I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   4 A u g u s t   201 7 ,   p p .   1 7 6 0 ~ 1 7 6 9   I SS N:  2088 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v7 i 4 . p p 1 7 6 0 - 1769          1760       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   A Si m pli fied  S pee d Contro O f  Ind uction  M o tor ba s ed on a   L o w   C o st F PGA       L o t f i C ha ra a bi I btihel  J a ziri   De p a rte m e n o f   El e c tri c a l   En g in e e rin g ,   L . S . E - ENIT ,   u n iv e rsité T u n is  El   M a n a r   B P   3 7   EL   Be lv é d è r e ,   1 0 0 2   T u n is,   T u n isia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J an   1 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Ma r   1 6 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   Ma r   3 0 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e in v e stig a te th e   d e v e lo p m e n o f   a   si m p li f ied   sp e e d   c o n tro o f   in d u c ti o n   m o to b a se d   o n   i n d irec t   f ield   o rien ted   c o n tr o (F OC).  A n   o rig in a l   PI - P   c o n tr o ll e is  d e sig n e d   to   o b tain   g o o d   p e rf o rm a n c e s   f o sp e e d   trac k in g .   Co n tr o ll e c o e f f icie n ts  a re   c a rrie d   o u w it h   a n a ly ti c   a p p ro a c h .   T h e   a lg o rit h m   is  im p le m e n ted   u sin g   a   lo w   c o st  F ield   P r o g ra m m a b le  Ga te  A rr a y   (F P GA ).   T h e   i m p le m e n tatio n   is  f o ll o w e d   b y   a n   e ff i c ien d e sig n   m e th o d o lo g y   th a t   o f fe rs  c o n sid e ra b le  d e sig n   a d v a n tag e s.  T h e   m a in   a d v a n tag e   is  th e   d e sig n   o f   re u sa b le  a n d   re c o n f ig u ra b le  h a rd w a r e   m o d u les   f o th e   c o n tro o f   e lec tri c a l   s y ste m s.  Ex p e ri m e n tal  re su lt c a r ried   o n   a   p ro to ty p in g   p latf o r m   a r e   g i v e n   to   il lu stra te t h e   e f f icie n c y   a n d   th e   b e n e f it s o f   th e   p ro p o se d   a p p ro a c h .   K ey w o r d :   Desig n   e f f icien c y   FOC   FP GA   I n d u ctio n   m ac h i n e   P I   c o n tr o ller     Co p y rig h ©   2 0 1 7   In stit u te o 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 rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   L o tf i C h ar aa b i,    Dep ar te m en t o f   E lectr ical  E n g in ee r in g ,   L . S.E - E NI T ,   u n iv er s ité  T u n is   E l M an ar     B P   3 7   E L   B elv éd èr e,     1 0 0 2   T u n is ,   T u n is ia.   E m ail:lo t f i.c h ar aa b i@ e n it.r n u . tn       1.   I NT RO D UCT I O N   T h Field   Or ien ted   C o n tr o ( FOC )   o r   v ec to r   co n tr o h a s   s ee n   r ap id   ex p an s io n   i n   r ec en t   y ea r s .   T h e   FOC   ca n   b u s ed   to   v ar y   th e   s p ee d   o f   a n   i n d u ctio n   m o to r   o v er   w id r a n g e.   I w as   i n it iall y   d ev elo p ed   b y   B lasch k e   i n   t h b eg in n i n g   o f   1 9 7 0 s   [ 1 ] .   T h FOC   ca n   b e   i m p le m e n ted   i n   t w o   w a y s   I n d ir ec an d   D ir ec t   co n tr o s ch e m e.   T h tech n iq u d escr ib ed   in   th is   w o r k   is   b ased   o n   in d ir ec FOC   b ec au s th er is   n o   d ir ec ac ce s s   to   th e   r o to r   cu r r en ts .   I n d ir ec v ec to r   co n tr o o f   th e   r o to r   cu r r en ts   is   ac co m p lis h ed   u s i n g   t h f o llo w i n g   d ata:   a.   R o to r   m ec h a n ical  v elo cit y   b.   I n s ta n tan eo u s   s tato r   p h ase  cu r r en ts   c.   R o to r   elec tr ical  ti m co n s tan t   T h m o to r   m u s b eq u ip p ed   w it h   s tato r   cu r r en t s   s en s o r s   an d   r o to r   v elo city   f ee d b ac k   d ev ice.   T r a d itio n al  in d ir ec t v ec to r   co n tr o l c o n s is t s   o f   th te n   b lo ck s   [ 2 ] [ 3 ] :   a.   C lar k f o r w ar d   tr an s f o r m   b lo c k   b.   P ar k   f o r w ar d   an d   in v er s tr an s f o r m   b lo ck   c.   R o to r   f lu x   an g le  es ti m ato r   b lo ck   d.   T h r ee   P I   co n tr o ller   b l o ck s   e.   Field   w ea k e n in g   b lo ck   f.   SVM  b lo ck   T h is   p ap er   p r esen ts   s i m p li f ie d   s p ee d   co n tr o l o f   in d u ctio n   Mo to r   w h ic h   co n s is t s   o f   o n l y   s ix   b lo ck s :   a.   C lar k i n v er s tr an s f o r m   b lo c k   b.   P ar k   in v er s tr a n s f o r m   b lo ck   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A   S imp lifi ed   s p ee d   C o n tr o l O f I n d u ctio n   mo to r   b a s ed   o n   a   l o w   co s t F P GA   ( Lo tfi  C h a r a a b i )   1761   c.   R o to r   f lu x   an g le  es ti m ato r   b lo ck   d.   On P I - P   co n tr o ller   b lo ck   e.   Field   w ea k e n in g   b lo ck   f.   H y s ter e s is   b lo ck   Mic r o p r o ce s s o r s   an d   Dig ital  s ig n al  P r o ce s s o r s   ( DSP )   b ased   s o lu tio n s   ar av ailab le  f o r   d ig ital  AC   m o to r   co n tr o ap p licatio n s   l ik DSP I C   f a m il y   f r o m   Mi cr o ch ip   [ 4 ] ,   T MS3 2 0 C 2 4 x   f a m il y   f r o m   T ex as   I n s tr u m e n t s   [ 5 ]   an d   ST M3 2   f a m il y   f r o m   ST Mic r o elec tr o n ics  [ 6 ] .   Nev er t h eles s ,   h ar d w ar e   s o lu t io n s   s u ch   as   FP GAs  h a v alr ea d y   b ee n   u s e d   w it h   s u cc es s   i n   A C   m o to r   co n tr o an d   d r iv ap p licatio n s   s u ch   a s   p u l s w id t h   m o d u latio n   ( P W M)   [ 7 ] ,   [ 8 ] ,   D ir ec t T o r q u C o n tr o l o f   in d u ct io n   m o to r   [ 9 - 1 1 ]   an d   FOC   [ 1 2 ] [ 1 3 ]   d r iv es.    I n   th i s   p ap er ,   s i m p lif ied   s p e ed   co n tr o o f   an   in d u c tio n   m o to r   b ased   lo w   co s FP G A   is   p r o p o s ed .   T h FP GA  i m p le m e n tatio n   i s   o u tlin ed   b y   a n   ef f icie n t   d esi g n   m et h o d o lo g y   w h ic h   is   b ase d   o n   m o d u lar it y   a n d   r eu s ab ilit y   co n ce p ts   [ 1 4 ] [ 1 5 ] .   T h m aj o r   b en ef it  f o r   u s i n g   F P GA   is   t h ac h ie v e m e n o f   th d ig ital  co n tr o alg o r it h m   w i t h in   f e w   µ   s ec o n d   [ 1 6 ] .   T h ca lcu latio n   ti m e,   i n clu d i n g   th A /D  co n v er s io n   ti m o f   2 . 4   µs,  f o r   th p r o p o s ed   F P GA  b ased   co n tr o ller   is   o n l y   eq u al  to   3 . 1 3 5   µs.  So ,   f o r   2 0   KHz   p o w er   co n v er ter ,   th d i g ital  c o n tr o f ee d b ac k   ca n   b ap p r o x im ated   q u ite  clo s el y   to   an   an a lo g u o n b ec a u s t h e f f ec t s   o f   s a m p lin g   a n d   d ela y   i n   t h f ee d b ac k   lo o p   ar s m all  co m p ar ed   to   th p r o ce s s   ti m s ca le  i m p r o v i n g   th er e f o r th p er f o r m a n ce s   o f   th co n tr o l.   T h f ir s s ec tio n   w ill  d etail  th s i m p li f ied   s p ee d   co n tr o s tr a teg y   o f   a n   in d u ct io n   m o to r .   T h is   s tr ate g y   is   b ased   o n   i n d ir ec FO C .   T h s ec o n d   s ec tio n   w il p r esen t   th h ar d w ar ar c h itect u r d esig n   b ased   FP G A.   Fin all y ,   i n   t h ir d   s ec tio n ,   s o m ex p er i m e n tal  r es u lts   ca r r ie d   o n   p r o to ty p in g   p lat f o r m   will  b s h o w n   f o r   t h e   v alid atio n   o f   th d ev elo p ed   co n tr o l s y s te m .       2.   SI M P L I F I E SPE E CO N T RO L   S T RA T E G Y   2 . 1 .   P rinciple o f   t he  P ro po s ed  C o ntr o S t ra t eg y   T h w ell - k n o w n   d is cr ete - ti m e   m o d el  o f   s q u ir r el - ca g i n d u ctio n   m o to r   in   th d q   r e f er en c f r a m i s   u s ed   f o r   t h is   s tu d y .   T h v o lta g e,   th s tato r   f l u x   li n k a g an d   t h elec tr o m a g n e tic  to r q u E q u atio n s   e x p r ess ed   in   th r o to r   r ef er en ce   f r a m ( d - q   co o r d in ates,  w it h   d - a x is   l in k e d   to   th in d u cto r )   ar e:        = (   +               )    +              (         +                )         (1 )        = (   +               )    +              + (         +               ) ...         ( 2 )        =   =      +           (     )                  ( 3 )        =   =      +           (     )                ( 4 )        =      +                      ( 5 )        =      +                      ( 6 )        =      +                      ( 7 )        =      +                      ( 8 )         =           (             )               ( 9 )     (     ) =                      ( 10 )                +     =                         ( 11 )     W h er R s   is   th s tato r   r esis ta n ce ,   R r   is   th r o to r   r esis tan ce ,   L m   th s tato r /r o to r   m u t u al  in d u ctan ce ,   L s   an d   L r   th s ta to r - r o to r   in d u ct an ce s ,   p   th n u m b er   o f   p o le  p air s ,   ω e   th elec tr ical  v elo city ,   ω r   is   th an g u lar   v elo cit y   o f   t h r o to r ,   ω sl   is   t h e   s lip   v e lo cit y ,   u s d   a n d   u s q   th e   d - q   co m p o n e n ts   o f   t h s ta to r   v o ltag e,   i sd   an d   i sq   th d - q   co m p o n e n ts   o f   t h s tat o r   cu r r en t,  u r d   an d   u r q   th d - q   co m p o n en ts   o f   t h r o to r   v o lta g e,   i rd   a n d   i rq   th e   d - Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 A u g u s 2 0 1 7     1 7 6 0     1 7 6 9   1762   q   co m p o n en ts   o f   t h r o to r   cu r r en t,  ψ sd   an d   ψ sq   th d - q   co m p o n en t s   o f   th s tato r   f l u x   lin k a g ,   ψ rd   an d   ψ rq   th e   d - q   co m p o n en ts   o f   t h r o to r   f lu x   li n k a g a n d   T th elec tr o m ag n etic   to r q u e.   T h r o to r   f lu x   is   al lo w ed   to   b e   alig n ed   w i th   t h d - a x is   s o   th at        =                         ( 12 )     T h is   co n s tr ain t c an   b r ep r esen ted   b y   th v ec to r   d iag r a m   i n   Fig u r e   1.           Fig u r 1 .   I n d u ctio n   m ac h in v ec to r   d iag r am   w i th   ψr q   s et  to   ze r o       Settin g   ψ rq   to   ze r o   in   E q u atio n s   ( 9 ) ,   th n e w   to r q u E q u atio n   b ec o m es.         =           (       )                   ( 13 )     I f   E q u atio n s   ( 3 )   an d   ( 7 )   a r co m b in ed   u s i n g   t h co n s tr ain t ( 1 2 ) ,   th r o to r   f lu x   E q u atio n   b ec o m e s        =                                      ( 14 )     W h er s   d en o tes th d i f f er en ti al  o p er ato r   d /d an d   τ r   th r o to r   ti m co n s ta n t.    E q u atio n   ( 1 4 )   im p lie s   th a t th r o to r   f lu x   d ep en d s   o n l y   o n   t h e   s tato r   cu r r en t.   I f   E q u atio n s   ( 4 )   an d   ( 8 )   a r co m b in ed   u s i n g   t h co n s tr ain t ( 1 2 ) ,   th s lip   v elo cit y   b ec o m e s        =                                     ( 15 )     Usi n g   E q u atio n s   ( 6 )   an d   ( 1 0 )   n e w   s lip   v e lo cit y   E q u at io n   c an   b d ef in ed        =                                       ( 16 )     So ,   th s lip   an g le  is   e s ti m ated   b y   t h f o llo w in g   r elatio n :          =                    +                          ( 17 )     W h er θ sl0   is   th i n itial  s lip   an g le  w h ich   ca n   b s et  to   ze r o   E q u atio n   ( 1 0 )   g iv es         =     +      =                    +                     ( 18 )     Usi n g   E q u atio n s   ( 2 ) ,   ( 6 )   an d   ( 1 5 ) ,   th q - co m p o n e n s tato r   v o l tag u s q   ca n   b ex p r ess ed   w it h   i sd i sq   an d   ψ rd        = (   + 2               )    +              + (         )             ( 19 )       Stato r   f r a m e   R o to r   d - ax i s   q - a x i s     ω r   ω e   ω e   θ sl   θ e   θ r   ψ r   i s   i sq   i sd   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A   S imp lifi ed   s p ee d   C o n tr o l O f I n d u ctio n   mo to r   b a s ed   o n   a   l o w   co s t F P GA   ( Lo tfi  C h a r a a b i )   1763   Fo r   th is   co n tr o s tr ateg y ,   th d - co m p o n e n s tato r   cu r r en is d   is   i m p o s ed   to   o b tain   th n o m i n al  to r q u e.   Su b s eq u e n tl y ,   b y   E q u a tio n   ( 1 4 ) ,   th d - co m p o n e n o f   t h r o to r   f lu x   li n k a g ψ rd   b ec o m es  co n s ta n in   s tead y - s tate.   T h en ,   co n tr o llin g   is d   i m p lies   co n tr o llin g   t h to r q u e.   T h r elate d   co n t r o l sch e m is   s h o w n   i n   Fi g u r e   2 .             Fig u r 2 .   P r in cip le  o f   th co n t r o l stra teg y       2 . 2 .   PI - Co ntr o ller  D esig n   T h P I - P   r eg u lato r   is   i n tr o d u ce d   in to   th e   co n tr o s c h e m i n   o r d er   to   ac h iev s ec o n d   o r d er   s y s te m   w it h   d a m p i n g   co e f f icien t ζ= 0 . 7 .   T h d y n a m ic  m o d el  o f   t h s p ee d   in d u ctio n   m o to r   d r iv is   s i g n i f ica n tl y   s i m p li f ied ,   an d   ca n   b e   r ea s o n ab l y   r ep r esen ted   b y   t h b lo ck   d iag r a m   s h o w n   i n   F ig u r 3 .   τ   r ep r esen ts   th e   ti m co n s tan f o r   th d es ir ed   cu r r en i sq           Fig u r 3 .   T h b lo ck   d iag r am   o f   th P I - P   r eg u lato r   w it h   t h p r o ce s s       Fig u r 4 .   P   r eg u lato r   ass o ciate d   w it h   th p r o ce s s       T h g o al  o f   t h P   r eg u lato r   i s   t o   o b tain   s ec o n d   o r d er   s y s te m   w i th   r ea l   p o les i n   clo s ed   lo o p .   I n   o r d er   to   s i m p li f y   t h ca lc u latio n   w e   n e g lect  t h v is co u s   f r ictio n   c o ef f icie n t   f .   Fig u r e   4   s h o w s   t h s i m p li f ied   b lo ck   d iag r a m   o f   t h P   r eg u lato r   w it h   th p r o ce s s .       I M   (d , q )   (a , b , c )   H y s t   i sd *   i sq *   i sa *   i sb *   i sc *   c 1   c 2   c 3   θ e   i sa   i sb   i sc   θ r       =                        +       PI - P   +   -       =            4   1   2   3   5   1. PI - P  c o n t r o l l e r  b l o ck   2. A n g l e   a n d   sp e e d   e st i mat o r   b l o c k   3. Dq - to - a b c   t r a n sf o r b l o c k   4. H y st e r e si s c o n t r o l l e r   b l o c k     5. F i e l d   w e a k e n i n g   b l o c k   ω r *     +   -         +                                +   -                                      +   -               1    +     PI   r eg u lato r   r eg u lato r     +   -                    r eg u lator                                    1      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 A u g u s 2 0 1 7     1 7 6 0     1 7 6 9   1764   T h clo s ed   lo o p   tr an s f er   f u n cti o n       (   ) =     (   )   (   ) =                                                                             ( 20 )     T h P   c o ef f icie n k v   is   s e lecte d   to   o b tain   d o u b le  r ea l p o le  c alled   ω n         =                                         ( 21 )     T h e n ,   th e   tran sf e f u n c ti o n   b e c o m e s       (   ) =                       (         ) (         )                   ( 22 )     W h e re   ω n = 1 /2 τ   T h P I   r eg u lato r   is   in tr o d u ce d   b ef o r th P   r eg u lato r   in   o r d er   to   co m p en s ate  th r ea p o le  ω n   an d   to   o b tain   s ec o n d   o r d er   s y s te m   i n   clo s ed   lo o p   T o   co m p en s ate  th r ea l p o le  ω n ,   P I   c o ef f icie n ts   m u s t o b e y s   t h is   r u le             =                         ( 23 )     Usi n g   E q u atio n   ( 2 3 ) ,   th g lo b al  clo s ed   lo o p   tr an s f er   f u n ctio n   b ec o m es       (   ) =     (   )       (   ) =                                                                                   ( 24 )     T h en ,   f o r   d esire d   d am p in g   c o ef f icie n ζ ,   k p   is   e x p r ess ed   b y   th f o llo w i n g   E q u atio n         =                                                 ( 25 )       3.   ARCH I T E C T UR E   DE SI G N   T h p u r p o s o f   th is   s ec tio n   is   to   d ev elo p   d is cr ete - ti m a n d   an   o p ti m ized   ar ch itect u r b as ed   FP GA  f o r   th co n tr o al g o r ith m .   T h m o s u s ed   d i s cr etiza tio n   m et h o d   is   b ased   o n   Fo r w ar d   s h i f a p p r o x im a tio n   [ 1 7 ] .   T h s h if t f o r m   ap p r o x i m atio n   is   g i v e n   b y          =                               ( 26 )     W h er T   is   th s a m p li n g   p er io d .   As  s h o w n   i n   F ig u r 2 ,   th co n tr o alg o r it h m   is   d i v id ed   in t o   f o u r   m o d u les.  T h d escr ip tio n   o f   t h e   d if f er e n m o d u les i s   d etailed   b elo w .   PI - P   co n tr o ller   b lo ck T h is   m o d u le  g en er ates  t h d ig ital  v a lu es  o f   t h s tato r   co m p o n e n r ef er en ce s   i sq *   th r o u g h   t h r o to r   an g u lar   v elo cit y   er r o r .   T h d is cr etiza tio n   o f   th e   P I - P   alg o r ith m   u s i n g   t h Fo r w ar d   s h i f t   ap p r o x im a tio n   g iv e s     {           (   ) =     (   )   (   ) (   ) =       (   ) + (   ) (   ) = (   1 ) +       (   )    (   ) =     ( (   )   (   ) )               ( 27 )     W h er K p , K i   an d   K v   d ep en d s   o n   k p , k i , k v   an d   T   T h d ata  f lo w   g r ap h   ( D FG)   co r r esp o n d in g   to   th P I - P   alg o r it h m   i s   p r esen ted   i n   Fi g u r e   5       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A   S imp lifi ed   s p ee d   C o n tr o l O f I n d u ctio n   mo to r   b a s ed   o n   a   l o w   co s t F P GA   ( Lo tfi  C h a r a a b i )   1765       Fig u r 5 .   ( a)   DFG  o f   th P I - P   co n tr o ller ,   ( b )   DFG  o f   th s p ee d   an d   an g le  es ti m ato r       A n g le  a n d   s p ee d   esti ma to r   b lo ck T h is   m o d u le  g e n er ates  th r o to r   v elo cit y   ω r   a n d   th e   elec tr ica l   an g le   θ e   t h r o u g h   t h r o to r   an g l θ r .   T h r o to r   an g le  is   p r o v id ed   b y   an   ab s o l u te  co d er .     T h d is cr etiza tio n   o f   E q u at i o n   ( 1 8 )   p r o v id es  th d is cr et e - ti m E q u atio n   o f   t h elec t r ical  an g le   esti m ato r :         (   ) =     (   1 ) +        (   ) +     (   )             ( 2 8 )     W h er e       =                  T h r o to r   v elo cit y   is   o b tain ed   f r o m   t h r o to r   an g le  u s i n g   t h f o llo w in g   E q u atio n :       (   ) =     (   )       (       )                       ( 29 )     W h er     (     )   is   th r o to r   an g le  at  i n s ta n     +       Fig u r 5   s h o w s   th DFG  o f   t h esti m ato r     dq - to - a b tr a n s fo r b lo ck T h is   m o d u le  co n tai n s   th e   d q - to - a b tr an s f o r m atio n .   I g en er ate s   t h d ig ital  v al u e s   o f   th s ta to r   cu r r en t r ef er e n ce s   i sa * ,   i sb *   an d   i sc * E q u atio n   ( 3 0 )   s h o w s   m atr i x   r ep r esen tati o n   o f   th i s   m o d u le       (           ) = [                                 ]             [        (     )        (     )        (     )        (     ) ] [       ]             ( 30 )     Usi n g   tr i g o n o m etr ic  f o r m u la,   E q u atio n   ( 3 0 )   lead s   to   th E q u atio n   ( 3 1 )     {            =     (      (     +     )    +      (     +   )    )    =     (      (     +        )    +      (     +     )    )    =                   ( 31 )       -   ω r ( k )   ω * r ( k )   i(k - 1)   u ( k )   e( k )   i sq ( k )   K p   K i   i(k )   +   +   K v   -   Z - 1   +   i sq (k )   ω r ( k )   θ e   (k - 1)   A   1     +   -   θ r   (k )   θ e   (k )   Z - d   1/Δ T   Z - 1   ( a)   ( b )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 A u g u s 2 0 1 7     1 7 6 0     1 7 6 9   1766   Fig u r 6   s h o w s   t h DF co r r esp o n d in g   to   th d q - to - ab tr an s f o r m a tio n   m o d u le.         Fig u r 6 .   DFG  o f   th d q - to - ab tr an s f o r m atio n   e s ti m ato r       H y s ter e s is   co n tr o ller   b lo ck T h is   m o d u le  co n tai n s   t h r ee   id en tical  h y s ter esis   co n tr o ller s .   I t   g en er ates   th s w i tch i n g   s tate s   c 1 ,   c 2   an d   c 3   v ia  th co m p ar is o n   o f   t h s tato r   cu r r en r ef er e n ce s   to   th m ea s u r ed   s tato r   cu r r en ts .       4.   E x peri m e nta S et - up     Fo r   th is   p r o j ec t,  th u s ed   FP GA   tar g et  i s   XC 2 s 1 0 0   f r o m   Xili n x   I n c.   T h FP G A   b as ed   h ar d w ar co n tr o s y s te m   in c lu d es  t h s p ee d   co n tr o ller ,   an   A co n v e r ter   in ter f ac a n d   s er ial  i n t e r f ac in   o n FP G ch ip .   Fig u r 7   s h o w s   t h co r r esp o n d in g   i m p le m e n ted   ar ch ite ctu r e.         Fig u r 7 FP GA   b ased   h ar d w a r co n tr o l s y s te m       T h s er ial  i n ter f ac e   m o d u le  p r o v id es  s er ial  co m m u n icatio n   b et w ee n   t h h o s t   P C   a n d   F P GA .   T h co n tr o u n it  i s   s tar ted   at  ea c h   r is in g   ed g e   o f   th s a m p l in g   f r eq u en c y   F s .   I ac ti v ates   f ir s tl y   th AD  a n d   co d er   in ter f ac e   w h ic h   s tar ts   th e   A D   co n v er s io n   p r o ce s s .   AD  co n v e r s io n   o f   t h s tato r   c u r r en ts   ta k es 2 . 4 µs.  W h e n   th e   co n v er s i o n   p r o ce s s   is   f i n is h ed ,   th A i n ter f ac m o d u le  r ea d   co n v er ted   d ata  an d   tr ea ts   th e m   to   g en er ate  t h d ig ital  v alu e s   o f   t h m ea s u r ed   s tato r   cu r r en t s   i sa [ n ] i sb [ n ]   an d   i sc [ n ] .   T h en ,   th co n tr o l u n it  ac tiv ate s   th s p ee d   co n tr o ller   m o d u le.   T h is   m o d u l allo w s   t h g e n er atio n   o f   t h s w itc h in g   s tates  c 1 [ n ] ,   c 2 [ n ]   a n d   c 3 [ n ] o f   th VSI .   T h co m p u tatio n   ti m e,   in c lu d i n g   t h AD  co n v er s io n   ti m e,   f r o m   t h A co n v er ter   s tato r   cu r r en ts   ac q u i s itio n     θ[ n ]   π/ 2   1 1 π / 6   π   +   +   +   Sin   Sin   Sin   Sin   i s d [n]   i s q [n]   x   x   x   x   +   +   x   x   i s a [n]   i s c [n]   +   π/ 3     2   3   +   -   0   i s b [n]     2   3     S e r i al   i n te rfac   A D    In te rfac e   i s a [n ]   i s b [n ]   i s c [n ]   Co n tr o l  U n i t   ω r   (n)   AD   i sa   i s b   A D      Co n t r o l   Cl o c k     4 0 M Hz   D IV   S t ar t   Read   F PGA   c 1 [n   c 2 [ n]   c 3 [ n]   Tx   Rx   F s   θ r     FO c o nt r o l l e r   Co d e r    In te rfac e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A   S imp lifi ed   s p ee d   C o n tr o l O f I n d u ctio n   mo to r   b a s ed   o n   a   l o w   co s t F P GA   ( Lo tfi  C h a r a a b i )   1767   to   th s w itc h in g   s tates   g e n er at io n   is   eq u al  to   3 . 1 3 5   µs.  B y   c o m p ar is o n ,   t h u s ed   d ea d   ti m o f   t h u s ed   VSI   i s   ab o u 3 . 3   µs.  So   th e   co m p u tatio n   ti m i s   al m o s n e g li g ib le  a n d   th d i g ital   co n tr o l   f ee d b ac k   ca n   b ap p r o x im a ted   to   an   an alo g   o n e.   T o   test   th FP GA  b ased   co n tr o ller ,   test   b ed   f o r   t h co n tr o o f   an   in d u ctio n   m ac h in e   w as   ass e m b led .   Fi g u r 8   s h o w s   t h e   p r o to ty p in g   p latf o r m .             Fig u r 8 P r o t o ty p i n g   p lat f o r m   ( a)   C o n tr o l s y s te m   ( b )   Gen er a l v ie w       T h test   b ed   is   co m p o s ed   o f   0 . 7 5   K w   i n d u ct io n   m o to r   p r o v id ed   w it h   1 0 2 4   p o in t s   en co d er ,   cu r r en s en s o r s   an d   co n tr o lled   lo ad   f o r   lo ad   to r q u g en e r atio n .   T h VSI   m o d u le  i n cl u d es  t h r ee   p h a s e   I GB T   b ased   in v er ter ,   2 2 0 0   µF  ca p ac itan ce   an d   t h r ee   p h ase  d io d r ec tif ier .   An   A D   co n v er s io n   cir c u i t   b o ar d   is   u s ed   to   co n v er t h m ea s u r ed   c u r r en ts   an d   a n   in v er t er   in ter f ac cir c u it  b o ar d   allo w s   t h v o lta g le v el   ad ap tatio n   o f   th s w i tch in g   s ta tes f o r   th co n tr o l o f   th i n v er t er .           Fig u r 9 .   ( a) Stato r   cu r r en t i sa   f o r   s p ee d   s tep   in p u t f r o m   2 0 0   r ad /s   to   5 0   r a d /s ( B an d   w id th =0 %Isn   ,   an d   Fs =1 0 KHz )   ( b ) Stato r   cu r r en t isa f o r   s p ee d   s tep   in p u f r o m   2 0   r ad /s   to   2 0 0   r a d /s ( B an d   w id t h =0 %Is n   ,   an d   Fs =1 0 Hz)       Du r in g   e x p er i m e n tatio n ,   t h e   DC   v o lta g s o u r ce   E   o f   th th r ee   p h ase  i n v er ter   is   s et   to   4 0 0 V.   Fig u r 9   p r esen ts   t h ex p er i m en tal  r es u lts   o f   th s tato r   cu r r en is f o r   an   h y s ter esi s   co n tr o ller   b an d   w id t h   eq u al  to   0 o f   th r ated   lin cu r r en t,  s a m p lin g   f r eq u e n c y   F s   eq u al  to   1 0 KHz   an d   d if f er en v al u es  o f   th e   s p ee d   in p u t.   Fig u re   10   p r esen ts   th e   s p ee d   r esp o n s o f   th s y s te m   f o r   r am p   i n p u t.  I s h o w s   t h s p ee d   r esp o n s e   af t er   to r q u lo ad   p er tu r b atio n .   T h s p ee d   r esp o n s is   p r o v id ed   b y   th s er ial  i n ter f ac to   h o s t P C .   E x p er i m e n tal  r esu lts   s h o w n   i n   Fig u r e   9   an d   Fig u r e   1 0   g iv p r o o f   th at  th co n tr o s y s te m   s atis f y   t h e   b asic  r eq u ir e m e n ts   o f   t h co n tr o s tr ateg y   a n d   v alid ate  t h er ef o r th g o o d   f u n ctio n alit y   o f   th e   s y s te m .   T h e   s a m e x p er i m e n h as  b ee n   d o n in   t h liter atu r [ 2 0 ]   w it h   t h in d ir ec FO C   w h ic h   g a v s i m ilar   p er f o r m a n ce s .   T ab le  1   s h o w s   t h v ar iatio n   o f   th ti m r esp o n s f o r   th in d ir ec t FOC   a n d   th s i m p li f ied   in d ir ec t FOC .       T ab le  1 .   Var iatio n   o f   s ettlin g   t i m e,   m a x i m u m   o v er s h o o w it h   in d ir ec t FOC   C o n t r o l l e r   I n d i r e c t   F O C   S i mp l i f i e d   i n d i r e c t   F O C   R i se   t i me   1 . 9   s   2   s   M a x i m u m   o v e r sh o o t   i n   ( %)   1 2 . 6   2 . 3         ( a)   F P G A   A c o n v e rt er s   V S in terf a c e   b o a rd   ( b )     V S I   IM   Ho st         PC   0   0 . 2   0 . 4   0 . 6   0 . 8   1   1 .2   1 .4   1 .6   1 .8   2   - 1 00   - 8 0   - 6 0   - 4 0   - 2 0   0   2 0   4 0   6 0   80   1 00   ( s)   isa  ( % )   0   0 . 2   0. 4   0. 6   0. 8   1   1 .2   1 .4   1 .6   1 .8   2   - 1 00   - 8 0   - 6 0   - 4 0   - 2 0   0   2 0   4 0   6 0   8 0   1 00   ( s)   isa  ( % )   ( a)   ( b )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   4 A u g u s 2 0 1 7     1 7 6 0     1 7 6 9   1768       Fig u r 1 0 ( a)   Sp ee d   r esp o n s o f   r a m p   as f u n ctio n   o f   ti m ( b )   Sp ee d   r esp o n s f o r   2 0 0   r ad /s   r ef er en ce   in p u w it h o u t a n d   w it h   to r q u lo ad       5.   CO NCLU SI O   T h is   p ap er   p r esen ts   t h i m p l e m en tatio n   o n   FP G A   o f   a   s i m p li f ied   s p ee d   co n tr o f o r   in d u ctio n   m ac h in e.   T h co n tr o al g o r ith m   is   b a s ed   o n   in d ir ec FOC .   I t   u s e s   o n l y   s i x   b lo ck s   i n s tead   o f   te n   b lo ck s .   A   P I - r eg u lato r   is   d esig n ed   to   o b tain   g o o d   p er f o r m an ce s   f o r   s p ee d   tr ac k in g .   T h alg o r ith m   w as   i m p le m e n ted   o n   a   lo w   co s FP G A .   T h im p le m en tatio n   h as  r ig o r o u s l y   f o llo w ed   an   ef f ic ien d esi g n   m et h o d o lo g y .   T h is   m et h o d o lo g y   w as  u s ed   w it h   s u cc es s   f o r   th s p ee d   co n tr o l   o f   in d u ctio n   m ac h i n u s in g   FP GA   b ased   co n tr o ller   an d   it  ca n   b co n s id er ed   as  p ar o f   p r o ce s s   w h o s tar g et  is   th cr ea tio n   o f   s p ec if i elec tr ical  s y s te m   lib r ar y   o f   o p ti m ized   r eu s ab le  m o d u les  w h ic h   w ill e n s u r g r ea t f lex ib il it y   f o r   th d esi g n   d ev elo p m e n t.       ACK NO WL E D G E M E NT S     T h is   p ap er   w as  s u p p o r ted   b y   th T u n is ia n   Mi n is tr y   o f   Hi g h   E d u ca t io n   an d   R e s ea r ch UR - L SE - E NI T - 0 3 /UR /ES0 5       RE F E R E NC E S     [1 ]   F .   Blas c h k e ,   T h e   P ri n c ip le  o f   F ield   Orie n tati o n   a A p p li e d   t o   t h e   n e w   T R AN S V ECT OR  Clo se d   L o o p   C o n tr o l   S y st e m   f o Ro tatin g   F ield   M a c h i n e s” ,   S iem e n s R e v . ,   v o l.   3 4 ,   p p .   2 1 7 - 2 2 0 ,   1 9 7 2 .   [2 ]   N.  P .   Q u a n ,   J. - A .   Ditt ric h ,   V e c to Co n tro o f   T h re e - P h a se   A M a c h in e -   S y ste m   De v e lo p m e n i n   th e   P ra c ti c e ,   S p rin g e r,   2 0 0 8 .   [3 ]   Ha fe e z u Ha q ,   M e h e d Ha sa n   I m r a n ,   H.Ib ra h im   Ok u m u s,  M o h a m m a d   Ha b ib u ll a h ,   S p e e d   Co n t r o o f   In d u c ti o n   M o to u sin g   F OC  M e th o d ,   In t.   J o u rn a o E n g i n e e rin g   Res e a rc h   a n d   A p p l ica ti o n s ,   v o l.   5 ,   n o .   3 ,   P a rt  - 1 M a rc h   2 0 1 5 ,   p p . 1 5 4 - 1 5 8 .   [4 ]   A N9 0 8 ,   Us in g   th e   d s P IC3 0 F   f o r   V e c to C o n tro o f   a n   A CIM ,   (DS0 0 9 0 8 ),   M icro c h i p   T e c h n o l o g y   In c .   2 0 0 7   [5 ]   Zh e n y u   Yu ,   S p a c e - V e c to P W M   W it h   T M S 3 2 0 C2 4 x /F 2 4 x   u sin g   Ha rd w a re   a n d   S o f t w a re   De t e r m in e d   S w it c h in g   P a tt e r n s” ,   A p p li c a ti o n   Re p o r S P RA 5 2 4 ,   1 9 9 9   T e x a s In stru m e n ts  I n c o rp o ra ted .   0   1   2   3   4   5   6   7   8   - 50   0   50   100   150   200   t ( s )   s pe e ( r a d/s )   ( a)   1. 1. 1. 2   2. 2. 2. 192   194   196   198   200   202   204   s pe e ( r a d/s )   W i t h o ut  l o a d   W i t h   l o a d   t ( s )   ( b )   1 . 9 6   1 . 9 7   1 . 9 8   1 . 9 2   2 . 0 1   2 . 0 2   2 . 0 3   2 . 0 4   1 9 6 . 5   197   1 9 7 . 5   198   1 9 8 . 5   199   1 9 9 . 5   200   2 0 0 . 5   201   250   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A   S imp lifi ed   s p ee d   C o n tr o l O f I n d u ctio n   mo to r   b a s ed   o n   a   l o w   co s t F P GA   ( Lo tfi  C h a r a a b i )   1769   [6 ]   A p p li c a ti o n   n o te  (BR S T M 3 2 M C1 2 1 1 ) ,   M o to c o n tr o w it h   S T M 3 2 ®  3 2 b i A RM ® b a se d   M CU” ,   S T M icro e lec tro n ics   -   De c e m b e 2 0 1 1 .   [7 ]   Y.   T z o u ,   H - J.   Hs u ,   F P G A   R e a li z a ti o n   o f   S p a c e - V e c to P W M   c o n tro IC  f o t h re e - p h a se   P W M   In v e rters ,   IEE T ra n s.  O n   P o we r E lec tro n ics , v o l .   1 2 ,   n o .   6 ,   p p .   9 5 3 - 9 6 3 ,   N o v e m b e 1 9 9 7 .     [8 ]   E.   M o n m a ss o n ,   Y.   A.   Ch a p u is,   Co n tri b u t io n o f   F P G A ’s  to   th e   Co n tr o o f   El e c tri c a ls  S y ste m s,  a   Re v ie w   IEE E   In d u stria El e c tro n ics   S o c iety   Ne wsle tt e r ,   v o l.   4 9 ,   n o . 4 ,   p p . 8 - 1 5 ,   De c e m b e 2 0 0 2 .       [9 ]   S .   F e rre ira,  F .   Ha f f n e r,   L .   F .   P e re ira,  F .   M o ra e s,  De sig n   a n d   Pr o to ty p in g   o Dire c T o rq u e   C o n t ro o I n d u c ti o n   M o to rs   in   FP GAs” ,   P ro c e e d in g o f   th e   1 6 th   S y m p o siu m   o n   In teg ra ted   Circu it a n d   S y ste m s   De si g n   (S BCCI’0 3 ) ,   IEE E,   2 0 0 3 .   [1 0 ]   L .   Ch a ra a b i,   Eri c   M o n m a ss o n ,   M . A   Na a s sa n i,   Ilh e m   S la m a - Be lk h o d ja,  F PGA - b a se d   DRF a n d   DTF S C   A lg o rit h ms ,   I n d u strial  E lec tro n i c S o c iety ,   2 0 0 5 .   IECON  2 0 0 5 .   3 2 n d   A n n u a Co n f e re n c e   o f   IEE E,   p p . 2 4 5 - 2 5 0 ,   Ra leig h ,   No rth   Ca r o li n a ,   USA ,   No v   6   t o   1 0 ,   2 0 0 5 .   [1 1 ]     F .   A u b Bp a rt,   P .   P o u re ,   C.   G ire rd ,   Y.   A .   Ch a p u is,   F .   Bra u n ,   De sig n   a n d   S im u latio n   o f   A S IC - b a se d   S y st e m   Co n tr o l:   A p p li c a ti o n   to   Dire c T o rq u e   Co n tr o o f   In d u c ti o n   M a c h in e ,   IS IE’ 9 9   Bled ,   S lo v e n ia,   IEE E,   1 9 9 9 .   [1 2 ]     B.   Ha riram ,   N.  S .   M a rim u th u ,   A   V HD L   L ib ra r y   o f   M o d u les   f o V e c to r   Co n tro l   o f   In d u c ti o n   M o to r” ,   In ter n a t io n a J o u rn a o E lec trica a n d   P o we r E n g in e e rin g ,   v o l .   1 ,   n o .   2 ,   p p .   2 2 5 - 2 5 9 ,   M e d w e ll   Jo u r n a ls,   2 0 0 7 .   [1 3 ]   Oz k a n   AK IN,  Irf a n   A LAN  T h e   u se   o f   F P G A   in   F ield - Orie n ted   Co n tr o o f   a n   In d u c ti o n   M a c h i n e ,   T u rk   J   E lec   En g   &   Co mp   S c i , v o l .   1 8 ,   n o.   6 ,   2 0 1 0 .   [1 4 ]   W.   M.   Na o u a r,   L .   Ch a ra a b i,   E.   M o n m a ss o n ,   I.   S lam a - B e lk h o d ja,   Rea li za ti o n   o FP GA  Rec o n fi g u ra b le  IP _ Co re   Fu n c ti o n s f o r t h e   Co n tro o El e c trica S y ste ms ,   E P E - P EM C’ 2 0 0 4   Co n f .   P r o c . ,   Rig a ,   L a tv ia,  S e p tem b e 2 0 0 4 .   [1 5 ]   L.   Ch a ra a b i,   E.   M o n m a ss o n ,   I.   S.   Be lk h o d ja,  Pre se n t a ti o n   o a n   Ef fi c ien De sig n   M e th o d o lo g y   to   D e v e lo p   IP - Co re   Fu n c ti o n f o Co n tr o S y ste ms Ap p li c a t io n   to   t h e   De sig n   o a n   A n ti wi n d u p   PI  C o n tr o ll e r” ,   I EE E - IECON’0 2   Co n f . P ro c ,   CD - R o m ,   S e v il la,  S p a in ,   2 0 0 2 .   [1 6 ]   T.   Yo k o y a m a ,   M .   Ho riu c h i,   S.   S h im o g a ta,  In sta n ta n e o u De a d b e a Co n tro fo PW M   In v e r ter   u sin g   FP GA  b a se d   Ha rd wa re   Co n tro l ler ,   IEE E - IE CON ’0 3   Co n f .   P ro c ,   CD - R o m ,   Ro a n o k e ,   USA ,   No v e m b e 2 0 0 3 .   [1 7 ]   O.  V a in i o ,   S .   J.   Ov a sk a ,   a n d   J.  J.  P a sa n e n ,   A   Dig it a S ig n a P r o c e ss in g   A p p ro a c h   to   Re a l - ti m e   A M o to r   M o d e li n g ,   IEE T ra n s a c ti o n s o n   In d u stri a El e c tro n ics ,   v o l.   3 9 ,   n o .   1 ,   p p .   3 6 4 5 ,   1 9 9 2 .   [1 8 ]   T .   G ra n d p ierre ,   C.   L a v re n n e ,   Y.   S o re l,   O p ti mize d   R a p i d   Pro t o t y p in g   fo Rea l - T ime   Emb e d d e d   He ter o g e n e o u s   M u lt ip ro c e ss o r” ,   COD ES ’9 9   7 t h   In tern a ti o n a W o rk sh o p   o n   Ha rd w a r e /S o f t w a re   Co - De sig n   Co n f .   P r o c ,   CD  Ro m ,   Ro m e ,   Ital y ,   M a y 1 9 9 9 .   [1 9 ]   T .   Ries g o ,   Y.  T o rro ja,   E.   d e   la  T o rre ,   De sig n   M e th o d o l o g ies   Ba s e d   o n   Ha rd w a re   De sc rip ti o n   L a n g u a g e s ,   IEE E .   T ra n s.  O n   In d u stri a El e c tro n ics ,   v o l.   4 6 ,   n o .   1 ,   p p .   3 - 1 2 ,   F e b ru a ry   1 9 9 9 .   [2 0 ]   T . b a n e rjee ,   S . Ch o u d h u ri ,   K.Da S h a rm a ,   S p e e d   T ra c k in g   S c h e me   fo FOC  b a se d   In d u c ti o n   M o to b y   Fu zz y   C o n tro ll e r” ,   I n tern a ti o n a C o n f e re n c e   o n   C o n tr o l,   I n stru m e n tatio n ,   En e rg y   a n d   Co m m u n ica ti o n   (CI EC),   2 0 1 4 .       AP P E NDI X   I n d u ctio n   Ma c h i n P ar a m eter s     1   KW ,   2 3 0 V ,   5 0   Hz,   3   P h ases ,   Y   co n n ec tio n ,   2   p o les   Stato r   r esis tan ce   7 . 2                 R o to r   r esis tan ce   1 . 3 5     Stato r   in d u cta n ce   0 . 2 8        R o to r   in d u cta n ce   0 . 0 7 5   Mu t u al  in d u cta n ce   0 , 1 1 8           B I O G RAP H I E S   O F   AUTH O RS      Lo tfi  Cha r a a b i   re c e iv e d   th e   B. S   d e g re e   a n d   th e   M . S   d e g re e   in   El e c tri c a En g in e e rin g   f ro m   th e   En g in e e rin g   sc h o o o f   T u n isia,  in   2 0 0 2   a n d   th e   P h . D.   f ro m   th e   d e p a rtme n o f   A u to m a ti c   Co n tro l   s y ste m a n d   Co m p u ter  E n g in e e rin g ,   u n iv e rsit y   o f   Ca c h a n   F re n c h   in   2 0 0 6 .   S i n c e   2 0 0 9 ,   h e   h a b e e n   a c ti v e l y   c o o p e ra ti n g   in   in d u strial  p ro jec re late d   to   m o to c o n tro a lg o rit h m   d e sig n   a n d   im p le m e n tatio n .   He   is  m e m b e o f   th e   Re se a rc h   lab o ra to ry   L S o f   th e   T u n isian   e n g in e e rin g   sc h o o l.       Ib tih e J a z iri   re c e iv e d   th e   B. S   d e g re e   in   In d u strial  e lec tro n ic  En g in e e rin g   f ro m   th e   En g in e e rin g   sc h o o o f   S o u ss e ,   in   2 0 1 0 .   S h e   is  c u rre n tl y   w o rk in g   to w a rd   th e   P h . D .   d e g re e   w it h   th e   Un iv e rsité   d e   T u n is  El   M a n a r,   E c o le  Na ti o n a le  d ' In g é n ieu rs  d e   T u n is,   L a b o ra to ire  d e S y stè m e El e c tri q u e (L S   L R1 1 ES 1 5 ) ,   T u n is,   T u n is ia.  He m a in   re se a r c h   in tere sts  in c lu d e   Co - d e sig n   m e th o d o lo g y   f o m o to c o n tro l ,   d e sig n   a n d   im p lem e n tatio n   o f   m o to c o n tro a lg o rit h m s.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.