Int ern at i onal  Journ al of  R obot ic s  and  Autom ati on (I JRA)   Vo l. 8 ,  No. 3 ,  S eptem ber   201 9,  pp.   174 ~ 183   IS S N:  20 89 - 4856,  DOI: 10 .11 591/ i jra . v 8 i 3 . pp17 4 - 183     174       Journ al h om e page :  http: // ia escore.c om/j ourn als/i ndex. ph p/IJRA   Optimi zation  an d comp arativ e analysis  of  PID   and  FOPID   co nt rolle r for  BL DC   m otor       P.   Vimala 1 , C.   R.   Bal amu ru gan 2 , A.   Subr am an ia n 3 , T.   Vishwan ath 4   1 ,3,4 Depa rtment   o f  EEE,   IFET   Col le ge   of Engineer ing,   Vi ll upura m ,   India   2 Depa rtment of  EE E ,   Karp aga m   Coll ege o f   Enginee ring ,   Co imbatore ,   Indi a       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   A pr   22 , 201 9   Re vised  Jun   24 , 201 9   Accepte d  J ul   10 , 2 01 9       The  FO PID   and  PID   con trol l er  are  design ed   to   con trol  the  spee d   of     the  BLDC  m oto r.   The  par ameters k p , k i ,   k d ,   λ   and   µ  of   th ese   cont ro ll er   a r e   opti m iz ed   b ase d   on   gen et i c   al g orit hm .   The  op t imize d   co eff icie nts  ke ep   in   tra ck   with  ze ro   err or  signa ls.  T he  outpu t  of   th e  con trol l er  is  g ive n  to  th e  var ia b le  dc  sour ce   whi ch  v aries  the   input   vo ltag e  to   th e  thr ee  ph ase   i nv erter  depe nding   on   th e  input  signal.   T he  thre e   ph ase   i nver te r   giv es  th e  vo lt ag e   to   the   BLDC  m otor  which  e nhanc es  th e  stabi lit y   of  t he  s y st em.     The   eff e ct iv ene s s of  the c on trol l e r  is de m onstra ted b y   sim ula t ion.   Ke yw or d s :   BLDC m oto r   FO P ID   PI D   Stabil it y   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   P.   Vim a la ,   Dep a rtm ent o f EEE ,   IF ET  Colle ge   of Enginee rin g,   Vill upur am , I ndia .   Em a il :  vi m a la .eee@gm ai l .co m       1.   INTROD U CTION   Brushle ss  dc  m oto r  has  wi ndin gs   in  t he  st at or   a nd   pe rm anen t  m agn et   in  the  ro t or.  A s  it   do es  not  hav e   brus hes  and  c omm uta t or  the   ef fici en cy   of  the   m ot or  inc reases  with  decr ea se   in  t he  ohm ic  loses .   Brushle ss  dc  m oto r  are  a va il able  in  si ngl e  phase,   tw o  and  th ree  ph a se  co nf i gurati on.  B ut  thre e   phase   config ur at io n  are  com m on ly   us e d.   Gen e rall y,  Hall   Ef fect  sens or s  a re  us e d  to  se ns e  t he  po sit io n  of   t he   ro t or .   But  in  this  proj ect   t he  r otor   posit ion   is  de te rm ined  f r om  excit at ion   c urren t  a nd  vol ta ge  acr os s   the  sta to r   windin gs .   The   BLDC  m otor  re quires   in ve rter  as   the re   is  no  brus h  an d  c omm ut at ion   a rr a nge m ent.     The  in ver te r  use s  transisto r  f or  lo w  dri ve  a ppli cat ion   a nd   T hyristo r  f or   high  po wer   dr i ves .  MOSF ET/D I OD E   switc hes   are   use d  i n  t he  i nv e rter.   The   c omm uta ti on   se qu ence  t o  t he  M OS FE T/D IOD E  de pe nds  on  t he  ro t or  po sit io n.  BLD C  m oto r  re qu ir e  le ss  m ai ntenan ce,  ge ner at e  le ss  noise ,  ha ve   low  ine rtia ,  hav e   hi gh  ef fici ency,   has  l ong o per at ing  li fe .    The  c on t ro ll er   is  us e d  to   im pr ov e  th e  dy nam ic   response  of  the  syst e m .   The  P I D   an d  F OPID   con t ro ll er   pa ra m et ers  are  t uned  by  gen et ic   al gorithm   [1 ] ,  m or e  opti m izati on   te c hn i ques  are   us e d  to   tun e     the  c oeffici ent s  ofF OPID   a nd  PID  c ontr oller  [ 2 ] .   I n  this   pap e r   the   proc ess  to   c on t ro l   is  s peed  of  the   BLDC  m oto r.   The   B LDC  m oto r  is   m od el ed  [ 3 ,  4 ] .  T he  F OPI D  c on t ro ll er  t r ansf e r  functi on  is  form ed  by   us in g  FO MC O N   to ol box  [ 5 ,  6 ] .  T he   ge netic   al gorithm   opti m i zat ion  to   tu ne   P ID  a nd  FOPID  is   done   by   su i ng   op ti m iz ation  to olbox.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   R ob  &  A uto m   IS S N:  20 89 - 4856       Op ti miz atio n a nd com pa r ativ e ana ly sis  of P ID   and F OPID  controll er fo r  BLD C  m oto r   ( P.   Vim ala )   175   2.   SPEE D CO N TROL O F BL DC M OTO R   The   bl ock  diagr am   for   sp ee d  c ontr ol  of  B LDC  m oto r   is  sh ow n  i n  Fig ure  1 .   T he  r oto r   posit io n  a n d  sp ee d  of  t he  B LDC  m oto r   is   com pu te d  f rom   the  volt age  and  c urren t   s upplied   t o  t he  sta tor   wi nd i ng s   of  BL DC   m oto r.   Eac h  phase win ding   is  excit e d  in   a   s equ e nce   to   r un  the   BLDC   m oto r.   T he  phase win ding o f   the  BLDC   m oto r  is excit e d  in  a se quence  b y se quence  c omm uta ti on   of the M OS FE T/DI ODE in  the i nv e rter   [ 7 ,  8 ] .           Figure  1 .   Bl oc k diag ram  o f  th e pro posed  sys tem       That  s witc hing   seq uen ce   is  gi ven   t o  the  i nverter   f ro m   posit ion   to   gate  s ign al   blo c k  a s  show n  i n  F igure  1.  T he   sp eed  of  the   BLDC  m oto r  is  directl y  propo rtion al   to  the  volt age.  T her e fore,  t o  con t ro l     the  sp ee d  of   t he   BLDC  m oto r,   the  i nput  vol ta ge  m us t  be  con t ro ll ed .  T he  sp ee d  com pu te d  is  com par e d  with   the  refe re nce  s peed   by  the  c om par at or   an d  t he  er ror  si gn al   is  ob ta ine d.   T he  er ror  si gn al   is  giv e n  as  in pu t  to   the  co ntr oller.   The   outp ut  of  the  c ontr oller  is  c on tr ol  sign al .   This   c on t ro l  si gn al   is  gi ven  as  i n pu t  t o    the v a riable  D C so ur ce .  T here by the  in pu t   DC volt age  is  con t ro ll ed   ba se d on the BL DC  m oto r  sp ee d.      2 . 1.     PI D  c ont rolle r:   The   PID   co ntr oller  c onsist s  of  the   propo rtion al ,   inte gr al   and  der i vative  con t ro ll e r.  H e  pro portion a l   con t ro ll er   giv e s  propo rtion al   re sp onse   of   the   in pu t   er ror   va lue.   T he   in te gr al   c ontr oller  is   pro port io nal  t o  m agn it ud e   a nd  the  durati on  of   t he  e rror.   It  i m pr oves  t he   set tl ing   po i nt  an d  el im inates  ste ady  sta te   error.     The  i nteg ral  t erm   giv es  res pons e   w hich   a lso  depen ds  on  t he   s um   of  pr e vious   er ror   val ues.  T he  s um   of    the  pr e vious  e r ror  value   is  m ulti plied   with  t he  gain   ki.   T he   de rivati ve   co nt ro l  giv es   the   s lop e   of  t he  e rror  f or  sp eci fied   du rati on   a nd  m ulti ples  it   with  the   gain   kd.   Th e  su m   of   this  pr oport ion al ,   int egr al   a nd  der i vative  con t ro l  giv es  t he  P ID c on tr ol le r.  T he  c on t rol  sign al   of P ID  con t ro ll er i n   ti m e d om ai n .     ( ) =   ( ) +   ∫ ( )  0 +      ( )      Takin g  La plac e trans f or m  o f a bove  e quat io n, the t ran s fer f unct ion o f PI D  c on t ro ll er is  g i ve n by,     ( ) =   ( ) ( ) =   +   +         Wh e re,   k p   is pr oport io nal g ai n,   k i   is i nteg ral  gain,   k d   is  der ivati ve  g ai n,   e (t)  is a n  e rror sig nal .   The  blo c k  diag ram   of   PID  c ontr oller  is  sho wn   i n  F i gure  2.  The  pa ram et e r  k p ,  k i , k d   ha ve  to   be  tun e d  by  us in g  ge netic   al gorithm .  T he  PID  c ontr oller  ca n  im ple m ent  in   MA TL A B/ Si m ulink   by  PI D   blo c k  a vai la ble  in conti nuous  tim e too lbox .           Figure  2 .   Bl oc k diag ram  o f  P ID   co ntr oller     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N : 2089 - 4856   I nt  J   R ob  &  A uto m ,  Vo l.   8 , No .  3 ,  Septem ber 2 019  :   174  –   183   176   2 . 2.     FOP ID  c on t rolle r   Fr act io nal  ord er  PID  c on t rol le r  is  com mo nly  in  th e  f or m   P I λ D µ .  In   this   the  integ rato r  an d  diff e re ntiat or   i s  in   the   or der  of  λ   an d  µ  res pecti vely   [ 9 ] .  The  ti m e  do m ai n  r ep rese ntati on  of  FOPI D  con t ro l   sign al  is ,     ( ) = ( ) +   − ( ) +   µ ( )     Wh e re ,   D − λ   -   F rac ti on al   orde r  i nt egr at or ,  D µ   -   F ra ct ion al   orde r  di ff ere ntiat or .  T akin g  La place  trans form   fo r   above e quat io n, the t ran s fer f unct ion o f FO PID c on t ro ll er is   giv e n by ,     ( ) =   ( ) ( ) =   +   +   µ     Wh e re,   λ  -   Order  of  inte gr at or ,  µ  -   Order  of  di ff e ren ti at or .  T he  blo c k  diagr am   of   FOPI D  c on t ro ll er  is   show n  in  F ig ure  3.           Figure  3. Bl oc k diag ram  o f  F OP I D  c ontr oller       3.   DESIG N OF  BL DC   MOT OR   The   r otor   an d  sh aft   of  the   BL DC  m oto r   is   as su m ed  to   be  ri gid   [ 10 ] .  The   m od e  is  as su m ed   as   ha v in g  visco us   fr ic ti on  m od el .  T herefo re  the  fr ic ti on   t orq ue  is  pr oport ion al   to   the  s haf t  a ngul ar  vel ocity .  Ba sed  on   New t on  sec ond  la w  a nd  Kirc hhoff ’s  vo lt a ge   la w,  th ree  phase  sta r   co nne ct ed  BL DC  m otor  ca n  be  de scribe d  by foll owin g  (1 - 4) .     = Ө + 2 Ө  2 +   (1)      = ( − ) + ( − )  +   −   (2)      = ( − ) + ( − )  +   −   ( 3)      = ( − ) + ( − )  +   −   ( 4)     Wh e re   T e , Ө m , b , J,  T L ,V , R,  L,  I,  e are  elec tric al  tor qu e , m echan ic al  r otati on al  s pe ed,   visco us  fri ct ion  const ant,  the  r otor  inerti a,  m echan ic al   loa d  tor qu e ,  phase   to  phase  vo lt a ge,   ph a se  resis ta nce,  phase  c urren t,   ph a se in duct an ce an d ph a se  ba ck  em f  res pec ti vely .   The v oltage a nd c urren t e quat ion  is  g i ven b y   (5 - 6) ,      +  +  = 0   ( 5)      +  +  = 0   (6)     To  sim plify t he  m od el ing ,  on ly  two   vo lt ag e  equ at io n  a re  ne ed,  t hey are   (7 - 8) .     2  +  = 3 + 3  +   2 − −   (7)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   R ob  &  A uto m   IS S N:  20 89 - 4856       Op ti miz atio n a nd com pa r ativ e ana ly sis  of P ID   and F OPID  controll er fo r  BLD C  m oto r   ( P.   Vim ala )   177   −  +  = 3 + 3  +   2 − −   (8)     The  t orqu e  g e ne rated  by the  B LDC m oto r  is  giv e n by   ( 9) ,     = ( + +   )  /  Ө    (9)     The  tra pez oid a l back em f  can  be writt en  as   ( 10 - 12)  :     =   2 Ө   ( Ө )   ( 10)     =   2 Ө   ( Ө − 2 3 )   ( 11)     =   2 Ө   ( Ө − 4 3 )   ( 12)     Wh e re ,  Ө   is t he back  em f  con st ant and elec tric al  an gle  res pec ti vely .     Ө = Ө     Tra( Ө e )  is t he  tra pezo i dal w a ve f or m  u nctio n  a nd  on e  p e rio d of t he fu nctio n  c an be  descr i be d  as  foll ow   (13) :     Tra ( Ө ) = {         1 ,                                                                   0 ≤ Ө < 2 3 1 − 6 ( Ө − 2 3 ) ,       2 3 ≤ Ө < − 1 + 6 ( Ө − 5 3 ) ,       5 3 ≤ Ө < 2   ( 13)     Substi tuti ng (1 0 - 12)  i n ( 9)  we  torq ue  as  f ollo ws  (14) :     =   2 [  ( Ө ) +  ( Ө − 2 3 ) +  ( Ө − 4 3 ) ]   ( 14)     The  a ngle  of t he  rotor an d spe ed of  the  ro t or  is relat ed  as  fol lows   ( 15 - 16) :     =   Ө    ( 15)     =   ( 16)     Wh e re ,     -   Ele ct rical   sp ee d,    -   Me cha nic al   sp ee d .   F r om   the  e qu at i on   ( 1)  an d  ( 15 ),  w e  get   the   sp ee d  equ at io n  a s (1 7) :     = − −    ( 17)     Fr om  ( 7) ,  The   current    is  giv e n  as   ( 18) :     =   2  +  − 2 + + − 3 3    ( 18)     Fr om  ( 8) ,  as      =   −  +  − 2 + + − 3 3    ( 19)     Fr om  ( 6) ,  The   current    is  giv e n  as   ( 20) :     = − −   ( 20)       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N : 2089 - 4856   I nt  J   R ob  &  A uto m ,  Vo l.   8 , No .  3 ,  Septem ber 2 019  :   174  –   183   178   4.   INV E RTER   TOPOL OG Y   The   in ver te r   use d  h e re  is   a  t hr ee   ph ase   in ve rter.   It   co ns is t  of  t hr ee   le g  and  si x  M OS F ET/DI O DE.    It  is  im ple m ented  by  us in g  unive rsal  bri dge   avail able  in   too l box.  T he  ga te   sign al   i n  t his  univ ersal  bri dge   decides  t he  M OS FE T  com m uta ti on . Th e  i nverter  is  s how n  in  F ig ur e 4   A nd  for   Ci rc uit  diag ram   of   dc  m oto r   is   sh ow n  in   F i gur e  5 .             Figu re  4. Th re e phase M OS F ET/DI O DE  i nv erter     Figure  5. Ci rcui t diagr am  o f   DC   m oto r       5.   SY STE M MO DELL ING   Transfe r  f unct ion o f  BL DC m otor: Usi ng K i r chho ff’s  vo lt ag e law   ( 2 1) ,     =  +   +   ( 2 1)     Wh e re  ,  R,  I,   L,  e  are  t he  source  volt age,  r esi sta nce  in  ohm ,  cur ren t  to  t he  m oto r,   in du ct ance  of  the  c oil,   back em f  resp e ct ively .   The  t orqu e  of t he dc  m oto r  from  second  la w of m ot ion  is  g i ven b y   (2 2 ) ,     = +  +   ( 2 2 )     Wh e re   , ,J, ,   are   the   el ect rical   t orq ue,  the   f rict ion  co ns ta nt,  t he  r oto r   i ner ti a   the   a ngular   ve locit y  an d  the s upposed   m echan ic al  loa d resp ect ively .  The  el ect rical  t orq ue  a nd the  back  em f  cou l d be  wr it te n  as ,     e =    and  =     Wh e re     is  bac k  em f  con sta nt  and     is  torque  const ant.   F ro m   equ at io n  ( 2 1)   and   ( 2 2) .  T he  trans fer   functi on  for dc m oto r  is  g ive n  a s   ( 2 3) :     ( ) = = 2  + (  + ) + +   ( 2 3 )     Con si der i ng th e f ollow i ng ass um ption ,   −   The frict io n  c onsta nt is  sm all ( = 0 )   −    ≫   −   ≫   And  m ulti plyi ng   by     × 1   in  ( 2 3) .  The  tra nsfer  fu nct ion o f dc m otor is  giv e n  as   ( 2 4) :     ( ) =   1 2 + + 1   ( 2 4)     Wh e re m echani cal  tim e con sta nt    =     Ele ct rical  tim e  const ant   =   But f or the BL DC m oto r       =  ∑      = ∑   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   R ob  &  A uto m   IS S N:  20 89 - 4856       Op ti miz atio n a nd com pa r ativ e ana ly sis  of P ID   and F OPID  controll er fo r  BLD C  m oto r   ( P.   Vim ala )   179   Ther e f or e,   si nc e  the re  is   a  sy m m e tric al   arr a ng em ent  an d  a   thre e  ph a se  t he   m echan ic al   and  el ect rical   c on sta nt  beco m e   ( 2 5) ,       =  3      = 3   ( 2 5)     Con si der i ng th e phase e ff ect   ( 2 6) ,       =  3 ( − ) √ 3   ( 2 6)     Wh e re ,  = ( − ) √ 3 .  From   the  MA XON  EC  45   FL AT  BLDC  m oto r  da ta sh eet ,  the  va lue  of  phase  r esi sta nce,  ph a se in duct an ce, roto r  ine rtia  and m echan ic al  tim e con sta nt  are  s how n  in   T able  1.       Table   1 .  M AXON EC  45 FL AT  BL DC m oto r  d at as heet   Para m eter   Sy m b o l   Valu e   Un it   Ph ase re sis tan ce     1 .2   Oh m   Ph ase in d u ctan ce   L   0 .56 0   Mh   Ro to r  in ertia   J   92 . 5 × 10 − 6    2   Mechan ical ti m e  co n stan t     1 7 .1   Ms       Subs ti tuti ng th e ab ov e  v al ues i n  ( 2 5) ,     = 155 . 56 × 10 − 3     Fr om  ( 2 6) ,   = 0 . 076   −   ,      Substi tuti ng th e v al ue s  of   ,  ,    in  ( 2 4) w e  g et  t he  tra nsfer  f unct ion   of BLDC  m oto r  as   ( 2 7) :     1 ( ) = 13 . 11 2 . 66 × 10 − 6 2 + 0 . 01 7 1 + 1   ( 2 7)     Transfe r  f unct ion o f  i nv e rter:   The  tra nsfer  fu nction o f  t he  in ver te r  is  giv e n as   ( 2 8) :     2 ( ) =  1 +    ( 2 8)     Delay  tim e    = 0 . 004        Gain  = 2   = 0 . 65 × 200 20 = 6 . 36     Ther e f or e   ( 2 9) ,     2 ( ) = 6 . 36 1 + 0 . 00 4   ( 2 9)     Finall y, the tra ns fe r funct io n of t he  syst em  i s g i ven b y   ( 3 0) ,     ( ) = 1 ( ) × 2 ( )     ( ) = 83 . 38 1 . 06 4 × 10 − 08 3 + 7 . 1 06 × 10 − 05 2 + 0 . 0 21 1 + 1   ( 3 0)     The param et ers  are t un e d f or   this sy ste m .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N : 2089 - 4856   I nt  J   R ob  &  A uto m ,  Vo l.   8 , No .  3 ,  Septem ber 2 019  :   174  –   183   180   6.   GENET IC  AL GOR IT HM   Gen et ic   al gorithm   is   an  optim iz at ion   te ch ni que.   This   te ch ni qu e   is  us e d  t o  t un e   the   par am et e r  of  PID   and F OP I D  c ontr oller   [ 11, 1 2 ] .  The flo wc ha rt of the  g e neti c algori thm  is sh ow n  in   F ig ure  6 .           Figure  6. Flo w char t  of g e neti c algori thm       It  is  an  it erati ve  process  with  the  popula ti on  in  eac h  it er at ion   cal le d  a  gen e rati on.  Fi r st  the  in it ia l  popula ti on   is  gen e rated .  T he   popula ti on   m ay   r ang e  from   hu ndre d  t o  th ousan d.   F ro m   the  popu la ti on     the  fitness   so l ut ion   to   each  i ndivid ual  is  c hosen  by  ob j ect iv e  functi on.   I n  the  sel ect io n  p r ocess  t he  po rtion  of   the  ex ist in g  popula ti on   is  s el ect ed.   I n  th e  cro ss over/m utati on ,  a  ne w  ge ner at i on   is  gen e rated.  Finall y,     it  ch ecks   w het her it  m ee t t he  crit eria.  I f  it  m eet s the cr it eria  it  g et s term inate  o the rw ise  t he  it erati on   re pe at s.     6 . 1.     Op timi z at ion  of  th e P I D and  FOP ID  using g enetic  algorithm   The   ge netic   a lgorit hm   can  be  im ple m ented  by  us in g  op ti m iz ation   t oo l box.  I n  F OP I D   tu ning    the  pa ram et er   , , ,  λ,   an d  µ  s ho uld   be  tu ne d  to   the  pr opos e d  s yst e m   [ 13 ] .  T he   fitness  functi on  sho uld   be   cal le d  as  @ ( x)  f un  nam e(x ) .  Th e  lo wer  a nd  up per   li m it  of  the  c os t  f un ct io n  is  sho wn  in  t he  T a ble  2 .     The param et er o f  g e netic  alg ori thm  is cho se n a s in   T able   3.       Table  2 .  L im it   of FOPI D para m et er   FOPID  para m ete r   Lower li m it   Up p er  li m it     0   2     0   2   Λ   0   1     0   2   µ   0   1       Table  3 .   C rite ria of  gen et ic  alg or it hm   Po p u latio n   200   Initial p o p u latio n   10   Selection   Sto ch astic u n if o r m   Mu tatio n   Co n strain t dep en d en t   Cro ss o v er   Co n strain t dep en d en t       In   PID  tu ni ng,   , ,   are  the   cost   functi on.  The   lim i t  of   P I D  c on t ro ll er  i s  c hose n  as  i n  T a bl e  4 .   Si m il arly   by  choosi ng   c rite ria  in  op ti m izati on   to olbo x  the  pa ram et er   are  tu nes   as   show n  in   T a ble  5.     The gra phic al  re pr ese ntati on i s g i ven  as s ho wn in Fi gure  7.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   R ob  &  A uto m   IS S N:  20 89 - 4856       Op ti miz atio n a nd com pa r ativ e ana ly sis  of P ID   and F OPID  controll er fo r  BLD C  m oto r   ( P.   Vim ala )   181   Table  4 .  L im it   of PID c ontr oller   PID  p ar a m e ters   Lower li m it   Up p er  li m it     0   2     0   2     0   2       Table  5 .   T une d value  of  par a m et er o f  c ontr oller           Λ   µ   PID   1 .98   1 .78 2   1 .86 9   1   1   FOPID   1 .90 4   1 .78 1 8   1 .70 6 1   0 .18 3 5   0 .22 1 7           Figure  7 .  Com par is on p l ot       The  gr a ph  ge ne rated  wh il e  t un i ng  the  par a m et er  of   F OPI D  co ntr oller  is   s how n  in   F ig ur e  8  a nd  f or   PI D   con t ro ll er is  shown i n  F i gure  9 .             Figure  8. F OP I D  ste p  re spo nse  b y  gen et ic  al gorithm     Figure  9. PID s te p  res ponse   by  g eneti c al gor it h m       7.   SIMULATI O N AND  RES U LT   The  sim ulati o n  m od el   of   th e  sp eed  c ontr ol  of   BL DC  m oto r  is  sh own  i n  F ig ur e  10.  The  PID   con t ro ll er   is  i m ple m ented  by   us in g  P ID  bl ock  avail able   in  MA TLAB .  The   tran sfe r  f un ct io n  of  FOPID  i s   gen e rated  b y  usi ng FO MC O N  to olbo x.   The  outp ut s peed r esp on se  for P I D  c on t ro ll er is   sh ow n  in   F i gur e 10 .   An   e xter nal  di sturbance  is  a pp li ed  t o  the  BLDC  m oto r   at   0. 5  se co nd.  The  P ID   c ontr oller  co ntr ols     the  in put  volt a ge  a nd  the   B LDC  m oto r   re aches  t he  ste a dy  sta te   at   8.5   seco nd.   Th us  the  s et tl ing   ti m e  of     the  BL DC  m oto r   us in g  PID   c on t ro ll er   is  8  s econd.   T he   out pu t   s peed  re spon s e  of  the   sy stem   du e   to   F OP I D   con t ro ll er is  shown i n  F i gure  11.   An   e xter nal  disturbance   is  ap plied  to   t he  BL DC  m oto r  at   0. 5  sec ond.  The   FO P ID  co ntr ol le r  co ntr ols  the  in put  volt a ge  a nd  the   B LDC  m oto r   re aches  t he  ste a dy  st at e  at   1.3   seco nd.   Th us  the  s et tl ing   ti m e  of     the  BLDC  m oto r  us in g  F OPID  c ontrolle r  i s  0.8  sec ond.   Ther e f or e  t he  set tl ing   tim e  of   the  s pee d  du e  to    the  F OP I D  c ontr oller  is  10. 5  ti m es  faster  than  t he  P ID  con t ro ll er.   Co m par ison   of   P ID   a nd  F OPI D  s peed  respo ns e is  sho wn in  F ig ur e  12.     0 0.5 1 1.5 2 2.5 PID FOP ID Kp Ki Kd λ µ Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N : 2089 - 4856   I nt  J   R ob  &  A uto m ,  Vo l.   8 , No .  3 ,  Septem ber 2 019  :   174  –   183   182         Fi gure  10 . S pe ed resp onse  du e to PI D  c on tr ol le r     Figure  11. Spe ed resp onse  du e to FOP ID c ontr oller           Figure  12. C om par ison   of PID a nd F OP I D spee d  re spo ns e       In  this  sect i on,  it   is   ex pl ai ned  the  res ults  of  resear ch  a nd  at   th e  sam e  tim e   is  gi ven     the  c om pr ehe nsi ve  disc us sio n.   Re s ults  can   be  presente d  in  F ig ur es ,  gr aphs,  T a bles  and   oth e rs  that   m ake     the r ea der u nd erstan d  easi ly   [ 14 ,   4 ] . T he dis cussion ca n be  m ade in  se vera l su b - c hap te rs.       8.   CONCL US I O N   The  F OPID  con t ro ll er  e nh ances  the  dy nam ic   resp on se  of   t he  B LDC  m oto r  com par ed  to    the  c onve ntio na l  PID   co ntr oller.  T he   set tl ing   ti m e  of  the   sp ee d  res ponse   is  ver y   fast   wh e n  we   us e   FO P ID  con t ro ll er.   S o  the  pe rfor m ance  of  the  F OPID  base d  s pee d  c on tr oller  is   bette r  a nd   e ffi ci ent.  Stabil it y  and   rob us tness   of  the  BLDC  m oto r  ca n  be  im pro ved.  S o  thi s  pro posed   co ntr oller  can   be   exten de d  to   ot he r   industrial  c on tr ol syst em .       REFERE NCE S   [1]   S.  W .   Khubalk a r,   A.   S.  Chopad e,   A.   S.  Junghar e  and   M.  V.   Aw are ,   "D esign   a nd  tuni ng  o f  fra ct ion al   ord er  PI D   cont roller   for  sp ee d  cont ro l  of   p ermane nt   m agnet  brushless  DC   m otor, "  2016  I E EE   Fi rs t  In te rna ti o nal   Confe ren c e   on  Control, Me a sur eme nt  and  In strum ent ati on  ( CMI) ,   Kolkat a ,   20 16 .   [2]   Xiaot i an  Li,  “ Model - Based  D esign  of  Brushless  DC  Motor  Control   and  Motion   Control   Model ling  for  RoboCup   SS L  Robots ,”   Te chnol ogy   and  C omm unic ati on ,   2 015.   [3]   Venu  Kishore  k adiy a la ,   Rav i  K um ar  ja to th,  sak e  poth al a ia h ,   “ Design  and   imple m ent at ion   of  fr a ct ion al   ord er  PI D   cont roller  fo r  Ae rofin  con trol s y s te m , ”   696978 - 1 - 4244 - 5612 - 3/09/$26.00  c   @ I EEE ,   2009 .   [4]   Dee p  Mukherjee ,   Ks hit ij R astogi ,   “ A  Perform anc e  Anal y sis  Bet w ee n  IOP ID  and  FO PID   C ontrol le r  on  A  Coupled   Ta nk, ”   In te rn at i onal   Conf ere n ce on  Inve n ti v e  S ystems   and  Contr ol ,   2017 .   [5]   Man.   K.   F ,   S.   Ta ng,   and  S .   Kw ong,   “ Gene t ic  Algori thms :  Conce pts   and   Applic a ti ons , ”   I EE E   Tr ansacti o ns     On Industrial   E l ec troni cs ,   Vol .   4 3,   No.   5,   Octob e r  519 ,   199 6.   [6]   Narm ada .   K  an d  M.   Arounass a la m e,   “ Design  a nd  per fo rm anc e   ev al u at ion   of   Frac ti on al  ORD ER  cont rol le r   f or  Brushless  DC  Motor, ”   In te rna ti onal  Journal  o n  El e ct ri cal   En gine ering  and   I nformatic s ,   Vol um e  6,   Num ber   3,   Septe m ber ,   2014 .   [7]   Alekse i   Te p lj ak ov,   Edua rd   Pe tlenkov  and  Juri   Belikov,   “ FO MCO N:  Frac ti o nal - Order   Mode li ng  and   Contro l   Tool box  for  MA TL AB, ”   MIX DES  2011,   18th  I nte rna ti ona l  Con fer ence  "M ixe d  Design  of  Inte gr at ed  C irc ui ts  an d   S y stems " ,   June   16 - 18,   Gliwi ce, P ola nd ,   2011 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   R ob  &  A uto m   IS S N:  20 89 - 4856       Op ti miz atio n a nd com pa r ativ e ana ly sis  of P ID   and F OPID  controll er fo r  BLD C  m oto r   ( P.   Vim ala )   183   [8]   Sundara vadi vu .   K,  B.   Arun,   K.   Sar ava nan ,   “ Des ign  of   Frac t ional   Order   PID   Cont roll er   for   Li qu id   Le v el  Contro l  o f   Spheric a l  T ank,”   IEEE  In te rna ti o nal   Conf ere n ce  on  Control S y st e m ,   Com puti ng  a nd  Engi n ee ring ,   2011.   [9]   Olunda y o   john   ogunto y inbo,   “ PID   cont rol   of  B rushless  dc  m ot or  and  ROBO T  tra j ec tor y   pl anning  and  sim uli nk  with  MA TL AB/ SIM ULINK , ”   Technol og y  and   C omm unic ati on ,   2 009.   [10]   Am ee r  L .   Sa le h ,   Adel   A.   Obed ,   “ Speed  Con trol  o f  Brushless  DC   Motor  base d   on   Frac ti on al  Order   PID   Contro ll er ,”   Inte rnational   Jo urnal  of  Comput er  Applications   ( 0975  –   8887)   Volum e  95 –   No.4 ,   2014.   [11]   W ojc ie chGi ern a cki ,   “ Nea r  to  Op ti m al   Design   of   µ   Frac t ional - Orde r  Speed   Controll er  (FO PID )  For  Multi rotor  Motor  Rotor  Si m pli fie d  Mode l,”   2016  In te rn at i onal   Conf ere n ce on  Unm anne d  Airc raf t   S y st ems ,   2016 .   [12]   Zhe   Yan ,   Kai   Li ,   Ch angqi   So ng,   li ng   He,  Ying y an  L i,   “ Tuni ng  and  Appl i ca t ion  of  Fra ct i onal   Order   PID   Control le rs , ”   2n d  Inte rn at ion al C onfe ren c e  on   Me asure m ent ,   Infor m at ion  and   Cont rol ,   2013 .   [13]   Vishal  Mehr a,  Sm rit i  Srivast ava,   and   Prag y aVa rshne y ,   “ Frac ti on a l - Order  PID   Con trol ler  Design   fo r  Speed   Contro l   of  DC Motor, ”  T hird  Int ern ationa l  Confer ence  on   Emerging  Tr end s in  Eng ineeri ng  and  T ec hnolo g y ,   2010.   [14]   W .   Li n   and  Z.  Chongquan,   "D e sign  of  opt imal  fra ctional - ord er  PID   cont rollers  using  par t ic l e  s warm   opti m iz ati on  al gorit hm   for   D C  m otor  s y ste m , "  2015  IEE E   Adv an ce d  In fo rm ati on  Techno logy ,   Elec troni c   and  Aut omat io n  Control  Confe r e nce   ( IAEAC) ,   Ch ongqing,   2015 ,   p p.   175 - 179 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.