8/14/2019 A Rapid Prototype Design to Investigate the FPGA Based DTC Strategy Applied to the Speed Control of IM

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A R a p i d P r o t o t y p e D e s i g n t o I n v e s t i g a t e t h e FPGA-B a s e d DTC S t r a t e g y A p p l i e d t o t h e S p e e d C o n t r o l o fI n d u c t i o n M o t o r sM a r c e l o F . C a s t o l d i , M a n o e l L . A g u i a r , A z a u r i A . 0 . J u n i o r , J o s e R . B . A . M o n t e i r oU n i v e r s i da d e d e S a o P a u l o , B r a z i lm n a r c a s t o l d i ( d , y a h o o . c o r n . b r , a g u i a r ( & s e l . e e s c . , , u s p . b r , aa r i r ( s e l . e s . u . b r m , k f r t s e l e e c . u s p . b r

A b s t r a c t - T h i s w o r k p r e s e n t s a v i r t u a l p r o t o t y p e f o r s t u d y a n d i n DSPs a n d FPGAs w a s m a d e i n [ 6 ] . S u c h c o m p a r i s o n wass i m u l a t i o n o f DTC t e c h n i q u e a p p l i e d t o t h e s p e e d y c o n t r o l o f made i m p l e m e n t i n g t h e m e n t i o n e d s t r a t e g y i n a DS P a n d ai n d u c t i o n m o t o r . T h e i m p l e m e n t a t i o n i s s u p p o s e d t o b e r e a l i z e d i n FPGA. T h e F P G A g o t a b e t t e r p e r f o r m a n c e a n d p r e c i s i o na F P G A d e v i c e . T h e s i m u l a t i o n w a s c o n d u c t e d u s i n g t h e e x e c u t i n g t h e c o n t r o l more r a p i d l y t h a n t h e D S P . I n t h e F P G AM a t l a b / S i m u l i n k a n d t h e M o d e l S i m p r o g r a m s . W h i l e t h e e t t h e d o n m o e c r a i d n t h e D S P . I n t h e F Gi n v e r t e r / m o t o r d y n a m i c s i s e x e c u t e d i n t h e M a t l a b , t h e M o d e l S i m p r o p o s a l , i t r e a c h e d a n e x e c u t o n f r e q u e n c y o f 2 5 0 K H z , w h i l ep e r f o r m t h e s p e e d c o n t r o l a n d t h e DTC p r o c e d u r e w i t c h i s i n t h e DS P c a s e , w i t h a l l a l g o r i t h m e x e c u t e d i n s o f t w a r e , i tw r i t t e n i n VHDL-Code. Th e b o t h p r o g r a m s work i n C o - r e a c h e d o n l y 4 0 KHz. A l t h o u g h t h e t w o d e v i c e s p r e s e n t s i m i l a rS i m u l a t i o n mode p r o v i d e d b y t h e L i n k - f o r - M o d e l S i m t o o l b o x i n p h y s i c a l a r e a s , t h e s o l u t i o n w i t h FPGA r e q u i r e s e x t e r n a l D/ At h e S i m u l i n k . T h i s v i r t u a l p r o t o t y p e was t e s t e d w i t h t h e c o n v e r t e r s o f h i g h p e r f o r m a n c e .i m p l e m e n t a t i o n o f t h e DTC s t r a t e g y u s i n g f l o a t p o i n t T h e s i m u l a t i o n s i n t h e w o r k s w e r e made i n s p e c i f i cr e p r e s e n t a t i o n . c o m p i l e r s f o r VHDL. I t m e a n s t h a t o n l y t h e p a r t s o f d r i v ec o n t r o l h a d b e e n s i m u l a t e d .T h i s w o r k s h o w s t h e s i m u l a t i o n o f t h e DTC c o n t r o lI . I N T R O D U C T I O N t e c h n i q u e u si n g M a t l a b w i t h M o d e l s i m s i m u l t a n e o u s l y ,a l l o w i n g a g l o b a l c o - s i m u l a t i o n o f t h e motor d y n a m i c s a n d t h eDTC s t r a t e g y c o d e d i n VHDL. T h e i n v e r t e r d r i v e a n d t h eT h e e m p l o y i n g o f F P G A c d e v i c e s t o c o n t r o l t h e m o t o r d r i v e s i n d u c t i o n m o t o r w e r e i mp l e m e n t e d i n a M a t l a b / S i m u l i n kh a s b e c o m e a u s u a l p r a c t i c e . T h i s p r o c e d u r e a l l o w s m a i n l y a e n v i r o n m e n t . T h e DTC c o n t r o l s t r a t e g y w a s i m p l e m e n t e d i ns i g n i f i c a n t h a r d w a r e r e d u c t i o n . T h e m a i n a d v a n t a g e o f F P G A s V H D L l a n g u a g e u s i n g t h e M o d e l s i m p r o g r a m . T h e t o o l b o xi S t h e i r c a p a b i l i t y o f p a r a l l e l o p e r a t i o n t h a t c a n g r e a t l y i n c r e a s e L i n k - f o r - M o d e l S i m , a v a i l a b l e i n S i mu l i n k, a l l o ws t h e e x e c u t i o nt h e e x e c u t i o n s p e e d o f t h e c o n t r o l a l g o r i t h m [ 1 ] . o f b o t h p r o g r a m s i n c o - s i m u l a t i o n w a y .T h e D i r e c t T o r q u e C o n t r o l t e c h n i q u e w a s i n i t i a l l y T h e w o r k p r e s e n t s t h e o b t a i n e d r e s u l t s f r o m t h e d e s c r i b e df o r m u l a t e d b y T a k a h a s h i a n d N o g u c h i [ 2 ] a n d B a a d e r a n d s i m u l a t i o n p r o p o s a l . DTC s t r a t e g y w a s e x e c u t e d e x c l u s i v e l y i nD e p e n b r o c k [ 3 ] a n d i n t r o d u c e d a s a n o p t i o n o f c o n t r o l t o V H D L l an gu a g e , u s in g i n f l o a t i n g - p o i n t r e p r e s e n t a t i o n . T h en d u c t i o n m o t o r s . T h e DTC t e c h n i q u e r e p r e s e n t s a n a d e q u a t e u s e o f t h e f l o a t i n g - p o i n t r e p r e s e n t a t i o n i s new p r o p o s a l o f t h i sa n d o p t i m i z e d c h o i c e o f i n v e r t e r s w i t c h l n g a s f u n c h o n o f w o r k w i t h r e g a r d t o s i m i l a r s t u d i e s , H e r e i t w a s i n v e s t i g a t e dr e f e r e n c e v a l u e s o f t h e t o r q u e a n d s t a t o r f l u x . T h i s t e c h n i q u e t h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h i s p r o c e d u r e a n d t h e r e s p e c t i v e r e s u l t sw a s i n i t i a l l y r i m p l e m e n t e d o n D i g i t a l S i g n a l P r o c e s s i n g - DSPs a r e a n a l y z e d . T h e f i r s t a d v a n t a g e t o b e m e n t i o n e d o n t h i sb a s e d h a r d w a r e a s s o c i a t e d w i t h a n A S I C e s ( A p p l i c a t i o n a s p e c t i s t h e f a c i l i t y o n t h e a l g o r i t h m e x e c u t i o n w i t h f l o a t i n g -S p e c i f i c I n t e g r a t e d C i r c u i t s ) [ 4 ] . I n t h e s e c a s e s t h e DS P p o i n t r e p r e s e n t a t i o n .p e r f o r m s t h e m o d e l c a l c u l a t i o n s a n d t h e h y s t e r e s i s c o n t r o l l e r s W i t h t h e r e s u l t s o f t h i s w o r k i t i s e x p e c t e d t o d e m o n s t r a t ei n h e r e n t t o DTC t e c h n i q u e . T h e r e s u l t s o f t h e s e c a l c u l a t i o n s t h e f l e x i b i l i t y o f t h e s i m u l a t i o n t o o l . T h e g r e a t a d v a n t a g e o fa r e t h e n u s e d a s a n i n d e x a t i o n t o a n o p t i m i z e d s w i t c h i n g t a b l e t h i s p r o c e d u r e i s t h e d r a s t i c r e d u c t i o n o f t h e p o s s i b i l i t y o fs t o r e d i n a n A S I C . s i g n i f i c a n t c h a n g e s i n V H D L c o d e i n a p o s s i b l eW i t h t h e a d v a n c e o f t h e t e c h n o l o g y , s u c h i m p l e m e n t a t i o n i m p l e m e n t a t i o n .b e c a m e p o s s i b l e u s i n g o t h e r d e v i c e s , a s f o r e x a m p l e morep o w e r f u l F P G A ' s , m a k i n g c a p a b l e t h a t s u c h t e c h n i q u e c o u l d b em o r e o p t i m i z e d [ 1 ] . I I . DTC S T R A T E G YI n [ 5 ] t h e r e ' s a r e p o r t o f a s p e e d c o n t r o l i n a c l o s e d l o o p f o ri n d u c t i o n m o t o r s u s i n g t h e DTC t e c h n i q u e a n d i m p l e m e n t e de x c l u s i v e l y i n a FPGA. I n t h e s p e e d c o n t r o l , t h e a u t h o r s h a s T h e DTC T e c h n i q u e a m e t h o d o f o p t i m i z e d A C d r i v e , w h e r eu s e d a P I c o n t r o l l e r ( a l s o i m p l e m e n t e d t h e V H D L p r o g r a m ) , t h e s w i t c h e d i n v e r t e r v o l t a g e d i r e c t l y c o n t r o l s t h e m o t o rg e t t i n g r e a l l y s a t i s f a c t o r y r e s u l t s . v a r i a b l e s , t h a t i s , s t a t o r f l u x a n d t o r q u e [ 7 ] . T h e e r r o r b e t w e e nA c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e i m p l e m e n t a t i o n o f DTC s t r a t e g y t h e t o r q u e a n d s t a t o r f l u x r e f e r e n c e s i s p r o c e s s e d i n h y s t e r e s i s

1 - 4 2 4 4 - 0 7 2 6 - 5 / 0 6 / $ 2 0 . 0 0 ' 2 0 0 6 I E E E 9 5 5

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c o n t r o l l e r s . T h e o u t p u t s o f t h i s c o n t r o l l e r s a c t d i r e c t l y i n a i n t e g r a t i o n u s i n g t h e E u l e r m e t h o d . W i t h t h e e s t i m a t e d t h e f l u xt a b l e o f p r e v i o u s l y d e s i g n e d i n v e r t e r s w i t c h i n g s t a t e s . F r o m a n d c u r r e n t s t a t o r c o m p o n e n t s , i t i s p o s s i b l e t o d e t e r m i n e t h et h i s t a b l e i s a l s o d i r e c t l y e x t r a c t e d t h e command p u l s e s o f t h e a n g u l a r s e c t o r o f t h e f l u x p o s i t i o n a n d f i n a l l y t h ei n v e r t e r . A d i a g r a m o f DTC t e c h n i q u e i s r e p r e s e n t e d b y F i g . l . e l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e o f t h e m o t o r i s c a l c u l a t e d b y ( 7 ) . T h es t a t o r f l u x m a g n i t u d e i s g i v e n b y ( 8 ) .md,,f~~~ Ff < J F 0 = V T e c t o e r I l i v e r t e r i n d l l c t i c r m 3 . z p . ( f i J A a - i a ' A )J -a b l e _ _ < h I o m d ( 7 )T h r e e L e v e l s H y s t e r e s i s t 2Comparator ( T o r q u e )

4 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ l a lbt 1 1 1 ' X ,q,= 02 H ,q,2~~~~~~~~~~~w o L e v e l s H y s t e r e s i s a , lC o m p a r a t o r ( F l u x )m d M o t o r

w h e r e z p i s t h e n u m b e r o f p o l p a r o f t h e m o t o r .F i g . 1 . R e pr e s e n t at i o n o f t h e DTC s t r a t e g y . I n t h e t h i s w o r k , a r e e x a c t l y t h e e x p r e s s i o n s ( 1 ) t h r o u g h ( 8 )I n F i g . 1 t h e b l o c k M o t o r M o d e l c a l c u l a t e s t h e s t a t o r f l u x t h a t a r e t o b e i n c o r p o r a t e d t o t h e F P G A d e v i c e a n da n d t o r q u e m a g n i t u d e f r o m m e a s u r e m e n t s o f v o l t a g e a n d i m p l e m e n t e d i n V H D L l a n g u a g e . W i t h t h e e s t i m a t e d v a l u e s o fc u r r e n t . I t i s a l s o o b t a i n e d a n g u l a r s e c t o r w h e r e t h e f l u x v e c t o r t o r q u e a n d s t a t o r f l u x , i t i s p r o c e e d e d t h e h y s t e r e s i s c o n t r o l l e r si s l o c a t e d . T h i s c a l c u l a t i o n i s b a s e d i n t h e v e c t o r m o d e l i n w h o s e o u t p u t s w i l l p r o d u c e t h e s w i t c h i n g v e c t o r s , a c c o r d i n g t os t a t i o n a r y r e f e r e n c e f a m e o f t h e i n d u c t i o n m o t o r . T h e n e e d e d DTC l o g i c a l s t r a t e g y . A l l t h e s e s t a g e s a r e c o d i f i e d t o b ec a l c u l a t i o n s f o r t h e c o r r e c t i mp l e me n t a t i o n o f t h e DTC s t r a t e g y e x e c u t e d i n t h e F P G A d e v i c e .a r e l i s t e d b e l o w . O n e o f t h e m a i n a d v a n t a g e s o f DTC s t r a t e g y i s t h e a b s e n c eo f c o o r d i n a t e s t r a n s f o r m a t i o n s , c o m m o n l y i n t h e s t r a t e g i e s o f

v E D C . ( 2 . C h a - c h b -c k ) ( 1 ) F i e l d O r i e n t e d C o n t r o l , FOC [ 8 ] . A n o t h e r a d v a n t a g e o f t h i sa 3 s t r a t e g y i s t h e n e c e s s i t y t o k n o w o n l y t h e a n g u l a r s e c t o r , a n dn o t t h e a n g u l a r f l u x p o s i t i o n .V 3 . E D C . ( c h b - c h k ) ( 2 )3 I I I . TH E V H D L PROGRAMMING WITH F L O A T P O I N T

' t z = a ( 3 ) T h e V H D L i s a l a n g u a g e f o r V H S IC ( V e r y H i g h S p e e dI n t e g r a t e d C i r c u i t ) h a r d w a r e d e s c r i p t i o n a n d s t a n d a r d i z e d b y-. ~ ( i a + 2 . i b ) ( 4 ) I E E E - 1 0 7 6 [ 9 ] . T h i s s t a n d a r d i z a t i o n r e d u c e s c o n f u s i o n a n d1 , - 3 f a c i l i t a t e s i n t e r f a c e s b e t w e e n d i f f e r e n t t o o l s , s u p p l i e r s a n dp r o d u c t s [ 1 0 ] . A n o t h e r a d v a n t a g e i s t h a t t h e VHDL w a s

a =2 A n t + T . ( v a - R s . i a ) ( 5 ) d e v e l o p e d t o m o d e l a l l t h e d e v e l o p m e n t s t a g e s , i t m e a n s , c a nd e s c r i b e s i n c e m a t h e m a t i c a l b e h a v i o r s a s r o u t i n e s t h a t i n v o l v ec o m p l e x m o d e l s . T h i s a l l o w s t h e u s e o f m u l t i p l e a r c h i t e c t u r e s2 , / = 2 f a n t+ T . ( v - R S . i ) ( 6 ) a n d a l s o a s s o c i a t e s t h e m w i t h t h e s a m e p r o j e c t d u r i n g t h ed e v e l o p m e n t . T h e p o r t a b i l i t y o f t h e c o d e i s a n o t h e r r e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i c o f t h i s t y p e o f p r o g r a m m i n g . I n t h i s w a y , t h ew h e r e : s a m e V H D L c o d e c a n b e s i m u l a t e d a n d u s e d i n t o o l s o f d i v e r s ev a n d v a r e t h e d i r e c t a n d q u a d r a t u r e c o m p o n e n t s o f t h e s u p p l i e r s a n d d i f f e r e n t l e v e l s o f d e v e l o p m e n t .s t a t o r v o l t a g e , r e s p e c t i v e l y ; A l t h o u g h i n t e g e r n u m b e r s s u p p l y a c c u r a t e r e p r e s e n t a t i o n f o rE D c i s t h e DC b u s v o l t a g e o f i n v e r t e r ; n u m e r i c a l v a l u e s , t h e y h a v e a g r e a t d i s a d v a n t a g e : t h e i n a b i l i t yc h a , c h b a n d c h . a r e t h e s t a t e s o f s w i t c h i n g ; t o r e p r e s e n t f r a c t i o n a r y v a l u e s . I n t h i s c a s e , i t i s n e c e s s a r y t h ei a n d i b a r e t h e c u f f e n t s f r o m " a " a n d " b p h a s e s m e a s u r e d u s e o f s c a l o n i n g t e c h n i q u e s a n d t h e a s s e m b l y o f s p e c i f i cb y s e n s o r s ; r o u t i n e s f o r t r e a t m e n t o f f r a c t i o n a r y n u m e r i c r e p r e s e n t a t i o n .a n d a r e t h e d i r e c t a n d q u a d r a t u r e c o m p o n e n t s o f t h e A r i t h m e t i c i n f l o a t i n g - p o i n t s o l v e s t h i s p r o b l e m . T h es t a t o r f l u x ; a r i t h m e t i c i n f l o a t i n g - p o i n t c a u s e s p e e d r e d u c t i o n i n t h eT i s t h e s a m p l i n g p e r i o d o f DTC a l g o r i t h m e x e c u t i o n p r o g r a m , h o w e v e r , t h e b e n e f i t s o b t a i n e d w i t h i t s u s ec a n o v e r c o m e s u c h d i s a d v a n t a g e . T h e m a i n a d v a n t a g e o f s u c hI n e q u a t i o n s ( 1 ) a n d ( 2 ) a r e u s e d t h e s w i t c h i n g s t a t e s o f t h e A r i t h m e t i c i s i t s e a s y i m p l e m e n t a t i o n , s i n c e i t d o e s n o t n e e di n v e r t e r i n s t e a d v o l t a g e s e n s o r s . T h e s t a t o r f l u x i s c a l c u l a t e d b y s c a l e s c h a n g e s i n i t s e x e c u t i o n . T h e s t a n d a r d A n s i / I E E E - 7 5 4[ 1 1 ] , w a s c r e a t e d w i t h t h e i n t e n t i o n t o f a c i l i t a t e t h e p o r t a b i l i t y

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o f p r o g r a m s t h a t u s e f l o a t i n g - p o i n t b e t w e e n d i f f e r e n tc o m p u t e r s . L o aT h e f o r ma t o f t h e b i n a r y w o r d i n f l o a t i n g p o i n t h a s a t o t a l o f 'LF + T o r u =T Ab i t s g i v e n b y m l , + e , , w h e r e m l , a n d e l , a r e t h e s i z e o f m an t i s sa T D C J L = B ma n d e x p o n e n t r e s p e c t i v e l y . A n u m b e r i n f l o a t i n g p o i n t i s 's e p a r a t e d i n t h r e e f i e l d s a s s h o w i n F i g . 2 : I n ; e r t e r h a u c t i o nM o t o rc h a ii|1| e + I m w -l _ | < I c h a l ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ i a - l ala5 E M c h a b

- T 6 i | | a | | | \\ T T l llc hb | ,1 i b W lb I b i > X

F _ r e f F r e f F r e f lF i g . 2 . F l o a t i n g - p o i n t f o r m a t . c h o R e f e r e n c e F l u xm d _ r e f m d _ r e f m d _ r e f io h o b

V H D L C o - S i m u l a t i o n R e f e r e n c e T o r q u eT h e n u m b e r f v a l u e , r e p r e s e n t e d i n f l o a t i n g p o i n t a n d e A / D C o n v e r t e rn o r m a l i z e d b y I E E E - 7 5 4 i s c a l c u l a t e d i n a g r e e m e n t w i t h ( 9 ) . F i g . 3 . DTC s t r a t e g y s i m u l a t i o n i n o p e n l o o p .f = ( _ 1S 1 . M X 2 E E b a ( 9 ) T h e f i r s t s t a g e t o b e e x e c u t e d i n t h e M o d e l S i m p r o g r a m i s t oc o n v e r t t h e b i n a r y v a l u e s o f i n p u t i n t o f l o a t i n g - p o i n t

r e p r e s e n t a t i o n a c c o r d i n g t h e I E E E - 7 5 4 s t a n d a r d w i t h s i m p l ew h e r e : p r e c i s i o n n u m b e r s ( 3 2 b i t s ) . F i g . 4 s h o w s t h e b i n a r yM- F r a c t i o n a r y m a n t i s s a ; c o n f i g u r a t i o n f o r s u c h r e p r e s e n t a t i o n .S - S i g n a l b i t ;E - E x p o n e n t ; S l g lE b i a s - E x c e s s o f t h e e x p o n e n t . BitT h e E e x p o n e n t h a s a s i z e o f e , b i t s a n d i s a n o s i g n a l *- 8 h i t S 2 3 b i t sr e p r e s e n t a t i o n , w h e r e i t s b i n a r y v a l u e i s t h e s u m o f t h e v a l u e s I on e NIMM9 9 3o f o r i g i n a l e x p o n e n t s w i t h s i g n a l a n d t h e e x c e s s o f t h e F r i ; 3 ie x p o n e n t ( E b i a s ) . T h e b i t o f S s i g n a l i n d i c a t e s i f t h e n u m b e r i s F i g . 4 . E E E - 7 5 4 s i m p l e p r e c i s i o n n u m b e r ( s i n g l e f o r m a t ) .p o s i t i v e o r n e g a t i v e . I t s v a l u e i s z e r o f o r a p o s i t i v e n u m b e r a n d1 f o r a n e g a t i v e . T h e f r a c t i o n a r y m a n t i s s a M i s a f i x e d p o i n t T h e M o d e l S i m p r o g r a m e x e c u t e s t h e DTC s t r a t e g yf r a c t i o n w i t h o u t s i g n a l , w h e r e 1 . 0 < M < 2 . 0 . T h e m o s t p r o v i d i n g t h e s w i t c h i n g s t a t e s f o r t h e i n v e r t e r r u n n i n g i n t h es i g n i f i c a n t b i t i s a l w a y s 1 , a n d i s o m i t t e d , t h u s o n l y t h e b i t s S i m u l i n k .m - t a r e s t o r e d . A s e c o n d s i m u l a t i o n w a s p e r f o r m e d w i t h a c l o s e d l o o ps p e e d c o n t r o l . F i g . 5 s h o w s t h e p r o j e c t u s e d f o r t h i s s i m u l a t i o n .

I V . D E S C R I P T I O N S O F T H E S I M U L A T I O N SI L o T r r M o t o r s p e e dI n t h i s w o r k w e r e m a d e t w o s i m u l a t i o n s u s i n g S i m u l i n k A T o rg e n e r a l b l o c k s , P o w e r S y s t e m B l o c k s e t m o d u l e s a n d a b l o c k T E D C B B 1f o r c o - s i m u l a t i o n i n VHDL. I n t h i s p r o c e d u r e , t h e c o - L _F I Fl|s i m u l a t i o n i s e x e c u t e d M o d e l S i m p r o g r a m e n v i r o n m e n t . T h e b r b r b i c t i o n R e i r e n ef i r s t c a s e i s t h e o p e n l o o p s i m u l a t i o n a s r e p r e s e n t e d i n t h e F i g . +

3 . o h aT h e A/D c o n v e r t e r s w e r e a s s u m e d a s 1 6 b i t s a n d c o n v e r t t h e | i a l1s t a t o r c u r r e n t s a n d r e f e r e n c e v a l u e s o f f l u x a n d t o r q u e . T h e o h a bC o - S i m u l a t i o n b l o c k o p e r a t e s a t 4 0 K H z a s w e l l t h e A/D o h b i b l A l b I l b l J 1c o n v e r t e r s . F o r a n IGBT c o n v e r t e r w e r e s t i p u l a t e d a f r e q u e n c y c h b bo f 2 0 K I H z . F _ e F r e Frf1o h o R e f e r e n c e Fl x

l m d _ r e f 4 md re f md r e f l P 1c h b V H D L C o - S i m u l a t i o n A S D C o m r e i l e r C o n t r o l l e rF i g . 5 . DTC s t r a t e g y s i m u l a t i o n w i t h s p e e d c o n t r o l i n c l o s e d l o o p .

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I n t h i s c a s e w a s s t i p u l a t e d a P I c o n t r o l l e r f o r t h e s p e e dc o n t r o l , w h i c h g e n e r a t e s t h e t o r q u e r e f e r e n c e i n r e l a t i o n t o t h e 0 9p r e v i o u s s y s t e m . F o r t h e s l o w e r m o t o r s p e e d d y n a mi c s, as a m p l i n g f r e q u e nc y o f 1 K H z w a s s t i p u l a t e d . I n a f u t u r e 0 8 _v e r s i o n , t h e d i g i t a l i z e d P I c o n t r o l l e r w i l l a l s o b e i n c o r p o r a t e d 0 . 7i n V H D L c o d e .0 . 6 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - q - - = eee C F UV . S I M U L A T I O N S R E S U L T S

T h e s y s t e m o f F i g . 3 w a s i n i t i a l i z e d f i x i n g t h e s t a t o r f l u xr e f e r e n c e v a l u e s a n d t h e e l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e f o r t h e o p e n z 0 . 3l o o p c a s e . T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s i m u l a t e d m o t o r c a n b es e e n i n T a b l e 1 . 0.2-T A B L E 1 I ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ .- - - - - - T - - - - - - n - - - - - - - - l - - - - - - - r - - - - - - T - - - - - - - - - - -- - - - - -- - -- - - - - - - r - - -ABLE 1 I . 1M o t o r d a t a u s e d i n s i m u l a t i o n .Motor P a r a m e t e r s 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5P a i r o f P o l o s 2 T i u e ( s )

S t a t o r R e s i s t a n c e 7 , 5 6 Q F i g . 7 . M e a s u r e d s t a t o r f l u x i n o p e n l o o p s i m u l a t i o n .S t a t o r I n d u c t a n c e 0 , 3 5 0 8 5 HR o t o r R e s i s t a n c e 3 , 8 4 Q

1 2 [ 0 FR o t o r I n d u c t a n c e 0 , 3 5 0 8 5 HM u t u a l I n d u c t a n c e 0 , 3 3 6 1 5 H _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ~ ~ ~ ~ 1 0 0 - - - - - - - - - - -I n e r t i a 0 , 0 2 7 k g . m 2

F r i c t i o n F a c t o r 0 , 0 0 0 1 N . m . s - - - -F o r t h e s i m u l a t i o n o f t h e s t r a t e g y i n o p e n l o o p , t h e i n i t i a l 6 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -r e f e r e n c e t o r q u e v a l u e w a s s e t t o 1 2 Nm a n d a f t e r 0 . 2 5 s , t h i s at o r q u e w e r e m o d i f i e d t o - 1 0 N . m . T h e r e f e r e n c e f l u x w e r e k e p t - 4c o n s t a n t w i t h a v a l u e o f 0 . 8 w b . A , ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ " w0 - - - - - - - T - - - - - - g - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - T - - - - - - - - - - - - - - - - - - - e - - - - - - - - -o n s t a n t w i t h a v a l u e o f 0 . 8 w b .F i g . 6 s h o w s t h e c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e m o t o r m e a s u r e dt o r q u e a n d i t s r e f e r e n c e v a l u e , w h i l e t h e f l u x c o m p a r i s o n c a n 2 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - / - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -b e s e e n i n F i g . 7 a n d t h e s p e e d i n t h i s i n t e r v a l i s i n d i c a t e d i n

F i g . 8 . 01 5 j _ - M e a s u r e d 0 T o r q u e 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5R e f e r m c e T o r q u e T i i n e ( s ), 1 0 L 7 - - - - - - 1 - - - - - - 5 - - - - - - - r - - - - - - r - - - - - l F i g . 8 . M e a s u r e d s p e e d i n o p e n l o o p s i m u l a t i o n .- 5 T h e r e s u l t s o b t a i n e d i n t h e o p e n l o o p s i m u l a t i o n arec o m p l e t e l y i n a g r e e m e n t w i t h t h e e x p e c t e d c a s e . A s w i t c h i n go H | o f t h e i n v e r t e r w i t h h i g h e r f r e q u e n c y w o u l d p r o d u c e r e s u l t s

- o -------T------ ------- -------r---------------------------r------r------ s tillor e c l o s e t o t h e r e f e r e n c e v a l u e s . H o w e v e r w i t h t h ec h o s e n I G B T - i n v e r t e r , 2 0 k H z a l r e a d y i s a b o u n d a r y - v a l u e o fo p e r a t i o n f o r t h i s c o n v e r t e r . A n a l t e r n a t i v e w o u l d b e t h e u s e o f- 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - a n i n v e r t e r w i t h M O S F E T t y p e s w i t c h e s , h o w e v e r i t o u l dc a u s e a h i g h e r c o s t .T h e g r e a t p o t e n t i a l o f t h e DTC d r i v e s t r a t e g y c a n b e1 0 o - - - - - - - a n a l y z e d b y t h e p e r f o r m a n c e o f t h e l o s e l o o p s y s t e m a s0 . ' . 5 0 3 0 . 54 0 4 i l l u s t r a t e d i n t h e f o l l o w i n g s i m u l a t i o n s r e s u l t s . T h e s i m u l a t i o n-15 [________ i iin c l o s e d l o o p was e x e c u t e d w i t h s p e e d c o n t r o l , i n a c c o r d a n c e0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 0 5 3 03;OTOSE 5 w i t h F i g . 5 . T h e i n i t i a l s p e e d r e f e r e n c e w a s a s s i g n e d a s 8 0T i m e ( s ) r a d / s , a n d m o d i f i e d t o - 5 0 r a d l s a t 0 . 7 s t i m e . T h e s p e e dF i g . 6 . M e a s u r e d t o r q u e i n o p e n i o o p s i m u l a t i o n . b e h a v i o r c a n b e s e e n a t F i g 9 .

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1 0 0 r 2 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -1~ ~ ~ ~ ~ M e a s u r e d S p e e d 1_ _ _ _- . - - - - - - - - - - - R e f e r e n c e S p e e d | 0

| 4 ' | \ t ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ - 2 0- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - r - - - - - - - - - - - - - 1 - - - - - - - - - - - - - - r f - - - -6 0 X ---- . e i .X I \ f ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 2 0- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ! - - - - - - - - - - - l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -~ 0 s)/W s j

- 2 0 - - - - -- - - - - - - - - - 2 - - - - - - - - - - - --- - - - -- -- - - - --- - - - - - - - - - - r - - - - - - - - - - - - - - - -- 2 0 L - - -

c 0 - - - - 0 - 62 0 F

- 6 0 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 2 i - i - i - i - F i g . - 1 1 . - - - - - - - - - - p a e --------------o r r e s p o n d i n g t o ------------- 4 0 0 3 0 - - - - 2 0 0 . 3 0 . 6 0 . 9 1 . 2 1 . 5T i m e ( s )- 6 0 L_ _ _ _ _ _ _ _ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ F i g .1 . T h r e e - p h a s e s s t a t o r c u r r e n t s c o r r e s p o n d i n g t o c l o s e d i o o p0 0 . 3 0 . 6 0 . 9 1 . 2 1 . 5 s i m u l a t i o n .T i m e ( s )F i g . 9 . M e a s u r e d s p e e d i n c l o s e d l o o p s i m u l a t i o n . V I . CONCLUSIONS

T h e r e f e r e n c e t o r q u e i s n ow d e r i v e d f r o m t h e s p e e d e r r o rp r o c e s s e d b y t h e P I a n d i s s u p p l i e d t o DTC a l g o r i t h m a n d c a n T h e s i m u l a t i o n p r e s e n t e d i n t h i s w o r k e v i d e n c e s t h eb e s e e n i n F i g . 1 0 c o m p a r e d w i t h t h e m o t o r t o r q u e . a d v a n t a g e s o f DTC t e c h n i q u e i n t e r m s o f d y n a m i c r e s p o n s e i nt h e s p e e d c o n t r o l o f i n d u c t i o n m o t o r s .I n t h i s w o r k , h a s e x p l o r e d t h e u s e o f VHDL l a n g u a g e b a s e d3 0 r t h a t c o n t r o l p r o p o s a l b e e x e c u t e d i n a F P G A d e v i c e .r | ' M e a s u r e d T o r q u e | T h e f l o a t i n g - p o i n t a r i t h m e t i c w a s u s e d a s a n a l t e r n a t i v e f o r m2 - - - - - - - - - - - - - I - - - - - - C i o m m a n d e d T o r q u e i n t h e c o d i f i c a t i o n o f t h e c a l c u l a t i o n a l g o r i t h m s . T h e m a i na d v a n t a g e o f f l o a t i n g - p o i n t c o m p a r e d t o f i x e d - p o i n t n o t a t i o n i st h e g e n e r a l s i m p l i f i c a t i o n o f t h e source c o d e r e f e r r i n g t o t h e---------------I - - - - - - - - - - - - - - - -, 1 c a l c u l a t i o n a l g o r i t h m . T h e b i g g e r c a l c u l a t i o n s t i m e i np r o g r a m s t h a t u s e f l o a t i n g - p o i n t , d o e s n o t a f f e c t t h e r e s u l t sH - - - - - b e c a u s e i t s t i l l h o l d s s u f f i c i e n t l y s m a l l f o r a g o o d f u n c t i o n i n g

o f t h e DTC t e c h n i q u e i n q u e s t i o n .A n o t h e r s i g n i f i c a n t a d v a n t a g e o f t h e c o - s i m u l a t i o n a s p e c t i st h e g r e a t r i s k r e d u c t i o n o f s i g n i f i c a n t c h a n g e s i n t h e c o d e f o r-20L j on e f u t u r e implementation i n t h e h a r d w a r e .

- 3 0 q F f ~ ~ ~ ~ q - - - - - - - ------------- R E F E R E N C E S- 4 0 [ 1 ] F . R i c c i , H . L e - H u y , "An FPGA-Based R a p i d P r o t o t y p i n g P l a t f o r m f o r0 0 . 3 0 . 6 0 . 9 1 . 2 1 . 5 V a r i a b l e - S p e e d D r i v e s " , IEEE 2 8 t h A n n u a l C o n f e r e n c e o f t h e I n d u s t r i a lT i m e ( s ) E l e c t r o n i c s S o c i e t y , S e v i l l a , S p a i n , 5 - 8 N o v e m b e r 2 0 0 2 , v o l . 2 , p p . 1 1 5 6F i g . 1 0 . M e a s u r e d t o r q u e i n c l o s e d l o o p s i m u l a t i o n . - 1 1 6 1 .[ 2 ] I . T a k a h a s h i , T . N o g u c h i , " A N e w Q u i c k R e s p o n s e An d H i g h - E f f i c i e n c yC o n t r o l S t r a t e g y o f a n I n d u c t i o n M o t o r " , IEEE A n n u a l M e e t i n g o nB a s e d o n F i g . 1 0 , c a n b e o b s e r v e d a f a s t r e s p o n s e a n d a n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s S o c i e t y , T o r o n t o , C a n a d a , 6 - 1 1 O c t o b e r 1 9 8 5 , p p .

e x c e l l e n t p r e c i s i o n o f t h e V H D L p r o g r a m w i t h t h e c h a n g e s o f 4 9 5 - 5 0 2 .r e f e r e n c e t o r q u e , r e s u l t i n g i n a v e r y s a t i s f a c t o r y p e r f o r m a n c e [ 3 ] U . B a a d e r , M . D e p e n b r o c k , " D i r e c t S e l f C o n t r o l ( D S C ) o f I n v e r t e r s - F e dI n d u c t i o n M a c h i n e : A b a s i s f o r S p e e d C o n t r o l w i t h o u t S p e e do f t h e DTC s t r a t e g y , a s e x p e c t e d . M e a s u r e m e n t " , I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s , 3 a e d . , v o l .T h e t h r e e - p h a s e c u r r e n t s o f t h e s t a t o r c o r r e s p o n d e n t t o 2 8 , M a y / J u n e 1 9 9 2 , p p . 5 8 1 - 5 8 8 .c l o s e d l o o p s i m u l a t i o n c a n b e s e e n i n F i g . 1 1 , d e m o n s t r a t i n g [ 4 ] s . F e r r e i r a , F . H a f f n e r , L . F . P e r e i r a , F . M o r a e s , " D e s i g n a n d P r o t o t y p i n gt h a t t h e s pe c i f i e d i n v e r t e r a n d i t s c o m m a n d o b t a i n e d f r o m r DC o f D i r e c t T o r q u e C o n t r o l o f I n d u c t i o n M o t o r s i n F P G A s " , IEEEt h a t t h e s p e c i f i e d i n v e r t e r a n d i t S command o b t a i n e d f r o m DTC 47 __-,_ 1__, , . , , , , ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ P r o c e e d i n g s o f 1 6 t h S y m p o s i u m I n t e g r a t e d C i r c u i t s a n d S y s t e m s D e s i g n ,s t r a t e g y e s t a b l i s h t h e a p p r o p r i a t e c u r r e n t t o t h e m o t o r t o S U p p l y S a 1 o P a u l o , B r a z i l , 8 - 1 1 S e p t e m h e r 2 0 0 3 , p p . 1 0 5 - 1 1 0 .t h e c o n t r o l s t i p u l a t e d n e e d s .

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8/14/2019 A Rapid Prototype Design to Investigate the FPGA Based DTC Strategy Applied to the Speed Control of IM

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[ 5 ] S . J . K i m , H . J . L e e , S . K . K i m , Y . A . K w o n , " A s i c D e s i g n f o r DT C [ 8 ] D . W. N o v o t n y , T . A . L i p o , V e c t o r C o n t r o l a n d D y n a m i c s o f A C D r i v e s ,B a s e d S p e e d C o n t r o l o f I n d u c t i o n M o t o r " , IEEE I n t e r n a t i o n a l O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s , NY: 1 9 9 7 .S y m p o s i u m o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s , P u sa n, K o r e a , 1 2 - 1 6 J u n e 2 0 0 1 , [ 9 ] A . S . 1 0 7 6 - 1 9 9 3 , IEEE S t a n d a r d V HDL L a n g u a g e R e f e r e n c e Manualv o l . 2 , p p . - 9 5 6 - 9 6 1 . ( I E E E S t d 1 0 7 6 - 1 9 9 3 ) , I n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c s M o t o r s .[ 6 ] A . L l o r , B . A l l a r d , X . L i n - S h i , J . M . R e t i f , " C o m p a r i s o n o f DT C [ 1 0 ] K . C . C h a n g , D i g i t a l D e s i g n a n d M o d e l i n g w i t h V HDL a n d S y n t h e s i s ,I m p l e m e n t a t i o n s f o r S y nc r o no u s M ac h i n e s ", IEEE 3 5 t h P o w e r L o s A l a m i t o s , C A : IEEE C o m p u t e r S o c i e t y P r e s s , 1 9 9 7 .E l e c t r o n i c s S p e c i a l i s t s C o n f e r e n c e , A a c h e n , G e r m a n y , 2 0 - 25 J u n e 2 0 0 4 , [ 1 1 ] A . S . 7 5 4 - 1 9 8 5 , IEEE S t a n d a r d f o r B i n a r y F l o a t i n g - P o i n t A r i t h m e t i c -v o l . 5 , p p . 3 5 8 1 - 3 5 8 7 . ( A N S I I I E E E S t d 7 5 4 - 1 9 8 5 ) , I n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c s[ 7 ] G . S . B u j a , M . P . K a z m i e r k o w s k i , " D i r e c t t o r q u e c o n t r o l o f PWM M o t o r s .I n v e r t e r - F e d A C M o t o r s - A S u r v e y " , IEEE T r a n s a c t i o n s . o n I n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s , 4 a e d . , v o l . 5 1 , A u g u s t 2 0 0 4 p p . 7 4 4 - 7 5 7 .

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