I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   1 8 7 3 ~ 1 8 8 4   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 3 . p p 1 8 7 3 - 1 8 8 4           1873     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Desig n of P I  and  f uzzy - ba sed   slidin g  mo de contro ller  f o r spee d  co ntrol o f  BL D C  mo tor using   La nd sm a n   co nv erte r   in elec tric  v ehi cle s       S .   Sa ha na ,   K .   Sa s ik a la   D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s  En g i n e e r i n g ,   V e l s I n st i t u t e   o f   S c i e n c e ,   T e c h n o l o g y   a n d   A d v a n c e d   S t u d i e s (V I S TA S ) ,     C h e n n a i ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Oct  8 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ma y   6 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   J u l 8 ,   2 0 2 6       Th is  re se a rc h   p a p e r   c o m p a re s  a  c o n v e n ti o n a l  p ro p o rt io n a l – i n t e g ra l  (P I)  c o n tro ll e r  with   a   fu z z y - b a se d   sl id in g   m o d e   c o n tro l ler  (F S M C)  fo r  sp e e d   c o n tro l  o f   a   b r u sh les s   DC  (BLD C)  m o to r   p o we re d   b y   a   Lan d sm a n   DC – DC   c o n v e rter  fo r  e lec tri c   v e h icle   (EV)  a p p li c a ti o n s.  M ATLAB/S imu li n k   is  u se d   to   m o d e l  a n d   sim u late   th e   p ro p o se d   sy ste m ' s  c a sc a d e d   c o n tro l  a r c h it e c tu re ,   wh ich   c o n sists   o f  a   v o lt a g e   s o u rc e   in v e rter  a n d   a   Lan d sm a n   c o n v e rter.   Th e   p e rfo rm a n c e   is  a ss e ss e d   in   ste a d y - sta te,  lo a d - d istu r b a n c e ,   a n d   tran sie n t   sc e n a ri o s.  Ac c o rd in g   t o   sim u lat io n   d a ta,  t h e   F S M C   o u tp e rfo r m s  th e   P I   c o n tro ll e r  i n   term s  o f  r ise   ti m e   (0 . 0 6 4   s),   o v e rsh o o t   (0 . 1 7 % ),   a n d   se t tl in g   ti m e   (0 . 2 1 2   s).  T h e   F S M C  e x h i b it s  b e tt e r  re sili e n c e ,   li m it i n g   th e   s p e e d   re d u c ti o n   to   4 5   RP M   with   a   re c o v e ry   ti m e   o f  0 . 0 4   s  wit h   a   su d d e n   l o a d   d istu r b a n c e   o f  1   Nm .   Th e   f in d in g s  v e rify   th a t   t h e   F S M C   is  a p p ro p r iate   f o r  h i g h - p e rfo rm a n c e   BLDC  m o to r  d ri v e   sy ste m s  in   e lec tri c   v e h icle   a p p li c a ti o n s  b e c a u se   it   p ro v id e s   imp ro v e d   d y n a m ic res p o n se   a n d   d istu r b a n c e   re jec ti o n .   K ey w o r d s :   B L DC   m o to r   Fu zz y - b ased   SMC   L an d s m an   co n v er ter   PI  co n tr o ller   Sli d in g   m o d e  c o n tr o l   T h is i s  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 :   S.   Sah an a   D e p a r t m e n t   o f   E l ec t r i c al   a n d   E l e c t r o n i cs   E n g i n e e r i n g   V e l s   I n s t it u t e   o f   S ci e n c e   T e c h n o l o g y   a n d   A d v a n c e d   S t u d i e s   ( V I S T AS )   C h en n ai,   I n d ia   E m ail:  s ah an a. m ee 0 5 @ g m ail. co m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e   b r u s h l e s s   D C   ( B L DC )   m o t o r s   a r e   w e l l   k n o w n   f o r   b e i n g   t h e   b e s t   o p t i o n   f o r   e l e c t r i c   v e h i c l e   ( E V )   a p p l i c a t i o n s   b e c a u s e   o f   t h e i r   g r e a t   d u r a b i l i t y ,   p o w e r   d e n s i t y ,   an d   e f f i c i e n c y .   I n   c o n t r a s t   t o   t r ad i t i o n a l   b r u s h e d   DC   m o t o r s ,   B L DC   m o t o r s   u s e   e le c t r o n i c   c o m m u t at i o n   i n s t e a d   o f   b r u s h e s ,   w h i c h   i n c r e as e   n o i s e ,   f r i ct i o n ,   a n d   m e c h a n i c a l   we a r .   E Vs   c a n   a ch i e v e   u p   t o   9 0 %   e f f i c i e n c y   t h a n k s   t o   t h is   f e a t u r e ,   w h i c h   g r e a t l y   i n c r e as es   t h e ir   d r i v i n g   r a n g e   b e t w e e n   c h a r g e s .   A d d i t i o n a l l y ,   i ts   h i g h   p o w e r - to - w e i g h t   r a t i o   f a c i l it a t e s   l i g h tw e i g h t   a n d   c o m p a c t   m o t o r   d e s i g n s ,   l o w e r i n g   t h e   t o t a l   we i g h t   o f   t h e  v e h i c l e  w h i le  e n h a n c i n g   p e r f o r m a n c e .   B ec au s e   B L DC   m o t o r s   d o n ' t   h a v e   b r u s h e s ,   t h e y   r e q u i r e   l e s s   m a i n t e n a n c e   a n d   h a v e   a   l o n g e r   o p e r a t i n g   l i f e ,   w h i c h   m a k e s   t h e m   a  d e p e n d a b l e   a n d   a f f o r d a b l e   o p t i o n   f o r   E V   a p p l i c a ti o n s .   F u r th e r m o r e ,   t h e i r   o u ts t a n d i n g   t o r q u e   c h a r a c t e r is t ic s ,   w h i c h   i n c l u d e   a   h i g h   b e g i n n i n g   t o r q u e   a n d   a   s t e a d y   t o r q u e   a c r o s s   a   b r o a d   s p e e d   r a n g e ,   e n a b l e   r e l i a b l e  p e r f o r m a n c e  a n d   s m o o t h   a c c e l e r a t i o n   u n d e r   a   v a r i e t y   o f   r o a d   c o n d i t i o n s   [ 1 ] - [ 5 ] .   F o r   B L D C   m o t o r s   i n   E V s   to   o p e r a t e   e f f e c t i v e l y   a n d   s a f e l y ,   p r e c i s e   s p e e d   c o n t r o l   i s   c r u c i a l .   F o r   s m o o t h   a n d   r e l i a b l e   o p e r a t i o n ,   t h e   m o t o r ,   w h i c h   s e r v e s   a s   t h e   m a in   s o u r c e   o f   p r o p u l s i o n ,   m u s t   p r e c i s el y   r e a c t   t o   d r i v e r   i n p u t s   i n c l u d i n g   a c c e l e r a t i o n ,   c r u i s i n g ,   a n d   d e c e l e r a t i o n .   B y   r e c o v e r i n g   k i n e t i c   e n e r g y   d u r i n g   d e c e l e r a t i o n ,   i t   a ls o   i n c r e a s e s   d r i v i n g   r a n g e ,   m a x i m i z e s   en e r g y   e f f i c i e n c y ,   a n d   p e r m i t s   r e g e n e r a ti v e   b r a k i n g .   A d d i t i o n a l l y ,   s p ee d   c o n t r o l   e n s u r e s   v e h i c l e   s t a b il i t y   u n d e r   a   v a r i e t y   o f   c i r c u m s t a n ce s   b y   s u p p o r t i n g   s af e t y   s y s t e m s   l i k e   t r ac t i o n   c o n t r o l   a n d   a n t i - l o c k   b r a k i n g   [ 6 ] - [ 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 w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1873 - 1 8 8 4   1874   T h e  B L DC   m o to r s   ar e  f r eq u en tly   u tili ze d   in   au to m o tiv e  an d   in d u s tr ial  s ettin g s   b ec au s e  o f   th eir   ef f ec tiv en ess ,   p o r tab ilit y ,   an d   lo w  m ain ten an ce   r eq u i r em en ts .   Pre cise  co n tr o l  o v er   to r q u e  an d   s p ee d   is   s till   d if f icu lt  to   ac h iev e ,   th o u g h .   D esp ite  b ein g   wid ely   u tili ze d ,   p r o p o r tio n al - in teg r al   ( PI)   co n tr o l ler s   p er f o r m   p o o r ly   wh en   p ar am eter s   ar e  c h an g e d   o r   d is tu r b ed .   Alth o u g h   s tu r d y ,   s lid in g   m o d e  c o n tr o l  ( SMC )   h as  ch atter in g .   B y   co m b in in g   f u zz y   lo g ic  with   SMC ,   th e  f u zz y   s lid in g   m o d e  co n tr o ller   ( FS MC)  r ed u ce s   ch atter in g   wh ile  p r eser v in g   r o b u s tn ess   b y   ad ap tiv ely   ad ju s tin g   th e  s witch in g   g ain .   T h is   wo r k   u s es  a  L an d s m an   co n v e r ter   to   co m p ar e   PI  an d   FS MC  co n tr o ller s   f o r   a   B L DC   m o to r   d r iv e  [ 9 ] - [ 1 1 ] .   B y   o f f er in g   a  s tead y   an d   co n tr o lled   DC   s u p p ly ,   th e  L an d s m a n   co n v e r ter   s u cc ess f u lly   r ed u ce s   v o ltag e  s win g s   an d   r ip p le  f r o m   th e  r ec tifie d   AC   in p u t,  im p r o v in g   th e   p er f o r m a n ce   o f   B L DC   m o to r s .   T h is   g u a r an te es  a  s tead y   DC   b u s   f o r   th e   in v er ter ,   allo win g   f o r   p r ec is e  co n tr o l  s ig n al  g en er ati o n ,   b etter   s p ee d   co n tr o l,  less   t o r q u e  r ip p le,   an d   in cr ea s ed   o v er all  p er f o r m a n ce .   I t  also   im p r o v es  p o wer   q u ality   b y   lo wer in g   h ar m o n ic  d is to r tio n .   W h ile  ea r lier   r esear ch   h as   l o o k ed   at  PI ,   f u zz y ,   an d   s lid in g   m o d e  c o n tr o l  s tr ateg ies,  th e  m ajo r ity   eith er   co n c en tr ate  o n   t r ad itio n al  DC - DC   co n v er ter s   o r   h a n d le   so p h is ticated   co n v er ter s   an d   i n tellig en t  co n tr o ller s   s ep ar atel y .   T h er e  is   s till   litt le   in teg r ated   u s e  o f   a  L an d s m an   co n v er ter   with   a   f u zz y   s lid in g   m o d e  c o n tr o ller   ( FS MC),   esp ec ially   in   d y n am ic  E V  o p e r atio n   en v i r o n m e n ts .   I n   o r d er   to   clo s e  th is   g ap ,   th is   p ap er   co m p ar es  PI  an d   FS MC  c o n tr o ller s   f o r   a  B L DC   m o to r   f ed   b y   a  L an d s m an   co n v er ter ,   with   a  f o c u s   o n   tr a n s ien t r esp o n s e,   d is tu r b an ce   r ej ec tio n ,   an d   ap p licab ilit y   f o r   E V  ap p licatio n s .           Fig u r e  1 .   Ov e r all  b lo ck   d iag r a m   o f   th e  s p ee d   co n tr o l o f   B L DC   m o to r       2.   SYST E M   AND  CO NV E R T E R  DE SI G N   T h e  p r o p o s ed   B L DC   m o to r   d r iv in g   s y s tem   h as  a   h ier ar c h ic al  co n tr o l  d esig n .   T o   cr ea te   a   DC   in p u t,  th e  s in g le - p h ase  AC   s u p p ly   is   f ir s t  r ec tifie d   an d   f ilter ed .   A  L an d s m an   DC – DC   co n v er ter   is   th en   u s ed   to   co n tr o l  th is   v o ltag e  in   o r d er   t o   p r eser v e  a  s tab le  DC - lin k   u n d er   v ar io u s   in p u t  an d   lo a d   cir cu m s tan ce s .   T h e  B L DC   m o to r   is   p o wer ed   b y   a  v o ltag e   s o u r c e  in v er ter   ( VSI )   th at  r ec eiv es  t h e  r eg u lated   DC .   A   ca s ca d ed   co n tr o l  tec h n iq u e  is   u s ed ,   in   wh ich   th e  o u ter   lo o p   u s es  s p ee d   er r o r   to   g en e r ate  th e  r ef er en ce   DC   v o ltag e  wh ile  th e  in n er   lo o p   co n tr o ls   th e  co n v er ter   d u t y   c y cle.   Acc u r ate  s p ee d   tr ac k in g   a n d   s tr o n g   d is tu r b an ce   r ejec tio n   ar e  g u ar a n teed   b y   t h e  s p ee d   co n tr o ller ,   w h ich   is   b u ilt  u s in g   eith er   a  PI  o r   a  f u zz y - b ased   s l id in g   m o d e  co n tr o ller .   Fig u r e  1   s h o ws  th e  o v e r all  co n f ig u r atio n   o f   th e  s y s tem .     2 . 1 .     M o t o r  s pecif ica t io ns   T h e  B L DC   m o to r   u s ed   in   th is   s im u latio n   h as a   r ate d   o u tp u t  o f   1 . 2   k W   at  4 8   V.   T h is   g r a d e  is   ju s tifie d   s in ce   it  r ep r esen ts   a  co n v en tio n al,   h ig h - p o wer   B L DC   m o to r   d esig n ed   f o r   in d u s tr ial  u s ag e.   T h e  4 8   V  r atin g   is   wid ely   u tili s ed   in   co m m er cial  an d   in d u s tr ial  ap p licatio n s ,   p r o v id in g   a  s u itab le  b le n d   o f   h ig h - p o wer   o u tp u t  a n d   s af e  o p er atin g   v o ltag e.   T h is   ap p r o ac h   en ab les  a  d ir ec t  an d   ap p r o p r iate  co m p ar is o n   o f   th e  co n tr o ller s '  p er f o r m an ce   u n d er   n o r m al  o p er atin g   s ettin g s .   T ab le  1   s h o ws th e  s p ec if icatio n s   o f   th e  B L DC   m o to r   r atin g .       T ab le  1 .   Sp ec if icatio n   o f   B L D C   m o to r   r atin g   P a r a me t e r   V a l u e   U n i t   R a t e d   p o w e r   1 . 2   kW   R a t e d   v o l t a g e   48   V   R a t e d   s p e e d   4 5 0 0   R P M   R a t e d   c u r r e n t   25   A   B a c k - E M F   c o n st a n t   0 . 1 0 2   V / ( r a d / s)   To r q u e   c o n st a n t   0 . 1 0 2   N m/ A   A r mat u r e   r e s i st a n c e   0 . 0 5   Ω   R o t o r   i n e r t i a   0 . 0 0 5   k g · m²   F r i c t i o n   c o e f f i c i e n t   0 . 0 0 0 5   N ms   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   o f P I   a n d   fu z z y - b a s ed   s lid in g   mo d e  co n tr o ller   fo r   s p ee d   co n tr o l o f B LDC   mo to r   …   ( S .   S a h a n a )   1875   T h e  ch o s en   B L DC   m o to r   r ati n g   o f   1 . 2   k W   at   4 8   V  is   a n   e x ce llen t  ch o ice   f o r   a   two - wh ee l er   elec tr ic  v eh icle  ( E V)   b ec au s e  o f   its   b alan ce d   m ix   o f   p o wer ,   e f f icien cy ,   an d   s af ety .   A  1 . 2   k W   en g i n e  d eliv er s   en o u g h   p o wer   f o r   all  u s u al  r id in g   s ce n ar io s ,   s u ch   as  r ap id   ac ce ler atio n   f r o m   a  s to p ,   m ain tain in g   s tab le  cr u is in g   s p ee d s ,   an d   s u cc ess f u lly   clim b in g   in clin es.  T h is   g u ar an tees  th at  th e  u s er   h as  a  d y n am ic  an d   r esp o n s iv e  r id in g   ex p er ien ce .   Mo r e o v er ,   th e  4 8   V  o p er atin g   v o ltag e  is   a  wid ely   ac ce p ted   s tan d ar d   f o r   lig h t  E Vs  b ec au s e  it   s tr ik es   a  cr itical  b alan ce :   it' s   h ig h   en o u g h   to   m in im is e  cu r r en t   d r a w,   r ed u ci n g   h ea t  lo s s es  an d   a llo win g   f o r   a   m o r e   co m p ac t  a n d   ef f icien t   b atter y   p ac k   d esig n ,   wh ile  r em ain in g   with in   a   lo w - v o ltag e   r an g e  t h at  p r i o r itis es  r id er   s af ety .   As  a  r esu lt,  th is   m o to r   r atin g   is   a   p r ac tical  a n d   ac ce p ta b le  ch o ice   th at   f u lf ils   th e   r ea l - wo r ld   p er f o r m an ce   n ee d s   an d   d esig n   lim its   o f   a  m o d er n   E V  b ik e.     2 . 2 .     Sy s t e m   mo dellin g   T h e  L an d s m an   co n v er ter   as  s h o wn   in   Fig u r e  2 ,   is   a  n o v el  DC - DC   co n v er ter   ar ch itectu r e   th a t  co m b in es  th e  f ea tu r es  o f   b u c k - b o o s t  an d   C u k   co n v er ter s ,   r esu ltin g   in   a  co n tr o lled   DC   o u tp u t  v o ltag e  with   b etter   p er f o r m an ce .   I n   elec tr ic  v eh icl e  ( E V)   d r iv e  ap p licatio n s ,   it  is   ty p ically   u s ed   to   co n n ec t  th e  r ec t if ied   AC   s u p p ly   to   th e  v o ltag e   s o u r ce   in v er ter   ( VSI )   th at  p o wer s   th e  B L DC   m o to r .       2 . 2 . 1 .   I np ut  s t a g e   T h e  s in g le - p h ase  AC   p o wer   s u p p ly   is   f ir s t  f ilter ed   to   elim in ate  h ig h - f r e q u en c y   h ar m o n ics  b e f o r e  b ein g   r ec tifie d   u s in g   a  b r id g eless   d esig n .   T h is   elim in ates  th e   tr ad itio n al  d io d e  b r id g e   r ec ti f ier   an d   d ec r ea s es  co n d u ctio n   lo s s es,  r esu ltin g   in   h ig h er   e f f icien c y .   T h e  r e ctif ied   DC   is   s en t to   th e  L an d s m an   co n v er ter .     2 . 2 . 2 .   E nerg y   s t o ra g e   a nd   t r a ns f er   T h e  co n v er ter   u s es  two   in d u ct o r s ,   two   ca p ac ito r s ,   a n d   co n tr o lled   s witch es  to   s to r e  an d   tr an s m it  en er g y .   Du r in g   th e  s witch - on   s tate,   th e  in p u t  in d u cto r   s to r es  en er g y ,   wh ile  th e  ca p ac ito r   s en d s   en er g y   to   th e  lo ad   v ia  th e  o u t p u t  in d u cto r .   Du r in g   th e   s witch   OFF  s tate,   th e  in d u cto r ' s   s to r ed   en e r g y   is   r elea s ed   v ia  t h e  d io d e,   c h ar g i n g   th e  in ter m ed iate  ca p ac ito r   a n d   s en d in g   en er g y   to   th e  l o ad .   T h is   d u al  en e r g y - tr an s f e r   s y s tem   m ain tain s   co n tin u o u s   p o wer   f lo w  wh ile  m in im izin g   cu r r en t r i p p les at  b o th   th e  i n p u t a n d   o u t p u t.           Fig u r e  2 .   Desig n   o f   L an d s m an   co n v er te r       2 . 2 . 3 .   Vo lt a g e  re g ula t io n   T h e  L an d s m an   co n v er ter ' s   o u tp u t  DC   v o ltag e  is   r eg u lated   b y   ad ju s tin g   th e  d u ty   cy cle  o f   th e   s witch in g   d ev ices.  A  clo s ed - lo o p   c o n tr o l   ap p r o ac h ,   w h ich   u s u ally   em p lo y s   a  PI  co n tr o ller   o r   i n tellig en t  co n tr o l  ( s u ch   as   f u zz y - b ased   s lid in g   m o d e) ,   ch an g es  th e  d u ty   r atio   d e p en d i n g   o n   th e  r ef er en ce   s p ee d   an d   v o ltag e  er r o r .   T h is   ass u r es  th at  th e  B L DC   m o to r   r ec eiv es  a  c o n s tan t  DC   co n n ec tio n   v o ltag e,   r eg ar d less   o f   s u p p l y   o r   lo ad   f lu ctu atio n s .   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 w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1873 - 1 8 8 4   1876   2 . 2 . 4 .   P urpo s e  o f   L a nd s m a n   co nv er t er   in B L DC  m o t o r  driv e  f o r  E V  a pp lica t io ns   T h e  L an d s m an   c o n v e r ter   is   a  h y b r id   DC – DC   to p o lo g y   th at  co m b in es  b u c k   an d   b o o s t  ch ar ac ter is tics ,   m ak in g   it   s u itab le  f o r   elec tr ic  two - wh ee ler   B L DC   m o to r   d r i v es.  I t  s u p p lies   a  r eg u lated   D C - lin k   v o ltag e   to   th e   v o ltag e  s o u r ce   in v er ter   ( VSI ) ,   en s u r in g   s tab le  m o to r   p er f o r m an ce   u n d er   v ar y i n g   s u p p ly   a n d   b atter y   c o n d itio n s .   T h e  co n v er ter   also   r e d u ce s   s witch in g   s tr ess ,   im p r o v in g   ef f icien cy   an d   r eliab ilit y ,   an d   s u p p o r ts   b id ir ec tio n al   p o wer   f lo w  f o r   r e g en er ativ e   b r ak in g ,   t h er eb y   en h a n cin g   d r i v i n g   r a n g e  [ 1 2 ] - [ 1 4 ] .   Desp it e  a  h ig h er   c o m p o n en t   co u n t,  it  o f f er s   ad v an ta g es  s u ch   as  im p r o v e d   DC - lin k   v o lt ag e  r eg u latio n ,   r ed u ce d   in p u t   cu r r en t  r ip p le,   an d   in h er en t  p o wer   f ac to r   co r r ec ti o n   wh en   in te r f ac ed   with   an   AC   s o u r ce .   I t  also   p r o v i d es  b etter   v o ltag e  g ai n   an d   d y n am ic  p e r f o r m an ce .   Ad d itio n ally ,   its   h ig h   ef f icien cy ,   r ed u ce d   h ar m o n ic  d is to r tio n ,   an d   p r ec is e  d u ty   cy cle   co n tr o l  e n ab le  ac c u r ate  s p ee d   r eg u latio n   an d   s u itab ilit y   f o r   g r id - c o n n ec te d   o p er atio n .   Ov er all,   it  s er v es  as  a   co m p ac t,  ef f icien t,  an d   r eliab l e  s o lu tio n   f o r   m o d er n   E V  a p p l icatio n s   [ 1 5 ] ,  [ 1 6 ] .     2 . 2 . 5 .   Co ntr o ller  f o r   co nv er t er   I n   elec tr ic   two - wh ee ler   ap p lica tio n s ,   ef f ec tiv e   L an d s m an   c o n v er ter   c o n tr o l   is   ess en tial  f o r   m ain tain in g   B L DC   m o to r   s p ee d   an d   DC - lin k   v o ltag e .   A  PI  co n tr o ller   is   co m m o n l y   u s ed   d u e  to   its   s im p licity ,   g en er atin g   th e  d u t y   cy cle   b ased   o n   s p ee d   er r o r .   T h e   p r o p o r tio n al  ter m   en s u r es  f ast  r esp o n s e,   wh i le  th e  in teg r al  ter m   elim in ates  s tead y - s tate  er r o r .   Ho wev er ,   its   p e r f o r m an ce   d eg r ad es  u n d er   s u d d en   lo ad   v a r iatio n s   an d   p ar am ete r   u n ce r tain ties   ty p ical  o f   E V   o p er atio n .   T o   o v er co m e  th ese  li m itatio n s ,   a  f u zz y   s lid in g   m o d e  co n tr o ller   ( FS MC)  is   em p lo y ed .   I t  co m b in es  th e  r o b u s tn ess   o f   s lid in g   m o d e   co n tr o l  with   th e  a d ap tiv e  ca p ab i lity   o f   f u zz y   lo g ic,   en ab lin g   im p r o v ed   tr an s ien t   r esp o n s e,   r ed u c ed   c h atter in g ,   an d   ac c u r ate  s p ee d   tr ac k in g   u n d er   v ar y in g   co n d itio n s .   As  a  r esu lt,  th e  FS MC - b ased   s y s tem   o f f er s   en h a n ce d   ef f icien c y ,   s tab ilit y ,   an d   r eliab ilit y   co m p ar ed   to   co n v e n tio n al  PI  co n tr o l,  m a k in g   it we ll su ited   f o r   E V  ap p l icatio n s .     2 . 3 .     Desig n o f   L a nd s m a n   co nv er t er   T h e  L an d s m an   c o n v er te r ' s   s p ec if icatio n s   d ep en d   o n   th e  B L DC   m o to r   r atin g s   an d   th e  in te n d ed   DC - lin k   v o ltag e.   T h e  L a n d s m an   c o n v er ter   f o r   d r iv in g   a  B L DC   m o to r   in   two - wh ee ler   E V  ap p l icatio n s   is   d esig n ed   ar o u n d   th e   m o t o r ' s   r ated   n ee d s   an d   th e  p ec u liar ities   o f   th e   in p u t  AC   s u p p l y   [ 1 7 ] .   T h e   co n v er ter   is   p o wer ed   b y   a  s in g le - p h ase  AC   s u p p ly   o f   2 3 0   V  R MS,   5 0   Hz,   wh ich ,   af ter   r ec tific atio n ,   p r o d u ce s   a  p ea k   v o ltag e  o f   r o u g h ly   3 2 5   v o lts .   T o   en s u r e  th e  B L DC   m o to r ' s   s tead y   f u n ctio n in g ,   th e  co n v er ter   s ets  th e  D C - lin k   v o ltag e  to   4 8   V,   wh ich   m atch es th e   m o to r ' s   r ated   n ee d s .   W ith   th e  m o to r   r ated   at  1 . 2   k W ,   th e  co n v er te r   m u s t b e  ab le  to   p r o d u ce   th e  r eq u ir e d   p o wer   wh ile  r etai n in g   ef f icien cy   an d   v o ltag e  s tab ilit y .   A  5 0   k Hz  s witch in g   f r eq u en cy   with   a  2 0   μ s   p er io d   b ala n ce s   d y n am ic  r esp o n s iv en ess ,   s witch in g   lo s s es,  an d   f ilter   s ize.   B ec au s e  th e  co n v er ter   r u n s   in   b o o s t m o d e  to   in cr ea s e  v o ltag e  u n d e r   lo w  i n p u t   cir cu m s tan c es,  th e  m ax im u m   d u ty   c y cle  is   s et  at  0 . 8 ,   en s u r i n g   en o u g h   v o ltag e  g ai n   wh ile  m in im izin g   in s tab ilit y   [ 9 ] .   T h is   s p ec if ic atio n   f r am ewo r k   s ets  th e  L an d s m an   co n v er ter ' s   o p er atio n al  lim itatio n s   an d   p r o v i d es  co n s is ten t  p er f o r m an ce   u n d er   c h an g in g   s u p p ly   an d   lo a d   s itu atio n s .     2 . 3 . 1 .   I nd uct o r  des ig n   T o   m ain tain   a   co n s tan t  c u r r en t  an d   av o id   d is co n tin u o u s   o p e r atio n ,   wh ich   m ig h t  r esu lt  in   in cr ea s ed   v o ltag e  s tr ess ,   th e   in d u ct o r s   m u s t  b e  b ig   en o u g h   to   f u n cti o n   in   co n tin u o u s   co n d u ctio n   m o d e  ( C C M) .   T h e   m in im u m   in d u ctan ce   f o r   C C M  is   d eter m in ed   to   g u ar a n tee  th at  th e  in d u cto r   cu r r en t  n ev er   r ea ch es z er o .     -   Av er ag e  i n d u cto r   cu r r en t ( I L ) : T h e  in d u cto r s   m u s t b e  a b le  t o   h an d le   at  least th e  f u ll - lo ad   cu r r en t  o f   2 5   A.   -   R ip p le  cu r r e n t ( Δ I L ) : T o   m ai n tain   C C M,   we  allo w  f o r   a  2 0 % r ip p le  cu r r e n t r elativ e  to   t h e   av er ag e  c u r r en t.        = 0 . 20 ⋅  _  ≈ 0 . 20 ⋅ 25   = 5         Min im u m   in d u ctan ce   f o r   th e  f o r war d   ( b o o s t)   m o d e:  T h e  m i n im u m   in d u ctan ce   ( L   m in )   is   d eter m in ed   t o   k ee p   th e  in d u cto r   cu r r en t f r o m   g o in g   b elo w  ze r o .   Her e' s   ( 1 ) .     =  .   2 . ∆ .    ( 1 )     Fo r   b o o s t m o d e,   th e  r eq u ir ed   d u ty   cy cle  ( D )   is   ( 2 ) .     = 1 −    ( 2 )     T h e  wo r s t c ase  o cc u r s   at  th e  l o west b atter y   v o ltag e ,   = 42       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   o f P I   a n d   fu z z y - b a s ed   s lid in g   mo d e  co n tr o ller   fo r   s p ee d   co n tr o l o f B LDC   mo to r   …   ( S .   S a h a n a )   1877   = 1 − 42 48 = 0 . 125       = 42     . 0 . 125 5 . 50 . 10 3      = 21   µ       T o   en s u r e  a  s af ety   m ar g in ,   we  ch o o s e  a  s tan d ar d   v alu e  th at  is   at  least  twice  th e  lo we s t  ca lcu lated   v alu e.   Hen ce ,   th e  s elec ted   v alu e :   1 = 2 = 100    .     2 . 3 . 2 .   Ca pa cit o r  des ig n   T h e  ca p ac ito r s   C 1   a n d   C 2   ar e   im p o r tan t  to   th e   co n v er ter ' s   b r id g eless   o p er atio n .   T h ey   ar e   ch ar g ed   to   th e  m ax im u m   v o ltag e  o f   th e  AC   s o u r ce .   Fo r   a  2 3 0   V  R MS  s o u r ce ,   th e  p ea k   v o ltag e  is     = 230 √ 2 ≈ 325   .   −   R ip p le  v o ltag e   ( Δ V C ) :  W e  d e s ig n   f o r   a  m ax i m u m   r ip p le  v o ltag e  o f   5 %  o f   th e  p ea k   v o l tag e  ac r o s s   th e  ca p ac ito r ,   wh ich   is   0 . 05 × 325     ≈ 16 . 25   .   −   R ip p le  cu r r en t :   T h e  r ip p le  c u r r en t  eq u als  th e  a v er ag e   in p u t  cu r r e n t  to   th e  co n v er te r ,   wh i ch   is   ab o u t  th e   m o to r ' s   r ated   cu r r en t.   I   =  2 5   A .   −   C ap ac itan ce   ( C ) : T h e  ca p ac itan ce   is   d esig n ed   to   ac co m m o d a te  th e  r ip p le  cu r r e n t d u r i n g   a  s in g le  s witch in g   p er io d .     =   ∆ .    ( 3 )     = 25 50 ∗ 10 3  ∗ 16 . 25     = 30 . 7   µ       A  s tan d ar d   r o b u s t v alu e  is   s elec ted   f o r   b o th   ca p ac ito r s .     1   =   2   =   47   µ       2 . 3 . 3 .   DC  lin k   a nd   inp ut  ca pa cit o r  des ig n   T h e  ca p ac ito r s   m u s t  h an d le   t h is   v o ltag e   an d   th e   r ip p le   cu r r en t  ass o ciate d   with   th e  e n er g y   tr an s f er .     T h e  ca p ac ito r s   f ilter   o u t  v o ltag e  r ip p le  a n d   s tab ilize  th e  DC   b u s   v o ltag e.   W e  d esig n   th em   t o   m ain tain   th e  r i p p le   v o ltag e  to   a  r ea s o n ab le  lev el,   u s u ally   1 % o f   th e   n o m i n al  v o l tag e.   −   Ou tp u t  ca p ac ito r   (C out ) : T h is   ca p ac ito r   s tab ilizes th e  4 8   V  D C   b u s   f o r   th e  m o to r .      = .   ∆ .    ( 4 )     Ass u m in g   a  m ax im u m   d u ty   cy cle  o f   D max   =   0 . 8   ( f o r   b o o s t  o p er atio n )   an d   a  r i p p le  v o l tag e  ( ΔV out )   o f   1 %   o f   4 8   V,   wh ich   is   0 . 4 8   V.      = 25 ∗ 0 . 8 50 ∗ 10 3  ∗ 0 . 48   = 667   µ       T o   b e  s af e,   we  c h o o s e  a  s tan d ar d   v alu e  h ig h e r   th an   t h is .   Hen ce ,   th e   s elec ted   v alu e   o f   th e   o u tp u t c a p ac ito r   is ,      = 1000          −   I n p u t  ca p ac ito r   ( C   in ) :  T h is   ca p ac ito r   f ilter s   th e  r ip p le  f r o m   th e  in p u t  AC   s o u r ce .   Hen ce ,   th e   s elec ted   v alu e   o f   th e  in p u t c ap ac ito r   is ,  = 220    .     2 . 3 . 4 .   Switc h  s elec t io n   T h e  s witch es  ( SW 1   an d   SW 2 )   an d   d io d es  ( D 1   a n d   D 2 )   m u s t  h av e  ap p r o p r iate  v o ltag e  a n d   cu r r en t   r atin g s   to   h an d le  th e  s tr ess es d u r in g   o p er atio n .   −   Vo ltag e  r atin g :  T h e  s witch es  m u s t  with s tan d   a  v o ltag e  g r ea ter   th an   th e  m a x im u m   DC   lin k   v o ltag e  o f   4 8   V.   Hen ce ,   a  s af ety   m ar g in   is   ess en tial ,   an d   th e  s elec ted   v o ltag e  r atin g   s h o u l d   b e  g r ea ter   th a n   6 0   V   −   C u r r en t  r atin g :  T h e  s witch es  m u s t  b e  ab le  to   ca r r y   th e  f u ll - lo ad   cu r r e n t  o f   2 5   A  p lu s   th e  r ip p le  cu r r en t.   Hen ce ,   th e  s elec ted   cu r r e n t r at in g   s h o u ld   b e  g r ea ter   th an   3 0   A.   T h e  r atin g s   o f   th e  d esig n e d   co m p o n e n ts   o f   th e  L a n d s m an   c o n v er ter   ar e   s h o wn   in   T ab le  2 .   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 w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1873 - 1 8 8 4   1878   T ab le  2 .   Sp ec if icatio n   o f   L a n d s m an   co n v e r ter   C o m p o n e n t   S e l e c t e d   v a l u e   I n d u c t o r s   ( L1 ,   L 2 )   1 0 0   μH   C a p a c i t o r s ( C 1 ,   C 2 )   4 7   μF   I n p u t   c a p a c i t o r   ( C i n )   2 2 0   μF   O u t p u t   c a p a c i t o r   (C out )   1 0 0 0   μF   S w i t c h e s   ( S W 1 ,   S W 2 )   R a t e d   >   6 0   V ,   >   3 0   A   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y   ( f sw )   50   Hz       3.   DE S I G N  O F   CO NT RO L L E R   I n   o r d er   to   en s u r e  s tead y   an d   p r ec is e  f u n ctio n in g   u n d e r   all  cir cu m s tan ce s ,   th e  co n t r o ller   i s   ess en tia l   in   co n tr o llin g   t h e  s p ee d   o f   a  B L DC   m o to r   p o wer ed   b y   a  L an d s m an   co n v e r ter .   B y   co n tin u o u s ly   co m p ar in g   th e   r ef er en ce   a n d   r ea l  s p ee d s   an d   m o d if y i n g   th e  c o n v er te r ' s   p o wer   f lo w  ac co r d i n g ly ,   it  m ai n tain s   th e  in ten d ed   m o to r   s p ee d .   A  ca s ca d e d   co n tr o l  s tr u ctu r e  is   u s ed   to   d o   th is ,   with   th e  in n er   lo o p   co n tr o llin g   th e  DC - lin k   v o ltag e  an d   th e  o u ter   lo o p   co n tr o llin g   s p ee d .   Ad d itio n ally ,   th e  co n t r o ller   allo ws  f o r   ef f icien t r ejec tio n   o f   d is tu r b an ce s   lik e  lo ad   f lu ctu atio n s ,   g u a r an t ee in g   m in im al  d eg r a d atio n   an d   s m o o th   o p er ati o n .   I n   g en er al ,   it  m ain tain s   p o wer   q u ality   wh ile  im p r o v in g   s y s tem   r o b u s tn ess ,   r esp o n s iv en ess ,   an d   ef f icien c y   [ 1 2 ].   T h e  PI  a n d   FS MC  co n tr o ller s   o f   a  B L DC   m o to r   d r iv e  m a n ag e  th e  m o to r ' s   s p ee d   an d   g u ar an tee  th at  its   p er f o r m a n ce   s tay s   s tead y   u n d er   d if f er en t   o p e r atin g   cir cu m s tan ce s .   W h ile  th ey   h av e   th e  s am e   g o al,   th ey   d o   it  v ia  v a r io u s   c o n tr o l  m ec h an is m s ,   wh ich   r esu lts   in   d iv er s e  p e r f o r m an ce   ch ar ac ter is tics .     3 . 1 .     P I   co ntr o ller   T h e  p r o p o r tio n al – in teg r al  ( PI)   co n tr o ller   is   u s ed   t o   r eg u late  B L DC   m o to r   s p ee d   b y   m in i m izin g   th e   er r o r   b etwe en   r ef e r en ce   an d   ac tu al  v alu es.  T h e  p r o p o r tio n al  t er m   ( K p )   p r o v i d es  an   im m ed iate  r esp o n s e  to   s p ee d   er r o r ,   e n ab lin g   f ast  co r r ec tio n ,   wh ile  th e  in teg r al  ter m   ( K i )   elim in ates  s tead y - s tate  er r o r   to   en s u r e  ac c u r ate   tr ac k in g .   T h is   s tr u ctu r e  o f f er s   a  s im p le  an d   r eliab le  co n tr o l  s tr ateg y ,   th o u g h   its   p er f o r m a n ce   m ay   d eg r a d e  u n d er   n o n lin ea r ities   an d   s u d d en   d is tu r b an ce s .   A  ca s ca d ed   co n tr o l  ap p r o ac h   i s   em p lo y ed ,   co n s is tin g   o f   an   o u ter   s p ee d   lo o p   an d   an   in n er   v o ltag e  lo o p .   T h e  s p ee d   er r o r   is   d ef i n ed   as   ( 5 ) .      ( ) = − ( )   ( 5 )     T h e  co r r esp o n d i n g   co n tr o ller   o u tp u t,  wh ic h   ac ts   as th e  r ef er en ce   v o ltag e  (V ref ) ,   is   g iv en   b y   ( 6 ) .      ( ) =   ⋅  ( ) +   ∫  ( )   ( 6 )     I n   th e  in n er   lo o p ,   th e   DC - lin k   v o ltag e  er r o r   is   ca lcu lated   as   ( 7 ) .      ( ) = −  _ ( )   ( 7 )     T h e  PI  co n tr o ller   th en   g en er at es th e  d u ty   cy cle  f o r   t h e  L an d s m an   co n v er ter   as   ( 8 ) .     ( ) =  ⋅  ( ) +   ∫  ( )    ( 8 )     T h is   ca s ca d ed   PI   s tr u ctu r e   e n s u r es  ef f ec tiv e   s p ee d   r eg u latio n   b y   c o o r d i n atin g   v o ltag e   co n tr o l  an d   m o to r   d y n am ics.     3 . 2 .     F uzzy   ba s ed  s lid i ng   m o de  co ntr o l   T h e  s lid in g   m o d e  c o n tr o l  ( S MC)  is   a  r o b u s t  n o n lin ea r   te ch n iq u e  th at  d r iv es  th e  s y s tem   s tate  to   a   p r ed ef in e d   s lid in g   s u r f ac e  a n d   m ain tain s   it  th er e,   en s u r i n g   s t r o n g   d is tu r b an ce   r ejec tio n   an d   r o b u s tn ess   ag ain s t  u n ce r tain ties   [ 1 7] - [ 2 0 ] .   I t  o p e r ates  in   two   p h ases :  a  r ea ch in g   p h ase  th at  f o r ce s   th e  s tate  t o   th e  s u r f ac e  u s in g   h ig h - g ai n   co n tr o l,  a n d   a  s lid in g   p h ase  th at  e n s u r es  co n v er g e n ce   to   eq u ilib r iu m .   Ho wev er ,   co n v en tio n al  SMC   s u f f er s   f r o m   ch atter in g   d u e  t o   h ig h - f r eq u e n cy   s witch in g .   T o   m itig ate  th is ,   a  f u zz y   s l id in g   m o d e  co n tr o ller   ( FS MC)  i s   em p lo y ed ,   wh er e  f u zz y   lo g ic  ad a p tiv ely   ad ju s ts   th e  s wi tch in g   g ain ,   r ed u ci n g   ch atter in g   wh ile  r etain in g   r o b u s tn ess .   T h e  s lid in g   s u r f ac e  is   d e f in ed   as   ( 9 ) .     = ⋅  + ∫     ( 9 )     W h er e  λ  is   weig h tin g   co n s tan t .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   o f P I   a n d   fu z z y - b a s ed   s lid in g   mo d e  co n tr o ller   fo r   s p ee d   co n tr o l o f B LDC   mo to r   …   ( S .   S a h a n a )   1879   A  Ma m d an i - ty p e  f u zz y   in f e r e n ce   s y s tem   ( FIS)   u s es  S  an d   Ṡ  as  in p u ts   to   g en er ate  ad ap ti v e  g ain   K .    T h e  tr ian g u lar   m em b er s h ip   f u n ctio n s   with   s ev en   lin g u is tic  v ar iab les  ( NB   to   P B )   f o r m   a  4 9 - r u le  b ase,     en s u r in g   ef f ec tiv e  co n tr o l  ac r o s s   o p er atin g   co n d itio n s .   T h e   co n tr o l  law  co m b in es  eq u iv a len t  an d   s witch in g   co m p o n en ts   ( 1 0 ) .      = −  ∗  ( )   ( 10 )     T h e  eq u iv ale n t c o n tr o l is ex p r ess ed   as   ( 1 1 ) .      =   1 λ ̇       ( 1 1 )     T h e  f in al  co n tr o l o u tp u t :       =    +     ( 12 )     Fig u r e  3   p r esen ts   th e  r u le - b as e  s u r f ac e  g en er ated   b y   th e  f u zz y   in f er e n ce   s y s tem ,   a n d   th e   co m p lete  s et  o f   4 9   f u zz y   r u les u s ed   to   d eter m in e  th e  ad ap tiv e  s witch in g   g ain   is   lis ted   in   T ab le  3 .           Fig u r e  3 .   R u le  b ase  o f   th e  FIS       T ab le  3 .   Fu zz y   r u le  b ase     \   ̇   NB   NM   NS   Z   PS   PM   PB   NB   PB   PB   PB   PM   PM   PS   Z   NM   PB   PB   PM   PM   PS   Z   NS   NS   PB   PM   PM   PS   Z   NS   NM   Z   PM   PM   PS   Z   NS   NM   NM   PS   PM   PS   Z   NS   NM   NM   NB   PM   PS   Z   NS   NM   NM   NB   NB   PB   Z   NS   NM   NM   NB   NB   NB       4.   P RO P O SE D  SYS T E M   T h e  s u g g ested   B L DC   m o to r   d r iv e  s y s tem   is   in ten d ed   f o r   elec tr ic  two - wh ee ler   ap p lic atio n s   an d   o p er ates  o n   a  s in g le - p h ase  2 3 0   V,   5 0   Hz  AC   s u p p ly .   T h e  in p u t  AC   is   r ec tifie d   a n d   f ed   in to   a   b r id g eless   L an d s m an   c o n v e r ter ,   wh ich   ass u r es  ef f ec tiv e  DC - DC   co n v er s io n   a n d   p r o v id es  a   r eg u lated   4 8   V  DC - lin k   v o ltag e  s u f f icien t  f o r   th e  B L DC   m o to r   d r iv e.   T h e  c o n v e r t er   s witch es  at  a  f r eq u en cy   o f   5 0   k Hz,   an d   its   d u ty   cy cle  is   m o d if ied   to   m ain tain   a   s tead y   v o ltag e   u n d er   c h an g in g   lo ad   a n d   i n p u t  cir c u m s tan ce s .   T h e  r eg u lated   DC   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 w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1873 - 1 8 8 4   1880   o u tp u t  f r o m   th e  c o n v e r ter   is   s en t  in to   th e  v o ltag e  s o u r ce   in v er ter   ( VSI ) ,   w h ich   g e n er ates  elec tr o n ically   co m m u tated   s ig n als  to   p o wer   th e  B L DC   m o to r .   T h is   ar r an g em en t  g u ar an tees  b etter   v o lt ag e  co n tr o l,  lo wer   r ip p le  co n te n t,  an d   d ep e n d ab le   p er f o r m an ce   o f   th e  m o to r   d r i v e  s y s tem .   A  clo s ed - lo o p   f ee d b ac k   s y s tem   th at  co n tin u o u s ly   co m p a r e s   th e  ac tu al  s p ee d   with   th e  r ef er en ce   to   p r o d u ce   an   er r o r   s ig n al  is   u s ed   to   c o n tr o l   th e   B L DC   m o to r   s p ee d .   E ith er   a   PI  co n tr o ller   o r   a  f u zz y   s lid in g   m o d e   co n tr o ller   ( FS MC)  h an d les  th is   p r o b lem .   T h e  FS MC  im p r o v es  d y n a m ic  r esp o n s iv en es s   th r o u g h   a d ap tiv e   tu n in g   an d   d u r ab ilit y ,   wh ile  th e  PI  co n tr o ller   g u ar a n tees  g o o d   s tead y - s tate  p er f o r m an c e.   T o   m ain tain   th e   in ten d ed   s p ee d ,   t h e  c o n tr o ller   o u tp u t  m o d if ies  th e   co n v er te r   d u t y   cy cle   u s in g   th e  r ef er e n ce   v o ltag e.   Mo to r   s p ee d ,   to r q u e,   a n d   DC - lin k   v o ltag e  ar e  u s ed   to   ass ess   s y s t em   p er f o r m an ce .   T h e   s im u latio n   p ar a m eter s   an d   co m p o n en t r atin g s   a d o p ted   f o r   th e  MA T L AB /Si m u lin k   m o d el  ar e  s u m m ar ized   in   T ab le  4 .       T ab le  4 .  Simu latio n   p ar am eter s   an d   co m p o n en t  r atin g s   P a r a me t e r   V a l u e s   D C   i n p u t   v o l t a g e   v i n   4 8   V   R a t e d   p o w e r   ( B LD C   m o t o r )   P   1 . 2   k W   S w i t c h i n g   f r e q u e n c y   f sw   5 0   k H z   La n d sm a n   i n d u c t o r s   L 1 ,   L2   4 5 0   µ H ,   5 0 0   µ H   I n t e r med i a t e   c a p a c i t o r   C1   1 0   µ F   F i l t e r   c a p a c i t o r   C2   2 2 0 0   µ F   S t a t o r   r e s i st a n c e   RS   0 . 1 8   Ω   S t a t o r   i n d u c t a n c e   LS   0 . 4 5   mH   To r q u e   c o n st a n t   KT   0 . 5 5   N m/ A       T h e  MA T L AB /Si m u lin k   en v ir o n m en t   was  u s ed   to   cr e ate  th e  m o d el   in   Fig u r e  4 ,   w h ich   d e p icts   a  f u ll   AC - f ed   B L DC   m o to r   d r iv e   with   in teg r ated   p o wer   co n v e r s io n   an d   clo s ed - l o o p   co n t r o l.  T h e   L an d s m an   co n v er ter ' s   s witch in g   tr an s ien ts   ar e  p r ec is ely   ca p tu r e d   b y   an   ODE 4   ( R u n g e - Ku tta)   s o l v er   w ith   a  f ix ed   s tep   s ize   o f   1 ×1 0 −6   s ,   an d   t h e  FS MC  is   co n s tr u cted   u s in g   a n   S - Fu n cti o n   to   m in im ize  co m p u tatio n al  tim e.   T ab le  4   lis ts   im p o r tan t  m et r ics  an d   r atin g s .   B o th   co n tr o ller s   ac co m p lis h   a d eq u ate  s p ee d   r eg u latio n ,   ac c o r d in g   t o   s im u latio n   d ata,   b u t  th e  FS MC  p er f o r m s   b etter   in   ter m s   o f   q u ick e r   d y n am ic  r esp o n s e,   b etter   d is tu r b an ce   r ejec tio n ,   an d   m o r e  s ea m less   r ef er en ce   tr ac k in g .   A  d i o d e  b r id g e   r ec tifie r   i s   u s ed   to   co n v er t  th e   s y s tem ' s   2 3 0   V,   5 0   Hz  AC   s u p p ly   to   DC   af ter   it  h as  b ee n   co n d itio n e d   b y   an   L C   f ilter   an d   tr an s f o r m er .   A  L an d s m an   co n v er ter   co n tr o ls   th is   DC   to   k ee p   th e  D C - lin k   s tead y   u n d er   a  v ar iety   o f   cir cu m s tan ce s .   A  th r ee - p h ase  v o l tag e  s o u r ce   in v er ter   r ec eiv es  th e  r eg u lated   o u tp u t  an d   u s es  g ate  s ig n als  s y n ch r o n ized   wit h   r o to r   p o s itio n   f r o m   Hall  s en s o r s   to   o p er ate  th e  B L DC   m o to r .   Acc u r ate  p er f o r m an ce   ev alu atio n   is   m ad e  p o s s ib le  b y   th e  m o to r   o p er atin g   u n d er   ac tu al  lo ad   cir cu m s tan ce s .   I n   o r d er   t o   p r o v id e  an   er r o r   s ig n al,   a   clo s ed - l o o p   co n tr o l  ap p r o ac h   is   u s ed   i n   wh ich   th e  ac t u al  m o to r   s p ee d   is   co n tin u o u s ly   co m p ar ed   with   th e  r ef e r en ce .   T o   ac h iev e  th e  r eq u ir e d   d y n am i c  p er f o r m an ce ,   t h e   PI  o r   FS MC  co n tr o ller   m o d i f ies  th e  DC – DC   co n v er ter   d u t y   cy cle  an d   i n v er ter   s witch in g   b ased   o n   th is   in ac cu r ac y .           Fig u r e  4 .   Simu lin k   m o d el  o f   s p ee d   co n tr o l o f   B L DC   m o to r   with   co n tr o ller       T h e  f u zz y   co n tr o ller   b alan ce s   co m p u tatio n al  ef f icien cy   a n d   s en s itiv ity   b y   u s in g   s ev e n   tr ian g le  m em b er s h ip   f u n ctio n s   with   er r o r   ( e)   a n d   ch an g e  in   er r o r   ( Δ e)   as  in p u ts .   I n   o r d er   to   m i n im ize  ch atter in g ,   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   o f P I   a n d   fu z z y - b a s ed   s lid in g   mo d e  co n tr o ller   fo r   s p ee d   co n tr o l o f B LDC   mo to r   …   ( S .   S a h a n a )   1881   r u le  b ase  g u ar an tees  lo w  g ain   clo s e  to   s tead y   s ta te  an d   s tr o n g   co n tr o l  g ain   d u r i n g   s ig n if i ca n t  m is tak es.  T h i s   m ak es it p o s s ib le  to   ef f ec tiv el y   co n t r o l v o ltag e,   t o r q u e,   an d   s p ee d   in   b o th   tr an s ien t a n d   s te ad y - s tate  s itu atio n s .   I m p o r ta n t  m etr ics  lik e  m o to r   s p ee d ,   elec tr o m a g n etic  to r q u e ,   s tato r   cu r r en t,  a n d   DC - lin k   v o ltag e  ar e   u s ed   to   tr ac k   s y s tem   p er f o r m an ce .       5.   SI M UL A T I O N  R E S UL T S   T h e  s im u latio n   r esu lts   g iv e  a   co m p r eh e n s iv e  co m p ar is o n   o f   th e  p r o p o r tio n al - i n teg r al  ( PI)   co n tr o ller   an d   th e  f u zz y   s lid in g   m o d e  co n tr o ller   ( FS MC)  f o r   c o n tr o llin g   th e  s p ee d   o f   t h e  B L DC   m o to r .   T h e  e x am in atio n   f o cu s es  o n   v ar io u s   p er f o r m a n c e  asp ec ts   s u ch   as   tr an s ien t  r esp o n s e,   d y n am ic  a n d   s tead y   s tate  r esp o n s e,   r ea ctio n   d u r in g   s tar tin g   an d   th e   s y s tem ' s   ca p ac ity   to   with s tan d   a  s ev e r e  lo ad   d is r u p tio n .   As  illu s tr ated   in   Fig u r e  5 ,   th e   L an d s m an   co n v er ter   r ec tifie s   an d   r eg u lates  a  2 3 0   V  AC   s u p p ly   to   m ain tain   a  4 8   V  DC - lin k   v o ltag e  f o r   b o th   co n tr o ller s ,   g u ar a n teein g   th e  p o wer   s tag e  o p er ates  as  in ten d ed .   T h e  FS MC  h as  a   m o r e  s t ab le  v o ltag e  p r o f ile,   s u g g esti n g   b etter   co n tr o l  p er f o r m an ce ,   ev e n   if   b o th   c o n tr o lle r s   r ea ch   th e  s et  p o i n t.     5 . 1 .     T ra ns ient   re s po ns e   T h e  tr an s ien t  r esp o n s e  s h o wn   in   Fig u r e  6   ass ess es  th e  m o to r ’ s   b eh av io r   f r o m   th e   m o m e n t  a  co m m an d   is   in itiated   u n til  it  s tab ilizes  at  t h e  tar g et  s p ee d   o f   4 5 0 0   R PM.   As  s u m m ar ized   in   T ab le  5 ,   th e  FS MC  o u tp er f o r m s   th e  PI  co n tr o ller   o n   all  m ajo r   p er f o r m an ce   in d icato r s .   T h e  FS MC  d em o n s tr ates  a  n o tab ly   f aster   r is e  tim e  o f   0 . 0 6 4   s ec o n d s   v er s u s   0 . 1 8 0   s e co n d s   f o r   t h e  PI  co n tr o ller ,   r ef lectin g   a  m o r e  r esp o n s iv e  s y s tem .   I t  also   ac h iev es  a  m in im al  o v er s h o o t  o f   0 . 1 7 %,   en s u r in g   a  s m o o th   an d   ac cu r at e  ap p r o ac h   to   th e  s etp o i n t,  wh i le  th e  PI  co n tr o ller   ex h ib its   a  h i g h er   o v e r s h o o t  o f   2 . 1 3 %,  ca u s in g   o s cillatio n s .   Ad d itio n ally ,   th e  FS MC r ea ch es st ea d y - s tate  at  th e   d esire d   s p ee d   with in   0 . 2 1 2   s ec o n d s ,   s ig n if ican tly   q u ick e r   th a n   th e  PI  co n tr o ller ’ s   0 . 6 2 2   s ec o n d s .   T h is   en h an ce d   tr an s ien t  p er f o r m a n ce   r esu lts   f r o m   t h e  FS MC’s  ad ap tiv e   co n tr o l  g ain ,   wh ic h   allo ws  r a p id   co n v er g en ce   to   t h e  s etp o in t w h ile  m in im izin g   e x c ess iv e  o s cillatio n s .       T ab le  5 .  T r a n s ien t r esp o n s e  ch ar ac ter is tics   S p e c i f i c a t i o n   P I   c o n t r o l l e r   F u z z y   S M C   R i se   t i me   ( s)   0 . 1 8 0   0 . 0 6 4   O v e r sh o o t   ( %)   2 . 1 3   0 . 1 7   S e t t l i n g   t i me   ( s)   0 . 6 2 2   0 . 2 1 2             Fig u r e  5 .   Simu lin k   r esu lts   o f   i n p u t c h a r ac ter is tics     Fig u r e  6 .   Simu lin k   r esu lts   o f   c o m p ar is o n   o f   o u tp u t  ch ar ac ter is tics   f o r   PI  an d   FS M C   co n tr o ller       5 . 2 .     Dy na m ic  re s po ns e  a nd   s t ea dy   s t a t e  re s po ns e   Fig u r e  7   illu s tr ates  th at  th e  FS MC  co n tr o ller   s ig n if ican tly   o u tp er f o r m s   th e  PI  co n tr o l ler   in   b o th   d y n am ic  r esp o n s e  an d   s tead y - s tate  p er f o r m an ce .   I n   th e  to r q u e – s p ee d   ch ar ac ter is tics ,   th e  PI  co n tr o ller   d is p lay s   lar g e  f lu ctu atio n s   d u r in g   s tar tu p ,   with   to r q u e  e x ce ed in g   1 0 0   Nm ,   r ef lectin g   a n   ag g r ess iv e  an d   less   co n tr o lled   r esp o n s e.   C o n v er s ely ,   th e  FS MC d eliv er s   a  s m o o th er   an d   m o r e  s tab le  to r q u e  p r o f ile,   q u i ck ly   r ea ch in g   s tead y - s tate  o p er atio n   with   m in im al  v ar iatio n .   T h is   lead s   t o   b etter   tr a n s ien t  h an d lin g   an d   m o r e  c o n s is ten t  p er f o r m a n ce ,   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 w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   1873 - 1 8 8 4   1882   p ar ticu lar ly   u n d er   lo a d   co n d itio n s .   W h en   a  lo ad   is   ap p lied   at   t  =  0 . 5   s ec o n d s ,   th e  FS MC  ex h ib its   o n ly   a  s lig h t  d ev iatio n   a n d   r ec o v er s   alm o s t  im m ed iately ,   wh ile  t h e  PI  co n tr o ller   r ea cts  m o r e  s lo wly   an d   s h o ws  n o ticea b l e   o s cillatio n s .   T h e  to r q u e – c u r r e n t  r elat io n s h ip   co n f ir m s   th e   f u n d am en tal  p r o p o r tio n ality   ( T   =  KT   *   I a) ,   with   b o th   co n tr o ller s   d is p lay i n g   a   lin ea r   t r en d ,   th er eb y   v alid atin g   t h e  m o to r   m o d el.   Ho wev er ,   th e   FS MC  p r o d u ce s   a  clea n   an d   co n s is ten t  lin ea r   cu r v e,   r ef lectin g   p r ec is e  cu r r en t  co n tr o l,  wh ile  t h e  PI  co n tr o ller   ex h ib its   g r ea ter   d is p er s io n ,   esp ec ially   d u r in g   h i g h - cu r r en t   tr an s ien t  ev en ts .   R eg ar d in g   t h e  s p ee d – cu r r en t  ch ar ac ter is ti cs,  th e  PI  co n tr o ller   ex p er ien ce s   a   lar g e  i n r u s h   cu r r en t  ex ce ed in g   1 0 0 0   A  d u r in g   s tar tu p ,   i n d icatin g   an   a g g r ess iv e  an d   less   o p tim ize d   r esp o n s e.   I n   co n tr ast,  th e  FS M C   lim it s   th e  p ea k   cu r r en t  to   ap p r o x im ately   2 0 0   A,   en a b lin g   a  s m o o th er   an d   m o r e   ef f icien t star tu p .   T h is   r e d u ctio n   in   cu r r en t stre s s   en h an ce s   s y s tem   r eliab ilit y   an d   o v e r all  co n tr o l p er f o r m a n ce .     5 . 3 .     L o a d dis t urba nce  re j ec t io n per f o rm a nce   T h e  lo ad   d is tu r b a n ce   test   ( Fig u r e  6 )   ass ess es  th e  co n tr o ller ’ s   ca p ab ilit y   to   m ain tain   m o to r   s p ee d   wh e n   a  s u d d e n   to r q u e   o f   1 . 0   Nm   is   a p p lied   at   t =   0 . 5   s ec o n d s   d u r in g   o p er atio n   at  4 5 0 0   R PM.   As  d etailed   in   T ab le   6 ,   th e  FS MC  d em o n s tr ates  s u p e r io r   r esil ien ce .   T h e   PI  c o n tr o lle r   ex p er ien ce s   a   s p ee d   d r o p   o f   1 8 5   R PM,   wh er ea s   th e  FS MC  lim its   th e  d r o p   to   ju s t  4 5   R PM,   in d icatin g   b etter   d is tu r b a n ce   r ejec tio n .   Ad d it io n ally ,   th e   FS MC   r esto r es  s p ee d   to   t h e  s etp o in t   with in   0 . 0 4   s ec o n d s ,   s ig n if ic an tly   f aster   th a n   th e   PI  co n t r o ller ’ s   0 . 1 6 - s ec o n d   r ec o v er y   tim e   ( s ) .   T h is   u n d er s co r es  th e  FS M C ’ s   ad ap tab i lity   an d   ef f ec tiv en ess   in   h an d lin g   s u d d en   lo ad   ch an g es.  Fig u r e   8   f u r th er   illu s tr ates  th at  th e  FS MC  p r o d u ce s   lo wer   cu r r en t  an d   to r q u e  r ip p le  co m p ar e d   to   th e   PI  co n tr o ller .   B y   r ep lacin g   th e   ab r u p t   s witch in g   c h ar ac ter is ti c  o f   co n v en tio n al   SMC   with   a  s m o o th   f u zz y - b ased   co n tr o l  ac tio n ,   th e  FS MC  ef f ec tiv ely   r ed u ce s   ch atter in g   w h ile  m ain tain in g   r o b u s t  p er f o r m an ce .   Pra ctica lly   s p ea k in g ,   s tan d a r d   p o wer   el ec tr o n ic  co m p o n en ts   an d   in ex p en s iv e  d ig ital  co n t r o ller s   s u ch   as  DSPs   o r   m icr o co n tr o ller s   ca n   b e  u s ed   t o   im p lem en t th e   s u g g ested   co n tr o l te ch n iq u e   [ 2 1 ] - [ 2 7 ] .       T ab le  6 .  L o ad   d is tu r b an ce   r es p o n s e  ch ar ac ter is tics   S p e c i f i c a t i o n   P I   c o n t r o l l e r   F u z z y   S M C     S p e e d   d r o p   ( R P M )   1 8 5   45   R e c o v e r y   t i me   0 . 1 6   0 . 0 4             Fig u r e  7 .   Simu lin k   r esu lts   o f   d y n am ic  r esp o n s e     Fig u r e  8 .   Simu lin k   r esu lts   o f   c u r r en t a n d   p o wer       6.   CO NCLU SI O N   T h is   r esear ch   co m p ar es  th e  s p ee d   co n tr o l  o f   B L DC   m o to r   p o wer ed   b y   a  L an d s m an   DC - DC   co n v er ter   u s in g   PI  an d   f u zz y - b ased   s lid i n g   m o d e  co n tr o ller s .   Acc o r d in g   to   s im u latio n   s tu d ies,  th e   f ix ed - g ain   c o n s tr u ctio n   o f   th e   PI  c o n tr o ller   ca u s es  p o o r er   tr an s ien t   r esp o n s e  a n d   less   r o b u s tn ess   u n d er   lo ad   d is tu r b an ce s ,   ev en   th o u g h   it  o f f er s   r esp ec tab le  s tead y - s ta te  p er f o r m an ce .   T h e  FS MC,  o n   th e  o th er   h an d ,   p er f o r m s   b et ter   d y n am ically ,   as  s ee n   b y   its   q u ick er   r is e  tim e,   r ed u ce d   o v er s h o o t,  q u ic k er   s ettlin g   tim e,   an d   im p r o v ed   d is tu r b an ce   r ejec tio n .   T h e  F SMC ' s   a d a p t a b ili ty   en ab l es i t  to   s u c ce s s f u ll y   lo we r   c h at ter in g   w h il e  p r es er v i n g   t h e   s li d in g   m o d e   co n t r o l' s   in tr in s ic  r es ili en ce .   I n   o r d e r   t o   p r o v i d e  a  s te ad y   DC - li n k   v o lta g e  a n d   e n h a n c e  o v er all   s y s te m   p e r f o r m a n c e,   t h e   L an d s m a n   c o n v e r te r   is   ess e n ti al .   I n   o r d er   to   ev al u at e   r ea l - t im e   p e r f o r m an c e,   s w itc h i n g   l o s s es ,   an d   t h e r m al   b e h a v i o r   u n d e r   r ea lis tic   o p e r at i n g   s e tti n g s ,   f u tu r e  wo r k   w ill   c o n c en tr at e  o n   e x p e r im e n t al   v ali d ati o n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.