I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 6 ,   No .   2 ,   J u n 2 0 2 5 ,   p p .   827 ~ 8 3 9   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 6 . i2 . p p 8 2 7 - 839          827     J o ur na l ho m ep a g e :   h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   H a rmo nic cont ro l in e lec trical  driv es for t ra nspo rt  s y stems       T ha nh   L ich N g uy en 1 ,   Va T ra ng   P hu ng 2   1 D e p a r t me n t   o f   M e c h a t r o n i c s,  F a c u l t y   o f   M e c h a n i c a l   En g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i t y   o f   Tr a n s p o r t   a n d   C o mm u n i c a t i o n s,   H a n o i ,   V i e t n a m   2 M o d e l l i n g   a n d   S i m u l a t i o n   C e n t e r ,   V i e t t e l   H i g h   Te c h n o l o g y   I n d u s t r i e s C o r p o r a t i o n ,   H a n o i ,   V i e t n a m       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   2 5 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Ma r   2 9 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Ma y   6 ,   2 0 2 5       F ield - o r ien ted   c o n tro (F OC)  is  t h e   m o st  wid e ly   u se d   m e th o d   fo c o n tro ll in g   a lt e rn a ti n g   c u rre n (AC)  d riv e s,  u sin g   Clar k e   a n d   P a rk   tran sf o r m a ti o n to   e n a b le  c u rre n t   c o n tro ll e rs  to   m a n ip u late   th e   a m p li tu d e   o t h e   fu n d a m e n tal   c o m p o n e n o f   th e   p h a se   c u rre n ts.   Th e   in h e re n a d v a n tag e   o t h e   F O m e th o d   is  th a t   it   tran sfo rm c u rre n c o n tr o tas k i n t o   a   DC   d o m a in ,   th e re b y   e n h a n c in g   th e   d y n a m ics   o f   c u rre n t   re sp o n se   a n d   th e   c a p a b il it y   o trac k i n g   th e   c u rre n t   re fe re n c e .   Th e   i d e a   o f   t h e   F OC   c a n   b e   e x ten d e d   b e y o n d   t h e   f u n d a m e n tal   c o m p o n e n to   c o n tro s o m e   o th e   h a rm o n ics   b u ried   i n   a n y   si g n a ls  p re se n ted   in   e lec tri c a d riv e s,  wh ic h   is  p a r ti c u larly   c rit ica i n   tran sp o rt  sy st e m s.  Th is   p a p e p re se n ts  a   h a rm o n ic  c o n tro l   fra m e wo rk ,   o p t imiz e d   fo r   tran sp o rt   a p p li c a ti o n s,  wit h   t h re e   d iffere n t o p o lo g ies a d a p ti v e   li n e a n e u ra ( Ad a li n e ) ,   re so n a n c o n tr o ll e (RC) ,   a n d   h a rm o n ic  c o n tro ll e (HC).  Th e   st u d y   p ro v id e a   c o m p re h e n siv e   th e o re ti c a a n a ly si o th e   m a th e m a ti c a re latio n sh ip b e twe e n   th e se   th re e   c o n tr o l   stru c t u re s.  A d d it i o n a l ly ,   it   e x p lo re s   th e   a p p li c a ti o n   o f   h a rm o n ic  c o n tro l lers   in   b o t h   c u rr e n a n d   s p e e d   c o n t ro l   lo o p s.   S imu latio n   a n d   e x p e rime n tal  re su lt a re   u se d   to   v a li d a te  th e   p r o p o se d   fr a m e wo rk ,   d e m o n stra ti n g   it p o ten t ial  to   im p ro v e   th e   p e rfo rm a n c e   o e lec tri c   d riv e in   v e h icle s,  in c lu d i n g   e n h a n c e d   e n e rg y   e fficie n c y ,   re d u c e d   e lec tr o m a g n e ti c   in terfe re n c e ,   a n d   sm o o th e to r q u e   p ro d u c ti o n .   K ey w o r d s :   Ad alin co n tr o ller   Har m o n ic  co n tr o ller   Ph ase  co m p en s atio n   R eso n an t c o n tr o ller   R o o t - lo cu s   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   T h an h   L ic h   Ng u y en   Dep ar tm en t o f   Me ch atr o n ics,  Facu lty   o f   Me ch a n ical  E n g in e er in g   Un iv er s ity   o f   T r a n s p o r t a n d   C o m m u n icatio n s   No .   3   C au   Giay   Stre et,   Han o i,   Vietn am   E m ail:  lich n t@ u tc. ed u . v n       1.   I NT RO D UCT I O N   T o   ad d r ess   th g lo b al  ch allen g o f   r ed u cin g   ca r b o n   d io x id e m is s io n s ,   elec tr ical  m ac h in es  ar wid ely   u s ed   in   im p o r ta n in d u s tr ial  s ec to r s ,   p ar ticu lar l y   in   tr an s p o r tatio n   ap p licatio n s   s u ch   as  a er o s p ac e,   r o b o tics ,   cr an s y s tem s ,   an d   elec tr ic  v eh icles  [ 1 ] .   E lectr ical  d r iv es  ar a   p r ef er r ed   c h o ice  d u to   th eir   h ig h   p o wer   d e n s ity ,   lo m ain ten an ce   co s ts ,   h ig h   to r q u d en s ity ,   a n d   h ig h   ef f icien cy   [ 2 ] .   Desp ite  th e   n u m er o u s   b en ef its   o f   elec tr ica l   d r iv es,  th er ar s o m u n wan ted   p h en o m en th at  lead   t o   to r q u e/sp ee d   r ip p les  d u r i n g   th co m m is s io n in g   o f   elec tr ical  m ac h in es,  af f ec tin g   th eir   p er f o r m an ce   an d   r eliab ilit y   [ 3 ] .   T h m o s well - k n o wn   f ac to r s   co n tr ib u tin g   to   to r q u r ip p les  ar th cu r r en m ea s u r em en er r o r   [ 4 ] [ 5 ] ,   d ea d - tim ef f ec ts   [ 6 ] [ 7 ] ,   co g g in g   to r q u e     h ar m o n ics  [ 8 ] [ 9 ] ,   a n d   f l u x   h a r m o n ics  [ 1 0 ] .   Am o n g   th a b o v p h en o m en a,   th cu r r e n m ea s u r em en er r o r   is   m ajo r   s o u r ce   o f   th p er io d ic   d is tu r b an ce s   in   elec tr ical  d r iv es.  T h DC   o f f s et  er r o r s   in   t h cu r r e n m ea s u r e m en r esu lt   in   p er io d ic  er r o r s   in   th q - co m p o n en o f   th p h ase  cu r r en in   th r o to r   f lu x - o r i en ted   co o r d i n ate,   h en ce   ca u s in g   p er io d ic  to r q u e   r ip p les  [ 1 1 ] .   Dea d - tim in s er tio n ,   im p lem en te d   to   p r ev e n s h o r cir cu its   in   th s witch es   o f   th v o ltag s o u r ce   in v er ter s ,   in tr o d u ce s   th s ix th - o r d er   h ar m o n ic  an d   its   m u ltip l es in to   th d q - c u r r e n t c o m p o n en ts   [ 6 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] T h u n d esira b le  h a r m o n ics  i n   th m o d u lated   v o ltag d is t o r th o u tp u v o ltag e,   lead in g   to   co r r esp o n d in g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   2 J u n e   20 25 8 2 7 - 8 3 9   828   h ar m o n ics  i n   th e   p h ase  cu r r en ts   an d   s u b s eq u en tly   ca u s in g   r i p p les  in   t h elec tr o m ag n etic   to r q u e.   Ad d itio n ally ,   f lu x   h a r m o n ics  ar d u to   th n o n - id ea s in u s o id al  f lu x   d is tr ib u tio n   in   t h air   g a p ,   wh ich   is   in f lu en ce d   b y   th e   m ac h in co n s tr u ctio n   an d   th p r o p e r ties   o f   th p e r m an en m ag n ets  [ 1 4 ] .   I n   ad d itio n   to   th c u r r e n r i p p les,  s p ee d   o s cillatio n s   ca u s ed   b y   e x ter n al   d is tu r b an ce s   ca n   also   b o b s er v ed   in   elec tr ical  d r i v es.  T h is   p h en o m e n o n   is   p ar ticu lar ly   p r ev alen in   tr a n s p o r s y s tem s   s u ch   as  co n v ey o r   b elts   an d   ca r g o   r o b o ts ,   wh er e   th m ec h an ical  s y s tem s   attac h ed   to   th d r iv in g   m ac h in es  a r ch ar ac ter ized   b y   r ep etitiv p h en o m en a.   ch ar ac ter is tic  f ea tu r o f   s u ch   s y s t em s   is   th p er io d ic  lo ad   to r q u e,   wh ich   ev en t u ally   ca u s es  s p ee d   o s cillatio n s .   T h e s o s cillatio n s   in tr o d u ce   u n d esire d   h ar m o n ics  in t o   th e   c o n tr o l   s ig n als,  n eg ativ ely   im p ac tin g   th e   o v er all   p er f o r m an ce .   Sp ec if ically ,   t h ey   ca n   r ed u ce   th e   p r ec is io n   o f   th e   p o s itio n   co n tr o l o o p ,   d ec r ea s th to r q u p er   am p er r atio   o f   th e   elec tr ical  m ac h i n e,   an d   i n cr ea s th o h m ic  lo s s es  d u to   th s k in   ef f ec t a s s o ciate d   with   h ig h - f r e q u en cy   co m p o n en ts   in   th e   f lu x   an d   s tato r   c u r r e n t sp ec tr a.   T o   m itig ate  th n eg ativ ef f ec ts   o f   u n d esira b le  h ar m o n ics,  th im p lem en tatio n   o f   h ar m o n ic  co n tr o ller s   in   in d u s tr ial  elec tr ical  d r iv es   is   cr u cial  [ 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] .   Var io u s   h ar m o n ic  co n tr o ller   to p o lo g ies  h av b ee n   d ev elo p e d ,   in clu d in g   th r eso n an co n tr o ller   ( R C )   [ 1 7 ] [ 1 8 ] ,   h ar m o n ic  co n tr o ller   ( HC )   [ 1 9 ] ,   an d   ad ap tiv lin ea r   n eu r al  ( Ad alin e)   [ 1 5 ] [ 2 0 ] [ 2 1 ] .   T h t h r ee   af o r e m en tio n e d   to p o lo g ies  s h a r a   co m m o n   w o r k in g   p r in cip le  o f   d ea lin g   with   th s p ec if ic  h a r m o n ic  in   p h y s ical  q u an titi e s .   Ho wev er ,   co m p r e h en s iv an aly s is   o f   th eir   s im ilar ities   an d   d if f er en ce s ,   p ar ticu lar ly   with   r esp ec to   m ath em atica d escr ip t io n   an d   ex p er im en tal  im p lem en tatio n ,   is   s till   lack in g .   T h is   r esear ch   w o r k   f o c u s es  o n   f illi n g   th is   r esear ch   g a p   b y   h ig h lig h tin g   th e   s am m ath em atica d escr ip tio n   o f   th ese  to p o l o g ies  an d   also   in v esti g atin g   th d if f er e n ce s   r eg ar d in g   t h d is cr etize d   im p lem en ta tio n   a n d   p h ase  co m p en s atio n   tech n iq u es.   T h m ain   co n tr ib u tio n s   o f   th is   wo r k   ar e   as f o llo ws.  First,  it   d em o n s tr ates th at  wh ile  t h m at h em atica d escr ip tio n s   o f   th e   th r ee   co n s id er ed   to p o l o g ies  ar e   eq u i v alen t,  th eir   d is cr etize d   i m p lem en tatio n s   d if f er   d u to   v ar iatio n s   in   d is cr etiza tio n   m et h o d s .   Sec o n d ,   a   n o v el  p h ase  co m p en s atio n   a p p r o ac h   is   p r o p o s ed   f o r   th Ad alin e   an d   HC   to p o lo g ies,  f illi n g   a   g ap   in   th e x is tin g   liter atu r e.   T h ir d ,   t h ef f ec tiv en ess   o f   th e   h ar m o n ic  c o n tr o ller s   is   v alid ated   th r o u g h   b o t h   s im u latio n   an d   ex p er im en tal  r esu lts ,   s p ec if ical ly   in   th co n tex o f   h ar m o n ic   ca n ce llatio n   in   s p ee d   a n d   c u r r en t c o n tr o l l o o p s .   T h r em ain d er   o f   th e   p a p er   is   o r g an ized   as  s ec tio n   2   is   d e d icate d   to   th e   co n tr o to p o lo g ies  o f   Ad alin e,   RC ,   an d   HC ,   f o llo wed   b y   th e   s im u latio n   an d   ex p er im en tal  v al id atio n   g iv e n   in   s ec tio n   3 .   Fin a lly ,   th co n clu s io n s   ar s u m m ar ized   in   s ec tio n   4 .       2.   CO M P ARI SO AND  I M P L E M E N T AT I O O F   H ARM O NIC CO NT RO L L E R S   2 . 1 .     Co m pa riso n bet wee n Ada lin e,   RC,   a nd   H C   T o   illu s tr ate  th s im ilar itie s   b etwe en   th Ad alin e,   h ar m o n ic   co n tr o ller ,   an d   th r eso n an co n tr o ller ,   let’ s   co n s id er   an   ex am p le   o f   p h ase  cu r r en t   h ar m o n ic   co n tr o in   th e   r o to r   f l u x - o r ien ted   r ef er en ce   f r am e   (  - r ef er en ce   f r am e) .   First,  th tr an s f er   f u n ctio n   o f   th R C   will  b p r esen ted .   T h e n   th co m p ar is o n   am o n g   th e   Ad alin e,   HC ,   an d   R C   will  b ad d r ess ed   as  f o llo ws:   i)   th e   HC   an d   R C   ar co m p a r ed   in   ter m s   o f   m ath em atica l   r ep r esen tatio n   an d   ii)  th HC   an d   Ad alin ar c o m p ar e d   with   r eg ar d   to   w o r k in g   p r in ci p le  a n d   im p lem en tatio n .   Fig u r 1 ( a)   s h o ws  th s tr u ctu r o f   th e   h ar m o n ic  co n tr o ller ,   c o m p o s ed   o f   r eso n an c o m p o n en ( R C )   wo r k in g   in   p ar allel  with   a   co n v en tio n al   p r o p o r tio n al - in teg r al  ( PI)   co n tr o ller   [ 4 ] .   T h e   tr an s f er   f u n ctio n   o f   th e   r eso n an t c o n tr o ller   with o u t p h ase  co m p en s atio n   is   g iv en   b y   ( 1 ) .     RC ( ) = i   2 + 2   ( 1 )     W h er = 2 π   with     is   th f r eq u en cy   o f   th x th   h ar m o n ic  to   b co n s i d er ed i   is   th g ain   o f   th R C an d   ( ) = 1 ( + )   is   th eq u iv alen tr an s f er   f u n c tio n   th at  co m b i n es  th tr an s f er   f u n ctio n s   o f   th m ac h i n e,   th in v er ter   a n d   th e   lo w - p ass   f ilter   u s ed   f o r   t h cu r r en t m ea s u r em en t.   T h p r im a r y   id ea   o f   th R C   is   to   p r o v id in f in ite  g ain   o f   th o p en   l o o p   at  th r eso n an t f r eq u en cy ,   an d   h en ce   it  en s u r es  ze r o   er r o r   f o r   th clo s ed   co n tr o lo o p .   Ho wev er ,   th R C   co n tr o ller   g iv en   in   ( 1 )   ca n n o t   m an ip u late  r eso n an f r eq u e n cy   th at  is   r elativ ely   h ig h   co m p ar ed   to   th s am p lin g   f r e q u en cy   o f   th co n tr o alg o r ith m .   T h is   is   d u to   th ti m d elay   o r ig in ated   f r o m   th c o n tr o alg o r ith m .   T h tim d elay   r ed u ce s   th p h ase   m ar g in   o f   th clo s ed   co n tr o lo o p ,   wh ich   is   th en   p r o n to   in s tab ilit y .   T o   ad d r ess   th is   is s u e,   p h ase  co m p en s atio n   is   co m m o n ly   ap p lied   to   th R C   to   in cr ea s th p h ase  m ar g i n .   T h tr an s f e r   f u n ctio n   o f   t h e   m o d if ied   r eso n an co n tr o ller   with   p h ase  co m p e n s atio n   is   g iv en   in   ( 2 )   [ 1 8 ] [ 2 2 ] .     RC ( ) = i   co s m s i n m 2 + 2   ( 2 )     W h er m   is   th co m p en s ated   p h ase.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Ha r mo n ic  co n tr o l in   elec tr ica l d r ives fo r   tr a n s p o r t sys tems   ( Th a n h   Lich   N g u ye n )   829   Fig u r 1 ( b )   d ep icts   th clo s ed - lo o p   cu r r en co n tr o in co r p o r at in g   th m o d if ied   r eso n a n co n t r o ller .   As  ex p r ess ed   in   ( 2 ) ,   t h tr an s f er   f u n ctio n   RC ( )   in v o lv es two   k ey   d esi g n   p ar am eter s ,   n a m ely   th g ai n   i   an d   th e   p h ase  m .   Ph ase  co m p en s atio n   is   ex clu d ed   in   th s co p o f   th i s   s tu d y   an d   will  b p r esen ted   in   d etail  in   th o n g o in g   wo r k .   R eg ar d in g   th d esig n   o f   g ain   i ,   th er a r s o m e   r em ar k s .   Firstl y ,   i   d ec id es  th d y n am ics  o f   th e   clo s ed   lo o p   p er tain in g   to   r e f e r en ce   tr ac k in g   ca p a b ilit y .   T h e   h ig h er   th v al u o f   i ,   th f aster   o f   t h o u t p u t   r esp o n s e ,   b u th e   co n tr o ller   r ea ch es  s atu r atio n   ea r lier .   Se co n d ly ,   t h h ig h er   th v alu e   o f   th am p litu d ass o ciate d   with   th r eso n a n h a r m o n ic,   th h i g h er   th g ain   i .   T h ir d ly ,   if   th er ar e   s ev er al  r eso n an co m p o n e n ts ,   th g ain s   m u s b o p tim ized   s eq u en tially   to   en s u r t h at  th in ter ac tio n   b etwe en   th h ar m o n ic  co m p o n en ts   is   u n d er   f u lly   tak e n   in to   ac c o u n t.       ( a)     ( b )       Fig u r 1 .   R eso n an t c o n tr o ller   f o r   th c u r r e n t c o n tr o l lo o p ( a )   with o u t p h ase  co m p e n s atio n   an d     ( b )   with   p h ase  co m p e n s atio n       2 . 1 . 1 .   Co m pa riso n o f   H a n d RC   T h is   s ec tio n   p r esen ts   d etail ed   m ath em atica an aly s is   d em o n s tr atin g   th eq u iv alen ce   b etwe en   th e   r eso n an co n tr o ller   an d   th e   h a r m o n ic  c o n tr o ller   in   ter m s   o f   th eir   m ath em atica f o r m u latio n .   I t   is   well  k n o w n   th at   as ( 3 ) - ( 5 ) .     co s ( ) = ( ) c os ( + m ) = ( ) e j ( + m ) + e j ( + m ) 2   ( 3 )     s i n ( ) = ( ) s in ( + m ) = ( ) e j ( + m ) e j ( + m ) 2 j   ( 4 )     { e  ( ) } ( )   ( 5 )     W h er   is   th L ap lace   tr an s f o r m   an d     is   th an g u lar   v elo city   o f   th x th   h ar m o n ic.   T ak i n g   th L ap lace   tr an s f o r m atio n ,   we  h av e   ( 6 )   a n d   ( 7 ) .     co s ( ) = 1 2 [ ( 0 ) e j m + ( + 0 ) e j m ]   ( 6 )     s i n ( ) = j 2 [ ( 0 ) e j m ( + 0 ) e j m ]   ( 7 )     W d en o te    as th co n v o lu tio n   m u ltip licatio n ,   th en   as ( 8 ) .     x H ar ( ) = { [ ( ) c os ( ) ( ) ] } c os ( + m ) + { [ ( ) s in ( ) ( ) ] }     s in ( + m )   ( 8 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   2 J u n e   20 25 8 2 7 - 8 3 9   830   W d en o te   as ( 9 )   a n d   ( 1 0 ) .     1 ( ) = ( ) c os ( ) ( )   ( 9 )     2 ( ) = ( )  ( ) ( )   ( 1 0 )     T h en   th L a p lace   tr an s f o r m atio n   o f   1 ( )   an d   2 ( )   ar e   as ( 1 1 )   a n d   ( 1 2 ) .     1 ( ) = { ( ) c os ( ) ( ) } = { ( ) c os ( ) } ( )      = 1 2 [ ( + j ) + ( j ) ] ( )   ( 1 1 )     2 ( ) = { ( ) s in ( ) ( ) } = { ( ) s in ( ) } ( )   = j 2 [ ( + j ) ( j ) ] ( )   ( 1 2 )     Acc o r d in g   t o   ( 6 )   an d   ( 1 1 ) ,   we  h av e   ( 1 3 ) .     = { [ ( ) c os ( ) ( ) ] c os ( + m ) } = { 1 ( ) c os ( + m ) }     = 1 2 { 1 ( j ) e j m + 1 ( + j ) e j m }     = 1 4 { [ [ ( ) + ( 2 j ) ] ( j ) ] e j m + [ ( + 2 j ) + ( ) ] ( + j ) e j m }   ( 1 3 )     Acc o r d in g   t o   ( 7 )   an d   ( 1 2 ) ,   we  h av e   ( 1 4 ) .     = { [ ( ) s in ( ) ( ) ] s in ( + m ) } = { 2 ( ) s in ( + m ) }       = j 2 { 2 ( j ) e j m 1 ( + j ) e j m }     = 1 4 { [ [ ( ) ( 2 j ) ] ( j ) ] e j m [ ( + 2 j ) ( ) ] ( + j ) e j m }   ( 1 4 )     Su b s titu te  ( 1 3 )   an d   ( 1 4 )   in t o   ( 8 )   we  h av e   ( 1 5 ) .     ( Ha r ) = + = 1 2 { ( j ) e j m + ( + j ) e j m } ( )   ( 1 5 )     Fro m   ( 1 5 )   with   ( ) = i / ,   th tr an s f er   f u n ctio n   o f   th h ar m o n ic  co n tr o ller   is   ( 1 6 ) .     HC ( ) = 1 2 [ ( j ) e j m + ( + j ) e j m ]         = 1 2   i j e j m + 1 2 i + j e j m         = i   ( co s m     s i n m ) 2 + 2   ( 1 6 )     Fro m   ( 2 )   an d   ( 1 6 )   it is   o b v io u s   th at  th tr an s f er   f u n ctio n s   o f   th HC   an d   o f   th R C   ar id en tical.     2 . 1 . 2 .   Co m pa riso n o f   H a n d Ada lin e   T h g r a p h ical  d ep ictio n   o f   th e   HC   is   s h o wn   in   Fig u r 2 ,   wit h   ( 1 7 ) .     = d   ( 17 )     W h er e:    is   th elec tr ical  an g le   o f   th e   x th   h ar m o n ic.   T h r elatio n s h ip   b etwe en   th Ad alin a n d   th h ar m o n ic   co n tr o ller   to p o lo g ies,  as  s h o wn   in   Fig u r es  3 ( a)   an d   3 ( b ) ,   is   n o d is cu s s ed .   T h Ad alin to p o lo g y   with   p h ase   co m p en s atio n ,   as  d ep icted   i n   Fig u r 3 ( a) ,   is   co n tr ib u tio n   to   th is   wo r k .   I n   th s am m a n n er   as  th R C ,   th Ad alin with   p h ase  co m p e n s atio n   en h a n ce s   th s y s tem   s tab ilit y   an d   im p r o v es  th d y n am ic  p er f o r m an ce   o f   th e   r ef er en ce   tr ac k in g .   T h ( 1 8 )   an d   ( 1 9 )   d escr ib th e   weig h t u p d ate   law  in   t h Ad a lin m o d el,   wh er e   , A d a co s   an d   , A d a s i n   ar e   weig h p ar am ete r s   ass o ciate d   with   th x th   h ar m o n ic  at   an g l Sp ec if ically ,   th ese  weig h ts   ar u p d ated   b y   ad d in g   a   ter m   p r o p o r tio n al  to   th lear n in g   r ate  ,   cu r r en e r r o r   ,   an d   s in e/co s in v alu es  o f     d ef in ed   in   ( 1 7 ) .     , A d a co s = , A d a co s + c os ( )   ( 1 8 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Ha r mo n ic  co n tr o l in   elec tr ica l d r ives fo r   tr a n s p o r t sys tems   ( Th a n h   Lich   N g u ye n )   831   , A d a s i n = , A d a s i n + s in ( )   ( 1 9 )     I is   n ec ess ar y   to   m en tio n   ag ain   th at  f o r   d if f er en h ar m o n ics  co r r esp o n d in g   to   d is tin ct  r eso n an f r eq u en cies  th ap p r o p r iate  lear n in g   r ate   m u s b ch o s en   s eq u en tially   t o   en s u r s tab ilit y   an d   o p tim al  p er f o r m an ce .   T h f in al   esti m ated   h ar m o n ic  v o ltag e   A d a   is   th en   in c o r p o r ated   in to   th e   cu r r e n c o n tr o l   lo o p   t o   e n h a n ce   h a r m o n ic   co m p en s atio n .   On   th o th er   h a n d ,   ( 2 0 )   a n d   ( 2 1 )   d e f in th u p d ate  law  f o r   th HC ,   wh er x , Har co s   an d   x , Har s i n   ar e   o b tain ed   th r o u g h   in teg r al  o p e r atio n s   in v o lv in g   i an d   th c o r r esp o n d in g   tr ig o n o m etr ic  ter m s .     x , Har co s = i c os ( ) d   ( 2 0 )     x , Har s i n = i s in ( ) d   ( 2 1 )     W h er i   is   th g ain   o f   th h ar m o n ic  co n t r o ller .   T h s elec tio n   o f   i   ca n   b d o n b y   th e   r o o t - lo c u s   m eth o d   a n d   is   co n d u cted   o n e - by - o n to   co n s id er   th in ter ac tio n   b et wee n   d if f er e n HC s   co r r esp o n d in g   to   d if f er en t   h ar m o n ics  [ 2 3 ] B y   co m p a r in g   ( 1 8 )   with   ( 2 0 )   an d   ( 1 9 )   with   ( 2 1 ) ,   we  o b s er v th at  i f   we  s et  = i Δ wh er e   Δ   is   th s am p lin g   tim o f   th in teg r al ,   an d   if   th ap p r o x im ati o n   o f   th in teg r als  in   ( 2 0 )   an d   ( 2 1 )   ad o p ts   th f o r war d   E u ler   m eth o d ,   t h en   w o b tain   ( 2 2 )   a n d   ( 2 3 ) .     x , Har co s = x , Har co s + i c os ( ) Δ   ( 2 2 )     x , Har s i n = x , Har s i n + i s in ( ) Δ   ( 2 3 )     I is   o b s er v ed   th at  th u p d ate   r u les  f o r   th e   Ad alin an d   th e   HC   b ec o m m ath em atica lly   i d e n tical.   T h is   co n f ir m s   th at  th two   m eth o d s   ar f u n d am en tally   eq u iv ale n t.           Fig u r 2 .   Stru ctu r o f   th h a r m o n ic  co n tr o ller       ( a)     ( b )     Fig u r 3 .   Stru ctu r es o f   th e   ( a)   Ad alin an d   ( b )   h ar m o n ic  co n t r o ller s   eq u ip p e d   with   PI  c o n tr o ller   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   2 J u n e   20 25 8 2 7 - 8 3 9   832   T h e r e   a r e   s e v e r a i m p o r t a n t   r em a r k s   t h a c a n   b d r a w n   f r o m   A d a l i n e   a n d   HC .   Fi r s t ,   b o t h   o f   th e m   o p e r a t e   b a s e d   o n   s i n g l e - p h a s t r a n s f o r m a t i o n   t h a is   s i m il a r   t o   Pa r k s   t r a n s f o r m a t i o n   a d o p t e d   i n   f i e l d - o r i e n t e d   c o n t r o ( F OC ) .   T h is   t r a n s f o r m a t i o n   al lo w s   t h u p d a t e   r u l t o   w o r k   d i r e c t l y   w i t h   t h e   DC   c o m p o n e n t   o f   t h e   c o n t r o l l e d   s i g n a l ,   i m p r o v i n g   b o t h   t h e   d y n a m i c s   a n d   a c c u r a c y   o f   t h e   c o n tr o l   a l g o r i t h m .   B o t h   A d a l i n e   a n d   H C   e n s u r e   p r e ci s p o l e   p l a c e m e n t   at   t h e   r es o n a n t   f r e q u e n c y   w h e n   d i s c r e t iz i n g   t h e   c o n t r o l   a l g o r i t h m   wi t h   a n y   m e t h o d .     2 . 2 .     I m ple m ent a t io n o f   t he  ha rm o nic  co ntr o ller   As  p r esen ted   in   s ec tio n   2 . 1 . ,   th Ad alin e,   th R C ,   an d   t h HC   ar m ath em atica lly   eq u iv alen t.  T h e   d if f er en ce s   am o n g   th ese  to p o lo g ies  lie  in   th eir   d is cr etiza tio n   m eth o d s .   T h d is cr etize d   p o les  o f   th r eso n an t   co n tr o ller ,   wh o s to p o lo g y   is   s h o wn   in   Fig u r 1 ( a ) ,   s tr o n g l y   d ep en d   o n   th d is cr etiza tio n   m eth o d   [ 1 7 ] .   I d ea lly ,   th r eso n an c o n tr o ller   p r o v id e s   in f in ite  g ain   at  1 , 2 = ± j h .   C o n s eq u en tl y ,   th d is cr etize d   d en o m in ato r   o f   th e   r eso n an t c o n tr o ller   s h o u ld   b i n   th f o r m   o f   ( 2 4 ) .     D e nom ina t or =   ( 1 ) ( 2 ) ( e j s ) ( e j s ) = 2 2 cos ( s ) + 1   ( 2 4 )     W h er s   is   th s am p lin g   tim o f   th h ar m o n ic  co n tr o ller .   T ab le  1   s u m m ar izes  th d en o m in ato r   f o r m s   o f   th e   r eso n an co n tr o ller   ac co r d in g   to   d if f e r en d is cr etiza tio n   m et h o d s .   I t   is   o b v i o u s   th at  o n ly   t h m eth o d   in   g r o u p   E ,   co n s is tin g   o f   t h ze r o - o r d e r   h o ld   ( Z OH) ,   f ir s t - o r d er   h o l d   ( FOH) ,   T u s tin   with   p r e - war p in g   ( T P),   im p u ls r esp o n s ( I PM) ,   a n d   ze r o - p o le  m atch in g   ( Z PM) ,   en s u r es  p r ec is p o les  o f   th r eso n an co n tr o ller   af te r   th e   d is cr etiza tio n   p r o ce s s .   I n   co n tr ast,  o th er   d is cr etiza tio n   m et h o d s   in tr o d u ce   p o le  s h if ts   ar o u n d   t h r eso n an t   f r eq u e n cy .   T h is   s h if r ed u ce s   th g ain   o f   th r eso n a n co m p o n en at  th r eso n an f r eq u en cy ,   r esu ltin g   in   n o n - ze r o   s tead y - s tate  er r o r   in   th c lo s ed   lo o p   c o n tr o l sy s tem .   T h d eter m i n atio n   o f   th e   p h as co m p e n s atio n   p lay s   a   cr u cial   r o le  in   f ac ilit atin g   th e   im p lem en tatio n   o f   h ar m o n ic  c o n tr o ller s .   I n   p r in ci p le,   th co m p en s ated   p h ase  f o r   ea ch   h ar m o n ic  ca n   b d e f in ed   b y   lo o k - u p   tab le.     T o   b u ild   u p   th lo o k - u p   tab le,   p r o ce d u r e   as  d ep icted   in   Fi g u r 4   ca n   b em p lo y ed .   T h e   m ac h in o p er ates  at  d if f er en o p er atin g   p o in ts   d e f in ed   b y   d if f er e n lo ad   to r q u es  an d   s p ee d s   u s in g   co n v en tio n al  PI  cu r r en t   co n tr o ller ,   with o u im p lem en t in g   R C ,   HC ,   o r   Ad alin c o n tr o ller s .   At  ea ch   o p er atin g   p o in t,  th r ef e r en ce   a n d   m ea s u r ed   cu r r en i n   th d -   a n d   q - ax es  ar e   r ec o r d ed   an d   p r o ce s s ed   u s in g   an   o n lin f ast  Fo u r i er   tr an s f o r m   ( FF T )   alg o r ith m .   T h e   m ain   f u n ctio n   o f   th e   o n lin e   FF T   alg o r ith m   is   to   ex tr ac t h p h ase  in f o r m atio n   o f   th e   co n s id er e d   h ar m o n ics  em b e d d ed   in   t h r ef er en ce   an d   m ea s u r ed   cu r r e n ts .   T h p h ase  d if f er e n ce   b et wee n   th ese  s ig n als   d eter m in es  th r eq u ir ed   p h ase   co m p en s atio n   at  ea c h   o p e r atin g   p o i n t.  B y   co m b i n in g   th e   p h ase  co m p en s atio n   d ata  f r o m   m u lt ip le  o p er atin g   p o in ts ,   th f in al  lo o k - u p   tab le   f o r   th p h ase  co m p en s atio n   i s   b u ilt.  Fo r   s im p le  im p lem en tatio n ,   lin ea r   in ter p o latio n   ca n   b u s ed   f o r   th lo o k - u p   tab le.       T ab le   1 .   Dis cr etiza tio n   o f   th r eso n an t c o n tr o ller   G r o u p   Ex p r e ssi o n   D e n o mi n a t o r   A   f ( )   -   F o r w a r d   E u l e r   1 2 1 + 2 ( 2 s 2 + 1 )   B   b ( )   -   B a c k w a r d   Eu l e r   ( 2 s 2 + 1 ) 2 1 + 2   C   t ( )   -   Tu s t i n   ( 2 s 2 + 4 ) + ( 2 2 s 2 8 ) 1 + 2 ( 2 s 2 + 4 )   D   f & b ( ) -   F o r w a r d & B a c k w a r d   1 + ( 2 s 2 2 ) 1 + 2   E   z o h ( ) , f o h ( ) , tp ( ) ip m ( ) zpm ( )   1 2 cos ( s ) 1 + 2           Fig u r 4 .   Pro ce d u r e   f o r   b u ild i n g   th lo o k - u p   tab le       T h th r ee   ty p es o f   co n tr o ller s   ar th en   co m p ar e d   in   ter m s   o f   m em o r y   r e q u ir em e n t a n d   co m p u tatio n al  co m p lex ity .   As  alr ea d y   m en ti o n ed   in   s ec tio n   2 . 2 ,   th d is cr etiza tio n   m eth o d s   b elo n g i n g   to   g r o u p   E   en s u r an   in f in ite  g ain   o f   th e   r eso n an t   co n tr o ller ,   as  g iv en   in   ( 2 ) ,   at  t h r eso n an t f r eq u e n cy ,   m ak in g   th em   s u itab le  f o r   th e   R C   im p lem en tatio n .   Fo r   ev al u atio n   p u r p o s es,  th T u s tin   m eth o d   with   p r e - wr ap p in g   is   s e lecte d   to   ass ess   th r u n tim p er f o r m a n ce   an d   m e m o r y   r e q u ir em e n ts .   T h d is cr e tized   tr an s f er   f u n ctio n   o f   th r eso n an t c o n tr o ller   is   ex p r ess ed   as ( 2 5 )   [ 2 4 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Ha r mo n ic  co n tr o l in   elec tr ica l d r ives fo r   tr a n s p o r t sys tems   ( Th a n h   Lich   N g u ye n )   833   G RC ( ) = i   co s m s i n m 2 + 2     G RC ( )         = i 1 2 ( 1 2 ) co s m s i n ( s ) ( 1 + 2 1 + 2 ) s i n m s i n 2 ( s 2 ) m ( 1 2 co s ( s ) 1 + 2 )   ( 2 5 )     W h er s   is   th s am p lin g   tim o f   th R C .   Fo r   th e   ca s o f   Ad alin e   an d   HC ,   th f o r war d   E u ler   d is cr etiza tio n   m eth o d   is   ad o p ted   d u e   to   its   s im p licity ,   wh ile  s till   en s u r in g   g o o d   b e h av io r   o f   th e   co n tr o ller s .   I is   n ec ess ar y   to   m en tio n   th at  th s in g le   p r ec is io n   f lo atin g - p o i n v ar ia b le  is   p r ef er r e d   in   th a u to m o tiv in d u s tr y   d u to   t h co m p r o m is b etwe en   th e   p r ec is io n   an d   m em o r y /r u n tim o p tim izatio n .   T ab le  2   s h o ws  co m p a r ativ ev alu at io n   o f   th m em o r y   r eq u ir em e n an d   co m p u tatio n a lo ad   o f   th R C ,   HC ,   an d   Ad a lin co n tr o ller s .   I t   is   o b s er v e d   th at  th e x ec u tio n   o f   HC   an d   Ad alin e   is   id en t ical  an d   less   co m p licated   c o m p ar ed   to   th R C .   I n   a d d i tio n ,   an   o p tim ized   tr ig o n o m et r ic  f u n ctio n   ev alu at io n   m eth o d ,   s u ch   as   th o s p r e s en ted   in   [ 2 5 ] ,   ca n   b e   u s ed   to   r ed u ce   t h r u n tim e   o f   th 0 4   tr ig o n o m etr ic  f u n cti o n s ,   m ak in g   th th r ee   p r o p o s e d   co n tr o ller s   f ea s ib le  in   r ea lity .       T ab le  2.   Me m o r y   r eq u ir em e n t   an d   co m p u tatio n al  b u r d en   o f   th R C ,   HC ,   an d   Ad alin e   M e t h o d   RC   HC   A d a l i n e   M e m o r y   r e q u i r e me n t   5   s i n g l e s   3   s i n g l e s   3   s i n g l e s   Lo a d   b u r d e n   +   0 4   t r i g o n o me t r i c   f u n c t i o n s:   cos m si n m si n ( s ) cos ( s ) .   +   1 6   mu l t i p l i c a t i o n s   +   0 6   a d d i t i o n o r   s u b t r a c t i o n s   +   0 1   d i v i si o n   +   0 4   t r i g o n o me t r i c   f u n c t i o n s:   cos si n cos ( + m ) si n ( + m )   +   0 8   mu l t i p l i c a t i o n s   +   0 4   a d d i t i o n o r   s u b t r a c t i o n s   +   0 4   t r i g o n o me t r i c   f u n c t i o n s:   cos θ x si n θ x cos ( + m ) si n ( + m )   +   0 8   mu l t i p l i c a t i o n s   +   0 4   a d d i t i o n o r   s u b t r a c t i o n s       3.   SI M UL A T I O A ND  E XP E RIM E N T AL   V AL I DA T I O N   I n   th is   s ec tio n ,   s im u latio n   an d   ex p er im en tal  r esu lts   ar u s ed   to   v er if y   t h ef f ec tiv e n ess   o f   th cu r r e n an d   h ar m o n ic  c o n tr o ller s   in   a n   elec tr ical  d r iv e.     3 . 1 .     Sim ula t i o n v a lid a t io n f o ha rm o nic c urre nt  co ntr o ll er   T h p a r am eter s   o f   th e   cu r r en co n tr o l   lo o p   ar e   d e f in ed   as  f o llo ws:   = 90   m Ω , = 1   mH , s = 10   k Hz , = 600   Hz , m = 1 . 5   r a d .   T h e   am p litu d e   o f   th e   cu r r en t r ef er en ce   is   s et  to   4   A.   T h e   s im u latio n s   ar e   co n d u cte d   u s in g   t h HC ,   Ad alin e,   an d   R C   co n tr o ller s ,   b o th   wi th   an d   with o u p h ase  co m p e n s atio n .   Ad d itio n all y ,   th o p er atio n   p er f o r m a n ce   o f   th R C   co n tr o ller   is   ev alu ated   u n d er   d if f er e n t d is cr etiza tio n   m eth o d s .   Fig u r es  5 ( a) - 5 ( c )   illu s tr ate  th cu r r en r esp o n s b eh a v io r   o f   th HC ,   Ad alin e,   an d   R C   c o n tr o ller s ,   r esp ec tiv ely ,   d em o n s tr atin g   th eir   ab ilit y   to   ef f ec tiv ely   tr ac k   th r ef er e n ce   cu r r en with in   a p p r o x im ately   0 . 1   s .   T h m ag n if ied   v iew  o f   th ese  th r ee   co n tr o ller s ,   as  s h o wn   in   F ig u r es  6 ( a) - 6 ( c) ,   h i g h lig h ts   ze r o   cu r r e n tr ac k in g   er r o r ,   illu s tr atin g   t h ex ce llen t   r ef er en ce   t r ac k in g   p er f o r m an ce   o f   th h ar m o n ic  co n tr o ller .           Fig u r 5 .   ( Simu latio n )   o f   cu r r e n t r esp o n s es o f   ( a )   HC ,   ( b )   A d alin e,   ( c)   R C ,   an d   ( d )   R C - b a ck war d   with   p h ase  co m p e n s atio n   ( a)   ( b )   ( c)   ( d )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   2 J u n e   20 25 8 2 7 - 8 3 9   834   I n   co n tr ast,  Fig u r e   5 ( d )   a n d   its   en lar g ed   v iew  in   Fig u r 6 ( d )   s h o th e   p er f o r m an ce   o f   th e   R C   co n tr o ller   wh en   d is cr etiza tio n   m eth o d   f r o m   Gr o u p   B   in   T a b le  1   is   e m p lo y ed .   I n   t h is   s ce n ar io ,   th cu r r en t e r r o r   p er s is ts   o v er   tim e,   i n d icatin g   t h at  th R C   co n tr o l ler   ca n n o ac h iev ac cu r ate  cu r r en r e g u latio n   u n d er   th is   d is cr etiza tio n   ap p r o ac h .   No tab ly ,   as  d ep icted   in   Fig u r 5 ( c) ,   th R C   co n tr o ller   m ain tain s   p r o p er   f u n cti o n ality   o n ly   wh en   d is cr etiza tio n   m eth o d s   ca teg o r ized   u n d er   Gr o u p   E   ar e   e m p lo y ed .   T h ese  r esu lts   ar co n s is ten with   th th eo r etica an aly s is   o u tlin e d   i n   s ec tio n   2 . 1 ,   r ein f o r cin g   th e   cr itical  r o le  o f   d is cr etiza tio n   s elec tio n   in   e n s u r in g   o p tim al  co n tr o ller   p er f o r m a n c e.   F i g u r e s   7 ( a ) - 7 ( d )   a n d   i ts   m a g n i f i e d   v i e w   i n   F i g u r es   8 ( a ) - 8 ( d )   s h o w   t h e   c u r r e n t   r es p o n s es   wi t h o u t   t h p h a s e   c o m p e n s a t i o n   f o r   t h e   h a r m o n i c   c o m p o n e n t .   I n   t h i s   c a s e ,   t h e   c u r r e n t   r e s p o n s e   b e c o m e s   u n s t a b l e   as   i t   g o e s   t o   i n f i n i t y   w i t h i n   a   s h o r t t i m e .   T h i s   p h e n o m e n o n   p r o v e s   t h a p h a s e   c o m p e n s at i o n   is   m a n d a to r y   f o r   t h e   h a r m o n i c   c o n t r o l l e r ,   es p e c i al l y   w h e n   t h e   c o n t r o l l e d   s i g n a l   f r e q u e n c y   is   r e l a t i v el y   h i g h   c o m p a r e d   t o   t h e   s a m p l i n g   f r e q u e n c y .           Fig u r 6 .   Z o o m - i n   o f   ( s im u latio n )   cu r r en r esp o n s es o f   ( a )   H C ,   ( b )   Ad alin e,   ( c)   R C ,   an d   ( d )   R C - b ac k war d   with   p h ase  co m p e n s atio n           Fig u r e   7 . ( S im u latio n )   cu r r en r esp o n s es o f   ( a)   HC ,   ( b )   Ad ali n e,   ( c)   R C ,   an d   ( d )   R C - b ac k w ar d     with o u p h ase  co m p en s atio n       3 . 2 .     E x perim ent a v a lid a t io n o f   ha rm o nic sp ee d c o ntr o ller  f o t he  P M SM   I n   th is   s ec tio n ,   ex p er im en tal  r e s u lts   ar p r esen ted   to   v er if y   th ef f ec tiv en ess   o f   th p r o p o s ed   h ar m o n ic  s p ee d   co n tr o f o r   a   p er m an en t   m ag n et   s y n ch r o n o u s   m ac h in e   ( PMSM) .   T h co n tr o s ch em e   f o r   th PMSM,   as   s h o wn   in   Fig u r es  9 ( a)   a n d   9 ( b ) ,   is   b ased   o n   th p a r a m eter s   g iv en   in   T ab le  3 .   T h PMSM  is   eq u ip p ed   with   s lid er - cr an k   m ec h a n is m ,   wh er th lo ad   to r q u v a r ies p er io d ically   as a   f u n ctio n   o f   th cr an k   an g le.   d etailed   d escr ip tio n   o f   th m ec h an ical   co n f ig u r atio n   an d   th an g le - d ep en d e n lo ad   to r q u ca n   b e   f o u n d   in   [ 2 6 ] .   T h ( a)   ( b )   ( c)   ( d )   ( a)   ( b )   ( c)   ( d )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Ha r mo n ic  co n tr o l in   elec tr ica l d r ives fo r   tr a n s p o r t sys tems   ( Th a n h   Lich   N g u ye n )   835   s lid er - cr an k   m ec h an is m   is   an   ex am p le  o f   r ep etitiv m ec h an ical  s y s tem s   co m m o n ly   en c o u n ter e d   i n   tr an s p o r tatio n   a p p licatio n s ,   s u ch   as  cr an s y s tem s ,   ca r g o   r o b o ts ,   an d   co n v ey o r   b elts .   T h f i eld - o r ien ted   c o n tr o ( FOC )   alg o r ith m   is   im p lem en ted   o n   d SP AC E   1 1 0 4   b o ar d   with   a   s am p lin g   f r eq u e n cy   o f   5   k Hz.   T h cu r r en t   co n tr o lo o p s   ar d esig n ed   t o   ac h iev b an d wid th   o f   4 0 0   Hz,   en s u r in g   p r ec is co n tr o l   p er f o r m an ce .   Fo r   f ee d b ac k ,   2 0 4 8 - p u ls e,   4 - f o ld   en co d er   is   em p lo y e d   to   m ea s u r th tr u an g le  o f   th e   r o to r ,   wh ich   is   u s ed   as  r ef er en ce   v alu e   f o r   th e   co n tr o l   s y s tem .   T h is   e x p er im e n tal  s etu p   f ac ilit ates  ac cu r ate  ev alu atio n   o f   t h p r o p o s ed   co n tr o l stra teg ies u n d er   p r ac tical  o p er atin g   c o n d itio n s .           Fig u r e   8 .   Z o o m - i n   o f   ( s im u latio n )   c u r r en r esp o n s es o f   ( a )   H C ,   ( b )   Ad alin e,   ( c)   R C ,   an d   ( d )   R C - b ac k war d   with o u t   p h ase  co m p en s atio n     ( a)     ( b )       Fig u r e   9 T h e   PMSM   is   i n s t all ed   i n   s li d e r - cr a n k   m ec h an is m ( a)   h a r d wa r e   c o n n ec t io n   a n d   ( b )   c o n t r o l s c h e m e   ( a)   ( b )   ( c)   ( d )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   2 J u n e   20 25 8 2 7 - 8 3 9   836   T h e   p e r i o d i c   n at u r e   o f   t h e   l o a d   t o r q u e   i n t r o d u c es   s p e e d   r i p p l es   t h at   ca n n o t   b e   e f f e c t i v el y   s u p p r e s s e d   b y   a   c o n v e n t i o n a l   p r o p o r t i o n a l - i n te g r a l   ( P I )   s p e e d   c o n t r o l le r .   T o   o v e r c o m e   t h i s   l i m it a t i o n ,   h a r m o n i c   c o n t r o l l e r   i s   u s e d   i n   t h i s   w o r k   t o   m i t i g a t e   th e   s p e e d   o s c il l a ti o n s .   I t   is   i m p o r t a n t   t o   n o t e   t h a t   t h e   s l i d e r   cr a n k   m e c h a n i s m   i s   d i r e c t l y   at t a c h e d   t o   t h e   s h a f t   o f   t h e   d r i v i n g   m a c h i n e ,   h e n ce ,   t h e   s y s te m   s h o u l d   b e   o p e r at e d   a l o w   s p e e d s   t o   p r e v e n e x c e s s i v e   v i b r a ti o n   i n   t h e   m e ch a n i s m .   T h e   p r o p o s e d   h a r m o n ic   c o n t r o l l e r   is   d es i g n e d   t o   a c tiv e l y   c o m p e n s a t e   f o r   h a r m o n i c s   u p   t o   t h e   5 th   o r d e r   o f   t h e   s p e e d ,   e n s u r i n g   s m o o t h e r   a n d   m o r e   s t a b l e   o p e r a ti o n   o f   t h e   s y s t e m .   Fig u r e   1 0   s h o ws   th e   s p ee d   r es p o n s e   o f   t h e   s y s te m   w h e n   c o n tr o ll ed   b y   t h e   c o n v en ti o n al   P I   co n t r o ll er   an d   th HC .   I n   t h is   c ase ,   t h e   r e f e r e n c s p e e d   w as  s e t o   8 0   m i n - 1   wi th   a   s l o p o f   6 0   m i n - 1 /s .   T h r e aso n   f o r   u s i n g   o f   a   r am p - u p   r e f e r e n ce   s p ee d   r at h er   t h an   a   s te p   o n e   is   t o   e v alu at th e   p e r f o r m an ce   o f   t h e   HC   u n d er   d y n am ic   co n d iti o n s .   Usi n g   a   s te p - r ef er en ce   s p ee d   w o u l d   li k e ly   ca u s th e   s p ee d   c o n t r o lle r   t o   b ec o m e   s a tu r a te d   d u r i n g   tr a n s i e n ts ,   m a k i n g   n o   d i f f er e n ce   b etw ee n   t h e   HC   a n d   t h e   P I   c o n t r o lle r s .   As   t h e   o p er ati n g   f r e q u en c y ,   d e r i v e d   f r o m   t h e   o p er ati n g   s p ee d ,   is   s ig n i f ic a n tl y   l o w er   t h a n   t h s am p li n g   f r e q u en c y ,   p h as c o m p en s ati o n   is   n o t   m a n d at o r y   f o r   t h e   h ar m o n ic   co n t r o ll er .   I ca n   b e   c le ar l y   o b s e r v e d   i n   Fi g u r e   1 0   t h at   th e   HC   e n s u r es   b ett er   r e f e r e n c tr ac k i n g   c a p a b il i t y   o f   t h s p e ed   c o n t r o l o o p   i n   b o t h   d y n a m ic   a n d   s t ea d y   s t ate   m o d es.  I n   t h t est  b en c h   f o r   m ec h at r o n i s y s te m   eq u i p p e d   wi th   s li d e r - cr a n k   m ec h an is m ,   t h e   l o a d   t o r q u v a r i es  p e r i o d ica ll y ,   co m p let in g   o n c y c le   p er   o n r ev o l u ti o n   o f   t h r o to r .   T h c h a n g i n g   l o a d   t o r q u r es u lts   i n   s p e ed   o s cil lat io n   o f   1 6   m i n - 1   ( 2 0 %   o f   t h r ef er en ce   s p e ed )   w h e n   u s i n g   th e   c o n v e n tio n a l   PI   co n t r o ll e r .   I n   c o n tr ast ,   t h e   HC   e f f ec ti v el y   eli m i n at es  t h s p ee d   o s ci lla ti o n ,   es p e cial ly   i n   t h s te ad y   s tat e.   T h is   i m p r o v e m e n is   f u r t h e r   ill u s t r at ed   t h r o u g h   th e   s p e ct r u m   a n al y s is   o f   t h e   s p e ed   e r r o r ,   d e f i n ed   as   t h e   d e v iati o n   b e twe e n   t h r e f e r e n ce   s p e ed   a n d   th ac tu al  r es p o n s e,   as  s h o wn   in   Fi g u r e   1 1   f o r   b o th   t h P I   a n d   HC   c o n t r o lle r s .   I is   r ea l iz ed   th at  t h HC   s ig n i f ic a n tl y   r e d u ce s   th e   h a r m o n i c s   i n   t h e   s p ee d   r es p o n s e,   d e m o n s t r a ti n g   i ts   ef f e ct iv e n ess   i n   a ch ie v i n g   r i p p le - f r ee   o p e r a ti o n .   Fig u r 1 2   p r esen ts   th ex p er im en tal  s p ee d   r esp o n s o f   th s y s tem   u s in g   Ad alin ( b lack )   a n d   R C   ( b lu e)   co n tr o ller s .   B o th   co n tr o ller s   a ch iev th tar g et  s p ee d   o f   9 0   r p m   with   r is tim o f   ap p r o x im ately   1   s ec o n d .   T h Ad alin co n tr o ller   r esp o n d s   p r o m p tly   f o llo win g   its   r ef er en ce   ( g r a y ) ,   with   s lig h s tead y - s tate  o s cillatio n s .   T h R C   co n tr o ller   tr ac k s   its   d elay ed   r ef e r en ce   s tep   at  2 . 8   s e co n d s   with   h ig h   ac cu r ac y   a n d   m in im al  o v er s h o o t.   B o th   co n tr o ller s   d e m o n s tr ate  e f f ec tiv tr ac k in g ,   with   Ad alin e   s h o win g   f aster   in itial  r esp o n s an d   R C   o f f er in g   h ig h   s tead y - s tate  ac cu r ac y .       T ab le   3 .   Par am eter s   o f   th PM SM   P a r a me t e r s   V a l u e   U n i t   M a c h i n e   m o d e l   A B B   S D M   1 0 1 - 0 0 5 N 8 - 1 1 5   N o mi n a l   p o w e r   1 . 5 4   kW   N o mi n a l   v o l t a g e   3 6 0   V   N o mi n a l   v e l o c i t y   3 0 0 0   m i n 1   N o mi n a l   t o r q u e   4 . 9   Nm   P o l e   p a i r s   3     W i n d i n g   r e s i st a n c e   UV   6 . 4     W i n d i n g   i n d u c t a n c e   UV   2 1 . 8   mH   M o me n t   o f   i n e r t i a   0 . 0 0 0 6   kg m 2           Fig u r e   10 .   ( E x p er im en t)   s p ee d   r esp o n s es with   th HC   ( r ed )   a n d   co n v en tio n al  PI  s p ee d   co n t r o ller   ( b lu e )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.