I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv e  Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   2 0 1 8 ,   p p .   1 1 2 4 ~ 1 1 3 9   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v9 .i 3 . pp 1 1 2 4 - 1 1 3 9          1124       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   A Concis e  Rev iew   o f  Co ntrol  Techn iques for  Relia ble  and  Efficien t  Co n trol  o f  Indu ction  Mo t o r       Alw a die . A   De p a rte m e n t  o f   El e c tri c a l  En g in e e rin g ,   F a c u lt y   o f   En g in e e rin g ,   Na jran   Un iv e rsity ,   S a u d i  A ra b ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   15 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   A p r   10 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   J u l   1 ,   2 0 1 8       In d u c ti o n   m o to rs  a re   w o rk - h o rse   o f   th e   in d u stry   a n d   m a jo r  e le m e n t   in   e n e rg y   c o n v e rsio n .   T h e   re p lac e m e n t  o f   th e   e x isti n g   non - a d ju sta b le  sp e e d   d riv e s  w it h   th e   m o d e rn   v a riab le  f re q u e n c y   d riv e s  w o u ld   sa v e   c o n sid e ra b le  a m o u n t  o f   e lec tri c it y .   A   p ro p e r  c o n tro l   s c h e m e   f o r  v a riab le  f r e q u e n c y   d riv e s  c a n   e n h a n c e   th e   e ff icie n c y   a n d   p e rf o rm a n c e   o f   th e   d riv e .   T h is  p a p e r  a tt e m p t  to   p ro v id e   a   rig o ro u s  re v ie w   o f  v a rio u s  c o n tr o l  sc h e m e s   f o r  th e   in d u c ti o n   m o to r  c o n tro l  a n d   p r o v id e s  c rit ica l  a n a ly sis  a n d   g u id e li n e s  f o r  th e   f u tu r e   re se a rc h   w o rk .   A   d e tailed   stu d y   o f   se n s o r  b a se d   c o n tr o l   sc h e m e s  a n d   se n so r - les s  c o n tro l  sc h e m e s  h a s   b e e n   in v e stig a te d .   T h e   o p e ra ti o n ,   a d v a n t a g e s,  a n d   li m it a ti o n s  o f   th e   v a rio u s  c o n tro l  sc h e m e s  a re   h ig h li g h ted   a n d   d if f e re n t  ty p e s   o f   o p ti m iza ti o n   tec h n i q u e s  h a v e   b e e n   su g g e ste d   to   o v e rc o m e   th e   li m it a ti o n s   o f   c o n tro l   tec h n i q u e s.   K ey w o r d :   Op ti m izatio n   Scalar   co n tr o l   Sen s o r - les s   co n tr o l   Var iab le  f r eq u en c y   d r iv e   Vec to r   co n tr o l   Co p y rig h t  ©   201 8  In s t it u te o f  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 l  rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A l w ad ie . A ,   Dep ar te m en t o f   E lectr ical  E n g in ee r in g ,     Facu lt y   o f   E n g i n ee r i n g ,   Naj r an   Un iv er s it y ,   Sa u d i  A r ab ia .   E m ail:  asa l w ad ie@ n u . ed u . s a       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  in d u cti o n   m o to r s   ar e  m ain ly   u s ed   f o r   ad j u s ta b l e  s p ee d   ap p li ca ti o n s   an d   c o n s u m e  ap p r o x im ately   6 0   %  o f   th e   t o ta l  en er g y   o f   th e   p l an t  [ 1 ] .   B ef o r e  th e  in v en ti o n   o f   s em ico n d u ct o r   d ev i ce s   lik e  s il ic o n   c o n t r o lle d   r e ctif ie r ,   d i r e ct  cu r r en t ( DC )   m o t o r s   w er e  u s e d   in   th e  in d u s t r y .   A lth o u g h ,   DC   m o to r s   w er e  c ap ab le  t o   d ea l w ith   h ig h   to r q u e  a p p li ca ti o n s ,   b u t   t h ey   n ee d   h ig h   co s t f o r   m ain ten an ce .   T h u s ,   DC   m o to r s   w er e  l a r g ely   r e p l ac ed   w ith   alte r n at in g   cu r r en t  ( A C )   m o to r s   an d   n o w   a  d ay s ,   A C   m o to r s   a r e  b ein g   u s ed   in   o f f - s h o r e   p u m p in g   s tatio n s ,   cr an es,   b lo w er s ,   tex ti le  in d u s t r y   an d   r ef in e r i es.   T h e   u s ag e  o f   in d u cti o n   m o t o r s   o n   la r g e  s c al e  is   d u e  to   th e  f ac t   th at  th ei r   m ain ten an ce   is   ea s y   an d   h av e  h ig h   ef f i cien cy .   T h e  co m m er ci al  u s ag e  o f   ad j u s ta b l e  s p e ed   d r iv es  w as  s tar te d   in   1 9 6 0   an d   s te a d y   s tate  s p ee d   c o n t r o l u n d e r   l o w   d y n am ics b ase d   o n   v o l tag e  f r e q u e n cy   r atio   ( v /f )   o f   th e   in d u cti o n   m o to r   w as  m aj o r   f o cu s   o f   th e  r ese ar ch .   L ate r   o n ,   s lip   f r eq u en cy   co n tr o l  m e th o d   b ec o m e  f a m o u s   f o r   im p r o v e d   d y n a m ics  o f   th e  m o t o r .   W ith   th e  t im e,   r es ea r ch er s   d ev e lo p ed   m o r e  ef f ici en t  m eth o d s   lik e  f ie ld   o r ien t ed   c o n t r o l  o f   s p e e d   o f   in d u cti o n   m o to r [ 2 ] .   T h e  te ch n iq u es  u s ed   to   co n t r o l  s p e e d   an d   to r q u e  o f   th e  in d u ctio n   m o t o r   ar e  cl ass i f ie d   as  s ca l ar   an d   v ec t o r   c o n t r o l  t ec h n i q u es  [ 3 - 8 ] .   T h e  s ca l ar   c o n t r o l  tech n iq u e  h as  s ev er al  a d v an tag e s   lik e ,   p a r am ete r   in d e p en d en t  m o d ell in g ,   s ta b i li ty   in   co n tr o l  o f   m ed iu m   to   h ig h   s p ee d   o p er ati o n ,   ea s y   d esi g n ,   s im p le  s tr u c tu r e,   lo w   s tead y - s tate  er r o r   an d   l o w   co s t  an d   h en ce ,   s ev e r a l  r esea r ch   s tu d ies  h av e  u t iliz e d   th e  s c ala r   c o n tr o l  m eth o d   v ia  d ig i tal  s ig n a l  p r o c ess o r s   [ 3 ,   4 ,   5 ,   7 ,   9 ] .   T h e  v e ct o r   c o n tr o l  t ec h n i q u e  h as  h ig h   co n t r o lli n g   p er f o r m an ce   f o r   in d u cti o n   m o to r   s p ee d   an d   th u s ,   is   th e  m o s t  w id ely   u s ed   c o n t r o l str ateg y   [ 7 ,   1 0 - 1 3 ] .   T h e  v e cto r   c o n t r o l m eth o d   is   m ain ly   u tili ze d   f o r   c o n t r o l lin g   th e  p o s i ti o n   o f   th e  f lu x ,   cu r r en t  v ec t o r s   an d   v o lt ag e .   T h e  v ec to r   c o n t r o l  s tr a teg y   h as  t w o   m ain   d r aw b a ck s   1)   co u p lin g   b etw ee n   f lu x   an d   ele ct r o m ag n etic  to r q u e  2)   th e  s e n s itiv ity   o f   th e  co n t r o ll er   t o   in d u c ti o n   m o to r   p a r am ete r s .   T h es e  p r o b lem s   ar e  r es o lv e d   th r o u g h   d ir ec t  f ie l d   o r ien t e d   co n t r o l  ( DFOC )   an d   in d i r ec t  f iel d   o r ie n ted   c o n t r o l  ( I FOC ) .   DFOC   a n d   I FOC   a r e  u til ize d   t o   ac h i ev e  th e  d e co u p l in g   o f   th e  f lu x   an d   t o r q u e   [ 8 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   C o n cise R ev iew   o f Co n tr o l  Tech n iq u es fo r   R elia b le  a n d   E fficien t Co n tr o l o f.. .   ( A lw a d ie.   A )   1125   Fo r   th e  c o n tr o l  o f   in d u c ti o n   m o to r   d r iv es,  m an y   co n tr o l  t e ch n iq u es  h as  b ee n   d ev e lo p e d   an d   u s e d   in   th e  p ast .   Pro p o r ti o n al   in teg r al   d e r iv ativ e   ( PID )   co n t r o ll er   i s   o n e  o f   th e  c o n v en ti o n al   te c h n iq u e.   Du e  t o   its   s im p le  d esig n   an d   l o w   co s t,   PI D  c o n t r o lle r   w as  u tili ze d   b y   th e  r ese a r ch e r s   f o r   r eg u lat in g   th e  s p e ed ,   to r q u e  an d   f lu x   in   in d u ct io n   m o to r s .   H o w e v er ,   th e  in ten s iv e   ca lcu l ati o n s   a r e   r e q u ir ed   t o   ca l cu la te  t h e  p ar am eter s   o f   th e  PID   c o n tr o l le r   [ 8 ] .     T h e  f u zz y   l o g ic  c o n tr o l le r   h as   ca p a b il ity   to   a d a p t  ac co r d in g   t o   th e  s u d d en   ev en t   ch an g es   in   th e  s y s tem   an d   c an   b e  u s e d   f o r   l in ea r   an d   n o n - lin ea r   s y s tem s .   Fu zz y   co n tr o lle r   u ti liz e d   th e  f u zz y   th eo r y   an d   th e  d esig n   o f   th e  f u zz y   c o n tr o l le r   is   b ase d   o n   lin g u is tic   r u l es,   w h ich   is   th e  b asis   o f   h u m an   lo g ic  [ 1 4 - 1 9 ] .   T h e  f u zz y   c o n t r o ll e r   d esig n   h as  th r ee   m ai n   p h ase s :   1)   fu z z ifica tio n :   to   c o n v er ts   t h e  in p u ts   in to   f u zz y   s ets  2 )   in feren ce   en g in e:   t o   d ef in e  t h e  f u zz y   r u les  w h ic h   r elate   th e  o u tp u ts   w it h   th e  i n p u ts   an d   3)   d efu z z ifica tio n :   co m b in es  th e  r es u lt s   o f   th e  f u zz y   r u le s ,   a n d   i n f er s   t h e  d ec is io n ,   w h ich   is   t h en   co n v er ted   f r o m   f u zz y   s et s   to   a  c r is p   v al u e.   Sev er al   s tu d ies  h av e  u s e d   f u zz y   co n tr o ll er   t o   im p r o v e  th e  c o n t r o l  f e atu r es  f o r   th e  s ca l ar   s p e ed   co n tr o l  o f   I Ms  [ 2 0 - 2 4 ] .   So m e  o f   th e  r esea r ch er s   h av e   u s ed   f u z zy   co n t r o ll er   t o   d ev el o p   th e  v ec t o r   co n t r o l   o f   th e   in d u cti o n   m o to r .   T h e  s lid in g   m o d e  co n tr o l  ( SMC )   s ch e m e  h a v e  b ee n   th e  f o cu s   o f   r esear ch er s   f o r   m an y   d ec ad es  [ 2 5 ,   26] .   T h e  SMC   u s e  t h e  d is co n t in u o u s   co n tr o l  ac tio n   to   d r iv e   th e  s ta te  tr aj ec to r ies  o f   th e  c o n tr o lled   s y s te m   i n   s p ec if ied   s lid i n g   h y d r o p lan e  i n   th e  s ta te  s p ac e.   T h e  p u r p o s e  o f   s tate  tr a jec to r i es  is   to   k e e p   s lid in g   o n   s p ec if ic   s lid in g   h y d r o p lan e   u n til th e  o r ig in   o f   th e  s t ate - s p a ce   is   r e ac h ed   [ 2 7 ] .   T h e  S MC sch em e  h as th e  m ain   ad v an tag e   in   im p r o v in g   th e  s ta b il ity   an d   r o b u s tn ess   o f   th e  s y s te m   [ 2 8 ] .   H o w ev er ,   ch atte r in g   p h en o m en o n   is   th e  m ain   d r aw b ac k   o f   u s in g   th e  SMC   [ 2 9 ] .   T o   o v er co m e  th is   is s u e,   f ew   r esea r ch e r s   h av e  s u g g este d   th e  f u zz y   s lid in g   m o d e   c o n t r o lle r   ( FS MC) .   A lth o u g h ,   th e   FS MC  h as   th e   ca p a b il ity   to   im p r o v e   th e   s ta b i lity   an d   r o b u s tn ess   an d   ca n   t ac k l e  th e  ch att er in g   ef f e ct  b u t  th e  k ey   ch a llen g e   in   th e  u s e   o f   F SMC   is   in   d esig n i n g   t h e  r u les  o f   th e   FS MC  s y s te m s .     A n o th er   te ch n iq u e  c o m m o n ly   u s ed   in   in d u cti o n   m o to r   c o n tr o l  is   P u ls e  w id th   m o d u lati o n   ( PW M )   d r iv in g   th r ee - p h ase  v o lt ag e  s o u r ce   in v e r t er   [ 2 3 ,   3 0 - 3 3 ] .   T h e   v o ltag e  s o u r ce   in v e r te r   a r e  u s ed   t o   r eg u lat e  th e   o u t p u t  v o l tag e   ( A C )   an d   f r eq u en c y   f r o m   a  s u p p ly   v o lt ag e   ( c o n s tan t   DC ) .   T h e  k ey   f ea t u r es   o f   th e  PW M   tech n i q u e  a r e  th at  th e  o u t p u t  v o ltag e  h as  m in i m u m   h ar m o n ics,  lo w   d is to r ti o n ,   h ig h   ef f icien cy   an d   lo w   s w itch in g   lo s s es.   Sev er al  te ch n iq u es  an d   a lg o r i th m s   s u ch   as  s w ar m   in tellig en ce   m eth o d   an d   ev o lu t io n ar y   alg o r ith m s   ( E A )   w h ich   ar e   u s e d   f o r   th e   o p tim izat io n   o f   th e  c o n tr o l le r   p er f o r m an ce   h as  b ee n   r e p o r t e d   in   th e  li te r atu r e  [ 3 4 - 4 2 ] .   T h e  m o s t p o p u la r   s w ar m   in tellig en ce   o p tim izat io n   alg o r i th m s   ar e:  1 )   Par t icl e  Sw ar m   Op tim izat io n   ( P SO ) ,   2 )   A r tif i cia l  B ee   C o l o n y   ( A B C ) ,   3 )   A n t  C o lo n y   Op tim izati o n   ( A C O)   4 )   A n t  C o lo n y   Op tim izatio n .     T h es e  all   alg o r ith m s   ar e  b ase d   o n   th e  n atu r e  in s p ir ed   c o m p u tati o n al  m eth o d o lo g i es.  F o r   ex am p le,   T h e  P SO  t ec h n i q u e   h as  b ee n   d ev e lo p e d   b ase d   o n   th e  m o v em en ts   o f   b i r d   g r o u p i n g   o r   f is h   f l o ck in g   [ 3 6 ] .   T h e   A B C   tech n i q u e  h as  b e en   d ev e l o p ed   u s in g   th e  f o o d - s ea r ch in g   b eh av i o r   o f   in s ec ts   an d   h o n ey b e es  [ 3 4 ] .   Me an w h ile,   th e  b eh av i o r   o f   an ts   f o r   s e ar ch in g   th e  o p t im al  p ath   b etw ee n   th eir   ca m p   an d   f o o d   s o u r c e  h as  b e en   u tili z e d   in   th e  d ev el o p m en t  o f   A C O  alg o r i th m   [ 3 5 ] .   T h e  w o r k in g   p r in ci p l e  b eh in d   th e  d e v elo p m en t o f   E A s   is   n atu r al   g e n etic  ev o lu ti o n ,   th e   Dar w in   th eo r y   an d   o th e r   ev o lu ti o n a r y   th eo r ies .   T h e  g en etic  alg o r i th m   ( GA )   [ 3 8 ] ,   g e n etic  p r o g r am m in g ,   d if f er en ti al  ev o lu ti o n ,   ev o lu ti o n ar y   s tr ateg y   an d   ev o lu ti o n a r y   p r o g r am m in g ,   [ 3 9 ]   ar e  th e  m o s t  c o m m o n l y   u s ed   E A   alg o r i th m s .     T h e  p e r f o r m an ce   o f   th e  co n t r o l  s y s tem s   h as  b ee n   g r ea tly   im p r o v e d   th r o u g h   th e  r ec en t ly   d ev el o p e d   o p tim izati o n   t ec h n i q u es.   I n   [ 4 3 - 4 5 ] ,   th e  c o n t r o l  o f   th e  in d u ctio n   m o t o r   d r iv es   h as  b e en   im p r o v e d   th r o u g h   o p tim izati o n   te ch n iq u es  co m p r o m is in g   o f   co n v en ti o n a l  c o n tr o ll er s .     Sim ilar ly ,   [ 1 7 ]   h as  u tili z ed   d if f e r en ti al   s ea r ch   alg o r ith m   to   o p tim ize   th e  f u zz y   lo g ic  c o n tr o l le r   f o r   p h o t o v o lta ic  in v e r te r s .   I n   [ 4 6 ]   th e  f u z zy   lo g ic   co n t r o ll er   w as  o p t im ized   u s in g   P SO  t ec h n i q u e  t o   ac h i ev e  m ax i m u m   p o w er   p o in t  t r ac k i n g   in   g r id   c o n n ec t e d   p h o to v o lt aic  in v er t er s .   T h e  g e n etic  a lg o r ith m   ( GA )   w as  u tili ze d   b y   [ 2 2 ,   4 7 ]   f o r   th e  s el ec t i o n   o f   p r o p o r ti o n a l - d e r iv a tiv e - in teg r al  ( PID )   c o n tr o ll er   co ef f icien ts   to   co n t r o l  th e  s p e e d   o f   an   in d u cti o n   m o to r .   Sim ilar ly ,   a  h y b r id   alg o r ith m   o f   P SO   an d   GA   w as  u s e d   t o   im p r o v e  th e   p e r f o r m an ce   o f   th e   o p t im al  to r q u e  co n t r o l  o f   in d u cti o n   m o to r   [ 4 8 ] .   Kalm an   f ilter   c o v ar i an ce   te ch n iq u e ,   m u lti - o b jectiv e  f u zz y   d ec is i o n   m ak in g   [ 4 9 ,   5 0 ]   an d   f in ite - co n t r o l  s e t  m o d el   p r e d i ctiv e   c o n tr o l   alg o r i th m s   h as  b ee n   r e p o r t e d   in   [ 4 9 - 5 1 ]   t o   a ch iev e  h ig h   p e r f o r m an ce   o f   th e  in d u c ti o n   m o to r   d e r iv es  c o n tr o l  u s in g   an   a d v an c e d   p r e d ic tiv e  t o r q u e  c o n tr o l le r .   T h e  p e r f o r m an ce   o f   th e   f u zz y   lo g ic  s p e ed   c o n t r o ll er   in   in d u cti o n   m o to r   d e r iv es   h as  b ee n   im p r o v e d   u s in g   b a ck tr ac k in g   s ea r ch   alg o r ith m   o p t im izati o n   tech n i q u e  [ 1 9 ] .   A lth o u g h ,   th e  o p t im i za ti o n   te ch n iq u es  d is cu s s e d   a b o v e  h av e  ca p a b il ity   to   im p r o v e  p e r f o r m an ce   o f   t h e  co n t r o l  m eth o d s ,   h o w ev er ,   th ese  t ec h n i q u es  h av e  l im itati o n s   o n   o p tim a   tr a p p in g ,   l o c al  m in i m a,   g lo b al   m in i m u m ,   tr ial - an d - e r r o r   p r o ce d u r e  an d   l o n g   co m p u tati o n a l  tim e  to   attain   b est   o p tim izati o n   p er f o r m an ce s .     I n   th is   p a p er ,   v a r i o u s   co n t r o l   s ch em es  to   en h an ce   th e  p e r f o r m an ce   an d   r eli ab ilit y   o f   th e  v ar i a b le   f r e q u en cy   d r iv es .   T h e  o p er ati o n al  ad v an tag es  an d   lim itat io n s   o f   ea ch   m eth o d   a r e  h ig h li g h ted   f o r   v a r i o u s   ap p li ca ti o n s   o f   th e  in d u c ti o n   m o to r   d r iv es .   Va r i o u s   o p tim izati o n   alg o r ith m s   h av e  b ee n   s u g g ested   to   o v e r co m e  th e  l im itatio n s   o f   th e   c o n t r o l s ch em es f o r   th e   d ev el o p m en t o f   a d v an c e  co n t r o l   s y s tem .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   2 0 1 8   :   1 1 2 4   –   1 1 3 9   1126   R est  o f   th e  p a p e r   h as  b ee n   s tr u ctu r es   as  f o ll o w s :  Secti o n   I I   p r esen ts   r ev iew   o f   s en s o r   b as ed   c o n tr o l   tech n i q u es.  S ec ti o n   I I I   p r o v i d es  r ev i ew   o f   s en s o r - less   c o n t r o l  s ch em es.  Va r i o u s   o p tim izati o n   alg o r ith m s   to   im p r o v e   th e   p er f o r m an ce   o f   t h e  c o n tr o l   t ec h n i q u es  h av e   b e e n   p r es en te d   in   Se cti o n   I V .   S ec ti o n   V  g iv es   th e   cr i tic al   an aly s is   o f   th e   l ite r a tu r e  r ev i ew   an d   f in ally ,   S ec ti o n   VI   p r es en ts   th e  co n clu s i o n   o f   t h is   p ap e r .       2.   SE NSO R  B AS E D  CO N T RO L   T E CH NI Q U E S   T h e  in d u ctio n   m o to r   co n tr o l  m ai n l y   co n s is t  o f   th e  in d u ctio n   m o to r ,   lo ad ,   m o to r   d r iv e  ( in v er ter )   an d   co n tr o l  s y s te m .   T h e  in ter f ac i n g   o f   th e s e  p ar ts   an d   th e  b lo ck   d iag r a m   o f   t h e  co m p lete  s y s te m   ar e  s h o w n   i n   Fig u r e  1   an d   Fi g u r e  2   r esp ec tiv el y .   Var ia b l e  f r e q u e n cy   d r iv e  c o n tr o l   te ch n iq u es   f o r   s p e ed ,   t o r q u e,   f lu x ,   v o ltag e  an d   cu r r en t   c o n t r o l  a r e   m ain l y   class if i ed   as   s ca la r   co n tr o l  t ec h n i q u e  an d   v ec to r   c o n tr o l  tech n i q u e .   T h e   class if i ca t io n   o f   VFD   c o n t r o l s ch em es h as  b e en   s h o w n   in   Fig u r e  3 .               Fig u r e  1 .   T h e   I n t er f ac e   o f   th e   Var io u s   P a r ts   o f   th e   I n d u c ti o n   M o t o r   C o n t r o l Sy s te m   Fig u r e  2 .   T h e   B lo ck   D iag r am   o f   th e   T est   B en ch   f o r   th e  I n d u c ti o n   M o t o r   C o n t r o l S y s te m           Fig u r e  3 .   C lass if icat io n   o f   VF D  C o n t r o l   Sch em es       2 . 1 .   Sca la r  C o n t r o l   T e chniq u e   Scal ar   c o n tr o l   te ch n iq u e   u tili z es  th e  m ag n itu d e  an d   f r e q u en cy   o f   th e  a p p li ed   v o l tag e  to   c o n tr o l   th e   s p e ed   o f   th e  in d u cti o n   m o to r .   I n   th is   m eth o d ,   a  v o lt ag e  s o u r ce   in v er te r   is   u s ed   t o   m ain tain   th e  m ag n etiz in g   cu r r en t  at  c o n s tan t  v alu e  b y   ch an g in g   th e  m ag n it u d e  o f   ap p l ied   v o ltag e  p r o p o r ti o n al  t o   th e   ap p lie d   f r eq u en cy .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   C o n cise R ev iew   o f Co n tr o l  Tech n iq u es fo r   R elia b le  a n d   E fficien t Co n tr o l o f.. .   ( A lw a d ie.   A )   1127   T h is   m et h o d   is   als o   k n o w n   as   c o n s tan t  v o lts   p er   h e r tz   ( o r   c o n s tan t   V/f )   m eth o d   an d   its   d esc r i p ti o n   h as  b ee n   s h o w n   in   Fig u r e  4 .   T h e  ac tu al   s p ee d   h as  b e en   m ea s u r ed   th r o u g h   en co d er   ( s p ee d   s en s o r )   a n d   h as  b ee n   u til iz e d   as  a   f ee d b ac k .   T h e  d if f e r en c e  o f   m ea s u r e d   s p e e d   w ith   th e  r e f er en c e  s p e e d   h as  b ee n   g iv en   as  an   er r o r   s ig n al   t o   th e  p r o p o r ti o n a l - in teg r al  c o n t r o lle r   to   g en er at e  th e  f u n d am en tal  f r e q u en cy   r ef e r en ce .   T h e  am p litu d e  o f   th e   f u n d am en tal  s tat o r   v o ltag e  r ef er en ce   h as  b ee n   o b ta in ed   th r o u g h   th e  f u n d am en tal  s tat o r   f r eq u en cy   r ef er en ce .   No t ab ly ,   if   o p en   lo o p   c o n tr o l  s y s te m   co n f ig u r atio n   h as  b ee n   ad o p te d   th en   th e  s p ee d   r eg u l at io n   w ill  b e  p o o r   an d   h ea v ily   d ep en d s   o n   th e  m o to r   lo a d .   On   th e  o th e r   h an d ,   th e  c lo s e  l o o p   c o n t r o l  s y s te m   ca n   a ch iev e  g o o d   s p e e d   r es p o n s e  b u t   s til l  th e  s y s tem   n o t   s u ita b l e  f o r   p r ec is e  to r q u e   c o n tr o l   [ 5 2 ] .           Fig u r e  4 .   T h e   B l o ck   Diag r am   o f   th e   S ca l ar   C o n t r o l   Me th o d       2 . 2 .   Vec t o r   Co nt ro l Te chniq u e   Du e  to   its   h ig h   p e r f o r m an ce ,   th e  v ec t o r   co n t r o l  te ch n iq u e  i s   w id ely   u s ed   in   m an y   in d u ctio n   m o to r   co n t r o l  a p p lic ati o n s .   T h e  m ag n itu d e  an d   p h ase  o f   s u p p ly   v o ltag es  o r   cu r r en ts   is   u til ize d   b y   th e  v ec to r   c o n t r o l   tech n i q u e  to   co n t r o l  in d u cti o n   m o to r s .   Du e  t o   in v o lv em en t  o f   th e  p h ase  in f o r m atio n ,   th e  v ec to r   c o n tr o l   tech n i q u e  is   c ap a b le   o f   c o n tr o l lin g   th e  p o s iti o n   o f   th e  f lu x ,   v o lt ag e,   an d   cu r r en t  v ec t o r s   o f   t h e  in d u c ti o n   m o to r .   T h e  C la r k e  an d   P a r k   tr an s f o r m atio n s   ar e  th e  m ath em atica l  to o ls   u til ize d   b y   th e  v ec to r   c o n tr o l  te ch n iq u e  f o r   g en er a tin g   to r q u e  an d   f lu x ,   r es p e ctiv e ly .   T h e  m ain   d r aw b ac k   o f   th ese  tr an s f o r m ati o n s   is   th e  co u p lin g   b etw ee n   ele ctr o m ag n etic  t o r q u e  an d   f lu x .   T o   a d d r ess   th is   is s u e ,   f iel d   o r ien t e d   co n t r o l  ( FOC )   h as  b e en   in tr o d u c e d   b y   v ar i o u s   r es ea r ch e r s   [ 4 ,   7 ,   1 1 ,   5 3   ] .     2 . 3 .   F iel d  O ri en t ed   C o nt r o l  ( F O C)   FOC   w as  p r o p o s e d   b y   th e  Hass e  an d   B l asch k e  [ 5 4 ] .   Ma n y   r esea r ch e r s   h av e  w o r k ed   o n   th e   im p r o v em en t  o f   th e  FOC   an d   n o w   it  h as  b e c o m e  an   in d u s t r i al  s t an d ar d   co n t r o l  s tr ateg y .   F OC   co n tr o l  s ch em e  is   b as ed   o n   d y n a m ic  m o d el  o f   th e  in d u ct io n   m o to r   w h e r e  th e  f lu x es,  v o l tag es  an d   cu r r en ts   ar e  r e p r es en te d   in   s p a ce   v ec to r   f o r m s .   T h e  s p ac e   v ec to r   r e p r esen t ati o n   o f   th e  m o to r   p a r am eter s   is   v a li d   u n d er   b o th   s tea d y   s tate   an d   t r an s i en t  c o n d i ti o n s   an d   a n   ex ce ll en t  tr an s ien t  r es p o n s e  ca n   b e  ac h i ev e d   d u e  to   th is   f e atu r e  o f   FOC .   I n   th e   r o to r   f lu x   FOC   s ch e m e,   all  q u an titi es  r o ta tin g   at  s y n ch r o n o u s   s p ee d   w ill  ap p e ar   as  DC   q u an titi es.  I n   r o t atin g   f lu x   r ef er en ce   f r am e,   if   th e   f l u x   is   alig n e d   t o   th e  “ d ”  ax is ,   th en   th e  “ d ”  an d   “ q ”  c o m p o n en ts   o f   th e  s tat o r   cu r r en t  r e p r esen t   th e  f lu x   an d   to r q u e  c o m p o n en t  r es p ec tiv e ly .   T h u s ,   in   FOC   c o n t r o l  s ch em e,   th e  co n t r o l  o f   in d u cti o n   m o to r   l o o k s   s im ilar   t o   a  DC   m o to r   c o n tr o l   s ch em e  w h er e  th e  t o r q u e  an d   f l u x   co m p o n en ts   ar e   d e co u p l ed   [ 5 5 - 6 6 ] .   T h e   FOC   c o n tr o l   s ch em e  h as f u r th er   tw o   ty p es:  1)   Dir e ct  fie ld   o r ie n t ed   co n tr o l   ( DF OC ) ,   in   w h ich   th e  f lu x   p o s iti o n   is   o b t ain e d   th r o u g h   th e  in f o r m ati o n   o f   th e  te r m in al  v ar ia b l es  an d   r o t o r   s p ee d .   2)   I n   in d ir e ct  f iel d   o r i en te d   c o n tr o l  ( I F OC ) ,   in   w h ich   th e  s u m m atio n   o f   th e  s li p   p o s i ti o n   an d   r o t o r   p o s it io n   g i v e  th e   in f o r m atio n   o f   f lu x   p o s i ti o n .   T h e  b lo ck   d i ag r am   o f   th e  DFOC   an d   I FOC   a r e  s h o w n   in   F ig u r e  5   an d   F ig u r e  6   r es p e ctiv e ly .   T h e  ac cu r ac y   o f   th e  r o t o r   p o s i ti o n   m ea s u r em en t  is   a  k ey   f ac to r   in   r o t o r   f lu x   FOC   s ch em e.   I n ac cu r ate  m ea s u r em en t o f   th e  r o t o r   p o s it i o n   w ill r esu lt in   d e ter io r a ti o n   o f   th e  to r q u e  d y n am ics.    A lter n a tiv ely ,   an o th e r   ty p e  o f   FOC   h as b ee n   d ev e lo p ed   w h ich   is   b ase d   o n   t h e  s tato r   f lu x   o r i en tat io n   an d   t h u s   k n o w n   as st ato r   f lu x   FOC   [ 6 7 ] .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   2 0 1 8   :   1 1 2 4   –   1 1 3 9   1128       Fig u r e  5 .   T h e   B l o ck   Diag r am   o f   th e   DF OC   C o n tr o l   Sch em e               Fig u r e  6 .   T h e   B l o ck   Diag r am   o f   th e   I FOC   C o n t r o l S ch em e   Fig u r e  7 .   T h e   B l o ck   Diag r am   o f   th e   D T C   C o n tr o l   Sch em e       2 . 3 . 1 .   Dire ct   T o rqu e  C o n t r o l   ( DT C )   A lth o u g h   FOC   w as  ca p a b l e  t o   ap p r o v e  th e  r es p o n s e  o f   th e  m o to r   b u t  FOC   h as  s ev er al  d r aw b ac k s   in   its   i m p le m e n tatio n   as  it  n ee d s   co m p u tati o n al ly   co m p lex   al g o r i th m   to   tr an s f o r m   r ef er en ce   f r am e.   A n o th e r   s h o r t c o m in g   o f   th e  FOC   is   its   d e p en d en cy   o n   th e  m o to r   p ar am eter s   an d   m ec h an ical  s p ee d .   T o   tack l e  th e   ch all en g es  f ac e d   b y   FOC ,   r e s ea r ch e r s   h av e  in t r o d u ce d ,   n e w   tech n iq u es  w h ich   ar e  k n o w n   as  d ir e ct  t o r q u e   co n t r o l  ( D T C ) ,   [ 6 8 ] .   R e ce n tly ,   d i r e ct  s e lf - co n t r o l  ( DSC ) ,   an d   cl ass ic al  D T C   [ 6 8 - 7 2 ]   h av e   b ee n   p r o p o s e d   f o r   th e  im p r o v em en t  o f   co n v en t io n al  D T C .   T h e   D T C   co n t r o l  s c h em e  h as  s ev er al   a d v an tag es   l ik e  h ig h   r el ia b il it y ,   s im p licity ,   in s en s itiv i ty   to   th e  m o to r   p a r am ete r s   an d   f ast d y n am ic  r es p o n s e .   I n   D T C   co n t r o l  s ch em e,   th e  e r r o r s   o f   th e  t o r q u e  an d   s ta to r   f lu x   s tatu s   a r e  m ea s u r e d   an d   th en   s en t  to   th e  h y s ter esis   c o m p ar at o r   f o r   d ig it iz ati o n .   T h e  l o c ati o n   o f   th e  v o l tag e  v e c to r   h as  b ee n   i d en tif i e d   th r o u g h   th e  s tatu s   o f   th e  in v e r te r   s w itch es.  T h e  s t atu s   o f   th e  in v e r te r   s w itch es  is   ca l cu la ted   u s in g   a  p r e - d ete r m in ed   s w itch in g   ta b l e.   T h e   m ain   d r aw b ac k s   o f   u s in g   D T C   co n t r o ll er   a r e  la r g e  t o r q u e  an d   f lu x   r i p p les  an d   th e  n o n - c o n s t an t   s w itch in g   f r eq u en cy   o f   th e   in v er t e r   [ 7 2 ] .     T h e  b l o ck   d i ag r am   o f   th e  b asic   D T C   co n t r o l   s ch em e  h as b e en   s h o w n   in   Fig u r e  7 .   T h e   c o m p ar is o n   o f   th e   s ca la r   an d   v ec t o r   c o n t r o l s ch em e s   h as  b e en   s u m m ar ize d   in   T ab le   1 .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   C o n cise R ev iew   o f Co n tr o l  Tech n iq u es fo r   R elia b le  a n d   E fficien t Co n tr o l o f.. .   ( A lw a d ie.   A )   1129     T a b le   1 .   T h e  Co m p ar is o n   o f   S ca l ar   C o n t r o l   an d   V ec t o r   C o n t r o l S ch em es   S c a l a r   C o n t r o l   V e c t o r   C o n t r o l   1.   C o n t r o l   c o u l d   b e   p e r f o r me d   w i t h   o n l y   o n e   se n so r   ( s p e e d   se n so r ) .   2.   C o n t r o l   s c h e me   h a s  s i m p l e   s t r u c t u r e .   3.   L o w   c u r r e n t   r i p p l e s   4.   L o w   c o s t   5.   C o n t r o l   s c h e me s   i s   n o t   d e p e n d e n t   o n   mo t o r   p a r a me t e r s .   6.   C o n t r o l   s c h e me   d o e s  n o t   r e q u i r e   t r a n sf o r m a t i o n   o f   c o o r d i n a t e .   1.   C o n t r o l   s c h e me s   u se   n u m b e r   o f   se n so r s  t o   me a s u r e   s p e e d ,   f l u x ,   t o r q u e ,   c u r r e n t ,   v o l t a g e   e t c .   2.   C o n t r o l   s c h e me   h a s  c o m p l e x   s t r u c t u r e .   3.   H i g h   c u r r e n t   r i p p l e s   ( a s  i n   D T C )   4.   H i g h   c o s t   5.   C o n t r o l   s c h e me   i s  d e p e n d e n t   o n   mo t o r   p a r a me t e r s .   6.   C o n t r o l   s c h e me   r e q u i r e s   t r a n sf o r m a t i o n   o f   c o o r d i n a t e   ( P a r k   T r a n sf o r m)       3.   SE NSO R - L E SS   CO N T RO L   SCH E M E   I n   cr itical  ap p licatio n s   o f   in d u ctio n   m o to r   lik e  co m p r es s o r s ,   b lo w er s ,   f an s ,   m ac h i n e  to o l,  n u clea r   p o w er   p lan ts ,   o f f - s h o r e  p u m p in g   s ta t io n s   an d   elec tr ic  v eh icles ;  s en s o r - le s s   co n tr o lle d   tech n iq u e  co u ld   ac h iev e   e x ce lle n t  p er f o r m an c e  in   ter m s   o f   e f f icie n c y   a n d   e n er g y   s av i n g s .   Se n s o r - le s s   in d u ctio n   m o to r   d r i v es   o p er ate  w ith o u t  s p ee d   s e n s o r   an d   th u s   ar e  h elp f u l  i n   co s t  s av i n g   an d   to   ac h iev e  h i g h   r eliab ilit y   [ 7 3 ] .   T h e  ter m i n al  q u an ti ties   s u ch   as   v o ltag e  a n d   c u r r en t  ar e   u s ed   t o   esti m ate  th e   s p ee d .   T h is   s e ctio n   o f   t h e  p ap er   b r ief l y   d escr ib e  th e  s e n s o r - les s   co n tr o l  m et h o d s   f o r   in d u cti o n   m o to r   d r iv e  f o r   th e  p u r p o s e  o f   en er g y   s a v i n g   an d   s u s tai n ab le  r eliab ilit y .   As  d escr ib ed   in   Fig u r e  1 ,   s en s o r - l ess   co n tr o l  tech n iq u es  co u ld   b e  d iv id ed   in to   t w o   ca teg o r ies  1)   Mo d el  b ased   s ch e m e  2)   Si g n al  i n j ec tio n   s ch e m e.   Deta ils   o f   b o th   s c h e m es  h as   b ee n   g iv e n   b elo w .     3 . 1 .   M o del B a s ed  Sche m e   T h e  m ath e m at ical  m o d el  o f   t h e  i n d u ctio n   m o to r   in   g e n er al   r ef er en ce   f r a m e  co u ld   b e  d e s cr ib ed   b y   E q u atio n   ( 1 )   to   ( 4 ) .   T h is   m at h e m a tical  r ep r esen tat io n   o f   t h e  in d u ctio n   m o to r   co u ld   b e  u s ed   i n   s e n s o r - le s s   co n tr o l  s c h e m e s   to   e s ti m ate  t h e  s p ee d   o f   t h e  i n d u ct io n   m o to r   p r o v id ed   th at  all   p ar a m e te r s   o f   t h e   m o to r   ar e  k n o w n   [ 7 3 - 7 5 ] .     =   +  +                    ( 1 )     0 =   +  + ( − )                  ( 2 )     =   +                    ( 3 )     =   +                    ( 4 )     I n   o p en   lo o p   s p ee d   est i m at io n ,   E q u atio n   ( 1 )   i s   i n te g r ated   to   g et   th e   s tato r   f l u x   an d   f r o m   s tato r   f l u x   in f o r m atio n   o n e  ca n   ca lc u lat e  r o to r   f lu x   [ 7 3 ] .   T h e  li m ita tio n s   o f   t h e  o p en   lo o p   s p ee d   esti m atio n   ar e  it s   s en s iti v it y   to   th e  s tato r   an d   r o to r   r esis tan ce   an d   i n d u cta n c e.   Var iatio n   in   t h ese  p ar a m e t er s   f r o m   n o m i n al   v alu e s   w ill  d e g r ad e  th e  p er f o r m a n ce   o f   t h e  o p en   lo o p   s p ee d   esti m ato r   [ 7 3 ,   7 4 ] .   T o   o v er co m e  t h is   i s s u e,   clo s ed - lo o p   s p ee d   esti m ato r   o r   clo s ed - lo o p   o b s er v er   co u ld   b e  u s ed .   E x a m p le   o f   s u ch   t y p e  o f   esti m ato r s   ar e;  i)   Mo d el  R eferen ce   A d a p tive  S y s tem  ( MRA S ) :   T h e  b lo ck   d iag r a m   o f   th e  MR AS  is   s o w n   i n   Fig u r e  8   [ 7 3 ] .   I f   th e   er r o r   s ig n al   is   m in i m ized   th e n   th e   esti m ated   s p ee d   w ill   eq u al  to   t h e  ac t u al  s p ee d .   I t  w as   r ep o r ted   in   [ 7 6 - 8 1 ]   th at  MR AS  co u ld   g i v e  b etter   p er f o r m a n ce   w it h   th e  m i n i m u m   s p ee d   r an g e   o f   3 0 – 1 0 0   r p m .   Ho w e v er ,   d u e  to   en v ir o n m e n tal  n o is e  a n d   n o n - lin ea r it y   o f   t h e  p o w er   co n v er t er s ,   MR A S  co u ld   n o t  g iv e  s at is f ac to r y   r esu lts   f o r   s p ee d   less   t h an   3 0   r p m .   ii )   F u ll  o r   R ed u ce d   Ord er  Ob s erver :   I t  h as  t h e  ca p ab ilit y   to   e s ti m ate  r o b u s t  s p ee d   at   lo w   s p ee d   o p er atio n s   o f   t h e  m o to r   [ 8 2 - 8 6 ] .   iii)   E xten d ed   K a lma n   F ilter :   I t  is   a  s to ch as tic  ap p r o ac h   f o r   s p ee d   esti m atio n   o f   t h e  in d u ct io n   m o to r .   T h e  s to ch asti c  m e th o d   s o lv es  th e  esti m atio n   p r o b l e m s   t h r o u g h   u s e  o f   m ea s u r e m e n t  er r o r s ,   m o d elin g   er r o r s ,   r an d o m   d is tu r b a n ce s ,   an d   co m p u ta tio n al  i n ac cu r a cies  o f   th e  s y s te m .   T h is   m et h o d   ca n   est i m ate   t h e  n o n - m ea s u r ed   p ar ts   o f   a   s y s tem   t h r o u g h   a  m i n i m u m   co v ar ia n ce   er r o r   th at   lead s   to   o p ti m al  e s ti m ated   s tates   [ 8 7 - 9 2 ] .   iv)   S lid in g   Mo d e  Ob s e r ve r   ( S MO ) :   T h e  k e y   f ea tu r e s   o f   t h e  s lid in g   m o d e   o b s er v er   ar e  its   ea s y   i m p le m e n tatio n ,   le s s   r es tr ictiv e  d es ig n ,   s i m p lici t y ,   s m al l  co m p u tatio n s   an d   r o b u s t n ess   to   p ar am eter   v ar iat io n s   [ 9 3 ] .   T h ese  f ea t u r es  m a k e  SMO  an   ef f ec ti v e  esti m ato r .   Ho w ev er ,   S MO   p er f o r m a n ce   is   af f ec ted   b y   c h atter i n g   p h en o m en o n   [ 9 4 - 9 9 ] .   T h e  b lo ck   d iag r a m   o f   t h e  SMO  i s   s h o w n   i n   Fi g u r e  9 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   2 0 1 8   :   1 1 2 4   –   1 1 3 9   1130       Fig u r e  8 .   T h e  B lo ck   Diag r a m   o f   th e  M R A S  f o r   Sp ee d   E s ti m atio n           Fig u r e  9 .   T h e  B lo ck   Diag r a m   o f   th e  SM O  f o r   Sp ee d   E s ti m a t io n       3 . 2 .   Sig na l In j ec t io n Sche m e  ( SI S)   A   r elati v el y   n e w   ap p r o ac h   b ased   o n   s ig n a l  in j ec tio n   h as  g ain ed   atte n tio n   o f   r esear ch er s   in   r ec en t   d ec ad e  b ec au s e  t h e  m o d el  b a s ed   s p ee d   est i m a tio n   tech n iq u e  h as   is s u e s   o f   p er f o r m an ce   d eg r ad atio n   d u e  to   p ar am eter   v ar iatio n s   a n d   r o to r   s p ee d   esti m atio n   p r o b le m   at   ze r o   s tato r   f r eq u e n c y .   SI  m et h o d   is   b ased   o n   t h e   in j ec tio n   o f   lo w   le v el  s i g n als  in   th e  i n d u ctio n   m o to r   [ 1 0 0 ] .   T h e  an is o tr o p y   o f   t h e  m ac h i n es  w i ll  g e n er ate  th e   cu r r en t a n d   v o lta g e  t h r o u g h   wh ich   t h e  s p ee d   in f o r m a tio n   co u ld   b e  ex tr ac ted .   T h e  m ag n it u d e  an d   f r eq u e n c y   o f   th e   in j ec ted   s i g n al  s h o u ld   b e  s elec ted   ca r ef u ll y   [ 1 0 1 ] .   S m al ler   th e  m a g n it u d e  o f   th e  i n j ec ted   s ig n al,   s m aller   w il l  b e  th e  s i g n al  to   n o i s e  r atio ,   w h i le  th e  i n j ec ted   s ig n al  w it h   lar g er   m ag n it u d e  w ill  cr ea te  to r q u e  r ip p les.     Si m i lar l y ,   if   t h e  f r eq u e n c y   o f   th e   in j ec ted   s i g n al  i s   s m all  t h en   it  w o u ld   b e  d i f f icu lt  to   s eg r eg ate   it  f r o m   t h e   f u n d a m en ta l  f r eq u en c y   s ig n al.   T h u s   a  tr ad e - o f f   s h o u ld   b e  m ad e  in   s elec tin g   t h e  f r eq u e n c y   an d   m ag n it u d e  o f   th e  i n j ec ted   s ig n al.   T h e  ch al len g e s   i n   th i s   m eth o d   ar e  to   tack le  p o o r   s ig n a l  to   n o is e  r atio ,   lo w   s p ec tr al   s ep ar atio n   a n d   to   ac h ie v e  r eq u ir ed   f r eq u en c y   tr ac k i n g .   T h ese  c h alle n g e s   co u ld   b e  ad d r ess ed   th r o u g h   m o d er n   s ig n al  p r o ce s s i n g   tec h n iq u e s   [ 1 0 2 ,   1 0 3 ] .   T h e  g en er al  b lo ck   d iag r a m   o f   t h e  SIS  i s   s h o w n   i n   Fi g u r e  1 0 .           Fig u r e  1 0 .   T h e  B lo ck   Diag r am   o f   t h e  Si g n a l I n j ec tio n   Sch e m e  f o r   Sp ee d   E s ti m atio n       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   C o n cise R ev iew   o f Co n tr o l  Tech n iq u es fo r   R elia b le  a n d   E fficien t Co n tr o l o f.. .   ( A lw a d ie.   A )   1131     4.   O P T I M I Z AT I O N  T E CH NI Q U E S F O R  T H E   M O T O R  CO NT RO L L E R   Op ti m izatio n   alg o r it h m s   w er e  d ev elo p ed   to   im p r o v e  t h e   p er f o r m a n ce   o f   th e  co n tr o ller .   T h ese  alg o r ith m s   w er e  d ev elo p ed   m ai n l y   b ased   o n   t h e   p r in cip l e  o f   b io lo g y -   a n d   p h y s ics - b a s ed   alg o r ith m s .   T h e  b io lo g y - b a s ed   alg o r it h m s   ar e   class i f ied   a s   g en e tic  al g o r ith m   ( G A ) ,   b ee   co lo n y   al g o r ith m   ( B C A ) ,   h ar m o n y   s ea r ch   al g o r ith m   ( H S A ) ,   p ar ticle  s w ar m   o p ti m izatio n   ( P SO) ,   f ir e f l y   al g o r ith m   ( F A ) ,   b ac ter ia  f o r a g i n g   o p tim izatio n   ( B FO) ,   li g h t n in g   s ea r ch   al g o r it h m   ( L S A ) ,   cu c k o o   s ea r ch   al g o r it h m   ( C S A ) ,   co lo n y   o p ti m izatio n   alg o r ith m   ( A C O) ,   an d   b ac k tr a ck in g   s ea r c h   alg o r it h m   ( B S A ) .   T h e  p h y s ic s - b ased   alg o r ith m s   ar e  class if ied   as  ch ao tic  o p ti m izatio n   al g o r ith m   ( C O A ) ,   s i m u lated   an n ea li n g   ( S A )   an d   g r a v itatio n a l  s ea r ch   al g o r ith m   ( GS A )   [ 8 ,   1 0 4 ] .   T h is   s ec tio n   o f   th e   p ap er ,   b r ief l y   d escr ib es  s o m e  i m p o r tan t  a n d   co m m o n l y   u s ed   o p tim iza tio n   alg o r ith m s   a n d   th e n   t h e  u s e  o f   o p tim iza tio n   al g o r ith m s   f o r   m o to r   co n tr o l a p p licatio n s   h a s   b e en   p r esen ted .     4 . 1 .   Descript io n o f   O pti m iza t io n Alg o rit h m s   4 . 1 . 1 .   G enet ic  A lg o rit h m   Gen etic   alg o r it h m   i s   a  s to ch a s tic  g lo b al  ad ap tiv e   s ea r ch   o p ti m izatio n   tec h n iq u e  w h ic h   w o r k s   a s   a   p o p u latio n   co n tai n i n g   a  n u m b er   o f   ch r o m o s o m e s   a n d   an   o b j ec tiv e  f u n c tio n   is   u s ed   f o r   ea ch   c h r o m o s o m e   to   f i n d   a  s o lu tio n   to   t h e  p r o b lem   [ 3 8 ,   1 0 4 ,   1 0 5 ] .   T h e  ar ch i tectu r e  o f   th e  G A   i s   s h o w n   i n   Fi g u r e  1 1 .   So m e  o f   t h e  ap p licatio n s   o f   th e  GA   ar e:   1.   GA   i s   u s ed   to   f in d   t h e  b est p ar a m eter   v al u e  o f   r atio n a l f u n cti o n   [ 1 0 6 ] .     2.   GA  is   u s ed   i n   a  co n tr o l  s y s te m   o n   a n   elec tr ic   d is tr ib u tio n   n et w o r k ,   to   i m p r o v e   th e   r elia b ilit y   a n d   p o w er   q u alit y   o f   d is tr ib u t io n   s y s te m s   [ 1 0 7 ,   1 0 8 ] .     3.   I n   p h o to   v o ltaic   ap p licatio n s ,   it  is   u s ed   f o r   m a x i m u m   p o w er   p o in t   tr ac k i n g   ( MP PT )   t o   i m p r o v e  t h e   en er g y   h a r v esti n g   ca p ab ilit y   o f   a  P V  s y s te m   [ 1 0 9 ] .   So m e  o f   t h e  li m itatio n s   o f   t h e  GA   al g o r ith m   ar e:   1.   I t c an n o t g u ar an tee  th e  id e n ti f i ca tio n   o f   g lo b al  m i n i m u m .   2.   I t o p er ates o n   tr ial  an d   er r o r   p r o ce d u r e  an d   n ee d s   m u ch   m o r e   ti m e  to   f i n e  t u n e  all  p ar a m ete r s   [ 1 1 0 ]           Fig u r e   1 1 .   Gen etic  A lg o r it h m   Flo w c h ar t       4 . 1 . 2 .   G ra v it a t io na l  Sea rc h Alg o rit h m   Gr av itatio n al  s ea r ch   al g o r ith m   ( GS A ) ,   w as  p r o p o s ed   b y   [ 1 6 9 ] ,   an d   it  d e p en d s   o n   th e  la w   o f   g r av i t y   an d   m a s s   i n ter ac tio n s .   GS A   was  d ev elo p ed   u s i n g   th e  la w s   o f   m o t io n   a n d   Ne w to n ia n   g r av i t y   [ 1 1 1 ] .   GSA   h as   St a r t   C r e a te  I nit i a l   P op ul a t io n   Ge n e r a t i o n = 0   E v a lu a te  F it n e s s   v a lu e   f or   e a c h   c h r o.   P e r f o r m   s e l e c t i o n ,   c r os s ov e r   a n d  mut a t i o n   p r o.   C r e a te  I nit i a l   P op ul a t io n   S to p   M i n   P e r f o r m .   I n de x   r e a c h   No   Ye s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   2 0 1 8   :   1 1 2 4   –   1 1 3 9   1132   th e  f a s t  co n v er g e n ce   f o r   s o lu ti o n .   Ho w e v er ,   it  co u ld   b e  ea s ily   tr ap p ed   in   lo ca l  m i n i m a  an d   it  h as  w ea k n es s   in   s tr ateg y   to   d iv er s if y   t h e  p o p u latio n   o f   th e  al g o r ith m   [ 1 1 2 ,   1 1 3 ] .   So m e  o f   t h e  ap p licatio n s   o f   t h e  GS A   f o r   o p tim izatio n   al g o r ith m s   ar e  li s ted   b elo w :   1.   I t  w as  u s ed   b y   [ 1 1 4 ]   t o   en h an c e  th e  p er f o r m a n ce   o f   th e  h y d r o th er m al  s c h ed u lin g .   2.   GS A   w as  u s ed   b y   [ 1 1 2 ]   to   im p r o v e  th e  co n tr o l o f   th e  i n d u ct io n   g e n er ato r .     3.   GS A   w as i m p le m en ted   b y   [ 1 1 5 ]   to   s o lv e  d if f er en t o p ti m al  p o w er   f lo w   p r o b le m s .     4.   I t  w a s   r ep o r ted   in   [ 1 1 6 ]   th at  th e  GS A  co u ld   b e   u s ed   to   en h an ce   t h e  lo ad   f r eq u e n c y   co n tr o l  o f   m u lti - ar ea   p o w er   s y s te m .   5.   I n   [ 1 1 7 ] ,   s o lv e  th e  id en tific a tio n   p r o b lem   f o r   tu r b in e  r eg u latio n   u n d er   lo ad   an d   n o - lo ad   co n d itio n s     u s i n g   GS A .     4 . 1 . 3 .   P a rt icle  Sw a rm   O pti m i za t io n   P SO  w a s   d e v elo p ed   b y   E b er h ar t   an d   Ke n n ed y   ( 1 9 9 5 ) .   I t  is   an   e v o lu tio n ar y   co m p u tatio n   t ec h n iq u e  w h ic h   w o r k   o n   p r in cip al  o f   t h e  s o cial  b eh av io r   o f   b ir d   f lo ck in g .   T h e  P SO  alg o r ith m   i s   d esig n ed   to   s ea r ch   t h e   s p ac e  f o r   p ar ticles  in   t w o   d if f er en t  lo ca tio n s .   T h e  f ir s t  lo ca tio n   also   k n o w n   a s   l o ca l  b est,  is   t h e  b est  p o in t   w h er e  th e  s w ar m   f in d s   t h e  cu r r en t  iter atio n .   T h e  s ec o n d   lo ca tio n   also   k n o w n   as  g lo b al  b est,  is   th e  b est  p o in t   f o u n d   th r o u g h   all  p r ev io u s   ite r atio n s .   T h e  v elo cit y   a n d   p o s itio n   o f   p ar ticle s   ar e  th e   t w o   f ac to r s   u s ed   f o r   th e   d ev elo p m en t   P SO  alg o r it h m .   P SO  h as  m a n y   ad v an ta g e s   lik e  it s   r o b u s t n es s ,   ca p ab ilit y   to   s o lv e  co m p le x   o p tim izatio n   p r o b lem s ,   s i m p l e  alg o r it h m ,   ea s y   to   i m p le m en t,  f ast   co n v er g e n ce   a n d   its   g lo b al  e x p lo r atio n   ca p ab ilit y   [ 1 1 8 ,   1 1 9 ] .   Ho w e v er ,   P SO  co u ld   b e  ea s il y   tr ap p e d   in   lo ca l  m i n i m a,   an d   it   i m p r o p er ly   s e lect s   co n tr o l p ar am eter s ,   r es u lti n g   i n   p o o r   s o lu tio n   [ 1 2 0 ] .     4 . 1 . 4 .   L ig hte nin g   Sea rc h Alg o rit h m   L i g h ten i n g   s ea r ch   al g o r ith m   w a s   p r o p o s ed   b y   Sh ar ee f   et  al.   [ 1 2 1 ]   an d   it  is   a  m o d er n   o p ti m izat io n   tech n iq u e  u s ed   to   ac h iev e   d esir ed   g o als.   I t  w o r k s   o n   t h e  p r in cip al  o f   a  s tep   lead er   p r o p ag atio n   m ec h a n is m   ca lled   “ li g h tn i n g , ”  as s h o w n   i n   Fi g u r e  1 2 .           Fig u r e  1 2 .   St e p   L e a d er s   f r o m   L ig h ten in g       L i g h ten i n g   s ea r ch   al g o r ith m   u s e  t h e  f a s t  p ar ticles,  w h ich   ar e  ca lled   p r o j ec tiles .   L S A   o p er atio n al   m ec h a n i s m   co n s i s ts   o f   th r ee   s tep s :  1 )   P r o j ec tile  an d   s tep   lea d er   p r o p ag atio n ,   ea ch   p r o j ec ti le  is   co n s id er ed   as   th e  in i tial  p o p u latio n   s ize.   T h e  p r o j ec tile  ter m   in   L S A   i s   s i m ilar   to   th e  p ar ticle  an d   ag en t  ter m   in   P SO  an d   GS A   tec h n iq u es,  r e s p ec tiv el y   [ 1 2 1 ] .   2 )   Pro j ec tile  p r o p er ties ,   3 )   P r o j ec tile  m o d elin g   a n d   m o v e m e n t.   C o m p ar ed   to   o th er   o p tim izati o n   m et h o d s ,   L S A   h a s   t h e  f a s t   co n v er g e n ce   f o r   s o lu tio n .   T h is   is   d u e  to   t h e  f ac t  th at  L S A  is   i n s p ir ed   b y   n at u r al  p h en o m e n o n   o f   li g h tn in g .   Ho w e v er ,   it  is   ti m e  co n s u m in g   as  it  r eq u ir es  s ea r ch i n g   f o r   th e  b est  n e w   p o s itio n   o f   t h e  s tep   lead er   [ 1 2 1 ] .     4 . 1 . 5 .   B a ck t ra cking   Sea rc h Alg o rit h m   B a ck tr ac k in g   s e ar ch   a lg o r ith m   o p tim izati o n   t ec h n i q u e ,   is   co m p u tatio n al   te ch n iq u e  u s e d   f o r   p r o d u c in g   a  t r ia l  p o p u l ati o n   w ith   t w o   n e w   cr o s s o v e r s   an d   m u tatio n   o p er at o r s .   B SA   w as  in v en ted   b y   C iv ici o g lu   [ 1 2 2 ] .   B SA   h as  b ee n   p r o v en   to   b e  o n e  o f   th e  b est  an d   p o w er f u l  o p tim izati o n   tech n i q u es  b ec au s e  it  h as  s tu r d y   ex p l o r at io n   an d   ex p lo itatio n   ca p a b il iti es.  B SA   alg o r i th m   c o n s is t  o f   th e  f o ll o w in g   p ar ts :   1)   I n it ial iz ati o n ,   2)   Sele cti o n - I  3)   Mu tati o n   4)   C r o s s o v er   5)   Sel ec t io n - I I .   R ese ar ch er s   h av e  u tili ze d   B SA   al g o r i th m   f o r   v ar i o u s   ap p li ca ti o n s .   F o r   ex am p le ,   th e  d esig n   o f   th e  o p e r at io n al  a m p lif ier   ci r cu its   u s in g   B SA   h as  b e en   r e p o r t ed   in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       A   C o n cise R ev iew   o f Co n tr o l  Tech n iq u es fo r   R elia b le  a n d   E fficien t Co n tr o l o f.. .   ( A lw a d ie.   A )   1133   [ 1 2 3 ] .   I n   [ 1 2 4 ,   1 2 5 ] ,   B SA   w as   u s ed   to   en h an ce   th e  p o w er   f lo w   o f   h ig h - v o ltag e  DC   p o w er   s y s te m s .   Sim ilar ly ,   B SA   w as  u s ed   to   s o lv e  ec o n o m ic  d is p at ch   p r o b lem s   an d   t o   in v esti g at e  th e   b est  p o s i ti o n   f o r   d is t r i b u te d   g en er a to r s   p l ac em en t  [ 1 2 6 ,   1 2 7 ] .   Du e   t o   u s ag e  o f   d u al   c o m p u tati o n   a lg o r ith m ,   B SA   h as  lo n g     co m p u tati o n a l  tim e  [ 1 2 2 ] .     4 . 2 .   Appl ica t io ns   o f   O pti m iza t io n T ec hn iqu e s   in M o t o r   Co nt ro l   Ma n y   co n tr o l  ap p licat io n s   u til ize  o p ti m izatio n   al g o r ith m s   f o r   th e  i m p r o v e m e n t  o f   t h e  ef f ic ien c y   a n d   p er f o r m a n ce .   So m e   o f   th e   p r ev io u s   r esear c h   r elate d   to   d e v elo p m e n t  o f   co n tr o l  m e th o d s   u s i n g   o p ti m izatio n   alg o r ith m s   h a s   b ee n   b r ief l y   d e s cr ib ed   in   th is   s ec tio n .   Fo r   ex a m p le,   th e  o p ti m al  s p ee d   tr ac k in g   o f   an   i n d u c tio n   m o to r   w a s   ac h ie v ed   th r o u g h   an   o p ti m ized   G A   b ased   F u zz y   L o g ic  C o n tr o ller   an d   P r o p o r tio n al  I n teg r al  co n tr o ller   [ 1 2 8 ] .   Si m ilar l y ,   f o r   s p ee d   co n tr o l  i n   t h e  in d ir ec t  f ield   o r ien ted   co n tr o l,  an   o p ti m ized   G A   b ased   P r o p o r tio n a l  I n teg r al  co n tr o ll er   w as  u s ed   to   d esig n   th e  f u z z y   g ai n   s c h ed u l in g   [ 1 2 9 ] .   T h e   f ac to r   s elec tio n   f o r   th e  i n p u t  o f   m e m b er s h ip   f u n ctio n s   w a s   ac h iev ed   t h r o u g h   an   o p ti m ized   G A  b ased   F u zz y   L o g ic  C o n tr o ller   [ 1 3 0 ] .   I n   a  s i m ilar   w o r k ,   th e  b est  p ar am e ter s   f o r   th e  P r o p o r tio n al  I n te g r al  co n tr o ller   w er e  ca lcu lated   u s i n g   GA  b ased   P r o p o r tio n al  I n te g r al  co n tr o ller   [ 1 3 1 ,   1 3 2 ] .   GA   w a s   u s ed   i n   h y b r id   F L C – P I   co n tr o ller   f o r   t h e   p r o to ty p e  i m p le m e n tatio n   u s i n g   d SP AC E ,   an d   to   i m p r o v e  t h e  p er f o r m a n ce   o f   a n   i n d u c tio n   m o to r   [ 1 3 3 ] .   I n   a  d ig ital  s ig n al   p r o ce s s in g   to o l   k it,  G A   w a s   u s ed   to   o p ti m i ze   th e  s lid i n g   s u r f ac e  s lo p e  a n d   th ick n es s   o f   t h e  b o u n d ar y   la y er   [ 1 1 ] .   I n   th e  d ev elo p m e n t  o f   t h e  V/ f   co n tr o l  f o r   in d u ctio n   m o to r ,   G A   was  u s ed   to   i m p r o v e   A N FIS  s p ee d   co n tr o ller   f o r   s elec ti n g   b est   P I   v al u es   [ 2 2 ] .   I n   s elec ti n g   t h e  o p ti m a l  in telli g en t  m o d el  p ar am eter s   f o r   h i g h - p o w er   p er m an e n t  m a g n e t  s y n ch r o n o u s   m o to r ,   P ar ticle  S w ar m   Op ti m izatio n   tec h n iq u e   w a s   u s ed   b y   [ 1 3 4 ] .   I n   a  s i m ila r   w o r k ,   P ar ticle  S w ar m   Op ti m izatio n   tec h n iq u e  w a s   u s ed   to   o p tim ize  n i ne - r u le   Fu zz y   L o g ic   C o n tr o ller   f o r   m ax i m u m   p o w er   p o in t  tr ac k in g   i n   a  g r id - co n n ec ted   i n v er ter   [ 4 6 ] .   I n   [ 1 3 5 ]   P ar ticle  S w ar m   Op ti m izatio n   tech n iq u e  w as   u t ilized   to   i m p r o v e  F u zz y   L o g ic   C o n tr o ller   f o r   f in d i n g   t h e  b e s t   v alu e s   o f   th e  i n p u t  m e m b er s h ip   f u n c tio n   f o r   m a x i m u m   p o w er   p o in t  tr ac k i n g .   I n   [ 1 3 6 ] ,   t h e  s p ee d   co n tr o l  o f   in d u ctio n   m o to r   w a s   i m p r o v e d   u s i n g   a n   o p ti m ized   P SO  b ased   FLC  co n tr o ller .   I n   a  r elat ed   s tu d y ,   P SO  w a s   u s ed   to   o p ti m ize   F L C   co n tr o l ler   f o r   e n h a n ci n g   t h e  s p ee d   co n tr o l  o f   a   q u a s i - Z   s o u r ce   D C /D C   c o n v er ter - f ed   d r iv e  th r o u g h   id en ti f icat io n   o f   t h e  b est  v alu e s   f o r   th e  s ca li n g   f ac to r   o f   t h e  i n p u t  a n d   o u t p u t  [ 1 3 7 ,   1 3 8 ] .   T h e   p er f o r m a n ce   o f   t h e  P I D  co n tr o ller   an d   h y b r id   F L C – P I   c o n tr o ller   w as  i m p r o v ed   b y   u s i n g   t h e  Ge n etic   A l g o r ith m   an d   P ar ticle  S w ar m   Op ti m i za tio n   tech n iq u e  [ 1 8 ] .   T h e  o p tim al   to r q u e  co n tr o l  o f   t h e  in d u ctio n   m o to r   u s i n g   P I   co n tr o ller   w a s   ac h ie v ed   b y   [ 4 8 ]   u s in g   h y b r id   G A - P SO  o p ti m izati o n   tech n iq u e s .   T h e  p er f o r m a n ce   o f   th e   P I D  co n t r o ller   f o r   f in d i n g   t h e  b est   P I D  p ar a m eter s   f o r   DC   to r q u e  m o to r   s y s te m   w a s   i m p r o v ed   u s i n g   B ac k t r a ck in g   Sear ch   A lg o r ith m   o p tim iz ati o n   tech n i q u e  [ 1 3 9 ,   1 4 0 ] .   T h e  s u m m ar y   o f   o p tim izatio n   tec h n iq u es  u s ed   i n   i m p r o v i n g   th e  m o to r   co n tr o l p er f o r m a n ce   h a s   b ee n   g iv e n   i n   T ab le  2 .       T ab le  2 .   Su m m ar y   o f   t h e  Op ti m izatio n   T ec h n iq u e s   f o r   I m p r o v in g   th e  C o n tr o ller   P er f o r m a n ce   R e f e r e n c e   C o n t r o l   T e c h n i q u e   Op t i m i z a t i o n   T e c h n i q u e   11   S M C   GA   22   PI   GA   18   P I D   G A ,   P S O   46   F L C   PSO   48   PI   H y b r i d   G A ,   P S O   128   P I ,   F L C   GA   129   PI   GA   130   F L C   GA   131   A N N   GA   133   H y b r i d   P I - F L C   GA   135   F L C   PSO   136   A N F I S   PSO   137   F L C   PSO   139   P I D   B S A       5.   CRIT I CA L   ANA L YS I S   A lt h o u g h   th e  p er f o r m an ce   o f   t h e  in d u ctio n   m o to r   co n tr o l  s y s te m   co u ld   b e  i m p r o v ed   th r o u g h   v ar io u s   co n tr o ller   tech n iq u es.  Ho w e v e r ,   th er e  ar e  s o m e  c h alle n g e s   i n   i m p le m e n ti n g   th e  co n tr o l te ch n iq u e s .   1.   Fo r   ex a m p le,   i m p le m e n tatio n   o f   co n v en t io n al  co n tr o ller s   ( P I D,   FLC)  f o r   in d u c tio n   m o to r   co n tr o l  r eq u ir e  s u itab le   p ar a m eter s   o f   i n d u ct io n   m o to r   w h ic h   ar e  d i f f icu l t  to   o b tain .   F u r t h er m o r e,   t h e   m at h e m atica l   m o d el s   u s ed   i n   co n v e n tio n al   c o n tr o ller s   ar e  h i g h l y   s e n s itiv e   to   th e  p ar a m eter   v ar iatio n .   A   s u d d en   c h an g e  in   lo ad ,   te m p er at u r e  o r   r ef er e n ce   s p ee d ,   w ill   d eter io r ate  th e   p er f o r m an ce   o f   t h e  co n tr o ller   [ 8 ,   1 4 ,   1 9 ,   2 0 ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.