( 9 )     The res u lting EKF algorithm  can   b e   presen t e d   with  th e fo llo wi n g  recu rsive relatio n s :     Q k F k P k F k P 1 ) ( ) ( ) ( ) (           ( 1 0 )     1 ) ) 1 ( )( ( ) 1 ( R H k HP k P H k K T T          ( 1 1 )     )) ( ˆ ) ( )( ( )) ( ), ( ( ˆ ) 1 ( ˆ k x H k Y k K k u k x f k x         ( 1 2 )     ) ( ) ) 1 ( ( ) 1 ( k P H k K I k P           ( 1 3 )     I n  ( 10) -( 13 )   Q   i s  t h e co vari a n ce  m a t r i x  of t h e sy st em  noi se,  nam e l y m odel  erro r,  R  is the  cova riance  matrix  o f  th ou tpu t  no ise, n a mely,  measu r emen t n o i se, and   P  are the c o varia n ce m a tr ix of state estimation   erro r. Th e algo rith m  in vo lv es two m a in  st ag es: pred ictio n  an d filtering.  In  th e pred ictio n  stag e, the n e x t   p r ed icted  states  ) ( ˆ f  and  predicte d state-e r ror  c ova riance  m a tr ices,  ) ( ˆ P are pro c essed ,  wh ile in   th e filtering  stage, the  next  estim a ted states  ) 1 ( ˆ k x obt ai ned as  t h e sum  of t h e next   pr e d icted states and the correction  term  [second t e rm  in (12)], a r e calculated. T h e stru ct u r of   t h e E K F al go ri t h m  i s  show n i n  Fi gu re  1.   The electrom a gnetic torque based on E K F i s  expre sse d ba sed on the sele cted state varia b les which  are the  stator c u rrent a n rot o r fl uxr:     qr sd dr sq r m e i i L L p T 2 2 3           ( 1 4 )     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 ,  Feb r uar y  201 5 :   4 33 –   44 43 6 The electrom a gnetic torque based on E K F i s  expre sse d ba sed on the sele cted state varia b les which  are the  stator c u rrent a n rot o r fl uxr.      3 .   VOLT AGE - MODEL-B A SED TORQUE ESTIMATOR  The st at o r  fl u x  est i m a ti on ba sed o n  t h v o l t a ge m odel  i s   deri ved  fr om  the st at or  v o l t a ge eq uat i o n   gi ve n by :     . dt d i R v s s s s     From  t h i s  eq u a t i on, t h ree  c o m pone nt s are  k n o w n, i . e .,  t h e vect or  v o l t age, st at o r   re si st or, a n measu r ed curren t . Th on ly missin g   v a riab le  is th e stator  fl ux Th erefo r e, t h e stator  flux  can   b e   written  as:     . dt R i v s s s s            ( 1 5 )     In   practice, th e pu re i n tegrator used  i n  estimatin g   th e stato r  flux  is  o f ten  su b s titu ted  wit h  a lo w p a ss  filter to  av o i d  th e in tegratio n   d r ift pro b l em  d u e  to  th d c   o ffset o r  m easu r emen t n o i se. Howev e r, th ere sho u l be a  pr ope r sel ect i on f o r t h e c u t o ff  fre que nc y  used i n  LP F.     W h ile it is goo d  t o  set th e cuto ff  frequ ency as lo as po ssib l e so   th at th e ph ase  an d  m a g n itud e  erro rs are  m i n i m i zed , it  m u st  b e   n o t ed  th at  th is will redu ce th effectiv en ess of th e LP-filter- b a sed  estim ato r  to filter  o u t  t h DC  o f fset  wh ich  is lik ely  presen t i n  t h sen s ed  cu rren ts or vo ltag e s. Selecting  a cu to ff frequ en cy wh ich  is clo s er to  th e o p e rating  frequ en cy will redu ce th d c  o f fset in  th e esti mated  stat o r  fl u x , wh ich  o n  th e o t h e h a n d   will in tro duce p h a se and   mag n itu d e  errors. In   order t o  use the low pa ss filter, (16)  s h ould be unde r sinusoidal steady- s t ate  condition, whic can be written  in   th e fo llo wi ng  form :     . s R s i s v s e j   . e s s s s j R i v             ( 1 6 )           Fig u re 1 .   Stru ctu r e o f   ex ten d ed  Kalm an   filter      W i t h  a ddi n g  t h e cut o ff  f r eq ue ncy  t o   ( 1 7 ) , t h e  LPF  bec o m e s:    . c e s s s s j R i v           ( 1 7 )     Whe r ω c  is t h e cu toff frequ e n c y of th e LP filter in  rad i an s p e r secon d ω e  is th syn c hr ono us an gu lar  fre que ncy  a n  i s  t h e  est i m ated st at o r   fl u x .   Eq uat i o n  ( 1 6)   and  ( 1 7)  cl earl y  i ndi cat ed  t h a t  u nde r st ea dy - s t a t e   co nd itio n (an d  o b v i o u s ly transien t states), there will b e   d i fferen ces in  th mag n itu d e  and p h a se b e t w een  th pu re i n t e grat or  an d L PF  base d est i m ati on.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Experi me nt al   Eval u a t i o of   Tor que  Perf or ma nce  of  V o l t a ge  an d C u rre nt  Mo del s  ( I b r ahi m M .  Al s o f y ani )   43 7 Hence ,  t h e el e c t r om agnet i c  t o r q ue e quat i o n  f o r  LPF  i s  cal cul a t e base on  t h e  est i m ated st at o r   fl u x   an d  m easu r ed stato r  cu rren t  as g i v e n  b y  (18 ) . Th error in  th e stato r  flu x  esti m a ti o n  will o b v i ou sly b e   reflected in t h e  torque estim ation.       sd sq sq sd e i i p T 2 2 3            ( 1 8 )       4.  E X PE RIM E NTAL RES U LTS AN D D I SC USS I O N   In   ord e r to stud y th p e rfo r man ce and   feasib ility o f  th esti m a to rs, exp e rim e n t al resu lts acqu i red  fr om  bot h t h e EKF an d LP F-b a sed est i m at ors are c o m p are d  with the  m easured re sults obtaine d using  electrical torque transducer  (TM308 ) f r o m  M a gt rol  an rat e d at  2 0  N . m .  The experi m e nt al  set - up  al so  con s i s t s  of an i n sul a t e d- gat e  b i pol ar t r a n si st o r  i nve rt er, a dS PAC E  1 1 04 co nt r o l l e r card ,  and a 1. 5 - k W  4 - pol e   squi rrel - ca ge i n d u ct i o n m o t o r. T h e l o a d  i s   gene rat e d t h r o ug h a  hy st eres i s  bra k by  M a gt r o l  an d co n t rol l e d   th ro ugh  a propo rtion a l am p lifier. Th pa rameters  of the i n duction m o tor  used i n  t h e e xpe rim e nt are as s hown  in  Tab l e 1 .  An   in cr em en tal en co d e r  w ith  1024  pp r  is u s ed  to  m easu r e th r o t o r  sp eed ,   wh ich  is sam p le d  ev er 2  m s . For safety reason , th DC vo ltag e  is  li mited  to   2 00V,  wh ich  m ean s t h at th b a sed  sp eed  is  redu ced t o   55  ra d/ s.  The   m a i n  t a sk  of  t h dSP A C E  i s  t o   ge nerat e  t h e P W M  co nt r o l  si g n al usi n g t h e  c onst a nt  V/ H z   schem e . The t a sk  of  FP GA  i s  t o  ge nerat e   t h e bl a nki ng t i m e . The sam p l i ng  peri o d   of  t h e co nst a nt  V/ H z   sch e m e , in clu d in g  th e state esti m a to rs, is 1 0 0 μ s .  The f u l l  schem a t i c  of t h e experi m e nt al  set up can be s een i n   Fi gu re 2.           Fi gu re  2.  Sc he m a t i c  represe n t a t i on  of  t h e e x peri m e nt al  set u p       W i t h  assu m p ti o n   o f   wh ite no ise, th e state esti m a t i o n  erro r m a trix   P  is in itiated  with  th e d i ago n a l   matrix  o n e , whereas th e in itial v a lu es  of filters in  th e EKF  alg o rith m  are  fo und  b y  using   th e GA algo rith m  in   [18 ]  bu with    o p tim izin g  on ly two  cov a riance filters;  R  and   Q  . Th is is to ach iev e  a  rap i d  in itial conv erg e n ce  as well as t h d e sired  tran sien t- and  stead y - state p e rfor m a n ce. Thu s th e in itial  v a lu es fo r EKF  sch e me  can  b e   d e f i n e d und erneath :      1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 P   10^-5 * 1.62 0 0 0 0 0   10^-16 * 1.0 0 0 0 0 0   10^-13 * 3.60 0 0 0 0 0   10^-6 * 2.38 0 0 0 0 0   10^-14 * 8.47 Q   10^-5 * 1.62 0 0   0.0053 R     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 ,  Feb r uar y  201 5 :   4 33 –   44 43 8 As  for LPF, the esti m a ted  stato r   flux  is  b a sed   o n  th e cu t o ff  frequ en cy  set to   5 r ad /s. Th e co nstan t   V/ Hz  d r i v e i s   ru n i n  a n   ope n  l o o p  m ode  w h ere  a st ep  ch ange  i n  t h e s p eed  refe rence   fr om  0 t o   55 ra d/ s i s   ap p lied. Th co n t ro ller algo rith m  is au to-gen erated   thro ug h SI MU LI NK , and  is  applied  in   real-time v i dSPC c o nt r o l d esk o n   wi nd o w s based PC The   t w o pha ses  o f   c u r r e nt   are  m easured usi n g Hal l   Effect   current se ns ors  and se nt to a n alog  di gital conve r sion (ADC) cha nnels  of dSPCE inte rface, whereas t h e d-q  vol t a ge  vect o r s, sh ow n i n  Fi gu re 3 ,  are  di r ect l y  cal cul a t e d base on t h e  cont r o l  si g n al s obt ai ne d f r o m  t h co n t ro ller as  follo ws.    ) 2 ( 3 1 c S b S a S DC V sd v            ( 1 9 )     ) ( 3 1 c S b S DC V sq v            ( 2 0 )     Tabl e 1. In d u ct i on  M o t o Pa ra m e t e rs  R [ R r   [ L [H ]   L [H ]   L [H ]   J [Kg .  m 2 F 3 4. 0. 3419   0. 3513   0. 324   0. 0095 2       Fi gu re  3.  The   d- q i n p u t   vol t a ge  fo r c o n s t a nt  V/ Hz  co nt r o l l e r       Fi gu re  4 sh o w s t h e res u l t s  o b t a i n ed  fr om  expe ri m e nt al  const a nt  V/ Hz  cont rol l e r;  i . e.  d- q st at o r   cu rr en ts, sp eed, and  t o rqu e . Th p e rf or m a n ce o f  th EKF alg o r ith m  is ev alu a ted  ex p e r i men t ally th r ough  the  estim a ted speed and t h e calculated torq ues  as sh ow n i n  Fi gu re  5. I n   or de r t o  f u rt he r exa m i n e t h e di f f er ence s   b e tween  th e measu r ed  an d  calcu l ated  to rqu e  b a sed   on  EKF esti m a to r, th zo o m ed  wav e fo rm s will b e  sh own   latetr in  th e d i scu ssion . Th EKF  no t on ly can  b e  u s ed  t o  esti m a te th e t o rqu e b u t  also  can b e   u tilized  to   esti m a te th e sp eed ; th e esti m a ted  sp eed b a sed   o n  EKF  a n d   m easured  s p ee obt ai ne fr o m  V/ Hz cont ro l l e r i s   sh own  in Fi g u re 5( b)       (a)     (b )     Fi gu re  4.  M eas ure d   res u l t s  f o r  co nst a nt   V/ Hz  co nt r o l l e r:  (a d- q st at o r  c u r r e n t ,   (b ) m easure d  s p ee d a n d  t o r que       0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -20 0 -10 0 0 10 0 20 0 v sd  [V ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -20 0 -10 0 0 10 0 20 0 v sq  [V ] t[ s ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -4 -2 0 2 4 i sd  [A ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -4 -2 0 2 4 i sq  [A ] t[s] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -2 0 0 20 40 60 s p eed [ r ad/ s ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -2 -1 0 1 2 t o r que [ N . m ] t[s ] Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4       Experi me nt al   Eval u a t i o of   Tor que  Perf or ma nce  of  V o l t a ge  an d C u rre nt  Mo del s  ( I b r ahi m M .  Al s o f y ani )   43 9 The experim e ntal results of the d-q a x es of t h e es ti m a ted  st ato r  flux , and  th e calcu lated  to rqu e  b a sed  on  t h e L PF  v o l t a ge m odel  i s  sh ow n i n  Fi gu re  6. E x am ini n g Fi gu re  7( a) an (b ),  o n e  can cl earl y   see t h e   sup e ri o r   pe rf or m a nce o f  t h EKF - bas e d  t o r que  cal cul a t i o ov er t h v o l t a ge m odel   bas e d est i m at or t h r o ug h   t h e er ro ba nds  (t he  di f f ere n ce  bet w ee n t h e m easure d  a n d est i m a t e d val u es ).       (a)     (b )     Fi gu re  5.  Ex pe ri m e nt al  resul t s  f o EK obse r ve wi t h   no  l o ad:  (a d- rot o r fl ux (b ) est i m a t e d spee d, a n d   esti m a ted  to rqu e       Fi gu re  6.  Ex pe ri m e nt al  resul t s  o f   d- q st at o r   f l ux a n d est i m ated t o r que  f o r  L PF est i m at or w i t h  n o  l o a d         (a)     (b )     Fi gu re  7.  C o m p ari s on  bet w ee n t h e  m easured  t o r q ue a n d  est i m at ed t o r que  o b t a i n ed  f r om  ( a ) E K F a n (b )  LPF  d u r i ng  tr an s i ent s t a t e       4. CO N C L U S I ON   In  t h is  p a p e r, a co m p arison   o f  state esti m a t i o n s   for torq u e  calcu l atio n   b a sed   o n  EKF an LPF  filters  appl i e d  f o r a n   i n d u ct i o n  m o t o r c ont r o l   has  b een  per f o rm ed. The  pe rf o r m a nces  of  t h e  E K F an d  LPF  sc h e m e un de r t h e sam e  con d i t i ons a r e expe ri m e nt all y  eval ua ted  by co m p aring  th em  with  th e resu lts o b t ai n e d fro th e m easu r ed  v a lu es.  It is  rev ealed th at t h e m easu r ed  and esti m a ted  to rq u e h a v e  similarities in  term s o f   0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 fl u x rd  [ V .s ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 fl u x rq  [V .s ] t[ s ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -20 0 20 40 60 s p ee d [ r ad / s ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -1 0 1 2 to r q u e  [N . m ] t[ s ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -1 0 1 flu x sd  [V .s ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -1 0 1 flu x sq  [V .s ] 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 -2 0 2 to r q u e  [N . m ] t[ s] 0. 0 5 0. 1 0. 15 0. 2 0. 25 0. 3 0. 35 0. 4 0. 4 5 0. 5 0. 5 5 -2 -1 0 1 2 T o r que [ N . m ]     0. 0 5 0. 1 0. 15 0. 2 0. 25 0. 3 0. 35 0. 4 0. 4 5 0. 5 0. 5 5 -2 -1 0 1 2 T o r que er r o r  [ N . m ] t[s]     m e a s ur ed -   e s t i m a t ed ( E K F ) es t i m a t e d ( E K F ) m e as ur e d 0. 05 0. 1 0. 15 0. 2 0. 2 5 0. 3 0. 35 0. 4 0. 45 0. 5 0. 55 -2 0 2 T o r q u e  [N .m ]     0. 05 0. 1 0. 15 0. 2 0. 2 5 0. 3 0. 35 0. 4 0. 45 0. 5 0. 55 -2 0 2 T o r que e r r o r   [ N . m ] t[ s]     es t i m a t ed (LP F ) m eas ured m e as ur ed -  es t i m a t e d ( LP F ) 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 ,  Feb r uar y  201 5 :   4 33 –   44 44 0 switch i ng  p a ttern s. Wh en   co m p arin g  bo th   resu lts,  t h e  EKF - ba sed  s t at e est i m a t i on s h o w s m u ch bet t e r   accuracy tha n  the LPF-base d state es tim a t ion in calculati ng the torque . Th e EKF-ba s e d is also capable of  estim a ting the  spee d unde r transient  and  stead y  state co nditio n s  with in  a s m aller erro b a nd  wit h  min i m u to rq u e  ripp les.  Th is m o tiv ates th u s o f  th EKF esti m a t i on al g o r i t h m  i n  hi g h   per f o r m a nce c ont rol   d r i v es  of   IM s.       REFERE NC ES  [1]   J. W. Finch and D. Giaouris, "C ontrolled AC El ectr i ca l Drives,"   IEEE T r ans. Ind. Ele c tron. vol. 55, pp. 481-491,  2008.  [2]   I.  M.  Alsofy ani and N.  R.  N.   Idris,  "A review on sensorless techn i ques fo s u s t ainabl e rel i a b lit y and  effi cie n t   variab le frequ en cy  driv es of induction motors,"  J. Renewable and Sustai nable Energy Reviews,  vol. 24, pp. 111-121,  2013.  [3]   N.  R.  N.  Idris and A.  H.  M.  Yatim,  "A n improv ed stator flux es timation in st e a d y -sta te oper a tion  for direct torqu e   control of  induction machin es,"  I EEE Trans. Ind.  Appl.,  vo l. 38, p p . 110-116 , 200 2.  [4]   B. Karana yi l, M.  F. Rahm an, and  C. Grantham , "An im plem entati on of a program m a ble casc a ded  low-pass filter f o a rotor  flux  s y n t hesizer  for  an  in duction  m o tor dr ive,"   IEEE Trans. Power  Electro n.,  vol. 19, pp. 2 57-263, 2004 [5]   M. Comanescu and X. Long y a , " A n im proved flux observer based  on PLL frequen c y  estimator  for sensorless  vector  control of  induction motors,"  IEEE Trans. Ind. Electron.,  vo l. 53,  pp. 50-56 , 2006 [6]   M. Barut ,  R. D e m i r, E.  Zerd ali ,   and R. In an, "R e a l-T i m e  Im plem enta tion of B i  In put-Ext ended Ka lm an Filter-B ase d   Estimator for Speed-Sensorless Control of Induction Motors,"  IEEE T r ans. Ind. Electron .,  vol. 59, pp. 4197-4206,  2012.  [7]   J. Holtz, "Sensor l ess Control of I nduction  M achin es;With or With out Signal Injection ? ,"   IEEE Trans. Ind. Electron.,  vol. 53 , pp . 7-30 , 2006 [8]   M. Barut, S. Bogos y a n ,  and M. Goka san, "Ex p erimental Evaluation of Braid e d EKF for Sen s orless Control of   Induction  Motor s ,"  IEEE Trans.  Ind. Electron.,  v o l. 55 , pp . 620-6 32, 2008 [9]   F .  R. S a lm as i and T. A. Najaf a ba di, "An Adaptive Obs e rver W ith Online Rotor an d S t ator Res i s t an ce Es tim at ion for   Induction  Motor s  With One Phas e Curren t  Sensor ,"  IEEE Trans.  Energy Convers.,  vol. 26 , pp . 959- 966, 2011 [10]   H. A. Toliy at,  M. Wlas, and  Z. Krzemiriski, "N eural-Ne twork-Based Parameter  Estima tions of  Induction Motor s ,"  IEEE  T r ans. Ind .  App l . ,   vo l. 55,  pp. 1783-1794 2008.  [11]   I. M. Alsof y an i,  N. R. N. Idris,  Y .  A. Alamri, S.  A. Anbaran ,  A.  Wa ngsupphaphol,  and W. Y.  Lo w, "Improved EKF- based dir ect  tor que contro l at th e start- up  using  constant switching frequen c y , " in  Energy Con v ersion ( C ENCON ) 2014 IEEE Conference on , 2014, pp. 237-242.  [12]   I.  M.  Alsofy ani  and N.  R.  N.  Idris,   "Improved sensorless EKF-based dir ect tor que control at low  speed  with   constan t   switching frequ ency   controller ," in  Power Engineering Conference ( A U PEC) ,  2014 Australasian Universities , 20 14,  pp. 1-5 .   [13]   I.  M.  Alsofy a n i, N.  R.  N.  Idris, M.  Ja nna ti,  S.   A.   Anbaran, an d Y. A. Alamri,  "Using NSGA  II multiobjectiv e   genetic algor ith m for EKF-based estimation of speed a nd electrical torqu e  in AC  induction machines," in  Proc. In t.    Power Eng i neering and Optimiza tion  2014 , pp . 39 6-401.  [14]   I.  M. Alsofy ani, N.  R. N.   Idris, Y.  A. Alamri,  A.  L.  Yao, and   S. A. Anbar a n,  "Evaluation of   Speed and  Torq ue  Estimations for the EKF-based Direct To rque Co ntrol in Indu ctio n Machines,"  T E LKOMNIKA Indonesian Journa of Electrical En gineering ,   vol. 1 2 , pp . 7659-766 7, 2014 [15]   M. Jannati, N. R. N. Idris,  and  M. J. A. Aziz, " S peed Se nsorless Fault-Toler a nt  Drive S y stem of 3-Phase Induction   Motor Using Switching Ex tend ed Kalm an Filte r,"  TELKOMNI KA Indonesian Journal of  Electrical Engin eerin g,  vol. 12 , 2014 [16]   L. L i u, "Im p roved Rea c hing L a w Sliding Mode Control  Algorith m  Design For DC Motor Based on Kalm an Filte r,"   TELKOMNIKA Indonesian Journ a l of  Electrical  Engineering,  vol. 12 , 2014 [17]   S. Bu y a min and  J. W. Finch, "Com parative Stud y  on Optimising the EKF fo r Speed Estimatio n of an Inductio n   Motor using Simulated Annealin g and G e netic Algorithm," in   IEEE Proc. I E MDC  Conf.  , 2007 , pp . 1689-1694.  [18]   K. L. Shi, T. F.  Chan, Y.  K. Wong, and S. L. Ho, "Speed estimation of  an induction motor drive using an optimized  extend ed Ka lm an fil t er ,"  IEEE T r ans. Ind.  Electr on.,  vol. 49, pp.  124-133, 2002 .                       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.