Internati o nal  Journal of P o wer Elect roni cs an Drive  S y ste m  (I JPE D S)  V o l.  7, N o . 1 ,  Mar c h  20 16 pp . 17 ~27  I S SN : 208 8-8 6 9 4           17     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  High Performance Speed Contro l of Single-Phase Induction  Mot o rs Using S w itching Forward and Backward EKF St rat e gy      Mohammad Jann ati * ,   Tole Sutikn o **, Nik  Rumz i Nik I d ris*,  Moh d   Junaidi  Ab dul  Az iz * UTM-PROTON Future Driv Laborator y ,  Faculty  of  Electr ical Engin eering ,  U n ivers iti Teknologi Malay s ia, Jo hor  Bahru, Malay s ia  ** Departmen t  o f  Electr i cal  Engineering ,  Un iv ersitas Ahmad Dah l an, Yog y akarta,  Indonesia      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Sep 23, 2015  R e vi sed Dec 5,   2 0 1 5   Accepte d Ja 4, 2016      The aim of this  research  is to pr ovide a high p e r f ormance vector  control of   single-phase  Ind u ction Motor  (I M) drives. It is  shown that in   the rotating  referen ce fr am e,  the s i ngle-phas e  IM  e quations can be separated in to forward  and backward equations with the balan ced structure. Based on this, a method   for vector con t r o l of the single- phase  IM, using two modified Rotor Field- Oriented Contro l (RFOC) algorithm s  is  presented. In order to accommodate  forward and b a c k ward rotor flux es  in th e pres en t e d contro ll er,  an  Extend ed   Kalm an Filter ( E KF) with two differen t  forwar d and backward   currents th at   are switched in terch a nge abl y  ( s witchi ng forward and backwar d  EKF), is  proposed. Simulation  results illustrate th e eff ectiveness of  the proposed   algorithm.   Keyword:  AC d r ive s   Ro to r f i eld- or i e n t ed  con t ro Ro to r fl u x  estimatio n    Single - phase i n duction m o tors  Swi t c hi n g  f o r w ar a n backwa rd  E K F   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d Co rresp ond i ng  Autho r M oham m ad Jannat i ,   Facu lty of Electri cal Engineering,  Un i v ersiti Tekn o l o g i  Malaysia,  U T M Sku d a i,  8 131 0 Joho r,  Malaysia.   Em a il: m _ j a n n atyy@yah o o .co m       1.   INTRODUCTION  Vari a b l e  Fre q uency   Dri v es  (VF D s )  a ppl i c at i ons a r e a ppl i e d i n  m a ny  i n d u st ri es t o  c o nt r o l  a wi de   range  of spe e d  a n d torque  for electrical m achines . T h e a i m  of u s i n V F Ds i n  t h e s appl i cat i o ns c a be  sum m ari zed as fol l o ws:  ene r gy  savi n g , t o r que s m a xim i zat i on, t o r que  p u l s at i on m i ni m i zat i on, po w e r fact o r   i m p r ov em en t, To tal Harm o n i c Distortio n (T HD)  reduction  and etc [1].    In  part i c ul ar , t h e use  of V F Ds f o r si n g l e - pha se In d u ct i o n M o t o rs (IM s )  i s  recom m en ded i n  s o m e   ap p lication s  such  as  b l owers, wash ing  m a c h in es, m i x e rs, air con d ition e r, pu m p s, fan s   an d  etc  [2 ]. B e sid e VFDs for single-phase IMs,  dri v ers c ontrol  strategies suc h  as scalar-bas ed control and vector-ba s ed  cont rol   h a v e   b e en  also  propo sed  to d r iv e t h e sing le-p h a se  IMs sp eed   [3 ]-[2 1]. Recen tly, Field - Orien t ed   Co n t ro (FOC of  si n g l e -p hase  IM s i s   ext e nsi v el y  ad opt e d  t o  o b t a i n  hi g h   dy nam i c per f o r m a nce i n  d r i v e sy st em s.   Som e  of t h e  co nt r o l  st rat e gi es  suc h  as  I ndi re ct  R o t o r  Fi el d- Ori e nt ed C ont r o l  ( I R F OC ) m e t h o d   nee d s   speci fi c k n o wl edge  of t h rot o r fl ux . A m o st  com m on t e chni que t o  o b t a i n  t h e i n f o rm at i on o f  r o t o fl ux i n   IRFOC strategy is u s in g  a  pu re i n teg r ati o n. Ho wev e r, usin g  a  pu re i n teg r ation  to   ob tain  th e ro tor fl u x  i s   sen s itiv e to  d i fferen t typ e  o f   p r ob lem s  su ch  as DC-o ffse t prob lem .  To  so lv e th is prob lem ,   man y  effo rt s b a sed  o n   Artificial Neu r al Net w ork   (ANN), Mod e l  Referen ce  Adap tiv e System  (MRAS), Ex ten d e d  Kalm an  Filter  (EK F ),  Lue n b e rge r  O b se rve r  (L O) , Sl i d i n g M o de  Obse r v er  (SM O ) a n d et c are m a de t o  i m prove  on t h e   est i m a ti on  of  r o t o r fl ux i n  t h e IM  d r i v es  [ 2 2] -[ 3 3 ] .  M o st   of t h ese t e c hni que s are  o n l y  appl i cabl e  t o   v ect or   co n t ro lled 3-p h ase m o to r drive syste m s.   The m a i n  focu s of t h e resea r c h  pre s ent e d i n  t h i s  pape r i s  t o  pro p o se a n o v e l   m e t hod t o  es t i m a t e  rot o r   fl u x  f o r  t h e ca se o f  hi gh  pe r f o r m a nce IR F O C  o f  si ngl e- pha se IM   dri v es. I n   or der  t o  est i m a t e  forw ard a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No 1,  Mar c h  2 016    17  –  2 7   18 back wa rd r o t o r fl u x es i n  t h e  prese n t e d IR F O C  st rat e gy , a n  EK F wi t h  t w di ffe re nt  f o r w ar d an ba ckwa r d   cu rren ts th at are switch e d  interch a n g e ab ly (switch i n g   forward  and  b a ckward  EKF) is  u tilized . In  sp i t e o f   com put at i onal   com p l e xi t y  of  t h e EK F, t h i s   m e t hod  has  be en rec o gni ze as an a p pr op ri at m e t hod t o   est i m a te  state variables  in ve ctor  cont rolled IM dri v syste m because of si m u ltaneous  i d entifi cation of pa ra meters   and t a ki n g  sy st em / p rocess a n d m easurem ent noi ses .  M a t h e m at i cal anal y s is and M a t l a b si m u l a t i ons ha ve  been   per f o r m e d t o   d e m onst r at e t h per f o r m a nce of  t h pr o pose d   m e t hod.       2.   SINGLE -PHASE IM  MODEL  The  (d - q )  m odel  of  a si ngl e - p h ase  IM   wi t h  t w o  di ffe rent   w i ndi n g s  can  be   descri bed   by  t h e f o l l o wi n g   equat i o ns [ 7 ]   (i t h i s  pa per su persc r i p t   s ” an d “ e ” indicate that the  varia b les are  in  t h e st atio n a ry and  rotatin g   refe rence  f r am es res p ectively ) St at or (d - q ) v o l t a ge  eq uat i o ns :     s qr s dr q d s qs s ds qs qs ds ds s qs s ds i i p M p M i i p L r p L r v v   0 0   0 0       (1 )     R o t o r  ( d - q vol t a ge eq uat i o ns:     s qr s dr r r r r r r r r s qs s ds q d r q r d s qr s dr i i p L r L L p L r i i p M M M p M v v        ( 2 )     St at or (d - q ) fl u x   e quat i o ns:     s qr s dr q d s qs s ds qs ds s qs s ds i i M M i i L L   0 0   0 0        ( 3 )     Ro to r (d -q)  f l ux  eq u a tion s   s qr s dr r r s qs s ds q d s qr s dr i i L L i i M M 0 0 0 0       ( 4 )     Mechanical a n d to r que  eq uat i ons:       r r l e s qr s ds d s dr s qs q e B Jp pole T T i i M i i M pole T 2 2         ( 5 )     In (1 )- ( 5 ),  v s ds v s qs  are the stator  (d-q) a x es  voltages,  i s ds i s qs  denote the stat or  (d-q) a x es c u rrents ,  i s dr i s qr  are the rot o r ( d - q ) a x es c u rre nts,   λ s ds λ s qs  are the stator (d-q) a x es  fluxe s  and  λ s dr  and  λ s qr  indicate the  rot o (d -q ) a x es  flu x e s.  r ds r qs  and  r r   are the  stator a n d roto (d-q) axes  re sistances . L ds L qs ,  L r M d  and   M q  den o t e   the stator a n d rotor (d-q) axes  self an m u tu al in ductan ces.  r  is  th m o to r sp eed.  T e  and  T l  are   el ect rom a gnet i c  t o r que a n d l o ad t o r q ue.  J  and  B  are the  m o ment of ine r tia and  viscous friction coe f ficient   respectively.       3.   ROTO R F I ELD-O RIE N TED C O NT RO L ST RATEGY OF  A SINGLE-PHASE IM  It  can  be sh o w n t h at  usi n g  con v e n t i onal   (bal a n ced ) t r a n sf orm a t i on m a t r i x , t h e si ng l e -p hase I M   (u n b al ance d 2 - pha se IM ) eq u a t i ons i n  t h e r o t a t i ng re fe re nce fram e  can  be obtaine d  as following equations   [3 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     Hi g h  Perf or ma nce  Spee d  C o n t rol  of   Si n g l e - P h a se  In d u ct i o n M o t o rs  U s i n Sw i t c hi n g  …   ( M . Ja nn at i )   19  (6 )     whe r e,            ( 7 )     I n  (7 ),  “ θ e  is t h e a n gle bet w e e n t h e stationa ry re fere nce  fra m e and rotating re fere nce  fra m e . As ca be seen  fr om  (6) ,  usi ng c o nv ent i onal   (bal a n ced) t r a n s f o r m a t i on m a t r i x , t h e si n g l e - pha s e  IM  eq uat i ons  can be   di vi de d i n t o  t w fo r w ar d (s upe rsc r i p t  “+ e ”)  and backwa rd (supe r scri pt  “- e ”) e q uations.  It can  be a l so seen  that, the struct ure of the fo r w ard an d bac k w a rd eq uat i o ns i s  sim i l a r t o  t h e R F OC  equat i ons  of a 3 - p h a s e IM As a  res u l t ,   ve ct or c o nt rol   o f  t h e si ngl e- p h a s e IM   usi n g t w o  i n depe n d e n t  R F OC  al g o r i t h m s  (o ne  of  t h em  t o   com p ensat e  fo rwa r d e quat i on s and  one  of t h em   t o  com p ensat e  bac k wa r d  eq uat i o ns) i s  possi bl e. The  bl ock   di ag ram  of t h e   pr o pose d  R F O C  m e t hod  f o r  a  si n g l e -p hase  I M  is show n in   Fig u r e   1 .  In  t h is p a p e r, as sh ow n i n   Fi gu re  1, t h e s i ngl e- p h ase I M  i s  fed f r om  a Si ne P u l s e W i dt h M o dul a t i on ( S P W M )  t w o - l e v o l t a ge  sou r ce   in v e r t er In  Fi gu r e  1, th e conven tio n a (b alanced ) tr ansfo r m a tio n  m a tr ix  ( [ T s e ]) is as  fo llows:     s qs s ds e e e e s qs s ds e s e qs e ds i i i i T i i   cos sin sin cos           ( 8 )                                            e qr e dr e qs e ds e qr e dr e qs e ds v v v v e qr e dr e qs e ds q d q d r e q d r e q d q d q d e qs ds qs ds qs ds e q d e q d qs ds e qs ds qs ds v v v v e qr e dr e qs e ds r r r r e q d q d r e r r e r r q d r e q d q d q d e qs ds qs ds qs ds e q d e q d qs ds e qs ds qs ds e qs e ds i i i i dt d M M M M M M dt d M M dt d M M M M dt d L L r r L L M M dt d M M L L dt d L L r r i i i i dt d L r L dt d M M M M L dt d L r M M dt d M M dt d M M M M dt d L L r r L L M M dt d M M L L dt d L L r r v v 0 0 2 2 0 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2            2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No 1,  Mar c h  2 016    17  –  2 7   20     Fi gu re  1.  B l oc di ag ram  of R F OC  m e t hod  f o r  a si n g l e - p ha se IM       4.   SWITC H IN G  FO RW AR AN D B A C K WA RD  EKF  STRATEG OF  A SI NGL E -PH A SE I M    As m e nti oned  befo re, s o m e  of t h e  cont r o l  t echni ques s u ch as R F OC  st rat e gy  requi re part i c ul ar  kn owl e dge  of  t h e r o t o fl ux.   The m o st  popu l a m e t hod t o   obt ai n t h e r o t o r fl u x  i n f o rm ati on i n  i n di rect  R F OC   m e thod is using integration.  Howe ver,  using an integration to obtain the ro tor  flux is se nsitive to the different   t y pe of pr obl e m s such as DC -of f set  pro b l e m .    As sho w n i n   F i gure 1, t o  c o n t rol  a si ngl e-phase IM , t w m odi fied R F OC  al gori t h m s  ( f or ward a n d   backwar d  F O C s ) need t o   be u s ed. In  or der t o  acco m m odat e   for w ard a nd  ba ckwar d  rot o r fl uxes (| λ rf |  and | λ rb |) in   Fi gure  1, i n  t h i s  paper  an  EKF wi t h  t w o di ffe rent  f o rwar d an d ba ckwar d  cu rren t s t h at  are swi t c hed   i n t e rchangeabl y  (swi t c hi ng fo rwar d and bac k war d  EKF) , i s  pro posed . To  est i m a t e   t h e forwa r d an d ba ckwar d   rotor  fluxes, t h e stator current s and  rotor  flu x es of  the  si ng l e -phase IM  ar e chosen  as  the state variable s. The  state space  m o del of a single-phase IM can   be shown as e q uations (9) a nd  (10):                      (9)                    (10)      where,             ( 1 1 )               ( 1 2 )               ( 1 3 )     In  (9)  an d ( 1 0 ) ,   A B  and  C  ar e t h e sy st em   mat r i x , i nput  m a tri x  an out p u t   m a t r i x . M o reo v er,  x and  y  are t h e sy st em  st at m a t r i x , sy stem  i nput   m a t r i x  and sy stem  out put   m a t r i x . B a sed on equat i ons of t h e  si ngl e- phase IM  in th e rotating refer e nce fram e  (equation (6 )), t h m a trices of  A f B f C f A b B b  and  C b  i n  eq uat i ons ( 9 )   and (10) are  obtained as follows:   T qr dr qs ds i i x  T qs ds i i y  T qs ds v v u Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4     Hi g h  Perf or ma nce  Spee d  C o n t rol  of   Si n g l e - P h a se  In d u ct i o n M o t o rs  U s i n Sw i t c hi n g  …   ( M . Ja nn at i )   21   f f f f f f f f f f f f f f f f f a a a a a a a a a a a a a a a a A 44 43 42 41 34 33 32 31 24 23 22 21 14 13 12 11         (14 )     T f f f f f f f f f b b b b b b b b B 24 23 22 21 14 13 12 11         (15 )     f f f f f f f f f c c c c c c c c C 24 23 22 21 14 13 12 11         (16 )     b b b b b b b b b b b b b b b b b a a a a a a a a a a a a a a a a A 44 43 42 41 34 33 32 31 24 23 22 21 14 13 12 11         (17 )     T b b b b b b b b b b b b b b b b b B 24 23 22 21 14 13 12 11         (18 )     b b b b b b b b b c c c c c c c c C 24 23 22 21 14 13 12 11          (19 )     dt L r        a dt     r        a dt      L M M r a       a       dt  r a dt L r a a dt L M M r a dt L k M M r a dt L k M M r a dt L M M r r r k a a dt L k M M r a dt L k M M r a a dt L M M r r r k a r r f r f r q d r f f r f r r f f r q d r f r s q d r f r s q d r f r q d r qs ds s f f r s q d r f r s q d r f f r q d r qs ds s f 1 , ,   2 0   ,           ,        1        ,      0     2       ,       2       ,      2 2 2 1 1      ,       0       ,       2 2       ,      0       ,      2 2 1 1 44 43 42 41 34 33 32 31 2 24 23 2 2 22 21 14 2 13 12 2 2 11   (20a )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No 1,  Mar c h  2 016    17  –  2 7   22 0       ,      0       ,       1       ,     0 0       ,      0       ,      0       ,      1 24 23 22 21 14 13 12 11 f f s f f f f f s f b b dt k b b b b b dt k b      (20 b )     0       ,      0       ,       1       ,     0 0       ,      0       ,      0       ,      1 24 23 22 21 14 13 12 11 f f f f f f f f c c c c c c c c         (20c )     whe r e,            ( 2 0 d )     m o reover,      a       a             a dt      L M M r a      a   a dt M M a a a a a dt a a a dt a a b b b r q d r b b b q d r b b b b b r b b b r b b 1        ,      0 ,    0 ,   2 0       ,      1        ,        2        ,      0 0       ,      0      ,      1      ,         0       ,       0       ,            ,      1 44 43 42 41 34 33 32 31 24 23 22 21 14 13 12 11   (21a )     0      ,      0       ,      0       ,      0 0      ,      0       ,      0       ,      0 24 23 22 21 14 13 12 11 b b b b b b b b b b b b b b b b       (21 b )     0       ,      0       ,       1       ,     0 0       ,      0       ,       0       ,      1 24 23 22 21 14 13 12 11 b b b b b b b b c c c c c c c c       (21c )     B a sed on ( 14) - ( 21c ), t w o E K F al gori t h m s   w ith   th e f o rw ar d   and   b a ckw a r d   cu rr en ts can be use d  t o   estima te forward a n d backwa rd  roto r flu x es  in the  FOC  (F orwa rd)  an d F O C (Backwa rd of  Figure  1.  A s  an  altern ativ e m e t h od , to  sim p lify th e p r opo sed sch e m e , sin g l e EKF algo rithm with  o n l y ch ang e s in  th m o to param e t e rs can be used f o r est i m a t i on of r o t o r fl uxes .   In t h i s   m e t h o d , t h e fo rwa r d and  b ackwa r d  cur r e n t s  t o   o b t ain th rot o r   fl uxes  are switch e d in terch a ng eab ly  for ev ery sam p lin g  ti me.    It can   b e  m e n tio n e d  t h at th e stru cture  o f   p r op o s ed  sch e m e  d u ring   forward and  b a ckward con d ition s   i s  t h e sam e  as  a con v ent i onal  EKF a l g o r i t h m   ( t h e   convent i onal  EK F a l g o r i t h m   i s   g i v e n   a s   ( 2 2 a ) - ( 2 2 c ) ) . Th e   o n l y d i fferen c e b e tween   p r op o s ed  estim ato r  du ri n g  fo rward  and  b a ckward  con d ition s   with  th e con v e n tio n a l   EKF al g o ri t h m  is in  t h e m o to r p a ram e ters.   As ca be  seen  fr om  equat i o n  ( 6 ),  t h e  si n g l e -p hase   IM   v o l t a ge e q uat i ons   have  e x t r a t e r m s due t o  t h e   backwa rd  com p one n ts (s uperscript “ - e ”).  Si nce t h e  bac k w a rd t e rm s are pr o p o r t i onal  t o  t h di ffe re nce  of  t h resistan ces, m u tu al and  self ind u c tan ces, it is p o ssib l e to   n e g l ect th em  (In   th is p a p e r it is  assu m e d  th at th ere is  not t h backwa rd term s).   Th is EKF alg o rith m  is co m p u t ed  in to  th ree  main  step s as fo llo ws [2 2 ] :   1. Pre d i c t i on:   r q d qs ds s L M M L L k 2 2 2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4     Hi g h  Perf or ma nce  Spee d  C o n t rol  of   Si n g l e - P h a se  In d u ct i o n M o t o rs  U s i n Sw i t c hi n g  …   ( M . Ja nn at i )   23   (2 2a)       2 .  C o m p u t atio n   o f  Kalm an  Filter Gain :       ( 22b )        3. U pdat e :     (2 2c)       whe r e,    and   Q  a r e the  covariance m a trices of the  noises.        5.   SIMULATION RESULTS  To  veri fy  t h e   per f o r m a nce o f  t h pr o pose d  dri v e sy st em , di ffe re nt  case s  usi n g M a t l a b/ Si m u l i nk  soft ware  f o r  a  si ngl e- p h ase  I M  wi t h  t w o  di f f ere n t  wi ndi ng s base o n  Fi g u re  1  are  si m u lat e d:    (1) Fi gure  2:  v ect or cont r o l  of  a si ngl e-phase  IM  usi ng  pr op osed co nt rol l e un der l o ad   (2) Fi gure  3:  v ect or cont r o l  of  a si ngl e-phase  IM  usi ng  pr op osed co nt rol l e at  d i f f e r e n t   speed     In  t h si m u l a tions  as  sh o w n  i n  t h i s  Fi g u r 1  t h e si ngl e - p h a s e IM  i s  fe fr om  a 2-l e vol t a ge s o u r c e   i nve rt er.  A n  E K F  wi t h   t h e f o r w ar a nd ba ckwa r d   cu rre n t s i s  al s o  u s e d  t o  est i m a t e   forwa r a n bac k wa r d   rot o r fl uxe s i n  t h e FOC  (F or war d ) a nd  FO C  (B ackwa r d )  of Fi g u r e 1.  The R a t i ngs a nd  param e t e rs of t h e   si m u lated  sing le-ph a se  IM are as fo llows:    V o ltag e : 110V , f = 6 0 H z No . of  po les=4, r ds =7.14 , r qs =2.02 , r r =4.12 , L ds =0 .188 5H , L qs =0.184 4H L r =0 .1 826 H, M q =0 .177 2H , J=0 . 0 146 kg .m 2   Fi gure 2 sh ows  t h e sim u l a ti on resul t s  of t h e pro pose d  m e t hod f o r vect or c ont rol  o f  a si ng l e -phase IM   un der load. Fig u re 2 (a) sho w s  the reference speed, Fi gure 2  (b) sh ows t h e m o t o r speed, Fi gure 2 (c) sho w s t h speed er ro r, Fi gure  2  (d ) s h o w s the estim a ted r o tor  flux  ( f or ward  flu x and Fig u re  2  ( e ) sh ows  the  m o tor  to rq u e . In  Figu re 2 ,  th e referen c e ro to r flux  is set  to  1 . 1wb .  Mo reo v e r, in  th is fig u r e, th e v a lu e o f  l o ad  is  change d fr om   zero t o  -0 .4 at  t = 15s and re m oved at   t = 17s. It  can be seen t h at  t h e pro posed c ont r o l l e r can   m a i n tai n  t h e g o o d  perf orm a nce duri ng zero  reference spee d, ram p  reference speed and  l o ad condi t i on.  It  can   be seen that  the  m o tor speed  closely  follows the reference  speed befo re and  after th e lo a d  d i stu r b a n ce.  In  th is  test the  m a ximum  error betwe e n refere nce an d real m o tor sp eed is abo u t 1. 5rpm  (see Figu re 2  (c)).  It is e v ident  from  Figure 2 (d) that the estim a ted rotor flu x  can fo llow th e reference rot o r flux  du ri ng di fferent   con d i t i ons.  As can be seen from  Fi gure 2 (e), t h e torq ue of si ngl e-phase IM  changes accor d i ngl y  t o  appl ied l o ad  di st urbance.         (a)     (b )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No 1,  Mar c h  2 016    17  –  2 7   24   (c)     (d )                                                                                                                                                                                (e)     Fig u re  2 .  Sim u latio n  resu lts  of th e RFOC  of  a sing le -p hase   IM  u n d er  loa d ; (a)  re fere nce s p eed (b ) m o tor  sp eed ,   ( c ) sp eed  er ro r,  (d)  es tim ated flu x  a n d  (e)  to rq ue       Fi gu re  3 sh o w s sim u l a t i on re sul t s  of t h pr o pos ed m e t hod  fo r vect or c o nt rol   of a si ngl e- pha se IM  at   the differe n t values of re fere nce s p eed . It  i s  evi d e n t  fr om   Fi gu re  3 t h at  u s i ng  pr o pos ed  t echni q u e t h e s i ngl e- pha se IM  can  follo w the re f e rence s p ee d without any overs h oot a nd s t ead y-state error (see Figure  3 (c)).  Fig u re  3   (d ) illu strates th e si n u s ud al form   o f  th e curren t s of m a in  and   au x iliary  windin g s  du ri ng   d i fferen val u es  of re fer e nce spee d.  As  sho w fr om  Fi gu re 3 (e ),  t h e  si ngl e- pha se I M  t o rq ue has a  qui ck  resp o n s e  wi t h   no  p u l s at i o ns.  It  can  be  seen   fr om  t h e prese n t e d si m u l a tio n  r e su lts  ( F igur es  2  an d 3)  that th e p e r f or man ce  of  the prese n ted  c ont rol tec hni que and  propose d  estim a tor for the si ngle-phas e IM   dri v e is a cceptable.        (a)     (b )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PED S    I S SN 208 8-8 6 9 4     Hi g h  Perf or ma nce  Spee d  C o n t rol  of   Si n g l e - P h a se  In d u ct i o n M o t o rs  U s i n Sw i t c hi n g  …   ( M . Ja nn at i )   25   (c)     (d )            (e)     Fig u re  3 .  Sim u latio n  resu lts  of th e RFOC  of  a sing le-p hase   IM  at di ffe rent  spee d; (a ) re fer e nce s p ee d,  (b )   m o tor spee d,  ( c ) s p eed  er ro r,   (d ) m o tor c u r r e n ts a n d  (e ) to rq ue       6.   CO NCL USI O N   Thi s   pape r s h owe d  t h at  t h e  eq uat i o n s   of  a si n g l e -ph a se IM  with  two d i fferen wind ing s  i n  the  ro tating  referen ce fram e can   b e  sep a rated  i n to  two  set of  e quat i o ns  wi t h  t h e bal a nced st r u ct u r e. B a sed  on t h i s ,   a vect or control m e thod  usi n g two  de veloped RF OC algorithm s  was  pr oposed. In order  to  accom m odate  forward  and   back ward  ro tor  flux es in  t h presen ted  RF co n t ro ller, an   Ex tend ed  Kal m an  Filter (EKF) with  t w di ffe rent   f o r w ar d a nd  ba ckwa r d  cu rre n t s t h at  are swi t ched i n t e rcha ngea b l y  was  p r o p o sed .  Si m u l a t i o n   resul t s  s h owe d  t h at  t h pr o p o s ed sc hem e  for  vect o r  c ont rol  of  si n g l e - phas e  IM s w o rks  w e l l  over  m o st  spee d   ran g es.        REFERE NC ES   [1]   C.  Mademlis,  I .  Kioskeridis, and T.  Th eodoulidis, "Optimization  o f  single- phase in duction Motors- p art I: maximum  energ y  effi cien c y  contro l",  I E EE Transactions on  Energy Conversion  , vol. 20 , no 1, pp . 187–195 2005.  [2]   H.W. Beat y   and  J.L. Kirtl e y ,  "El e ctri c Motor  Han dbook", McGraw-Hill, 1998 [3]   N.M. Abdel-R a him and A.A.  Shaltout, "Slip-f r e quency   con t rol of singl e-phase induction moto r operated  as tw o- phase motor",  In  30th  Annual Co nference of Indu st rial Electronics  Society ( I ECON 2004) , 2004, p p . 1417–1422 [4]   R. de F Campos, J. De Oliv eira, L.C. Marqu e s,  A. Nied ,  a nd  S.I.  Se le me  Jr,  " SVPW M-DT C str a te gy  for single - phase indu ction   motor control" I n  El ectr i c Ma chi n es   &   Dr ives  Confer enc e  ( I EMDC'07) , 2007, pp.  1220–1225.  [5]   N. Abdel-Rahim and A. Shal tout, "A n uns y mmetrical two- phase induction  motor drive with slip-frequ en cy   control",  IEEE Transactions on  Energy Conversion , vol. 24 , no . 3 ,   pp. 608–616 , 20 09.  [6]   M .  J e m li,  H. B e n Azza , M .  Bou s s a k, and  M .  Go s s a , "S ens o rles s   indire ct s t ator  fi eld or ient ation  s p eed  control  for  single-phase ind u ction motor drive",  IEEE Transactions on Power Electronics vol. 24 , no. 6,  pp. 1618–1627,  2009.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN 2 088 -86 94  I J PED S  Vo l. 7,  No 1,  Mar c h  2 016    17  –  2 7   26 [7]   M.B. de Rossiter Corrêa, C. B.  Jacobi na, A.M.N. Lima, and E.R. C. da Silv a,  "Rotor-flux-oriented control of  single-phase ind u ction motor d r ive",  IEEE Transactions on In dustrial Ele c t ronic s , vol. 47 , no.  4, pp. 832–841,  2000.  [8]   M.  Ja nna ti,  N . R.N.  Idris,  M . J. A.   Az iz , A.  Monadi,  and A. A. M. Faudzi, "A N ovel  Scheme for Red u ction o f  Torqu e   and Speed R i p p le in  Rotor F i eld Oriented C ontrol  of Sing le Phase Indu ction Motor Based on Rotational  Transformations ",  Research Jou r nal  of Applied Sc ien ces, Engin eering and  Tech nology vol. 7 ,  n o . 16, pp. 3405– 3409, 2014 [9]   M. Jannati, A.  Monadi, N.R . N. Idris,  and A.A.M. Faudzi, "An a ly tical calc u l ation of the RFOC method in single- phase indu ction   motor",  International Jour nal of  Electronics , pp.  1–19, 2015 [10]   M.B. de Rossiter Corrêa, C.B .  Jacobin a ,  E. R. C.  Da Silva,  and A.M. N.  Lima,   "Vector contro l strategies for single- phase indu ction   motor drive s y stems,"  IEEE Transactions on In d u strial Electronics vol. 51 , no . 5 ,  pp . 1073–1080 2004.  [11]   S. Reic y   and  S. Vaez- Zadeh ,  "Vector Contr o l of  Single-Ph ase Induct i on  Machine wi th  Maxim u m  Torque  Operation" Pro ceed ings of  the  I EEE  Internat ion a l Symposium o n  Industrial  Ele c t ronics , 2005 , pp . 923–928 [12]   M .  J e m li, H.B. Azza, and M .  Gos s a , "Real-tim e  im plem en tation  of IRFOC for Single-P h as e Indu ction M o tor driv using dSpace DS 1104 control board",  Simulation Modelling Pr actice and Theory , vol. 17, no.  6, pp. 1071–1080,  2009.  [13]   H.  Be n Az za ,   N.  Za idi,  M.  Jemli,  a nd M.  Boussa k,  "D evelop ment and experimental  ev aluatio n of a sensorles s   speed control of  SPIM using adaptiv e sliding  m ode-MRAS strateg y " ,   IEEE  Jou r nal of Emer gin g  and Selected   Topics  in Power Electronics , vol. 2, no. 2, pp. 319 –328, 2014 [14]   B. Zahed i  and  S. Vaez-Zadeh ,  "E fficiency  optimization con t rol of si ngle-phase induction moto r drives",  IEEE  Transactions on  Power Electronics , vol. 24 , no . 4 ,  pp . 1062–1070 , 2009.  [15]   F. A.  Ne ve s, J. M. S.  Cruz,  R. P. Landim, Z.D.  Lin s , and A. G . H. A ccio l y, "S ingl e-p h as e indu ction   m o tor drives  wit h   direct torqu e  con t rol",  In   28th  An nual Conferen ce of th e Indus trial Electronics Society ( I ECON 02) , 2002, pp . 241– 246.  [16]   R. de F Campos, L.F.R .  Pint o,   J.  De Oliveira,   A.  Nied,    L. C.   de Ma rques,  an d A.H. De Souza, "Single-Phas Induction Motor  Control Ba sed on DTC Strateg i es",  In  International Symposium on  Industrial Electronics ( I SIE  2007) , 2007, pp . 1068–1073.  [17]   R.P. Vieir a  and  H. Grundling, "Senso rles s  s p eed control with a  M R AS   s p eed es tim ator for s i ngl e-phas e  indu ctio m o tors drives",  I n  13th  European  Conferen ce  on  Powe r E l ec troni cs and App l i c ati ons ( EPE'09) , 2009, pp . 1–10 [18]   M. Jannati, T. Sutikno, N.R . N.  I d ris, and M.J.A. Aziz, "A  Novel Techn i que for  Fault-Toleran t  C ontrol of Single- Phase Induction  Motor",  TELKOMNIKA ( T elecommunication Computing Electro n ics and Control) vol. 13, no . 3,  pp. 783–793 , 20 15.  [19]   M. Jannati, T.  Sutikno, N.R.N.  Idris, and M.J.A.  Aziz , "A Novel Method for  Rotor Field-Oriented Contro l of  S i ngle-P h as e Ind u ction M o tor",  I n ternational  Jou r nal of Electrica l  and Computer Engineering ( I JECE) , vol. 5, vol.  2, pp . 205–212 2015.  [20]   M.  Ja nna ti, N. R.N.  Idris, M. J. A.   Az iz , S.H. Asgari, A. Monadi and A.A.M. Faud zi, "A  new meth od for RFOC o f   single-phase ind u ction motor b a se d on rotation a transformations",  In 2013 I E EE  Student Con f erence on     Research   and Developmen t ( S COReD) , 2013, pp . 215–220 [21]   S. Kascak, M.  Prazeni c a ,  and   B. Dobruck y , "Position  contro l  of Two-Phase  Induction  m o tor using dSpac e   environment",  I n  38th Annua l C onference on I E EE Indus trial Electronics Society ( I ECON 2012) , 2012, pp. 1958 1963.  [22]   M. Barut, R. Demir, E.  Ze rd ali ,   and R. In an, "R eal- tim e im plem enta tion  of b i  in put-extended  Ka lm an filt er-base d   estimator for speed-sensorless  control of induction motors",  IEEE Transactions  on Industrial El ectroni cs , vo l.  5 9 no. 11 , pp . 4197 –4206, 2012 [23]   M. Tursini, R .  Petrella, and F. Paras ilit i, "Adapt iv e sliding-m ode o b server  for speed-sensorless control of induction   mot o rs",   IEEE Transactions on  I ndustry Applications , vol. 36 , no . 5, pp. 1380–138 7, 2000 [24]   B. Karana yi l ,  M . F .  Rahm an, and  C. Grantham , "Online s t a t or and r o tor res i s t an ce e s tim a tion scheme using artif icial  neural n e tworks for vector  controlled  speed sen s orless inductio n motor drive",  IEEE Transacti ons on Industrial  Electronics , vol. 54, no. 1, pp. 16 7–176, 2007 [25]   S. Bogosy a n, M .  Barut,  and M. Goka san, "Braid ed extend ed Kal m a n filters  for sensorless estim ation in induct i on  motors at high- low/zero speed",  IET Control Theory Appl ., vol. 1 ,  no. 4, pp. 987–9 98, 2007 [26]   E.S .  De S a nt ana ,  E. B i m ,  and  W . C.D. Am aral,  "A pr edictiv e algorithm for co ntrolling speed  and rotor flux o f   induction  motor " IEEE Transactions on I ndustrial Electronics , v o l. 55 , no . 12 , pp . 4398–4407 , 20 08.  [27]   M. Hajian ,  J. So ltani, G.A. Mark adeh,  and S. Ho sseinnia, "Adap t ive nonlinear   dir ect torque contr o of  sensorless  IM  drives  with effici enc y  optim i zat ion",  IEEE Transactions on  Industrial Electronics vo l. 57, no . 3, pp. 975–985,  2010.  [28]   F . R. S a lm as i and T.A. Najaf a ba di, "An adaptiv e obs erver with  online rotor an d s t ator res i s t an ce es tim at ion for   induction motor s  with one phase current sensor ",  IEEE T r ansactions on Energy Conversion v o l. 26, no. 3, p p 959–966, 2011 [29]   T. Orlowska-Kowalska and M. D y bkowski, " S tator-curr e nt-b ased MRAS est i mator for a wide range speed - sensorless induction-motor drive",  IEEE Transactions on  Industrial Electronics vol. 57, no . 4 ,   pp. 1296–1308,  2010.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.