TELKOM NIKA , Vol.11, No .4, Dece mbe r  2013, pp. 69 1~6 9 8   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v11i4.1039      691     Re cei v ed  Jun e  26, 2013; Revi sed Aug u st  17, 2013; Accepted Sept em ber 8, 201 Study of an Improved Fuzzy Direct Torque Control of  Induction Motor        Dong Ming* 1 , Tang Yong-qi 2 , Song Hai-liang 1 , Wang Bing-jie 2   1 Huna n Univ er sit y  of techn o l o g y , Z huz hou, C h in a   2 Huna n Institute of Engi n eer in g, Xi angta n , C h in a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 3309 02 740 @ qq.com       Abs t rak   Kend ali t o rsi l angs un g konv ensi ona l p a sti  akan  men gha silkan  riak tor s i kare na c a ra  estima s i   fluks-nya. Unt u k me ngatas i mas a l ah  ini, strategi kend al i  baru disaj i ka n pada  mak a l ah ini. Strateg i  ini   me ngk o m bi nas ikan k end ali  pe mb ag ian s e kto r  tegan ga n vek t or dan k end al i  logik a  fu z i   pa da p eng en dal i a n   torsi langs un g tradisi ona l. Pada mod e l ini, l ogik a  fu z i   me n gga bu ngka n  sudut fase dari  fluks, galat  fluks   dan g a lat torsi  sebag ai varia bel fu z i   da n me ngk elask a n  variabe l fu z i  i n i, agar men g opti m a l kan p ili h a n   vektor rua ng t ega ng an, da pad a saat ya n g  sa ma re gu la tor PID tradisi ona l di ga ntika n  de nga n re gu lator   fu z i . Has il si mulasi  me nu nju kkan ad anya  perb a ika n   yan g  signifik an at as tangg apa n torsi, peng ura nga n   riak torsi d an  strategi in me mi liki ki nerj a  y ang l e b i h b a ik  pada k o n d isi  din a m is d an stabil, terut a ma  di   daer ah kec epa tan rend ah.     Ka ta  k unc i :  torque ri ppl e; dire ct torque contr o l; fu zz y  co ntro l; vectors subdi vision; fu zz y  sp eed re gul ator       A b st r a ct   The conv enti o nal  direct torq u e  cont ro l w ill i n evitab ly pro duc e torqu e  rip p l e  beca u se  of its w a y of  flux estimates.  F o r the purpo se of handli n g  this probl e m , a new  control  strategy w a s p r esente d  in this   pap er. T h is strategy co mb ine d  subd ivid es control w i th  volt age vector a n d  fu zz log i c co ntrol in trad itio na l   direct torq ue c ontrol. In th is  mo de l, the fu zz y  l o g i co mb i ned th e p has ang le of th e flu x , the flux err o r an d   torque error a s  fu zz y  vari ab l e s and classifi ed these fu zz y  variabl es, in order to opti m i z e  the cho i ce of   voltag e spac e vector, and th e same time the traditi on al PID regul ator i s  repl ac ed by  a fu zz y  re gul ator.   Simulati on res u lts show  that,  a great  improv ement torque r e spo n ses , a gr eat reductio n  of torque rippl e s  is  achi eved  and t he strategy h a s  a better dyna mic a nd  stea dy  performanc e, espec ial l y in lo w - speed are a   Ke y w ords :  torque ri ppl e; dire ct torque contr o l; fu zz y  co ntro l; vectors subdi vision; fu zz y  sp eed re gul ator       1.  Introducti on  Dire ct torque  control (DT C ) technology wa s a new high performan ce variabl e freque ncy   spe ed-re gulat ing syste m  a fter vect or co ntrol.  The DT is cha r a c te rize d by the  absen ce of PI  regul ators, co ordin a te tran sform a tion s, curre n t regul ators an d PWM sign als. The DT C is a kind  of dire ctly on the analysis of t he sta t or co ordi nat e of in an  indu ction mot o r drive of the  mathemati c al  model. Acco rding to  a m o ment of torque e r ror e , and the stato r  f l ux error e sele ct a voltage of spa c vector to limit  torque e r rors and  stator  flux erro rs  wi thin a relativ e ly  small  zon e . This  cont rol  mode h a a  fast re spo n s e a nd a  si mple st ru cture. Ho wever,  this   method  ha a majo r d r a w back i s  that t he torque  rip p le, be cau s e   in a  sampli ng  peri od the  di rect  torque  control can only cho o se one  swit chin g vector voltage  to control th e amplitude  and  rotation  spe e d  of the stato r  flux [2], which i s  not  the  expecte d vector voltage. T h is i s  a key why  the stator a n d  torque  control have a larg e deviation.   Acco rdi ng to the conve n tio nal dire ct torque  control o f  defects a n d  deficien c ie s,  and to   improve the  perfo rman ce  of dynamic resp on se of  convention a l  direct torq u e  control, so me   studie s  h a ve  been  ca rri ed  out in the  pa st to increa se t he respon se  spe ed of to rq ue ste p   cha n ge.  The literatu r e [3] has de veloped a m e thodol ogy  o f  incre a si ng  the sele ction  of the voltage  vectors to 12 . But in this literature, the two hy steresis cont rollers  is  u s e d  in  the system, t h e   torque ri pple  in low speed area is still great. T he literature [4] has used fuzzy logic control to   repla c e th e h y stere s is to create th e swit che s  a c cordi ng to the exa c t value of th e torqu e  an flux  errors and h a s su cce ssful ly decrea s e d  the tor que ripple s . However the conve n tional PID was  still use d  in speed -loo p, the spe ed fo llo w wa s not go od eno ugh in  low-sp eed a r ea.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  Decem ber 20 13 :  691 – 698   692 This pa per a i med to take  advantage of fu zzy logi c techni que to solve the probl em mentione d ab ove. This pap er is used a fuzzy l ogic co ntrol to repla c e conventio n a l PID of speed- loop. Thi s  fu zzy logi c control ca n adj ust  torque  re al time a cco rdi n g  to the sp eed  error  and th spe ed rate of  chan ge. And  then anothe r fuzzy logi c combine s  the  pha se an gle of the flux,  the   flux error an d  torque erro r as fuzzy variable s  and cla ssifi cated the s e fuzzy variable s , in orde r to  optimize th e choi ce of voltage spa c e ve ctor. Thi s  sy stem has a g r eat flux and torqu e  follow,  and  improve s  the  robu stne ss of the system a l so.       2.  Principle s  of DTC  The coordinat e system of t he th re e-p h a s e stato r  ele c tromag net ic t o rqu e  of the indu ction  motor mathematical model:                                                                         (1)   whe r s  and  r  are the stato r  and roto r flux vectors,  p n is th e numbe r of the pole p a irs,  L is the synthe sis of a variety of inductan c e, and   is the angle of the stator flux vector and  the rotor flux vector.   From (1)  we  can get the  con c lu sion t hat t he elect r omagn etic to rque of the i ndu ction   motor is de ci ded by the multiplicat ion  cross of stator flux and ro tor flux, and the  amplitude of the   stator flux is a con s tant value,  the ampli t ude of rotor  flux is us ually  determine d by the load, so  the electrom agneti c  torqu e  of the induction motor  i s  decide d  by comp osed of  a stator flux  and   the roto r flux angle.  Howe ver the an gle  of roto r flux  can not be m u tated, we  can only u s e t he  voltage vecto r  to co ntrol th e angle  of the stator fl ux t o  cont rol the  electroma gne tic torqu e . Ma ke  the stator flux  walki ng thro ugh the ad dition of si x voltage vecto r s a nd make the stator flux sto p   throug h the addition of two  zero vecto r s. And we c an  use this meth od to make the stator flux to  run an d stop  repe atedly to achi eve the c ontrol of the e l ectro m ag neti c  torqu e .     2.1 Space v o ltage v ector s y nthesis and flux interv al subdiv i sion  In orde r to improve the  control pe rformanc e of the system effe ct, we ca n u s e spa c vec t or pulse width modulation (SVPWM), the s y nt hes i s  voltage vec t or  c a n be  any direc t ion at  any amplitud e. Based o n  this theory  we can  sy nthesi z e 1 2  workin g voltage vecto r s: six  traditional  wo rkin g voltage  vectors a n d  six sy nthesi z ed  workin g voltage vecto r s (30 de gre e each  voltage vector).  The new synt he si zed volta ge v e ctor is  sh ow n in Fig  1.Th e ba sic volta g e   vectors are solid line s  and  the synthe sized voltage ve ctors are da shed line s .       Figure  1. Synthesi z e d  voltage vecto r       31 31 sin 22 n ps p s Te n r n r LL     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Res e arch of NiMH Battery M odeling and Simulation Bas ed on Linear ...  (Chang-hao Piao)  693 3. Fuzzy  controller sch e m atics and d esign   Fuzzy co ntrol  method i s  a  kind of intell igent  co ntrol;  it can be i n  accordan ce  with the   controlle r’s in put automati c ally adju s t the corr e s pon ding  control  strategy, en a b ling fa ster a n d   more  accu rat e ly mimic the  experie nce  of experts , e s pe cially it can deal  with  impre c i s e mo del  and un ce rtain t ies. In this fu zzy   controller, the flux erro r E , the torque  error  Te E   and the  angle  of flux  are the  inputs, and t he output is t he sig nal of p o we r switch e s The Figu re 2  is sh own that the schemat i c  of fuzzy di rect torq ue co ntrol.          Figure 2 Fuzzy c ontr o ller  sc hematics    3.1 The opti on of fu zz y   variables   Fuzzy control  inputs are the corre s po n d ing  fuzzy langua ge, therefore we ne e d  to  b e   conve r sed the flux erro r, the torque de viation,  and the flux angle to  the corre spo ndin g  fuzzy   langu age. According to th e req u iremen ts of the cont rol, we  divide  the flux error into three  fu zzy   sets:  P for p o s itive, N fo r n egative, Z for ze ro.  We  divi de the to rqu e  error in to five fuzzy sets:  PB  for positive big, PS for positive  small, NB for negative big, NS fo negative sma ll, Z  for zero. In   orde r to m a ke the control  actually, we  divi de the a n gle of the flu x  into 12 sections  ( 11 2 ).  The output of  fuzzy co ntrol  is 12  synthe sized  workin g voltage vecto r     Figure 3 Flux deviation me mbershi p  dist ribution   Figure 4 Torq ue error m e m bership di stri bution   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  Decem ber 20 13 :  691 – 698   694     Figure 5 flux angle me mbe r shi p  dist ribut ion         Figure 6 fuzzy output members h ip dis t r i bution    3.2 The rule of fu zzy  control  Fuzzy co ntrol  inputs ate th e flux deviation, t he torque  deviation, flux angle, the ou tput is  the corre s p o n d ing switchin g sign al. The rule s of fuzzy control a r e:  :, , ii T e i i i k R if E A E B and N t he n n u    Whe r i A s t ands  for  the fuzzy s e ts  of the flux er r o r ,   i B  s t ands  for the fuz z y  sets  of the  torque e r ror,  i C stand s for the  fuzzy set s  of the angle of flux,  i N stan ds fo r the fuzzy set s  of  power switch es si gnal.   Referen c e vo ltage vector a nd flux angle  control expe ri ence ca n be  summ ed up 1 80  rule s. The tab l e 1 is sh own the rule s of fuzzy control      4. The desig n  of the fuzzy   speed reg u lator   For p r e c ise  control of spe ed, we mu st  add a spee d  feedba ck lo op. The conv entional  spe ed regulat or is  conve n tional PI D cont rol, but wh en  the exter nal environ ment cha nge o r   o u control req u irements  chan ge, t he PID  para m eters cannot be real -t ime cha nge s as our  cont rol   requi rem ents need. It has a very serio u s impa ct on  the control requireme nt we want. In this  pape r, we use fuzzy PI replace  the co nventional PID cont rolle rs,   so that the  para m eters o f  PI   can a d ju st au tomatically the external en vironme n t an d the cont rol requireme nt of the system.   In this pape r,  a rate of sp eed e rro r an d spe ed e rro r are fu zzy speed  cont roll er input and outp u t of fuzzy controller is t he  corre s po ndin g  PI param eters.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Res e arch of NiMH Battery M odeling and Simulation Bas ed on Linear ...  (Chang-hao Piao)  695 Table 1. Fu zzy control rule  table   E   Te E   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12       PL  5 6 7  10  11  12  PS  6 7 8  10  11  12  ZE  7 8 9  10  11  12  NS  10  11  12  1 2 3 4  NL  10  11  12  1 2 3 4 5      PL  6 7 8 9  10  11  12  PS  6 7 8  10  11  12  ZE  0 0 0 0 0 0 0  NS  10  11  12  1 2 3 4 5 6  NL  10  11  12  1 2 3 4 5 6      PL  5 6 7 8 9  10  11  12  PS  4 5 6 7 8 9  10  11  12  ZE  3 4 5 6 7 8 9  10  11  12  NS  12  2 3 4 5 6 7 8  10  11  NL  11  12  1 2 3 4 5 6 7  10        Figure 7 Spe ed error m e m bership di stri butio n   Figure 8 Rate  of speed e r ror memb ershi p   distrib u tion     The rul e s of fuzzy spe ed regulato r  are:        whe r i A stand s for the fuzzy  sets of the sp eed erro r,  i B  s t ands  for the fuzz y s e ts  of the rate of  spe ed erro r,  ki stand s for the  fuzzy set s  of the prop ortio n  para m eters,  kp stan ds fo r the fuzzy  sets of integ r ation paramet ers.     :, , , ii i i i i f Re Ae B t h e n k i I k p P   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  Decem ber 20 13 :  691 – 698   696     Figure 9. PI param eters m e mbe r ship di stributio n       The Tabl es 2 - 3 are sh own the ru le s of fuzzy spee d co ntrol.      Table 2 Th e rules of kp   e   e   NB NM NS  ZE  PS  PM  PB  M S M S M  M B  B M  M B  B M    Table 3. The  rule s of ki   e   e   NB NM NS  ZE  PS  PM  PB  S M B  S M B  M B  S M      5 .Sy s tem Simulation an d Analy s is   The pa ramet e rs of the ind u ction moto are:    -  Pn= 3 .7k w , U n= 460V,f= 50Hz -   Stator Re sist ance: 0.435 ,   Stator Induct ance:0.004 H,   -  Rot o Re sist a n ce:   0. 81 6 ,   Rotor Induc t anc e  0.004H,  -   Mutual Indu ctance: 0.069 H,   Sampling period of sy ste m :50  -   Moment of in ertia: 0.189 kg .m2   Pole pairs: 2.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Res e arch of NiMH Battery M odeling and Simulation Bas ed on Linear ...  (Chang-hao Piao)  697   Figure10. Fu zzy control direct  torque  co ntrol sy stem model     6.2  Simulation and An aly s is  Figures 1 1  a nd 12 sho w  the perfo rma n c e s  of  the sp eed re sp on se of the motor at 100  rad/sec  and no load for  conventional di rect torq ue control and fuzzy direct torque cont rol before   t=0.5s.An d  it clearly sho w n t hat the  fuzzy dire ct torque c ontrol has no u ndersh oot an d it  respon se m o re quickly than  conv entio nal  direct torque  control.       Figure 11. Co nventional  co ntrol sp eed  respon se   Figure 12. Fu zzy control sp eed re sp on se     Figure 13. Co nventional  co ntrol torq ue  respon se   Figure 14. Fu zzy control torque  re spo n se        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  Decem ber 20 13 :  691 – 698   698       Figure 15. Co nventional  co ntrol flux resp onse   Figure 16. Fu zzy control flux respo n se       Figures 1 3  a nd 14  sho w   the perfo rma n ce s of  the torqu e  re sp on se of the m o tor at  100rad/sec.  Whe n  the mo tor start s , the  starting  to rq ue and to rqu e  ripple i s  m u ch  smalle r than  conve n tional  method s, so  that it very h e lpful  to redu cing th start i ng current  of the moto r a nd  device syste m Figures 1 5   and 16 sh ow  the perfo rm ances  of th e flux ripple.  The fu zzy di rect  torque  cont rol  has very goo d static an d d y namic respo n se.       6. Conclusio n   Dire ct torque  cont rol i s  a  mode rn hi gh-per fo rman ce   AC speed  co ntrol meth od.  A fuzzy  logic ba se d  direct torqu e  control  system  is impl emented in this pape r to improve the  perfo rman ce  of conventio nal DT C system. This  co ntrolle r enabl es to the system to cho o se   optimal stator voltage vectors p r od uci n g the most suitable rate o f  torque cha n ge acco rding  to   the 12 fu zzy variabl es. S i mulation  re sults hav e  sh own th e effe ctivene ss  of the p r opo sed  method. The  fuzzy controll er makes  so me improvem ent in redu cin g  torque ri ppl es, faster torque   response, and stability  at very low speed.      Referen ces   [1]  Li Su. Direct to rque co ntrol of  ind u ction mo t o r. Beijin g: Mechan ical In dustr y Press. 19 94.   [2]  Z hang Ji yo ng, Liu  Xia n x in g, W ang Demi ng.  Improved  dire ct torque control for inductio n  motor sensor  less driv e.  Co mp uter Meas ur ement  & Contr o l.   2004; 1 2 (3) :  1-8.  [3]  Hua ng Z hen- xi ang, Guo Yan - w e n,L i ao Jia n - xi a.  Applic atio n of F l ux Section Sub d ivi d i n g Control in   DTC . Proceed i ngs of the CSU - EPSA. 2008.   [4]  He D e -hu a , Li u  Guo-ron g , W e i  T i n-ghua. Stu d y  of T o rque R i ppl e Mi nimiz a tion for  Direct T o rqu e  Co ntro l   of Inductio n  Motors.  Drive an d control . 20 11 ; 10.  [5]  Xi ao A n - w e n She Z h i-ti ng. A pplic atio n of F u zz y   Co ntrol T e chn o lo g y  i n  th e Direct T o rqu e  Co ntrol of  an  Inductio n  Moto r.  Journal of C han gsh a  Co mmu n ic ations U n iversity . 20 05;  21(2): 1-10.   [6]  Gao Shen g- w e i, W ang You-H ua, Cai Yan, Z han g Chu ang.  Rese arch on Red u cin g  T o rque Rip ple o f   DTC Fu zz y  L o g ic-b ased . 2 0 1 0  2n d Internati ona l Co nferenc e on  Adv anc ed  Computer  Con t rol  (ICACC) .   201 0; 2: 631-6 34..  [7]  YAN  Wei-She ng, LIN Hai, LI Hon g , Yan Wei.  Sensor less D i rect T o rque C ont rol l ed Driv e of  Brushless     DC Motor  bas ed  on  F u zz y    Log ic . 4th  IEEE  Conferenc e  on Industria l  Electron ics  an d  Applic atio ns   200 9.  ICIEA 2009: 34 11- 341 6.  [8]  T u rki Y. Abdall a , Haroutio n Antranik Hair ik, Adel M. Dakhil Minimi z a t i on  of T o rque Rip ple in DT C of  Inductio n  Moto r  Using  F u zzy  Mode  Duty  Cycle Co ntrol l e r . 201 0 1st Internatio nal  C o nferenc e  on     Energ y ,  Po w e r  and  Control  (EPC-IQ). 2010: 237-2 44.   [9]  Nur Hakima h Ab Aziz, Azhan Ab Rahman.   Simul a tio n  on  Simul i nk AC4  Model (200 hp  DT Inductio n   Motor Drive) using Fu zz y  L o g ic Contro ller .  Internationa l Confer ence o n   Computer Ap plicati ons an Industria l Elect r onics (I CCAIE ). 2010: 55 3-55 7.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.