TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 14, No. 3, June 20 15, pp. 470 ~ 4 8 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 14i3.795 2        470     Re cei v ed  No vem ber 2, 20 14; Re vised Janua ry 2 6  20 15; Accepted  February 15,  2015   Artificial Optimal Fuzzy Control Strategy for Elevato r   Drive System b y  Using Permanent Magnet  Synchronous Motor       S a lam Wale y 1 ,   Ch e n gxio ng M a o* 2   State Ke y  L a b o rator y  of Adva nced El ectrom agn et ic Eng i ne erin g and T e ch nol og y, W uha n ,   C h i n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : salam_ w a l e y73@ ya ho o.co m 1 cxmao @h u s t.ed u . c n 2       A b st r a ct   T here ar ma ny pow er  elec tronic co nverte rs and  mo tor  drives c onn ect ed tog e ther t o  form th e   electric al syste m  of an el evat or. In this pape r, w e   have presented a  mo de ling to ol  that h a s the adva n ta ges   of utili z i n g  c a p abil i ties  of the  PMSM software in  deta ile d  simulati ons of  converters,  motor drives, a n electric  mac h in es. In additi on,  equiv a le nt ele c trical mo d e ls  of Elevator driv e system. This  paper a l so g i v e s   a bri e f id ea  of  PMSM vali dity  as an  el evator   simula ti on t ool.  PMSM driv e s ystem  is d e scri bed  an d a n a l y z ed  due  to its  i m p o r tance  in  many  ap plic atio ns e s peci a lly  in  el e v ator a ppl icati o ns. Ap p licati o n s  are  cons id ere d   due to their  high efficiency,  low inertia and  high tor que to v o lum e  r a tio. A  closed loop c ont rol system  with a  PI control, F u zz y ,  PSO i n  t he sp ee d l o o p  w i th curr ent  control l ers. T h e si mu latio n  ci rcuits for PMS M inverter, s pee d  an d curr ent c ontrol l ers  incl u de  all  re a listic  co mp one nts  of the  drive  sy stem. Si mulati on   results for SP WM control sc hem e a ssoci a t ed w i th curren t  controll ers ar e giv en for tw o spee ds, on e b e low   rated a nd a not her ab ove rat e d spee d. In thi s  paper  an d it has be en s h o w n that t he mo del is s u itab le  for  transie nt as w e ll  as ste ady   state  con d iti o n .  T hese r e sult s als o  co nfir med th at the  tra n sie n t torq ue  and   current nev er e xceed the  max i mu m p e r m issi b l e val ue.     Ke y w or ds :   e l e v a t o r   d r i v e  s y s te m ,  pe rm an en t m a gn e t  s y n c h r o no u s   m o tor s  ( P M S M ) ,  PI   c o n t r o l l e r , fuzzy  l o g i c   ( F L ) ,   partic l e sw ar m o p ti mi z a t i on (P SO )     Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1.   Introduction  The elevato r s are be com e  more im po rtant  with Increa se the b u ilding s  and t o we ring  sky scrap e rs, it  mean s of  trans port  bet ween l e ss th uppe r flo o rs  and de cks,  t he  el evators for  spe c ial the m a in mean s of  transp o rt, si mplified  co ntrol and elevat ors to de al efficiently dem and  for trans p ort is  complex [1] .  The PMSM, it has   s i gnifi cant a d vanta ges, attractin g  the inte re st of  resea r chers a nd indu stry fo r us e in ma ny appli c ation s , that us e s  p e rmanent m agn ets to produ ce   the air gap  magneti c  field rathe r  than  using  ele c tromagn ets [2]. The PMSM with high le vel  energy pe rm anent ma gne t material s p a rticul arly  p r o v ide fast dyn a mics, efficie n t operation  and  good  compati b ility with the   appli c ation s   but only if  th e y  are  controll ed p r op erly.  The  cont rolle r i s   usin g in o r d e r to ove r co me the no linearity  p r ob lem of PMSM and al so t o  achieve fa ster  respon se  [3]. Many ind u strial appli c atio n s  requi re  n e w cont rol te chn i que s, the te chniqu es  used applie d in  all  re gulation  lo ops, S peed  regulat io n of  perm ane nt m agnet  syn c hronou s [4]. T h e   developm ent of powe r  ele c tronics an d el ectri c it y Tech nology, PMSM for extensi v e applicatio ns  in many con t rol Systems.  And PMSM, whic h are  commonly u s ed for Syste m s and  cont rol  device s  min u te own s  se veral Advant age s over  ot her ma chi n e s  Milan. Advantage s PM SM  inclu de la rge  torque  co efficient, and hi gh  efficien cy, high en ergy d e n sity, and a t o rqu e  multipli er  is sm all, Low-inertia, lo w n o ise, an d hig h  perfo rma n ce in a w i de var i ety [5]. A w a y c ontrol ( P I)  in  addition to th e co ntrolle r’ s integral  rel a tive  formulate d  and im ple m ented, u s in g sp eed  co ntrol   magnet  syn c hron ou s mot o r d r ive  syste m  and  a  p e rmanent pilot pha se. While   the  ne w stra tegy  prom otes tra d itional PI co ntrol pe rform ance to  a large extent, an d prove s  to  be a mod e l-f r ee  approa ch  co mpletely, it also  kee p s the  stru cture an d feature s  of  a simpl e  PI control [6]. The   usin g co nsol e mode in st ead of Fu zzy-PI contro l i s  to improve  the perform ance of engi nes  PMSM. To control the  sp eed of PMS M  motor u s in g fuzzy logic  (FL )  app ro ach lead s to a  spe e d   control to im prove the dy namic  behavi o r of t he mot o r drive  syst em and imm une di so rde r s to   download  an d pa ramete r variation s  [ 7 ]. In the  el evator d r ive  system s,  an d gain s  from  the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Artific i al Optimal Fuz z y  Control Strategy for El evato r  Dri v e System  by Using  (Salam  Waley)  471 traditional  ca n not usuall y  be set in prop ortio n -int egral  (PI) co ntrolle r spe e d large e nou gh  becau se of m e ch ani cal  re sonan ce. A s  a  re sult,  Perfo r mance d egra dation a nd  sp eed  cont rol. I n   our wo rk  d e scrib ed  i n   thi s  pape r,  ha s b een ado pted and  fu zzy  log i c controlle (FLC)  fo u s e  in  Elevator driv e system s in  orde to improve the perfo rman ce of th e spe ed control. The pro p o s ed  FLC h a bee n com p a r ed  with traditio n a l PI control  with re sp ect t o  the spee of re spon se  and  dynamic loa d  Torque. Sim u lation a nd  e x perime n ta l result s h a ve p r oved th at FL wa s p r op o s ed  is supe rio r  to  the traditio n a l PI. This F L can  be a  good  sol u tio n  for the  hig h -pe r forman ce   engin e  lifts Systems [8, 9]. A modern approa ch to  control the speed of PMSM using p a rti c le  swarm  optimi z ation  (PSO) is to imp r ov e the al g o rith m paramete r s ob se rver P I. Simulate the   system u nde r different ope rating yea r  Condition s a r prep ared an d  the experim e n tal setup.  Use   PSO algo rith m and  optim ization  ma ke s a  po werful  engin e , with  faster re sp o n se  and  hig her  resolution dy namic a nd se nsitive to load  variation [10, 11].      2.    Model for a PMSM Dri v e   The co mplete  nonline a r mo del of a PMSM without da mper  windi ng s is a s  follows:    ) +   i (L   +   i pL   +   Ri   =   v af d d s q q q q                                                                               (1)      i L   -   p   +   Ri   =   v q q s d d d                                                                                                   (2)    v d  and v q  are  the d,q axi s  v o ltage s, id a n d  iq a r e th e d , q axis  stater  curre n ts, L d   and L q   are  the d,q axis  ind u cta n ce, R  an s  are the  sta t er re si stan ce and i n vert er fre que nc r e spec tively.  af is the flux linkage du e to the  rotor m agn ets linki ng the  stator.             Figure 1.  Block di agram of  a PMSM  Figur e 2.  Block di agram of  a PMSM Dri v     The elec tric  torque:      )/2 i )i L   -   (L     i 3P(     T q d q d q af e                                                                                    (3)    The moto r dynamics:     r r Jp B   T   -   T L e                                                                                                         (4)    P is the  num ber  of pole  p a irs,  TL i s  th e load  torq ue , B is the  da mping  co efficient,  r is  the roto r sp e ed and  J the  moment of in ertia. The in v e rter frequ en cy is related t o  the roto r sp eed   as  follows :       r s p                                                                                                                                     (5)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 3, June 20 15 :  470 – 48 472 The ma chine  model is n onl inear a s  it co ntai ns p r od uct terms su ch  as speed  with id and  iq. Note that r , i d  and i q  are  state varia b l e s. Durin g  ve ctor  cont rol, i d  is normally  forced to be   zer o .        q t q e i K      /2 i 3P     T af                                                                                                          (6)        3.   Speed Control of PMSM Motor  The PMSM is using  control  to suppress  harm oni c noi se to a level. then, noise to a level  belo w  and vibration tra n sl ates into a more  comfortable ride for passeng ers.  IGBT SPWM  inverters ma ke  th e ride   smoothe r with   preci s el ad justing  spee d  co ntrol  with  freq uen cy a nd  voltage re gul ation. It has t he late st low-noise po we units to m a ke  the ride  even  quieter.Eleva tor   has dire cted high-sp eed u s ed (15 00 rp m)  PMSM.  Ener gy  reform  in the elevato r  gea re d for  small  rise b e cau s travel extrem ely small and  fast.        Figure 3. Block  Diag ram o f  Speed Cont rol of PMSM      3.1. PI Contr o ller Modeling  In the PI spe ed controll er  the motor  sp eed i s  comp ared  with the  referen c sp eed a n d   the spe ed error is the nth  sampling inte rval as:    [n]   -   [n] *     [n] r r e                                                                                             (7)    The  o u tput  of   the spe ed controlle r gives  th e  refe re n c e to rqu e . Hence the  out put of the   spe ed control l er at the nth sampli ng inte rval is:    [n] Ki     1]) - [n - [n] Kp(     1] - T[n     T[n] e e e                                       (8)    For con s tant air gap flux o peratio n refe r ence qua drat ure axis  cu rre nt is given as:     T[n]/Kt      * i q                                                                                                                (9)    The limite r  i s  u s ed  to li mit the maxi mum value   of output of  spe ed  cont ro ller. The   maximum mo tor rated  cu rrent and devi c e curr e n t of the co nverte r dictate the li mit.  Whe r e,   ω e[n] is spe e d  error at nth  instant,  ω r*[n]  is the referen c e spee d at nth instant;  ω r[n] is the  actual m o tor spee d at nth instant,  ω e [ n-1] is the  speed e r ror at  (n-1 )th  instant;   T[n] is th referen c e  torq ue at  nth i n stant, T[n-1] i s  the  referen c e to rq ue  at (n -1 )th  instant;   Kp is pro porti onal gai n of the sp eed  con t roller;   Ki is integral  gain of the sp eed controll er is referen c quad ratu re a x is curre n t;  Kt is torque consta nt  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Artific i al Optimal Fuz z y  Control Strategy for El evato r  Dri v e System  by Using  (Salam  Waley)  473 3.2. Fuzzy  Logic Con t rol l er  The Ba sic configuration  of a Fu zzy  L ogic  Co ntroll er (FL C co n s ist s  of the f o llowin g   comp one nts:   1) Fuz z i fic a tion Interfac 2 )  Kn ow le dg Bas e  (KB)    3) De ci sion M a kin g  Logi   4) Defuzz ific ation Interfac A fuzzy controller i s  a  spe c ial fu zzy  system  that can  be u s ed a s  a  controlle r co mpone nt   in a closed-l o op system. T he integr ation  of a fuzzy system into a  cl ose d  loop is  sho w n. Spe c i a empha si s is  put onto the  transfe r be haviour of  fu zzy controll e r s, whi c h i s  analyzed usi n g   different co nfiguratio ns  of st andard m e m bership  fun c tions. A n  exa m ple fo r the   desi gn  of a fu zzy   controlle r fo r a l oadin g   crane  i s  give n. Finally, th e mo dule  se ries i s   clo s e d  by  a g ene ral  discu ssi on  ab out the  contri bution  of fu zzy cont rol.  F o a PM m o tor d r ive  system  with a full  spee rang e, the system will  consi s t of a  motor, an  in verter, controller  (consta nt torque  an d flux  wea k e n ing o peratio n, gen eration of  referen c cu rre nts and PI co ntrolle r).     3.3. Particle S w arm Opti miz a tion  It is a techniq ue use d  to explore the  sea r ch spa c e of a given proble m  to find the  setting or pa ramete rs req u ired to optimize a p a r ticula obj ect i ve. PSO has two ma in conc epts : the firs t   is thro ugh th e observatio n  of human d e ci sion m a ki ng, it was p r opo sed that  human s u s both  their o w n be st experien c and othe rs’ b e st expe rien ce to form a b a si s of maki n g  a de cisi on, to   develop the concepts of in dividual lea r n i ng and cult ural transmissi on. The se co nd is to prop ose   a simpl e  the o ry to explai n gro up b e h a vior in n a ture, and to m o dulari z e th e theory to  cre a te  sy st em s t o  si mulat e  t h ing s .  The bigge st  cha r a c t e ri st ic of  P S O  is  in it s simpl e  st ru ct ur e,  f a s t   conve r ge nce, and its abilit y to prevent falling into  a l o cal o p timum  solution. At the sa me time,  PSO is a ran dom algo rith m with a parallel stru ctu r e .  Firstly, a uniform di strib u tion is u s ed  to   rand omly cre a te a particl e swarm.   Ea c h  p a r t ic le  r e pr es en ts  a  fe a s ib le  s o lutio n   to the problem, the part icle swarm  refers to  the individ ual ’s b e st  expe rience, an d th e g r oup’ be st expe rien ce , and l ogi call y cho o ses th e   method it will  move it self.  Afte r continu ous iteration s , the p a rtic l e   swarm  will  g r avitate towa rds  the optimum  solutio n   3.4. Ele v ator State Sampl e s   In Figure 4  we find this sta t es:    a) [1-2,2-3,3-2,2-1]; b)  [1-2,2-3,3-1]; c )  [1-3 ,3-1]; d) [1-3,3-2,2-1]     1=1 st  floor, 2= 2 nd  floor, 3=3 rd  floor, 1-2=1 st  floor to 2 nd   floor, 2-3=2 nd  floor to 3 rd  floor,  2- 1=2 nd  floor to1 st  floor, 3-2= 3 rd  floor to 2 nd  floor, 1-3= 1 st  floor to 3 rd  floor,3-1= 3 rd  floor to 1 st   floor ,We  can  write anoth e r  sam p le[1-2-1]that is mea n :  1-2=1 st  floor to 2 nd  floor and 2- 1=2 nd  floor to1 st  floor        Figure 4. Elevator state sa mples a )  [1-2, 2 -3 ,3-2,2-1], b) [1-2,2-3 ,3-1], c )  [1-3,3-1],    d) [1-3,3-2,2-1]  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 3, June 20 15 :  470 – 48 474 3.5. Ele v ator Contr o l Sy s t em Applica t ion Flo w   Ch art  The   Steps  as follows   ( f low   c h ar t a s  F i gu re  5 ) :    Step 1: Creat e the para m e t ers of the ele v ator.   Step 2: Acco rding to the ca ll signal  a nd the cu rrent sit uation Elevator.   Step 3: by Reload  squ a d r on by usi ng  update va lu e-weig hted ine r tial, with the spe ed of  conve r ge nce.   Step 4: use t he a c ceptan ce crite r ia, to  deci de wheth e r to a c cept t hese ne w pa rticles  or  not, and to incre a se the di versity of the particl es, with  avoid trappin g  in local O p timization.   Step 5: The end of the iterati on, then the global sea r ch the optima l  solution. If not, step  loop (3 ).   Step 6: by using Loo p to step (2 ) until the  end time si mulation,then  output the re sult.          Figure 5. Elevator cont rol  sy stem a pplication flow cha r     4. Simulation Resul t s   By using Si mulation mo del PMSM&Simulation  of  Elevator Drive  system by  using   PMSM:    4.1. Simulation Model Pe rmanent M a gnet Sy nchronous Mo tor  (PMSM)  Model of the  system in  Fig u re 6 i s  verifi ed thro ugh th e com pute r  simulation s u s i ng the  softwa r pa ckag e MATLA B /Simulink. It sum m ari z e s   the pe rform ance of the   elevator’ s  el e c tric   drive, both in comp uter  simulatio n  an d exper ime n tal implement ation. The analyze d  elevator  con s id ers el e c tri c al d r ive  (PMS M Drive  System). El evator m o tor is th ree - ph a s pmsm  with.  Drive  conve r ter is  cu rrent  regul ated S P WM vo ltag e so urce inv e rter  (CRSP W M VSI) di rect  curre n t po wer sup p ly. The  positio ning  sy stem an d po sition co ntrolle r of Elevator  are u s e d  for t he  task to  provid e po sition referen c e t r a cki ng an d ze ro  error in  stea d y  state. Con s tant load i s  u s ual   for one  elev ator ri de. Th us, a po sitio n  co ntrolle with propo rtional an d inte gral a c tion  (PI) is   use d , Block  diagram of P I  Controll er i s  sho w n in   Figure 7. Parameters of real elevato r   with  pmsm d r ive were incl ude d in the mode l of elevator.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Artific i al Optimal Fuz z y  Control Strategy for El evato r  Dri v e System  by Using  (Salam  Waley)  475 Simulation of  the entire  sy stem with  de sign ed  contro ller is m a de i n  the Matlab/ S imulink  and given re sults  sho w  that design  co ntrolle meet s the req u ire m ents compl e tely smooth  and  pre c ise po sition and  spe e d .Input param eters  fo r the dynamic of th e elevator a r e :   a)  Final po sition  of car:  9 m,  b)  Nomin a l sp ee d of car: 1.5  m/s,  c)  Elevator ca pa city: 1050 kg,   d)  Weig ht of the car:  450  kg.   To verify the  feasibility of  control, PMSM dr ive  simul a tion model  with control i s  created  and  studie d   usin g MATLA B . Simulation param ete r s: stator re sista n ce Rs  0.0 1 , indu ctan ce   Ld = L q  = 0. 0183 5H, flux  Ψ  = 0.4 V.s,  pair of pol es  p = 3,  ine r tia  J = 0.02 9kg.m2. Simulation  con d ition s : re feren c e spee d n = 1500 ra d / s, start with TL = 5N.m. Simulation re sults a r e sho w in Figure 8-1 0  spe ed is  sh own in Fi gure  8, Torque  i s   sho w n in Fi g u re 9, an d cu rre nt is sh own in   Figure 1 0 . It is o b viou s tha t  corre c t resp onses of   spe ed, current, a nd torque  in  control  syste m Usi ng PI co n t rol and  Fu zzy control  ha s a good  appli c ation i n  PMSM drive. At the sam e  tim e with sp eed  have faste r  respon se.  Ri pple of to rq ue is obvio u s ly red u ced.  So the system  perfo rman ce i s  improved.              Figure 6.  Model of the system                                                                                        Figure 7.  PI  Controller      Figure 8. Speed Re sp on se , n=150 0ra d /se c   Fi gure 9. Torque Respon se, n=15 00rad /sec  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 3, June 20 15 :  470 – 48 476     Figure 10. Cu rre nt Re spo n s e, n=150 0ra d /se c &TL = 5 N       4.2. Simulation of Elev at or Driv e S y s t em b y  usin g PMSM      (a) Spe e d     (b) T o rq ue           (c )     Figure 11. Speed, Torque  & Cu rrent Re spo n se, n = (0 ,1500)ra d / s &TL = 10 N. Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Artific i al Optimal Fuz z y  Control Strategy for El evato r  Dri v e System  by Using  (Salam  Waley)  477   (a) Spe e d     (b) T o rq ue       (c) Pha s e cu rrent     Figure 12. Speed, Torque  Current Re spo n se, n=(0,1500 ,0)ra d /s &TL = 10N. m       (a) Spe e d     (b) T o rq ue       (c) Pha s e cu rrent     Figure 13. Speed, Torque&  Current Respon se,   n = (0,1500,0,1 5 0 0 ,0,-150 0,0,-1500,0 ) rad / s  &TL = 10 N.m              Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 14, No. 3, June 20 15 :  470 – 48 478   (a) Spe e d     (b) T o rq ue       (c) Pha s e cu rrent     Figure 14. Speed, Torque& Curre n t Re sp onse, n = (0, 1500,0,1 500, 0,-150 0,0,-1 5 00,0)rad /s &   TL = (1 0,5,10 ,5)N.m, a Torque is vari abl                                                                               (a) Spe e d     (b) T o rq ue       (c) Pha s e cu rrent     Figure 15. Speed, Torque  & Current Re spo n se,  n = (0,1500,0,1 5 0 0 ,0,-150 0,0,-1500,0 ) rad / s  &TL = 0N.m  a Torq ue is e qual Ze ro 0 N .m (no loa d Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Artific i al Optimal Fuz z y  Control Strategy for El evato r  Dri v e System  by Using  (Salam  Waley)  479   (a) Spe e d     (b) T o rq ue       (c) Pha s e cu rrent     Figure 16. Speed, Torque  & Current  Re spo n se, n = (0,-150 0 ,0)rad  / s &TL = 0N. m  a Torq ue is  equal Ze ro 0 N .m (no lo ad)                                                     (a) Spe e d     (b) T o rq ue       (c) Pha s e cu rrent     Figure 17. Speed, Torque  & Current Re spo n se , n = (0,-150 0 ,0)ra d  / s &TL = 10N.m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.