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 7 2 8 ~ 17 4 6   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 7 2 8 - 1 7 4 6           1728       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   FP G A - ba sed  har dwa re - de fined  ph a se g eneratio n f o r  capa citor - less  perma nen t  sp lit  ca pa citor mo tor o pera tion     L er t ra t   P hewng a m 1 ,   Cha iwa t   Sira wa t t a na no n 1 ,   Ancha s a   P ra m ua nja r o enk ij 2   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e   a n d   E n g i n e e r i n g ,   K a s e t sar t   U n i v e r si t y ,   S a k o n   N a k h o n ,   Th a i l a n d   2 K a s e t s a r t   U n i v e r s i t y   I n t e r n a t i o n a l   C o l l e g e ,   K a s e t s a r t   U n i v e r s i t y ,   B a n g k o k ,   Th a i l a n d       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   4 ,   2 0 2 6   R ev is ed   J u l 2 0 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Au g   1 9 ,   2 0 2 6       P e rm a n e n t  sp li t  c a p a c it o r  (P S C)  m o to rs  a re   wid e ly   u se d   d u e   t o   th e ir  sim p le   stru c tu re   a n d   re li a b i li ty ;  h o we v e r,   c o n v e n ti o n a l  o p e ra ti o n   d e p e n d s o n   a   f ix e d   p a ss iv e   c a p a c it o r  to   g e n e ra te  p h a se   d isp lac e m e n t  b e twe e n   th e   m a in   a n d   a u x il iary   win d in g s,  li m it in g   c o n tro ll a b il it y   a n d   a d a p tab il it y .   T h is  p a p e r  p ro p o se s a n   F P G A - b a se d   h a rd wa re - d e fin e d   p h a se   g e n e ra ti o n   a rc h i t e c tu re   fo r  c a p a c it o r - les s  P S C  m o to r   o p e ra ti o n ,   w h e re   th e   c a p a c it o r  p h a se   f u n c ti o n   is   re p lac e d   b y   d ig it a ll y   sy n th e siz e d   p h a se - d isp lac e d   e x c it a ti o n   sig n a ls.  T h e   p ro p o se d   s y ste m   wa s  imp lem e n t e d   o n   a   Ta n g   Na n o   4 K  F P G A  u sin g   m u lt i - c h a n n e l  P WM   g e n e ra ti o n   wit h   h a rd wa re - b a se d   d e a d - ti m e   p ro tec ti o n .   Ex p e rime n tal  v a li d a ti o n   wa s  p e rf o rm e d   o n   a   c a p a c it o r - les s  P S C  m o to r  u sin g   p ro g ra m m a b le  p h a se   re latio n sh i p s  o f  6 0 ° ,   9 0 ° ,   a n d   1 2 0 °  o v e r  e x c it a ti o n   fre q u e n c ies   o f  2 0 – 5 0   Hz .   T h e   m e a su re d   m a in   a n d   a u x i li a ry   wi n d i n g   c u rre n ts   we re   a n a ly z e d   t o   e v a lu a te   th e   e ffe c ti v e n e ss   o f   th e   e lec tro n ica ll y   sy n t h e siz e d   p h a se   d isp lac e m e n t  a n d   to   re c o n stru c t  th e   re su lt a n t  r o tatin g   m a g n e ti c   field .   Qu a n ti tati v e   e v a l u a ti o n   u sin g   c irc u larity   i n d e x   (CI)   a n d   e ll i p ti c it y   r a ti o   (ER)   sh o we d   th a t  t h e   9 0 °  e x c it a ti o n   c o n d it io n   p ro d u c e d   t h e   m o st  b a lan c e d   m a g n e ti c   fie ld   traje c to ry   a m o n g   t h e   tes ted   c o n fig u ra ti o n s.  T h e   re su lt s  d e m o n stra te  th a t  F P G A - b a se d   h a rd wa re - d e fin e d   p h a se   g e n e ra ti o n   p ro v i d e s  a   flex ib le,  d e term in isti c ,   a n d   e x p e rime n tally   v a li d a ted   a lt e r n a ti v e   to   c o n v e n ti o n a l  c a p a c it o r - b a se d   P S C  m o to r   o p e ra ti o n ,   wh il e   fu t u re   wo rk   wi ll   fo c u s o n   c lo se d - lo o p   o p t imiz a ti o n   a n d   e fficie n c y - to r q u e   e v a l u a ti o n .   K ey w o r d s :   C ap ac ito r - less   PS C   m o to r   Field - p r o g r a m m ab le  g ate  ar r a y   Har d war e - d ef in ed   p h ase  g en er atio n   Ma g n etic  f ield   r ec o n s tr u ctio n   Pu ls e - wid th   m o d u latio n   R o tatin g   m ag n etic  f ield   So f twar e - d ef in e d   ex citatio n   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 :   C h aiwa t Sir awa ttan an o n   D e p a r t m e n t   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e   a n d   E n g i n e e r i n g ,  K a s e t s a r t   U n i v e r s i t y   C h aler m p h r ak iat  Sak o n   Nak h o n   Pro v i n ce   C am p u s ,  5 9   Mo o   1 ,   W ap r o r   3 6 6   R o a d ,   C h ian g   Kh r u ea   Su b d is tr ict,   Mu ea n g   Sak o n   Na k h o n   Dis tr ict,   Sak o n   Nak h o n   4 7 0 0 0 ,   T h ailan d   Em ail :   ch aiwa t.sira @ k u . th       1.   I NT RO D UCT I O N   Per m an en t  s p lit  ca p ac ito r   ( PS C )   m o to r s   ar e  wid ely   em p lo y ed   in   r esid en tial  an d   in d u s tr ial   ap p licatio n s ,   in clu d in g   f an s ,   p u m p s ,   an d   h ea tin g ,   v en tilatio n ,   an d   air - co n d itio n in g   ( HVAC)  s y s tem s ,   b ec au s e   o f   th eir   s im p le  co n s tr u ctio n ,   lo w  co s t,  an d   r eliab le  o p er a tio n   [ 1 ] - [ 3 ] .   Un lik e  t h r ee - p h ase  m ac h in es,  PS C   m o to r s   r eq u i r e  an   au x iliar y   win d in g   to g et h er   with   a  p h a s e - s h if tin g   m ec h an is m   to   estab lis h   th e  r o tatin g   m ag n etic  f ield   n ec ess ar y   f o r   s tar tin g   an d   co n tin u o u s   o p er ati o n .   I n   c o n v e n tio n al  PS C   m o t o r s ,   th is   f u n ctio n   is   ac h iev ed   b y   co n n ec tin g   a  r u n   ca p ac ito r   in   s er ies  with   th e  au x iliar y   win d in g .   C o n s eq u en tly ,   t h e  r esu ltin g   p h ase  r elatio n s h ip   is   in h er e n tly   co n s tr ain e d   b y   th e   ca p ac ito r   ch ar ac ter is tics   an d   th e  elec t r ical  p ar am eter s   o f   th e  m o to r ,   lim itin g   its   ad ap tab ilit y   u n d er   v ar y in g   o p er atin g   c o n d itio n s   [ 1 ] - [ 5 ] .   R ec en t  ad v an ce s   in   d ig ital  m o to r - d r iv e  tech n o lo g y   h av e   en ab led   s o p h is ticated   co n t r o l  s tr ateg ies   b ased   o n   m icr o co n tr o ller s   ( MCUs ) ,   d ig ital  s ig n al  p r o ce s s o r s   ( DSPs ) ,   an d   f ield - p r o g r a m m ab le  g ate  ar r a y s   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         F P GA - b a s ed   h a r d w a r e - d efin ed   p h a s e  g en era tio n   f o r   ca p a c ito r - less   p erma n en t  …  ( Ler tr a t P h ewn g a m )   1729   ( FP GAs).   Am o n g   th ese  p latf o r m s ,   FP GA - b ased   im p lem en tatio n s   ar e  p ar ticu lar ly   attr ac tiv e  b ec au s e  o f   th eir   d eter m in is tic  tim in g   b eh av io r ,   p ar allel   p r o ce s s in g   ca p ab i lity ,   an d   s u itab ilit y   f o r   h i g h - f r eq u e n cy   p o wer - elec tr o n ic  ap p licatio n s   [ 6 ] - [ 1 3 ] .   Mo r e  r ec en t  FP GA - b ased   d r iv e  s tu d ies  h av e  f u r th er   d em o n s tr ated   r ea l - tim e   s im u latio n ,   f ield - o r ien ted   co n tr o l,  h ig h - s p ee d   cu r r en t   r eg u latio n ,   s en s o r less   o p e r atio n ,   an d   in v er te r   f a u lt - d iag n o s is   f u n ctio n s   [ 1 4 ] - [ 1 8 ] .   Un lik e  s o f twar e - b ased   MCU  o r   DSP  im p lem en tatio n s ,   th e  p r o p o s ed   FP GA  ar ch itectu r e  p r o v id es  d eter m i n is tic  h ar d war e  tim in g   th r o u g h   co n c u r r en t  lo g ic  ex ec u tio n ,   th er eb y   av o id i n g   s o f twar e - in d u ce d   ex ec u tio n   l aten cy   an d   in ter r u p t  tim in g   u n ce r tain ty   in   p r o g r am m ab le   p h ase  g e n er atio n .   Pre v io u s   s tu d ies  h av e  s u cc ess f u lly   d em o n s tr ated   FP GA - b ased   im p lem en tatio n s   f o r   PW M  g en er atio n ,   s witch in g   co n tr o l,  d ea d - tim e  m an ag em en t,   an d   m o to r - d r iv e  ap p licatio n s   [ 1 0 ] - [ 2 3 ] .   Ho wev er ,   th ese  s tu d ies   p r im ar ily   f o cu s   o n   s witch in g   co n tr o l  an d   d r iv e  p er f o r m an ce   r ath er   th an   r ep lacin g   th e  f u n d am en tal  ca p ac ito r - d ep en d e n t p h ase - g en er atio n   m ec h an is m   in   PS C   m o to r s   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   Alth o u g h   ca p ac ito r - less   o p er atio n   h as  attr ac ted   in c r ea s in g   in ter est,  ex p e r im en tal  v ali d atio n   o f   p r o g r a m m ab le  h ar d war e - d ef in ed   p h ase  g en er atio n   f o r   PS C   m o to r s   r em ai n s   lim ited .   I n   p a r ticu lar ,   f ew  s tu d ies   h av e  s y s tem atica lly   in v esti g ated   h o w  d ig itally   s y n th esize d   p h ase  r elatio n s h ip s   in f lu e n ce   win d in g   cu r r en t  d is tr ib u tio n ,   r ec o n s tr u cted   r o t atin g   m ag n etic  f ield   ch a r ac ter is tics ,   an d   o v er all  elec tr o m a g n etic  p er f o r m an ce .   Sin ce   th e  m ain   a n d   au x iliar y   win d in g s   p o s s ess   d if f er en t  ele ctr ical  ch ar ac ter is tics ,   ev alu ati n g   th e  r elatio n s h ip   b etwe en   p r o g r am m ab le  p h ase  ex citatio n ,   m ea s u r ed   win d in g   cu r r en ts ,   an d   r o tatin g   m ag n eti c  f ield   f o r m atio n   is   ess en tial f o r   u n d er s tan d in g   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   o p er at io n   [ 2 4 ] - [ 2 8 ] .   T o   ad d r ess   th is   g ap ,   th is   p ap er   p r o p o s es  an   FP GA - b ased   h ar d war e - d ef in e d   p h ase  g en er atio n   ar ch itectu r e  f o r   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   o p er atio n .   I n s tead   o f   r ely i n g   o n   a   p ass iv e  p h ase - s h if tin g   ca p ac ito r ,   th e  p r o p o s ed   s y s tem   d ig it ally   s y n th esizes  p r o g r am m ab le  p h ase - d is p lace d   ex cita tio n   s ig n als  u s in g   d eter m in is tic  HDL - b ased   c o n tr o l  im p lem e n ted   o n   a   T an g   Nan o   4 K   FP GA  an d   a   T M - 3 5   in tellig en t   p o wer   m o d u le.   E x p er im en tal   v alid at io n   was  p er f o r m ed   u n d er   p r o g r am m ab le   p h ase   r elatio n s h ip s   o f   6 0 °,   9 0 °,   an d   1 2 0 °  o v er   ex citatio n   f r eq u en cies  f r o m   2 0   t o   5 0   Hz.   Sy s tem   p er f o r m a n ce   was  ev alu at ed   th r o u g h   win d i n g   cu r r en t  m ea s u r em en t,   r ec o n s t r u cted   m a g n etic  f ield   an aly s is ,   an d   q u an titativ e  elec tr o m a g n etic  ass ess m en t  u s in g   th e  cir cu lar ity   in d ex   ( C I )   an d   ellip ticity   r atio   ( E R ) .   T h e  m ain   co n tr ib u tio n s   o f   th i s   wo r k   ar e  s u m m ar ized   as  f o llo ws:   th e  d ev elo p m en t  o f   a  h ar d war e - d ef in ed   p h ase   g en er atio n   a r ch itectu r e  f o r   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r s ;  th e   im p lem en tatio n   o f   a  d eter m in is tic  FP GA - b ased   co n tr o ller   with   s y n ch r o n ized   m u lti - ch an n e l  PW M  g en er atio n   an d   h a r d war e  d ea d - tim e   p r o tectio n ;  an d   th e  e x p er im e n tal  v alid atio n   o f   p r o g r a m m ab le  p h ase  g en er atio n   th r o u g h   win d in g   c u r r en t   an aly s is ,   r ec o n s tr u cted   m ag n e tic  f ield   ev alu atio n ,   an d   q u an titativ e  elec tr o m ag n etic  ass ess m en t  u s in g   th e  C I   an d   E R .   T o   f u r t h er   h ig h lig h t   th e  tec h n ical  d if f er e n ce s   b et wee n   th e   co n v en tio n al   PS C   m o to r   d r iv e   an d   th e   p r o p o s ed   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   d r iv e,   th e   p r in cip al  ch ar ac ter is tics   ar e  s u m m ar ized   in   T ab le  1 .       T ab le  1 .   C o m p a r is o n   b etwe en   co n v en tio n al  PS C   m o to r   d r iv e   an d   p r o p o s ed   ca p ac ito r - less   P SC   m o to r   d r iv e   F e a t u r e   C o n v e n t i o n a l   P S C   m o t o r   P r o p o se d   c a p a c i t o r - l e ss PS C   m o t o r   R u n   c a p a c i t o r   R e q u i r e d   R e m o v e d   P h a se   g e n e r a t i o n   P a ssi v e   c a p a c i t o r   F P G A - d e f i n e d   p r o g r a mm a b l e   p h a s e   g e n e r a t i o n   El e c t r o ma g n e t i c   p h a s e   r e l a t i o n s h i p   G e n e r a t e d   b y   t h e   c a p a c i t o r   p h a se   sh i f t   G e n e r a t e d   b y   p r o g r a mm a b l e   F P G A - d e f i n e d   p h a se  r e l a t i o n sh i p   ( 6 0 ° ,   9 0 ° ,   a n d   1 2 0 ° )   O p e r a t i n g   f r e q u e n c y   U t i l i t y - f r e q u e n c y   d e p e n d e n t   P r o g r a m ma b l e   ( 2 0 – 5 0   H z )   P o w e r   s o u r c e   A C   ma i n s   o n l y   C o m p a t i b l e   w i t h   b o t h   2 2 0   V A C   a n d   3 2 0 – 3 6 0   V D C   i n p u t   s u p p l i e s   C a p a c i t o r   a g i n g   P r e sen t   El i m i n a t e d   Ex p e r i m e n t a l   v a l i d a t i o n   C o n v e n t i o n a l   o p e r a t i o n   V o l t a g e ,   w i n d i n g   c u r r e n t ,   m o t o r   p e r f o r man c e ,   r e c o n s t r u c t e d   ma g n e t i c   f i e l d ,   a n d   C I / ER   e v a l u a t i o n         2 .     P RO P O SE D  H ARDW ARE - DE F I N E D  P H AS E   G E N E R AT I O N  AR CH I T E C T UR E   2 . 1 .     P rinciple o f   c a pa cit o r - le s s   P SC p ha s e  g ener a t io n   PS C   m o to r s   co n v en tio n ally   em p lo y   a   p ass iv e  ca p ac ito r   co n n ec ted   in   s er ies  with   th e   au x iliar y   win d in g   t o   estab lis h   th e  p h a s e  d is p lace m en t  r eq u ir ed   b etwe en   th e  m ain   an d   au x iliar y   win d in g   cu r r en ts ,   th er eb y   p r o d u cin g   t h e   r o tatin g   m ag n etic  f ield   n ec ess ar y   f o r   m o to r   s tar tin g   a n d   co n tin u o u s   o p er atio n   [ 1 ] ,   [ 2 ] .  T h e  co n v en tio n al  PS C   m o to r   co n f ig u r atio n   is   illu s tr ated   in   Fig u r e  1 .   Fig u r e  1   illu s tr ates  th e  co n v en tio n al  PS C   m o to r   ar ch itectu r e ,   in clu d in g   th e  e q u iv alen t  cir cu it,  s tato r – r o to r   co n s tr u ctio n ,   an d   th e  p h a s o r   r elatio n s h ip   b etwe en   th e  m ain   an d   au x iliar y   win d i n g   cu r r en ts .   T h e  r eq u ir e d   p h ase  d is p lace m en t   is   co n v e n tio n ally   p r o d u ce d   b y   a   r u n   ca p ac ito r   c o n n ec ted   in   s er ies  with   th e   au x iliar y   win d in g .   I n   co n v en tio n al  PSC   o p er atio n ,   th e  p h ase  r elatio n s h ip   is   d eter m in ed   b y   b o th   th e  ca p ac ito r   v alu e  a n d   th e  elec tr ical  im p ed an ce   ch ar a cter is tics   o f   th e  m o to r   win d in g s   [ 1 ] - [ 5 ] .   T h e  co r r esp o n d in g   m ain   an d   au x iliar y   win d in g   ex citatio n s   ca n   b e  ex p r ess ed   in   ( 1 )   an d   ( 2 ) .     ( ) = s in ⁡ (  )   ( 1 )   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 :   172 8 - 1 7 4 6   1730   ( ) = s in ⁡ (  + )   ( 2 )     W h er e     an d     d en o te  th e   m ain   an d   au x iliar y   win d in g   v o ltag es,  r esp ec tiv ely ;    an d     ar e  th e   co r r esp o n d in g   v o ltag e  am p lit u d es;    is   th e  elec tr ical  an g u lar   f r eq u e n cy ;  an d     r ep r esen ts   th e  p h ase  d is p lace m en t in tr o d u ce d   b y   th e  p ass iv e  ca p ac ito r   to g eth er   w ith   th e  win d in g   im p ed a n ce .           Fig u r e  1 .   C o n v en tio n al  PS C : ( a)   eq u iv alen t c i r cu it,  ( b )   m o t o r   co n s tr u ctio n   ( s tato r   an d   r o to r ) ,     an d   ( c)   p h aso r   d iag r am   o f   c u r r en ts         Alth o u g h   th is   ap p r o ac h   p r o v id es  a  s im p le  an d   r eliab le  p h ase - s h if tin g   m ec h an is m ,   t h e   r esu ltin g   p h ase  r elatio n s h ip   is   in h er e n tly   co n s tr ain e d   b y   th e   p h y s ical  ca p ac ito r   ch ar ac ter is tics   an d   ca n n o t  b e  ac tiv el y   ad ju s ted   d u r in g   o p er atio n .   C o n s eq u en tly ,   v ar iatio n s   in   m o to r   p a r am eter s ,   lo a d   co n d iti o n s ,   an d   ca p ac ito r   ch ar ac ter is tics   ca n   in f lu en ce   th e  win d in g   cu r r en t  p h ase  r ela tio n s h ip   an d   th e   r esu ltin g   r o ta tin g   m ag n etic  f ield   b eh av io r   [ 2 4 ] - [ 2 8 ] .   T o   o v er c o m e  th ese  lim itatio n s ,   th e  p r o p o s ed   f r am ewo r k   r e p lace s   th e  co n v en tio n al  ca p ac ito r - b ased   p h ase - g en er atio n   m ec h an is m   with   FP GA - b ased   h ar d war e - d ef in ed   p h ase  g en er atio n .   I n s tead   o f   r ely in g   o n   ca p ac ito r - g e n er ated   p h ase  d is p lace m en t,  th e  a u x iliar y   win d i n g   ex citatio n   is   s y n th esized   elec tr o n ically   u s in g   a   p r o g r a m m ab le  p h ase  r elatio n s h ip   ex p r ess ed   in   ( 3 ) .     ( ) = s in ⁡ (  + )   ( 3 )     W h er e    d e n o tes  th e   p r o g r am m ab le  p h ase  d is p lace m en t  g en er ated   b y   th e   FP GA  co n tr o ller .   Un lik e  th e  f ix e d   ca p ac ito r - d e p en d e n t  p h ase  a n g le  ,   th e  p r o p o s ed   p h ase  v ar ia b le    is   d ig itally   d ef i n ed   a n d   ad ju s ted   th r o u g h   h ar d war e  lo g ic  im p lem en tatio n .   Acc o r d in g ly ,   th e   p r o p o s ed   f r am ewo r k   s h if ts   th e  p h ase - g en er atio n   m ec h a n is m   f r o m   ca p ac ito r - d ef in ed   p h ase  s h if tin g   to   p r o g r am m a b le  h ar d war e - d ef in e d   p h ase  g en er atio n ,   wh ic h   ca n   b e  co n ce p tu all y   ex p r ess ed   in   ( 4 )   an d   ( 5 ) .     = ( , , )   ( 4 )     = ( )   ( 5 )     W h er e    an d     r ep r esen t  th e  e lectr ical  im p ed an ce   c h ar ac ter is tics   o f   th e  m ain   an d   au x iliar y   win d in g s ,   r esp ec tiv ely .   C o n s eq u en tly ,   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   o p er atio n   ca n   b e   ac h iev ed   w h ile  p r eser v i n g   th e  r eq u ir ed   elec tr o m a g n etic  p h as e  r elatio n s h ip   b etwe en   th e  m ain   an d   au x iliar y   win d in g s .   T h is   p r in cip le   f o r m s   th e  th eo r etica l b asis   f o r   th e  FP GA  im p lem en tatio n   p r esen te d   in   s ec tio n s   2 . 2 ,   2 . 3 ,   a n d   2 . 4 .     2 . 2 .     F P G A - ba s ed  pro g ra mm a ble ha rdwa re - def ined ph a s e  g ener a t io n     T h e  FP GA  co n tr o ller   im p le m en ts   th e  h ar d war e - d ef in ed   p h ase  g en er atio n   p r i n cip le  in tr o d u ce d   in   s ec tio n   2 . 1   b y   d ig itally   s y n th esizin g   th e  elec tr o m ag n etic  p h ase  r elatio n s h ip   b etwe en   th e   m ain   an d   au x iliar y   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         F P GA - b a s ed   h a r d w a r e - d efin ed   p h a s e  g en era tio n   f o r   ca p a c ito r - less   p erma n en t  …  ( Ler tr a t P h ewn g a m )   1731   win d in g   ex citatio n s .   Un lik e  co n v en tio n al  d ig ital  co n tr o ller s   th at  p r im ar ily   g en er ate  PW M  s ig n als  f o r   p o wer   s witch in g   co n tr o l,  th e  p r o p o s ed   im p lem en tatio n   d ir ec tly   estab lis h es  th e  r eq u ir ed   p r o g r am m a b le  p h ase   r elatio n s h ip   u s in g   d eter m in is t ic  FP GA   h ar d war e  lo g ic.   FP GA  tech n o lo g y   is   well  s u ited   to   th is   ap p licatio n   b ec au s e  o f   its   p ar allel  p r o ce s s in g   ca p ab ilit y ,   d eter m in is tic   tim in g   b eh av i o r ,   an d   co m p a tib ilit y   with   p o wer   elec tr o n ic  an d   m o to r - d r i v e  s y s tem s   [ 6 ] - [ 1 8 ] .   T h e  r esu lti n g   r o tatin g   m a g n etic  f ield   estab lis h ed   b y   th e   p r o g r a m m ab le  p h ase  r elatio n s h ip   is   co n ce p tu ally   illu s tr ated   in   Fig u r e  2 .           Fig u r e  2 .   Fo r m atio n   o f   th e  r o t atin g   m ag n etic  f iel d   in   a  c o n v en tio n al  PS C   m o to r : ( a)   m ai n   win d in g   m a g n etic  f ield   B M ,   ( b )   au x iliar y   win d in g   m ag n etic  f ield   B A ,   ( c)   r esu lt an t m ag n etic  f ield   v ec to r   B ( t) ,     ( d )   cir cu la r   tr ajec to r y   ( id ea l c a s e) ,   an d   ( e)   ellip tical  tr ajec to r y   ( p r ac tical  u s e)           Pro g r am m a b le  p h ase  d is p lace m en t  is   g en er ated   u s in g   HDL - b ased   tim in g   lo g ic  im p lem e n ted   with in   th e  FP GA.   A  h ar d war e  c o u n t er   s er v es  as  th e  tim in g   r ef er e n ce   f o r   p r o d u ci n g   s y n c h r o n iz ed   ex citatio n   s ig n als   with   a  p r ed ef i n ed   p h ase  r elatio n s h ip .   T h e   co r r esp o n d i n g   d i g ital p h ase  d is p lace m en t is ex p r ess ed   in   ( 6 ) .     = × 360 ∘   ( 6 )     W h er e    r ep r esen ts   th e  p h ase  o f f s et  co u n t  an d   t o t al   d en o tes  th e  to tal  tim in g   co u n ts   co r r esp o n d in g   to   o n e   elec tr ical  cy cle.   B y   m o d if y i n g   th e   d ig ital  p h ase  o f f s et,   d i f f er en t   p r o g r am m a b le  p h ase  r elatio n s h ip s   ca n   b e   g en er ated   with o u t  ch an g in g   an y   p h y s ical  h ar d war e  co m p o n en ts .   C o n s eq u en tly ,   ex citatio n   c o n d itio n s   o f   6 0 °,  9 0 °,  an d   1 2 0 °  ar e  r ea lized   to   i n v esti g ate  th e  in f lu en ce   o f   p r o g r am m ab le  p h ase  d is p lace m en t  o n   c ap ac ito r - less   PS C   m o to r   o p er atio n .   T h e   g e n e r at e d   p h ase   r e f e r e n c es  a r e   s u b s e q u e n tl y   c o n v e r te d   i n t o   s y n c h r o n i ze d   m u l ti - c h a n n el   PW M   s ig n als   w it h   co m p le m e n t ar y   s witc h i n g   o u t p u ts .   B e ca u s e   a ll  tim i n g   o p e r ati o n s   ar e  ex ec u t e d   d i r e ctl y   i n   F PGA   h a r d wa r e   l o g ic ,   th e  s y n t h esi ze d   p h as e  r el ati o n s h i p   is   i n d e p e n d e n t  o f   s eq u en tia l  s o f twa r e   e x e cu ti o n ,   in te r r u p t   late n cy ,   a n d   p r o ce s s o r   ti m i n g   v a r i ati o n s   [ 1 1 ] - [ 1 8 ] .   T h e   o v er a ll  p h ase   s y n t h esis   p r o c ess   ca n   b e   d esc r i b e d   i n   ( 7 ) .     →    ℎ     →      →           ( 7 )     T h is   FP GA  im p lem en tatio n   p r o v id es  d eter m in is tic  h ar d w ar e - d ef in e d   p h ase  g en er atio n   an d   co n s titu tes  th e  h ar d war e  im p lem en tatio n   o f   t h e  p r o p o s ed   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   d r iv e   ar ch itectu r e .     2 . 3 .     M ulti - cha nn el  P WM   g e nera t io n a nd   ha rdwa re   dea d - t im e  pro t ec t io n   T h e  p r o g r am m ab le  p h ase  r ef er en ce s   g en er ated   b y   th e  FP GA   co n tr o ller   ar e  co n v er ted   in to   s y n ch r o n ize d   m u lti - ch a n n el  P W M  g ate - d r iv in g   s ig n als  f o r   t h e  p o wer   c o n v e r s io n   s tag e  w h ile  p r eser v in g   th e  r eq u ir ed   p h ase  d is p lace m en t  b etwe en   th e   m ain   a n d   au x ili ar y   win d i n g   e x citatio n s .   T h is   PW M  g en er atio n   s tag e  p r o v id es  th e   co n tr o l  in t er f ac e  b etwe en   t h e  FP GA - b ased   p h ase  g en e r atio n   m o d u le   an d   th e   in tellig en t   p o wer   m o d u le  ( I PM) .   T h e  co n ce p tu al  tr an s itio n   f r o m   co n v en tio n al  ca p ac ito r - b ased   p h as e  s h if tin g   to   FP GA - b ased   s o f twar e - d ef in ed   p h ase  g en er atio n   is   illu s tr ated   in   Fig u r e  3 .     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 :   172 8 - 1 7 4 6   1732       ( a)   ( b )     Fig u r e  3 .   C o n ce p tu al  co m p ar i s o n   b etwe en   ( a)   co n v en tio n al  ca p ac ito r - b ased   a n d     ( b )   s o f twar e - d ef in ed   p h ase  g e n er atio n   in   PS C   m o to r s       Fo r   r eliab le  p o wer - s tag e  o p er atio n ,   co m p lem en tar y   PW M  s ig n als  ar e  g en e r ated   f o r   ea c h   s witch in g   leg .   A  h ar d war e  d ea d - tim e   p r o tectio n   m o d u le  is   in co r p o r at ed   in to   th e  FP GA  lo g ic  to   p r ev en t  s im u ltan eo u s   co n d u ctio n   o f   th e  u p p e r   an d   l o wer   s witch in g   d e v ices.  Dea d - tim e  in s er tio n   is   a  f u n d a m en t al  r eq u ir em e n t  f o r   v o ltag e - s o u r ce   in v er te r   an d   p o wer   co n v er ter   o p e r atio n   [ 2 0 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 9 ] .   T h e  co m p le m en tar y   s witch in g   r elatio n s h ip   with   d ea d - tim e  in s er tio n   is   ex p r ess ed   in   ( 8 ) .      , ( ) =  , ( − Δ ) ‾   ( 8 )     W h er e   ,   an d    ,   r ep r esen t  t h e  h ig h - s id e  a n d   lo w - s id e  s witch in g   s ig n als,  r esp ec tiv ely ,   a n d   Δ   r ep r esen ts   th e  in s er ted   d ea d - ti m e  in ter v al.   Un lik e  s o f twar e - b ased   PW M  im p lem en tatio n s ,   PW M  s y n ch r o n izatio n   an d   d ea d - tim e  in s er tio n   ar e   ex ec u ted   e n tire ly   in   FP GA  h ar d war e  l o g ic.   C o n s eq u en tl y ,   s witch in g   tim in g   is   in d e p en d en t  o f   p r o ce s s o r   ex ec u tio n   d elay ,   i n ter r u p t  laten cy ,   a n d   s o f twar e   s ch ed u lin g   u n ce r tain ty   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ] ,   [ 3 0 ] .   I n   th e  im p lem en ted   m o to r   d r iv e  s y s tem ,   th e  PW M  s witch in g   f r eq u e n cy   was  co n f ig u r ed   at  5   k Hz.   Du r in g   t h e  i n itial  FP GA  tim in g   v er if icatio n ,   a  d ea d - tim e  o f   ap p r o x im ately   1 . 5   µs  was  em p lo y ed   t o   v alid ate  th e  co m p lem en tar y   PW M  g en er atio n .   Su b s eq u en tly ,   d u r in g   th e  T M - 3 5   I PM - b ased   m o t o r   ex p e r im en ts ,   th e  d ea d - tim e  was  in cr ea s ed   to   6   µs in   ac co r d an ce   with   th e  o p e r atin g   r eq u ir e m en ts   o f   th e  in tellig en t p o wer   m o d u le  to   en s u r e  r eliab le  s witch in g   an d   p r ev e n t  s h o o t - th r o u g h .   T h is   s witch in g   f r eq u en cy   was  s elec ted   to   s at is f y   th e  o p er atin g   ch ar ac ter is tics   o f   th e  em p lo y ed   i n tellig en t  p o wer   m o d u le  wh ile  e n s u r in g   r eliab le  g ate - d r iv in g   o p er at io n .   T h is   h ar d war e   r ea lizatio n   p r o v id es  d eter m i n is tic  s witch in g   b eh av io r   a n d   d i r ec tly   tr an s lates  th e  p r o g r am m ab le  p h ase  r elatio n s h ip   in to   p r ac tical  m o t o r   ex citatio n   f o r   ca p ac ito r - less   PS C   o p er atio n .     2 . 4 .     I P M - ba s ed  po wer   inte rf a ce   a nd   P SC m o t o r  ex cit a t io n   T h e  FP GA - g en er ated   p h ase - co n tr o lled   PW M  s ig n als  ar e   in ter f ac e d   with   an   in tellig en t  p o we r   m o d u le  ( I PM)   to   p r o v id e  t h e   p o wer   ex citatio n   r eq u ir e d   f o r   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   o p er atio n .   T h e  I PM   f u n ctio n s   as  th e  p o wer   co n v er s io n   s tag e,   tr an s latin g   lo w - v o ltag e  FP GA  co n tr o l  s ig n als  in to   h ig h - p o wer   s witch in g   o u tp u ts   ca p a b le  o f   e x citin g   th e  m ai n   an d   au x iliar y   m o to r   win d in g s .   T h e  o v er all  ex citatio n   p r in ci p le  im p lem en ted   th r o u g h   th e  FP GA - I PM  in ter f ac e  is   s u m m ar ize d   in   Fig u r e  4 .   I n   th e  p r o p o s ed   co n f i g u r atio n ,   th e  m ain   an d   au x iliar y   win d in g s   ar e  in d ep en d e n tly   ex cite d   th r o u g h   FP GA - co n tr o lled   I PM  o u tp u t s   with o u t  u s in g   th e  c o n v e n tio n al  r u n   ca p ac ito r   [ 4 ] ,   [ 5 ] ,   [ 3 1 ] .   T h e  r elatio n s h ip   b etwe en   th e  FP GA  co n tr o ller ,   I PM  s tag e,   an d   PS C   m o to r   ca n   b e  r e p r esen ted   in   ( 9 ) .   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         F P GA - b a s ed   h a r d w a r e - d efin ed   p h a s e  g en era tio n   f o r   ca p a c ito r - less   p erma n en t  …  ( Ler tr a t P h ewn g a m )   1733   →  → ( , ) → ( , )   ( 9 )     W h er e    an d     r ep r esen t  th e  s y n th esized   ex citatio n   v o ltag es   ap p lied   to   th e  m ain   an d   au x il iar y   win d in g s ,   r esp ec tiv ely ,   wh ile    an d     r ep r e s en t th e  co r r esp o n d in g   m ea s u r ed   win d in g   cu r r e n ts .   T h e  p r o g r a m m a b le   p h ase   r el a tio n s h i p   g en er at ed   b y   t h e  FP GA  co n t r o ll er   d et e r m i n es  t h e   e x c itat io n   tim i n g   b et wee n   th e  tw o   w in d i n g s .   H o w e v e r ,   b e ca u s e  t h e   m ai n   an d   au x i lia r y   wi n d i n g s   p o s s ess   d i f f er e n t   ele ctr ic al   c h a r a ct er is tics ,   t h e   r e s u lt in g   c u r r e n t   p h ase   r el ati o n s h i p   d e p e n d s   n o t   o n l y   o n   t h e   a p p li ed   v o lt a g e   p h ase   d is p la ce m e n t   b u t   als o   o n   t h e  w in d i n g   im p ed a n ce   ch ar a cte r is t ics   [ 2 4 ] - [ 2 8 ] .   C o n s e q u en t ly ,   e x p e r i m e n ta l  v al id ati o n   was   p e r f o r m ed   b y   m ea s u r i n g   t h e  ac t u a l  wi n d in g   cu r r e n ts   u n d e r   ca p a cit o r - less   o p e r a ti n g   c o n d iti o n s .   T h e  im p lem e n ted   h ar d wa r e  p latf o r m   co n s is ted   o f   a   T an g   Nan o   4 K   FP GA  co n tr o ller ,   a  T M - 35  in tellig en t  p o wer   m o d u le,   an d   a  ca p ac ito r - less   PS C   m o to r .   E x p er im e n tal  m ea s u r em en t s   wer e  co n d u cted   u n d er   d if f er e n t  p r o g r am m ab le   p h ase  r elatio n s h ip s   an d   o p er atin g   f r eq u en cies  to   in v esti g ate  th e  in f lu en ce   o f   h ar d war e - d ef in ed   p h ase  ex citatio n   o n   win d in g   cu r r en t  b eh av io r .   T h e  m ea s u r e d   win d in g   cu r r en ts   wer e  s u b s eq u en tly   u s ed   f o r   m ag n eti c  f ield   r ec o n s tr u ctio n   a n d   q u a n titativ e  elec tr o m ag n etic  e v alu atio n ,   as  d escr ib e d   in   s ec tio n   2 . 5 .             Fig u r e  4 .   Ma th e m atica l r ep r es en tatio n   o f   s o f twar e - d ef i n ed   p h ase  g en er atio n   f o r   ca p ac ito r - l ess   PS C   m o to r s :  ( a)   s y n th esized   m ain   win d in g   v o ltag e  v ₘ( t ) ,   ( b )   s y n th esized   au x iliar y   win d in g   v o ltag e  v ₐ( t ) ,     ( c)   s o f twar e - d e f in ed   p h ase  an g le  φₛ r ep r esen ted   u s in g   p h aso r   d iag r am s ,   a n d     ( d )   r esu ltan t r o tatin g   m a g n etic   f ield   tr ajec to r ies f o r   d if f e r en t  v alu es o f   φₛ       2 . 5 .     Wind ing - curr ent - ba s ed   m a g net ic  f ield e v a lua t io n   Alth o u g h   th e  FP GA  co n tr o ller   g en er ates  a  p r ed ef in ed   v o lta g e  p h ase  d is p lace m en t  b etwe en   th e  m ain   an d   au x iliar y   win d in g   e x citatio n s ,   th e  r esu ltin g   elec tr o m a g n etic  b eh av io r   o f   a  PS C   m o to r   is   d eter m in ed   b y   th e  co r r esp o n d i n g   win d in g   c u r r en ts   b ec a u s e  o f   th e  d if f er e n t  elec tr ical  ch ar ac ter is tics   o f   th e  two   win d in g s   [ 2 4 ] - [ 2 8 ] .   T h er ef o r e,   th e  m ea s u r ed   win d in g   cu r r en ts   wer e   u s ed   as  th e   b asis   f o r   e v alu atin g   t h e  ef f ec ti v en ess   o f   th e  p r o p o s ed   h ar d war e - d ef in e d   p h ase  g en er atio n   ap p r o ac h .   Fig u r e  5   illu s tr ates  h o w  d if f er en t  p r o g r a m m ab le   p h ase  r elatio n s h ip s   m o d if y   th e   r ec o n s tr u cted   m ag n etic  f ield   tr ajec to r y   f r o m   ellip tical  to   n ea r ly   cir cu lar .   Un d er   th e  ass u m ed   lin ea r   m a g n etic  o p er atin g   r eg io n ,   th e  m ag n etic  f ield   g en e r ated   b y   ea ch   s tato r   win d in g   is   ap p r o x im ately   p r o p o r tio n al  to   its   ex citatio n   cu r r en t.  T h er ef o r e,   th e  m ea s u r ed   win d in g   cu r r e n ts   p r o v id e   a  p r ac tical  b asis   f o r   r ec o n s tr u ctin g   th e  r esu ltan t  m ag n etic  f ield   tr ajec to r y .   T h e  m ag n etic  f ield   co m p o n en ts   p r o d u ce d   b y   th e   m ain   an d   au x iliar y   win d in g s   wer e  esti m ated   f r o m   th e   m ea s u r ed   win d in g   cu r r en ts   ac co r d in g   to   ( 1 0 )   an d   ( 1 1 ) .     ( ) = ( )   ( 1 0 )   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 :   172 8 - 1 7 4 6   1734   ( ) = ( )   ( 1 1 )     W h er e  ( )   an d   ( )   r ep r esen t  th e   m ag n etic  f ield   co m p o n e n ts   g en er ated   b y   th e   m ain   an d   a u x iliar y   win d in g s ,   r esp ec tiv ely .   ( )   an d   ( )   ar e  th e  m ea s u r ed   win d i n g   cu r r en ts ,   wh ile    an d     r ep r esen t  th e  co r r esp o n d in g   win d in g   m ag n etic  co ef f icien ts .   T h e  r ec o n s t r u cted   r esu ltan t  m ag n etic  f iel d   tr ajec to r y   ca n   b e   ex p r ess ed   as  ( 1 2 ) .     ⃗   ( ) = ( ) ̂ + ( ) ̂   ( 1 2 )     W h er e  ̂   an d   ̂   r e p r esen t  th e   o r th o g o n al  m ag n etic  ax es   ass o ciate d   with   th e   m ain   an d   a u x iliar y   win d in g s ,   r esp ec tiv ely .           ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e  5 .   R o tatin g   m ag n etic  f i eld   tr ajec to r ies u n d e r   d if f e r en t   s o f twar e - d ef in e d   p h ase  a n g le s :    ( a)   ellip tical  m ag n etic  f ield   t r a jecto r y   f o r   φ  =  6 0 °,  ( b )   cir cu la r   m ag n etic  f ield   tr ajec to r y   f o r   φ  =  9 0 °,    an d   ( c)   ellip tical  m ag n etic  f iel d   tr ajec to r y   f o r   φ  =   1 2 0 °       T o   q u an titativ ely   ev alu ate  th e  r ec o n s tr u cted   m ag n etic  f ield   u n d er   d i f f er en t  p r o g r am m a b le  p h ase  r elatio n s h ip s ,   th e   C I   an d   E R   wer e  em p lo y ed .   A  b ala n ce d   m ag n etic  f ield   p r o d u ce s   a   n ea r ly   cir cu lar   tr ajec to r y ,   wh er ea s   p h ase  o r   am p litu d e  i m b alan ce   r esu lts   in   a n   ellip ti ca l  tr ajec to r y   [2 4 ] - [ 2 8 ] .   T h e  cir cu lar ity   in d e x   is   d ef in ed   in   ( 1 3 ) .      =   ( 1 3 )     W h er e     an d     r ep r esen t  th e  m a x im u m   an d   m in im u m   m ag n itu d es  o f   th e  r ec o n s tr u cted   m a g n etic  f ield   tr ajec to r y .   A   C I   v alu e   ap p r o a ch in g   u n ity   in d icate s   a  m o r e   cir cu lar   r o tatin g   m ag n etic  f ie ld .   T h e   E llip ticity   R atio   is   ca lcu lated   in   ( 1 4 ) .        =   ( 1 4 )     A  lo wer   E R   v alu e  in d icate s   r ed u ce d   m a g n etic  f ield   d is to r ti o n   an d   im p r o v ed   r o tatin g   f iel d   b alan ce .   Usi n g   th is   ev alu atio n   m eth o d ,   th e  in f lu en ce   o f   d if f er e n t  h ar d war e - d ef in e d   p h ase  r elatio n s h ip s   o n   ca p ac ito r - less   P SC   m o to r   o p er atio n   c an   b e  q u a n titativ ely   an aly ze d   b ey o n d   v o ltag e  wav ef o r m   v er if icatio n .   T h e   r ec o n s tr u cted   m ag n etic  f iel d   ch ar ac te r is tics   p r o v id e   d ir ec t  in s ig h t  i n to   t h e  r el atio n s h ip   b etwe en   p r o g r a m m ab le  p h ase  ex citatio n ,   win d in g   cu r r en t  r esp o n s e,   an d   o v er all  elec tr o m ag n etic  p er f o r m an ce .   T h e   r esu ltin g   q u a n titativ e  ev alu atio n   is   p r esen ted   a n d   d is cu s s ed   in   s ec tio n   4 .   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         F P GA - b a s ed   h a r d w a r e - d efin ed   p h a s e  g en era tio n   f o r   ca p a c ito r - less   p erma n en t  …  ( Ler tr a t P h ewn g a m )   1735   3 .     E XP E R I M E N T A L   SE T UP   AND  VAL I DA T I O N  M E T H O D   3 . 1 .       H a rdwa re   ex perim ent a l pla t f o rm   T h e  ex p er im en tal  p latf o r m   was  d ev elo p ed   to   v alid ate  th e  p r o p o s ed   h ar d war e - d e f in ed   p h ase  g en er atio n   ap p r o ac h   f o r   ca p a cito r - less   PS C   m o to r   o p er ati o n ,   as  s h o wn   in   Fig u r e   6 .   T h e  o v e r all  s y s tem   co n s is ts   o f   an   FP GA  co n tr o ller ,   an   in tellig en t  p o wer   m o d u le  ( I PM) - b ased   p o wer   in ter f a ce ,   a  ca p ac ito r - less   PS C   m o to r ,   an d   m ea s u r em en t   in s tr u m en ts   ( d ig ital  lo g ic  an al y ze r ,   o s cillo s co p e,   d if f e r en tial  p r o b e,   an d   cu r r en t   p r o b e)   f o r   elec tr ical  an d   tim in g   v er if icatio n .             Fig u r e  6 .   E x p er im e n tal  h ar d w ar e  p latf o r m   f o r   th e  p r o p o s ed   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   d r iv e       T h e  co n tr o ller   was  im p lem e n ted   o n   a  T an g   Nan o   4 K  F PGA  u s in g   Ver ilo g   HDL   to   g en er ate  p r o g r a m m ab le   p h ase   r elatio n s h ip s ,   s y n ch r o n ized   m u lti - ch an n el  PW M  s ig n als,  an d   h a r d war e  d ea d - tim e   in s er tio n   [ 6 ] - [ 2 3 ] ,   [ 2 9 ] ,   [ 3 0 ] .   T h e  g en er ated   PW M  s ig n als  wer e  s u p p lied   to   a   T M - 3 5   in tellig en t  p o wer   m o d u le  ( I PM) ,   wh ich   in ter f ac ed   th e  lo w - v o ltag e  FP GA  co n tr o l  s ig n als  with   th e  PS C   m o t o r   b y   in d e p en d e n tly   ex citin g   th e  m ain   an d   a u x iliar y   win d in g s .   T h e  c o n v e n tio n al  r u n   ca p ac ito r   was  r em o v e d ,   an d   th e  r e q u ir e d   p h ase  r elatio n s h ip   was  g en er ated   elec tr o n ically   t h r o u g h   th e  p r o p o s ed   h ar d war e - d ef i n e d   p h ase  g en er atio n   ar ch itectu r e.   T h e   h ar d war e  c o n f ig u r atio n   a n d   ex p er im en ta l  p ar am eter s   em p lo y ed   f o r   th e  v alid atio n   o f   th e   p r o p o s ed   FP GA - b ased   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   d r iv e   a r e   s u m m ar ized   in   T ab le  2 .   T h e  ex p er im en tal   co n f ig u r atio n   ca n   b e  s u m m a r i ze d   as  ( 1 5 ) .           4   →  - 35   →    -          ( 1 5 )     Du r in g   th e   ex p e r im en ts ,   FP GA  tim in g   ch ar ac ter is tics   wer e  v er if ied   u s in g   a   lo g ic  a n aly ze r   t o   ev alu ate  PW M  s y n ch r o n izati o n   an d   d ea d - tim e  g en e r atio n .   T h e  elec tr ical  r esp o n s es  o f   th e  PS C   m o to r   wer e   m ea s u r ed   to   o b tain   th e  m ain   an d   au x iliar y   win d in g   c u r r e n ts   u n d er   d if f er e n t  o p er atin g   co n d itio n s .   T h ese  m ea s u r ed   cu r r en ts   wer e  u s ed   f o r   m a g n etic  f ield   r ec o n s tr u ctio n   an d   q u an titativ e  elec tr o m a g n etic  p er f o r m a n ce   ev alu atio n .   T h e   ex p e r im en tal  p latf o r m   en ab les v alid atio n   o f   th e  c o m p lete   co n tr o l  ch ai n   f r o m   th e   d ig ital   p h ase   g en er atio n   t o   th e  r esu ltin g   ele ctr o m ag n etic  b e h av io r   o f   t h e  c ap ac ito r - less   PS C   m o to r .     3 . 2 .     P r o g ra mm a ble pha s e  a nd   f re qu ency   t est  co nd it io ns   T o   in v esti g ate   th e  in f lu en ce   o f   p r o g r am m ab le   p h ase   d is p lace m en t  o n   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   ch ar ac ter is tics ,   th r ee   p r o g r a m m ab le  p h ase  co n d itio n s   w er e  ex p e r im en tally   e v alu ated   u s in g   th e   p r o p o s ed   FP GA  co n tr o ller .   T h e  p r o g r a m m ab le  p h ase  an g le  was d ef in ed   in   ( 1 6 ) .     ∈ ( 60 ∘ , 90 ∘ , 120 ∘ )   ( 1 6 )     W h er e    r ep r esen ts   th e  elec tr o n ically   s y n th esized   p h ase  d is p lace m en t  b etwe en   th e  m ai n   an d   au x iliar y   win d in g   e x citatio n s .   T h e  s ele cted   p h ase  an g les  ( 6 0 °,   9 0 °,  a n d   1 2 0 °)  r ep r esen t  u n d er - q u a d r atu r e,   q u a d r atu r e,   an d   o v er - q u ad r atu r e  e x citatio n   co n d itio n s ,   r esp ec tiv el y .   T h ese  co n d itio n s   e n ab le  q u an tit ativ e  ev alu atio n   o f   win d in g   cu r r en t  d is tr ib u tio n   a n d   r ec o n s tr u cted   m a g n etic  f iel d   ch ar ac ter is tics   [ 2 4 ] - [ 2 8 ] .     E x citatio n   f r e q u en cies  wer e   a ls o   v ar ied   to   in v esti g ate  th e   o p er atin g   c h ar ac ter is tics   o f   th e   ca p ac ito r - less   P SC   m o to r .   T h e  test ed   f r e q u en cy   r an g e   was d ef in ed   i n   ( 1 7 ) .     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 :   172 8 - 1 7 4 6   1736   = 20 , 30 , 40 , 50      ( 1 7 )       W h er e    r ep r esen ts   th e   g en e r ated   ex citatio n   f r e q u en c y .   Fo r   e ac h   o p er atin g   co n d itio n ,   th e   m ain   an d   a u x iliar y   win d in g   c u r r en ts   wer e   m ea s u r ed   an d   u s ed   f o r   m a g n etic  f ield   r ec o n s tr u ctio n   a n d   q u an titativ e  ev alu atio n   u s in g   th e  C I   an d   E R .   T h is   p r o ce d u r e  en ab les  s y s tem atic  ev alu atio n   o f   p r o g r am m ab le  p h ase  d is p lace m en t,  win d i n g   cu r r en t r esp o n s e,   an d   r ec o n s tr u cted   m ag n etic  f ield   b e h av io r .       T ab le  2 .   Har d war e  co n f ig u r ati o n   an d   ex p e r im en tal  p ar a m eter s   u s ed   to   v alid ate  th e  p r o p o s e d   FP GA - b ased   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   d r iv e   C a t e g o r y   P a r a me t e r   V a l u e / d e s c r i p t i o n   F P G A   P l a t f o r m   F P G A   b o a r d   P r o g r a m mi n g   l a n g u a g e   Ta n g   N a n o   4 K   ( G o w i n   G W 1 N S R - LV 4 C Q N 4 8 )   V e r i l o g   H D L   Lo g i c   v o l t a g e   l e v e l   O p e r a t i n g   c l o c k   3 . 3   V   C M O S   C l o c k   s o u r c e :   O n - c h i p   o s c i l l a t o r   ( O S C Z)   O sci l l a t o r   c o n f i g u r a t i o n :   F R EQ _ D I V   =   2   P o w e r   S t a g e   I n t e l l i g e n t   P o w e r   M o d u l e   TM - 3 5   I P M   DC - l i n k   v o l t a g e   3 2 0     V D C   G a t e - d r i v e   i n t e r f a c e   I n t e r n a l   I P M   g a t e   d r i v e r   P S C   M o t o r   M o t o r   t y p e   P S C   i n d u c t i o n   m o t o r   R a t e d   v o l t a g e   2 2 0 – 2 4 0   V A C   R a t e d   o u t p u t   p o w e r   R a t e d   s p e e d   R u n   c a p a c i t o r   0 . 3 7   k W   ( 0 . 5   H P )   A p p r o x i ma t e l y   2 9 0 0   r p m   R e m o v e d   ( c a p a c i t o r - l e ss  o p e r a t i o n )   P W M   C o n f i g u r a t i o n   P W M   t o p o l o g y   Th r e e - l e g   i n v e r t e r   P W M   sw i t c h i n g   f r e q u e n c y   D u t y   c y c l e   P r o g r a m ma b l e   p h a se  r e l a t i o n sh i p s   Ex c i t a t i o n   f r e q u e n c i e s   5   k H z   A p p r o x i m a t e l y   50 %   6 0 ° ,   9 0 ° ,   a n d   1 2 0 °   2 0 ,   3 0 ,   4 0 ,   a n d   5 0   H z   D e a d - T i me   C o n t r o l   D e a d - t i m e   g e n e r a t i o n   H a r d w a r e - b a s e d   ( F P G A )     D e a d - t i m e   i n t e r v a l   6   µ s (T M - 3 5   I P M   o p e r a t i o n )   M e a su r e me n t   S y s t e m   Lo g i c   a n a l y z e r   O sci l l o s c o p e   D i f f e r e n t i a l   p r o b e   C u r r e n t   p r o b e   Ta c h o met e r   LA 1 0 1 0   H a n t e k   D S O 2 D 1 5   M i c si g   D P 1 5 0 0   H a n t e k   C C - 65   UNI - T  U T3 7 3   N o t e :   A l l   e x p e r i m e n t a l   m e a s u r e m e n t s   w e r e   p e r f o r m e d   u s i n g   t h e   c o n f i g u r a t i o n   s u m m a r i z e d   i n   T a b l e   2 .   U n l e s s   o t h e r w i s e   s t a t e d ,   i d e n t i c a l  e x p e r i m e n t a l   c o n d i t i o n s   w e r e   m a i n t a i n e d   t h r o u g h o u t   a l l   p r o g r a m m a b l e   p h a s e   r e l a t i o n s h i p s   a n d   e x c i t a t i o n   f r e q u e n c i e s   t o   e n s u r e   a   c o n s i s t e n t   c o m p a r i s o n .       3 . 3 .     F P G A  t im ing   v er if ica t i o n   B ef o r e   ca p ac ito r - less   PS C   m o to r   test in g ,   th e  FP GA - g en er ated   co n tr o l  s ig n als  wer e  ex p er im en tally   v er if ied   to   co n f ir m   c o r r ec t  p h ase  g en er atio n   an d   s witch in g   o p e r atio n .   T im in g   v er if icat io n   was  p er f o r m e d   u s in g   a  d ig ital  lo g ic  an aly ze r   t o   ex p er im en tally   v alid ate  th e  FP GA - g en er ated   PW M  co n tr o l  s ig n als  s h o wn   in   Fig u r e  7 .   T h e  v er i f icatio n   in cl u d ed   th e  s y n ch r o n ize d   m u lti - ch an n el  PW M  wav ef o r m s ,   co m p lem en tar y   h i g h - s id e  an d   lo w - s id e  s witch in g   s ig n als,  an d   th e   h ar d war e   d ea d - tim e  in ter v al  in s er ted   b etw ee n   co m p lem en tar y   s witch in g   tr an s itio n s   [ 6 ] - [ 1 8 ] .   T h ese  m ea s u r em en ts   v er if y   th at  th e  p r o p o s ed   FP GA  co n tr o ller   p r o v id es  d eter m in is tic  tim in g   ch ar ac ter is tics   r eq u ir ed   f o r   r eliab le   I PM  o p er atio n   an d   ca p ac it o r - less   PS C   m o to r   ex citatio n .   T h e  PW M  s witch in g   f r eq u en cy   was c o n f ig u r ed   in   ( 1 8 ) .      = 5      ( 1 8 )     T h e   h ar d war e  d ea d - tim e  in ter v al  was im p lem en ted   in   ( 1 9 ) .     ≈ 1 . 5      ( 1 9 )     W h er e     r ep r esen ts   th e  PW M  ca r r ier   f r e q u en c y   an d     r ep r esen ts   th e  in s er ted   d ea d - tim e  d u r atio n   b etwe en   co m p lem en tar y   s witch in g   s ig n als.  T h e  d ea d - tim e  in ter v al  was  im p lem en ted   d ir ec tly   in   FP GA   h ar d war e  lo g ic  to   p r o v id e   d ete r m in is tic  s witch in g   b eh av io r   [ 1 1 ] - [ 2 3 ] ,   [ 3 0 ] .   T ab le  3   s u m m ar izes  th e  h ar d war e  r eso u r ce   u tili za tio n   o f   th e  p r o p o s ed   FP GA - b ase d   p h ase - g en er atio n   a r ch itectu r e  af ter   s y n th esis   an d   im p lem en tatio n   o n   th e  T an g   Nan o   4 K  d ev ice.   T h e  im p lem en tatio n   r esu lts   in d icate   th at  th e  p r o p o s ed   h ar d war e - d ef in e d   p h ase   g en er atio n   ar c h itectu r e  o cc u p ies  o n ly   a  s m all   f r ac tio n   o f   t h e  av ailab le   FP GA  r eso u r ce s   an d   s u cc ess f u lly   ac h iev es  tim in g   clo s u r e   f o r   r ea l - tim e  o p er atio n .   T h e  lo w  r eso u r ce   u tili za tio n   also   p r o v id es  f lex ib ilit y   f o r   f u tu r e  in teg r atio n   o f   ad d itio n a l  co n tr o l  f u n ctio n s   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         F P GA - b a s ed   h a r d w a r e - d efin ed   p h a s e  g en era tio n   f o r   ca p a c ito r - less   p erma n en t  …  ( Ler tr a t P h ewn g a m )   1737   with o u t r eq u ir i n g   h a r d war e  m o d if icatio n .   T h ese  im p lem en ta tio n   r esu lts   estab lis h   a  r eliab le  h ar d war e  p latf o r m   f o r   th e   s u b s eq u e n t  win d in g   cu r r en t  m ea s u r e m en ts ,   m ag n etic  f ield   r ec o n s tr u ctio n ,   an d   q u an titativ e   elec tr o m ag n etic  e v alu atio n   p r esen ted   in   s ec tio n s   3 . 4   an d   3 . 5 .   T ab le  4   s u m m a r izes  th e  p o s t - s y n th esis   tim in g   p er f o r m an ce   an d   esti m ated   p o wer   co n s u m p tio n   o f   th e  p r o p o s ed   FP GA  ar ch itectu r e.             Fig u r e  7 .   E x p er im e n tal  v er if ic atio n   o f   FP GA - g en er ate d   PW M  tim in g   s ig n als:   ( a)   m u lti - ch an n el  PW M  wav ef o r m s   ( UH,   VH,   an d   W H)   o v er   t h r ee   p e r io d s   at  5   k Hz,   ( b )   co m p lem en tar y   PW M  g ate  s ig n als ( UH  an d   UL )   o v er   t h r ee   p e r io d s   at  5   k Hz,   an d   ( c)   en lar g e d   v iew  o f   t h e  d ea d - tim e  i n ter v al  b etwe en   1 6 0   a n d   1 6 4   μ s       T ab le  3 .   R eso u r ce   u tili za tio n   o f   th e  p r o p o s ed   ar ch itectu r e   o n   T an g   Na n o   4 K  FP GA   R e s o u r c e   t y p e   To t a l   a v a i l a b l e   R e s o u r c e s  u se d   U t i l i z a t i o n   ( %)   Lo g i c   ( LU Ts)   4 , 6 0 8   1 4 8   4%   R e g i s t e r s (F F s)   3 , 5 7 3   68   2%   B l o c k   S R A M   10   0   0%   I / O   P i n s   39   7   1 8 %   On - c h i p   o sci l l a t o r   ( O S C Z)   B u i l t - in   En a b l e d   N / A       T ab le  4 .   T im in g   an aly s is   an d   p o wer   co n s u m p tio n   s u m m ar y   C a t e g o r y   P a r a me t e r   V a l u e   Ta r g e t   d e v i c e   F P G A   d e v i c e   Ta n g   N a n o   4 K   ( G W 1 N S R - LV 4 C Q N 4 8 )     D e v e l o p m e n t   s o f t w a r e   G o w i n   I D E   Lo g i c   r e s o u r c e   u t i l i z a t i o n   LU T  u t i l i z a t i o n   1 4 8   /   4 6 0 8   ( 4 %)     R e g i s t e r   u t i l i z a t i o n   6 8   /   3 5 7 3   ( 2 %)   Ti mi n g   P e r f o r ma n c e   M a x i m u m   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   ( F ma x )   1 2 5 . 3 8 1   M H z     O p e r a t i n g   c l o c k   f r e q u e n c y   I mp l e me n t e d   c l o c k   so u r c e :   O n - c h i p   o sci l l a t o r   ( O S C Z)     P W M   sw i t c h i n g   f r e q u e n c y   5   k H z   P o w e r   c o n su mp t i o n   Est i m a t e d   d y n a m i c   p o w e r   1 2 . 8 5 9   mW   I mp l e me n t a t i o n   s t a t u s   Ti mi n g   c l o su r e   S u c c e ssf u l l y   a c h i e v e d     H a r d w a r e   v e r i f i c a t i o n   S u c c e ssf u l l y   v e r i f i e d   e x p e r i me n t a l l y   N o t e :   R e s o u r c e   u t i l i z a t i o n ,   m a x i m u m   o p e r a t i n g   f re q u e n c y ,   a n d   e st i m a t e d   p o w e r  c o n su m p t i o n   w e re  o b t a i n e d   f ro m   t h e   p o s t - sy n t h e s i s   i m p l e m e n t a t i o n   re p o rt   g e n e r a t e d   b y   t h e   G o w i n   FPG A  d e s i g n   e n v i r o n m e n t .   T h e   i m p l e m e n t e d   sys t e m   c l o c k   w a s   s u p p l i e d   b y   t h e   o n - c h i p   o sc i l l a t o r   ( O S C Z )   c o n f i g u re d   w i t h   FR EQ _ D I V  =   2 ,   w h i l e   PW M  t i m i n g   a n d   d e a d - t i m e   c h a ra c t e ri s t i c s  w e re   e x p e ri m e n t a l l y   v e ri f i e d   u s i n g   a   d i g i t a l   l o g i c   a n a l y z e r.       3 . 4 .     Ca pa ci t o r - less   P SC m o t o r  curr ent   m ea s urem ent   T o   v a l i d a t e  c a p a c it o r - l e s s   P SC   m o t o r   o p e r at i o n   u n d e r   p r o g r a m m a b l e   p h a s e  e x c it a t i o n ,   t h e   m a i n   a n d   a u x i l i a r y   wi n d i n g   c u r r e n t s   we r e   e x p e r i m e n t a ll y   m e as u r e d .   D u r i n g   t h e   e x p e r i m e n t ,   t h e  c o n v e n t i o n a l   r u n   c a p a c i t o r   w as   r e m o v e d ,   a n d   t h e   P SC   m o t o r   w i n d i n g s   w e r e   e x c i t e d   u s i n g   t h e   F PG A - c o n t r o l le d   i n t e l l i g e n t   p o w e r   m o d u l e   ( I P M ) .   T h e   p r o g r a m m a b l e   p h a s e   d is p l a c e m e n t   g e n e r a t e d   b y   t h e  FP GA   c o n t r o ll e r   wa s   a p p li e d   b e tw e en   t h e   m a i n   a n d   a u x i l i a r y   wi n d i n g   e x c i t a ti o n s .   T h e   r es u l t i n g   wi n d i n g   c u r r e n t s   c a n   b e   r e p r e s e n t ed   a s   ( 2 0 )   a n d   ( 2 1 ) .     ( ) = ( , , )   ( 2 0 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.