TELKOM NIKA , Vol.14, No.1, Marc h 2016, pp. 1~ 3  ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i1.3110    1     Re cei v ed  De cem ber 3, 20 15; Re vised  Febr uary 10,  2016; Accept ed Feb r ua ry  22, 2016   Editorial      High-Speed Computation using FPGA for Excellent  Performance of Direct Torque Control of Induction  Machin es      Tole Sutikno * 1 , Nik Rum z i  Nik Idris 2 , Auzani Jidin 3   1 Departme n t of Electrical En gi neer ing,  F a cult y of Industri a l  T e chnolog y,    Univers i tas Ah mad Da hla n  (U AD), Yog y akart a , Indon esia   2 UT M Proton Future Driv e La borator y, F a cul t y  of Electrica l  Engi neer in g,   Univers i ti T e knolo g i Mal a ysia  (UT M ), Johor, Mala ysi a   3 Departme n t of Po w e r Electro n ics an d Drive s , F a cult y  of El ectrical En gin e e rin g ,   Univers i ti T e knikal Mal a ysi a  Melak a  (UT e M), Malacca, Mal a y s ia   *Co rre sp ondi ng autho r, email: tole@e e . uad.ac.id       A b st r a ct  T he major  pro b le ms i n  hyst eresis-b ase d   DT C are hi gh  torque ri ppl e  and var i ab le  sw itching  freque ncy. In order to mini mi ze the torqu e  ri ppl e, hig h  sa mplin g ti me a nd  fast digital r eal i z a t i on sh ou ld  be  app lie d. T he  hig h  sa mp lin g  and fast d i git a l re ali z at ion t i me ca n be  a c hiev ed by  uti l i z i n g h i gh-s p e e d   process o r w h e r e the  o perati o n of t h e   discr ete hyster esis  re gul ator is  b e co mi ng  si mi lar to  the  op erati on  o f   ana log- bas ed  compar ator. T h is ca n be  ach i eve d  by ut i l i z i ng fie l d pr ogra m ma ble  gate  a rray (F PGA) whic h   can  perfor m   a  sa mp lin g  at  a very  hi gh  s pee d, co m par ed to  the  fact  that d e ve lop i ng  an  ASIC c h ip  is  expe nsive and lab o rio u s.    Keyw ords: ASIC, direct torqu e  control, F P GA, torque ripp le , variabl e sw itchin g frequ ency     Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       The sig n ifica n ce s of having a high co ntrol ban dwi d th with high sampli ng freq uen cy in   algorith m  co mputation a r e to provid e  a qui ck  in sta n taneo us  re spon se, imp r o v ed linea rity and  ac cur a cy   of  c ont rol sy st em s.   I n   the ca se  of the hysteresi s  torq ue  controlle r for t he Di re ct Torque   Control (DT C ) drive  syste m , the suffici ent num b e r  of sampli ng i s  nee ded fo r controlling t h e   torque in a hy stere s i s  ban d .  This is to ensure pr o p e r  restri ction an d  regulatio n of torque  with the   hystere s i s  ba ndwi d th [1]. Ideally, the output to rque  ripple  can be  minimized b y  reduci ng the  width of  the hystere s i s  ba nd  of  th e  co mparator.  Ho wever,  in  pra c tice  with  the  use of  Digit a l   Signal Pro c e s sor (DSP), this cannot b e  accomp li sh ed due to in sufficie n t sa mpling freq u ency.  One  way to  o v erco me thi s   probl em i s  to  apply a Fi eld  Programma bl e Gate A r ray (FPGA)  whi c h  can p e rfo r m the com putati on of cont rol algorith m  at high rate [2-4].   The potential  of poor linea rity and accu racy, par ti cula rly in compl e x calcul ation s  can be   minimized u s ing a high -sp eed digital  signal proc essor (DSP) or fi eld pro g ram m able gate a rray  (FPGA).  DS P and FP G A  are t w o  comm on  con t roller  boa rd s u s ed  in e x ecuting  co n t rol  algorith m s of  electri c al a n d  power el e c troni c  d r ives. DSP is pre f erable to b e  employed f o r   executin g co ntrol algo rith m which involves  trigo n o m etric fun c ti ons, comple x numbers and   v e ct or s.  FP G A  is kno w n  as lo wer  co s t  cont ro ll er b oard, h o wev e r the exe c u t ion of control  algorith m   whi c h  i s  written  usin g  a ma chine cod e   ( i .e . VH DL  an d Ve r ilog )  is   hig h l y co mp lex .       FPGA is  also  kn own a s  a n  integrated  ci rcuit  wh i c h  is ele c troni cally  field-p r og ra mmed  hardware   to execute a n y functio n .  Unli ke  DSP, FPGA  sup p o rts pa rallel   comp uting,  so differe nt ta sk  operation s  d o  not have t o  com pete fo r the  same  reso urce s. Ea ch o peration  is a ssi gne d to a  devoted  se cti on a nd  can  functio n  ind e p ende ntly, wi thout a n y influ ence fro m  ot her l ogi c bl ocks.     Thus, the pe rforman c e of one pa rt of the applicati on  is not affecte d  when oth e r  task o peratio n is   adde d. In co ntrast,  DSP follows the  pa radig m  of  se quential execution,  sh are the resource   and   hen ce the pe rforman c e of o ne task ope ra tion affects ot her op eration  too [5-6].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  1 – 3   2 In such  operation, FPGA  prov ides some  advantages such  as f l exibility in arranging  comp one nts and additio n a l   functio n s. T he cu rre nt  FP GA technol og ies  allo w fo r t he inte gratio n  of  s o ft-c o re  pr oc es so rs , as   w e ll as   r e a l iza t io n  o f   seve ral p r o c e s sors si multan eo usly. Furth e rmore,  the de sign er can  apply  many re ady-t o-u s e  com p o nents whi c h are well -kno wn  a s   intell e c tual  prop ertie s  (IP ) . The usage  of IP-cores re duces  the d e v elopment works an d thus may contrib u t e   for reduc i ng cos t s  [5-7].  Figure 1 ill ust r ates the  occurren ce  of un der sho o ts  fo r  two different sampli ng peri ods  T s1   and  T s2  (w here  T s1  <  T s2 ).  If the sam p lin g is too  large  the torq ue e r ror may tou c h   the lower  ban d  and  cau s ing  the reve rse  voltage vect ors to  be  se lected [8 -12].  Selection  of these  reve rse  voltage vect ors  ca uses t he unn ecessary increm en t in the torq ue rip p le. To rque  hystere s is  comparator  switchi ng usually gov erns  the VSI switching frequenc y. This  can  be illust rated by  the discretized ele c tro m a gnetic to rqu e  wavefo rms  that operate  unde r di fferent stea dy-st a te  c o nd itio ns  a s   s h ow n  in  F i gu r e  2 .           Figure 1. The  occurren ce o f  undersho o ts for two different sampli ng  perio ds  T s1  a nd  T s2  (wh e re   T s1  <  T s2 ).          Figure 2.  An illustratio n  of pro c e s sor  with variable  sp eed, that is, (a) low,    (b) mid d le an d (c) high  spe e d       This fig u re  sh ows the to rqu e  wa veforms  with  the s a mpling  time,  ∆ T, at three  different   operating spe eds, i.e. low-,  middle- an d high-sp eed. The  voltage vectors  ar e selecte d  at every  sampli ng p e ri od  ∆ T b a sed  on the  com pari s on  between the  refe rence an d cal c ulate d  torqu e ,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       High-Speed Comput ation  us ing FPGA for Exc e llent  Performanc e  of Direc t... ( Tole Sutik n o )  3 whi c h i s  al so  cal c ulate d  for every sampli ng pe riod. If t he samplin g  perio d i s  too l a rge, th e torq ue  waveform excee d s the  ba nd and thu s   cau s e s  the  selectio ns of i napp rop r iate  voltage vecto r s.  Since th e p o s itive sl ope  o f  the torque i s  too  ste ep, t he  sampli ng  perio d i s  n o t  small  eno ugh  to  avoid the torque waveform from touching the u p p e r hyste r e s is band. Thi s   incid ent ca n be   avoided by re duci ng the sa mpling pe riod .  The small sampling peri o d  can  be achieved  by  utilizing high-speed  processor where  the  operation of  the discrete  hystere s i s  re gulator  i s  b e c omin g si mil a r to the  ope ration of  anal og- based comp a r ator. Th e hig h -spee d processor i s  al wa ys refe rre d to the use of F P GA, in which   the comp utation of control  algorith m  can  be perfo rm ed at very min i mum sam p li ng time, i.e. i n   nano -second.  From Figu re  2, it is  clear that the rapid torque red u ction du e to the selectio n  of  reverse volta ge vector  can  be avoided if  the  samplin g  time is greatl y  reduced u s i ng FPGA.      Referen ces   [1]    D Casa dei, G Grandi, G Serra,  et al.   Sw itching strate gies i n  dir e ct torque co ntrol  of inducti o n   mac h i nes . In ICEM 94. F r anc e. 1994: 2 04-2 09.   [2]    T Sutikno, N Nik Idris, A Jidin,  et al.  An  Improved F P GA Implem entatio n o f  Direct  T o rque  Control for   Inductio n  Mach ines.  IEEE Transactions on Industrial Informatics.  2013; 9( 3): 1280- 12 90.   [3]    IM Alsof y ani, NRN Idris. Simp l e  F l u x  Re gul ati on for Improvi n g State Estimation at Ver y   Lo w   a nd Z e r o   Spee d of a S p eed S ens orles s  Direct T o rque Co ntrol of a n  Inductio n  Mot o r.  Power Elec tronics, IEEE  T r ansactio n s o n .  2016; 3 1 (4): 302 7-30 35.   [4]    T  Sutikno, AZ Jidi n, A Jid i n ,  et al.  F P GA Based  Hi gh  Performanc e  T o rque an d F l ux Estimator.   Internatio na l R e view  of Electri c al Eng i ne eri n g.  2011; 6( 1): 207-2 14.   [5]    R Joost, R Sal o mon. Adva nta ges of F P GA-based mu ltiproc e ssor s y st ems in in dustria l ap plicati ons. 6    [6]    E Monm asson,  L Idk haj ine,  MW  Naou ar. F P GA-based  C ontrol l ers.  In dustri a l  Ele c tro n ics Ma ga z i ne ,  IEEE.  2011; 5( 1): 14-26.    [7]    E Monmasso n, MN Cirstea. F P GA Design Method olo g y  f o r Industria l C ontrol S y stems :  A Revie w .   Industria l Elect r onics, IEEE Transacti ons o n .  200 7; 54(4): 18 24-1 842.   [8]    D C a sad e i, G  Serra, A T ani.  Ana l y t ical  i n v e stigati o n  of to rque  a nd fl u x  r i ppl e  in  DT C schemes  fo r   ind u ction mot o rs. 2: 552-55 6.  [9]    NRN Idr i s. Improve d  D i rect  T o rque Co nt rol of In ducti o n  Motor.  En er gy Co nversi on . Univers i ti  T e knologi Ma la ysi a , Johor Ba hru. 200 0.  [10]    A Jidin. Impro v ed D y n a mic  Performanc e  o f  Direct T o rque Contro l of Inducti on Mac h ines.  En ergy   Conv ersio n . Universiti T e knol ogi Ma la ysi a , Johor Ba hru. 20 10.   [11]    T  Noguch i , M Yamamoto, S Kond o,  et al.  High fre que nc y s w itch in g op er atio n of PW M inverter for  direct torqu e  control of in ducti on motor. 1: 77 5-78 0.  [12]    T Chuen L i ng,  NRN Idris, AHM Yatim.  T o rque ri ppl e red u ction i n  direct  torque contro l  of inductio n   motor drives. 8 8 -94.          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.