7/23/2019 FUZZY WITH SVM

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D i r e c t T o r q u e C o n t r o l o f a n I n d u c t i o n M o t o r U s i n g a T h r e e - l e v e lI n v e r t e r a n d F u z z y L o g i cX a v i e r d e l T o r o ' , S a l v a d o r C a l l s 2 , M a r c e l G . J a y n e 3 , P h i l A . W i t t i n g 4 , A n t o n i A r i a s 5 a n d J o s e L u i s

R o m e r a l 61 3 4 S c h o o l o f E l e c t r o n i c s , U n i v e r s i t y o f G l a m o r g a n , P o n t y p r i d d , W a l e s . U n i t e d K i n g d o m . , e - m a i l : x d e l t o r o @ g l a m . a c . u k ,m g j a y n e @ g l a m . a c . u k , p a w i t t i n 2 @ g l a m . a c . u k .2 5 6 E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t , U n i v e r s i t a t P o l i t e c n i c a d e C a t a l u n y a . , T e r r a s s a , C a t a l u n y a , S p a i n , e - m a i l :s a l v a d o r . c a l l s @ g t d . e s , a r i a s @ e e l . u p c . e s , r o m e r a l @ e e l . u p c . e s .

A b s t r a c t - M u l t i l e v e l i n v e r t e r s , s u c h a s t h r e e - l e v e l i n v e r t e r s ,a r e a n e m e r g i n g t e c h n o l o g y a n d a r e c o m m o n l y a p p l i e d t o h i g hp o w e r m o t i o n d r i v e s i n s t e a d o f t h e s t a n d a r d t w o - l e v e l v o l t a g es o u r c e i n v e r t e r s ( V S I ) . I n t h r e e - l e v e l i n v e r t e r s t h e b l o c k i n gv o l t a g e o f e a c h s w i t c h i s h a l f o f t h e DC b u s v o l t a g e , l o w e rd V / d t i s g e n e r a t e d a n d t h e o u t p u t v o l t a g e a n d c u r r e n t h a v el o w e r h a r m o n i c d i s t o r t i o n . I n t h i s p a p e r t h e a p p l i c a t i o n o f t h eD i r e c t T o r q u e C o n t r o l ( D T C ) s t r a t e g y i s s t u d i e d f o r t h i sp a r t i c u l a r t o p o l o g y . I n t h e t h r e e - l e v e l i n v e r t e r t h e v o l t a g es e l e c t i o n p o s s i b i l i t i e s a r e e n h a n c e d s i n c e more i n v e r t e r s t a t e sa r e a v a i l a b l e . Two d i f f e r e n t c o n t r o l m e t h o d s h a v e b e e nd e s i g n e d . T h e f i r s t i s b a s e d o n t h e c o n v e n t i o n a l DTC s c h e m ea d a p t e d f o r a t h r e e l e v e l i n v e r t e r . T h e s e c o n d i s b a s e d o n t h ea p p l i c a t i o n o f a F u z z y L o g i c C o n t r o l l e r t o t h e DTC s c h e m e t os e l e c t t h e a p p r o p r i a t e s w i t c h i n g s t a t e , i n s t e a d o f a p p l y i n g t h ec o n v e n t i o n a l DT C t a b l e . I n t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s , t h e n o v e ls y s t e m b a s e d o n F u z z y L o g i c s h o w s r e d u c t i o n i n t o r q u e r i p p l ea n d h a r m o n i c d i s t o r t i o n i n t h e s t a t o r c u r r e n t s a n d v o l t a g e s .B o t h f e a t u r e s a r e i m p o r t a n t f o r a p p l i c a t i o n s i n m o t i o n c o n t r o lw h e r e s m o o t h m o v e m e n t a n d h i g h e f f i c i e n c y a r e n e c e s s a r y .I n d e x T e r n m s - V a r i a b l e s p e e d d r i v e s , i n d u c t i o n m o t o r ,D i r e c t T o r q u e C o n t r o l , t h r e e - l e v e l i n v e r t e r .

L . I N T R O D I J C T I O ND i r e c t T o r q u e C o n t r o l ( D T C ) h a s b e e n a c t i v e l yi n v e s t i g a t e d d u r i n g t h e l a s t d e c a d e i n t h e a r e a o f AC d r i v e sf o r i n d u c t i o n m o t o r s . T h i s c o n t r o l s t r a t e g y w a s f i r s ti n t r o d u c e d b y T a k a h a s h i i n 1 9 8 6 [ 1 ] a n d a t t h e s a m e t i m eD e p e n b r o c k d e v e l o p e d a s i m i l a r i d e a i n 1 9 8 8 u n d e r t h en a m e o f D i r e c t S e l f C o n t r o l [ 2 ] . N e v e r t h e l e s s , j u s t o n em a j o r m a n u f a c t u r e r h a s a n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n b a s e d o nD T C , w h i c h w a s l a u n c h e d i n 1 9 9 5 [ 3 ] [ 4 ] . T h e m a i n

a d v a n t a g e o f DT C i s t h e h i g h p e r f o r m a n c e a c h i e v e d( d e c o u p l e d c o n t r o l o f t o r q u e a n d s t a t o r f l u x , f a s t t o r q u er e s p o n s e a n d r o b u s t n e s s ) t o g e t h e r w i t h t h e s i m p l i c i t y o f t h es c h e m e ( n o n e e d f o r c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n , m o d u l a t i o nb l o c k a n d c u r r e n t r e g u l a t i o n ) .T r a d i t i o n a l l y , t h e s t a n d a r d v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r ( V S I )u s e d i n AC d r i v e s i s c o m p o s e d o f t w o s w i t c h e s p e r l e g ,w h e r e t h e l o a d c a n b e c o n n e c t e d e i t h e r t o t h e u p p e r o rl o w e r l i n e o f t h e D C - l i n k . T h i s i s k n o w n a s a t w o - l e v e l V S I .H o w e v e r , f a s t s e m i c o n d u c t o r s h a v e a l i m i t a t i o n i n t h emaximum v o l t a g e t h a t c a n b e h a n d l e d . S e r i e s c o n n e c t i o n i sn e c e s s a r y f o r h i g h p o w e r a n d v o l t a g e a p p l i c a t i o n s , a n dt h e r e f o r e a v o l t a g e b a l a n c e i s r e q u i r e d . M o r e o v e r , v e r y h i g h

d V / d t i s g e n e r a t e d l e a d i n g t o i m p o r t a n t e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( E M I ) a n d h i g h w i n d i n g s i n s u l a t i o n s t r e s s .M u l t i l e v e l i n v e r t e r s a r e a n e m e r g i n g t e c h n o l o g y t h a t c a no v e r c o m e t h e l i m i t a t i o n s a s s o c i a t e d w i t h t h e s t a n d a r d l o wc o s t t w o - l e v e l V S I [ 5 ] . T h e o u t p u t v o l t a g e q u a l i t y i n t h e s ei n v e r t e r s i n c r e a s e s w i t h t h e n u m b e r o f l e v e l s , a n d t h e u s e o fh i g h s p e e d s e m i c o n d u c t o r s , s u c h a s I G B T ' s , b e c o m e sp o s s i b l e f o r h i g h p o w e r a p p l i c a t i o n s . T h e t h r e e - l e v e lN e u t r a l P o i n t C l a m p e d ( N P C ) i n v e r t e r i s o n e o f t h e m o s tc o m m o n l y u s e d t o p o l o g i e s a m o n g m u l t i l e v e l i n v e r t e r s [ 6 ] .M o s t o f t h e l i t e r a t u r e i s f o c u s e d o n t h e a p p l i c a t i o n o fDT C w i t h t w o - l e v e l i n v e r t e r s , b u t DT C w i t h m u l t i l e v e li n v e r t e r s i s s t i l l a m a t t e r o f r e s e a r c h [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] . T h ep r e s e n t w o r k i s b a se d o n t h e s t u d y o f t h e a p p l i c a t i o n o fDT C t o t h e t h r e e - l e v e l NPC i n v e r t e r , a n d t h e a d v a n t a g e st h a t c a n b e o b t a i n e d f r o m u s i n g t h i s t o p o l o g y w l h e nc o m p a r e d t o t h e t w o - l e v e l i n v e r t e r .W h e n u s i n g a t h r e e - l e v e l i n v e r t e r t h e s e l e c t i o n o f t h eo u t p u t v o l t a g e v e c t o r b e c o m e s m o r e c o m p l e x d u e t o t h eh i g h e r n u m b e r o f a v a i l a b l e i n v e r t e r s t a t e s . Two d i f f e r e n tc o n t r o l m e t h o d s h a v e b e e n d e s i g n e d . T h e f i r s t i s b a s e d o nt h e c o n v e n t i o n a l DT C s c h e m e a d a p t e d f o r a t h r e e l e v e li n v e r t e r . T h e s e c o n d i s b a s e d o n a F u z z y L o g i c C o n t r o l l e ri n t r o d u c e d t o r e p l a c e t h e c o n v e n t i o n a l t a b l e u s e d i n DT Cf o r t h e i n v e r t e r s t a t e s e l e c t i o n .

I I . THE THREE LEVEL NEUTRAL P O I N T CLAMPEDI N V E R T E RA m u l t i l e v e l v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r i s a c o n v e r t e rs t r u c t u r e t h a t c a n p r o v i d e m o r e t h a n t w o l e v e l s o f l i n e t o

g r o u n d v o l t a g e i n t h e o u t p u t o f e a c h l e g o f t h e i n v e r t e r .M u l t i l e v e l p o w e r c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y i s a v e r y f a s tg r o w i n g a r e a o f p o w e r e l e c t r o n i c s w i t h g o o d p o t e n t i a l f o rf u r t h e r d e v e l o p m e n t . T h e m o s t a t t r a c t i v e f e a t u r e s o f t h i st e c h n o l o g y a r e i n t h e m e d i u m t o h i g h - v o l t a g e a p p l i c a t i o nr a n g e ( 2 - 1 3 k V ) , w h i c h i n c l u d e m o t o r d r i v e s , p o w e rd i s t r i b u t i o n , p o w e r q u a l i t y a n d p o w e r c o n d i t i o n i n ga p p l i c a t i o n s .D i f f e r e n t c i r c u i t t o p o l o g i e s h a v e b e e n i mp l e m e n t e d i nm u l t i l e v e l i n v e r t e r s [ 5 ] . O n e o f t h e m o s t u s e d o f t h e s et o p o l o g i e s i s t h e N e u t r a l P o i n t C l a m p e d ( N P C ) t o p o l o g y . I nF i g . 1 t h e s c h e m e f o r t h e t h r e e - l e v e l NPC i n v e r t e r i sp r e s e n t e d .I n F i g . 2 , t h e d i f f e r e n t v e c t o r s o r i n v e r t e r s t a t e s

0 - 7 8 0 3 - 8 3 0 4 - 4 / 0 4 / $ 2 0 . 0 0 C 2 0 0 4 I E E E 9 2 3

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a v a i l a b l e , i n a t h r e e - l e v e l i n v e r t e r , a r e s h o w n i n t h e s t a t o rf l u x l o c u s . A s c a n b e s e e n , t h e r e a r e 4 d i f f e r e n t k i n d s o fv e c t o r s :Z e r o v e c t o r s : V O .L a r g e v e c t o r s : V I , V 3 , V 5 , V 7 , V 9 , V 1 1 .M e d i u m v e c t o r s ( d o u b l e ) : V 2 , V 4 , V 6 , V 8 , V 0, V 1 2 .S m a l l v e c t o r s : V 1 3 , V 1 4 , V 1 5 , V 1 6 , V 1 7 , V 1 8 .A l t h o u g h i n a t h r e e - l e v e l i n v e r t e r t h e r e a r e 2 7 p o s s i b l es t a t e s , s o m e o f t h e m a p p l y t h e s a m e v o l t a g e v e c t o r . T h e r ea r e t w o p o s s i b l e c o n f i g u r a t i o n s f o r e a c h s m a l l v e c t o r a n dt h r e e f o r t h e z e r o v e c t o r V O . T l h e r e f o r e , 1 9 d i f f e r e n t v e c t o r sa r e a v a i l a b l e i n a t h r e e - l e v e l i n v e r t e r ( V O t o V 1 8 ) . T h e s t a t eo f t h e s w i t c h e s f o r e a c h l e g i s s h o w n i n b r a c k e t s ( 2 : p h a s ec o n n e c t e d t o t h e p o s i t i v e o f t h e D C - l i n k ; 1 : p h a s ec o n n e c t e d t o t h e m i d d l e p o i n t o f t h e D C - l i n k ( N e u t r a l p o i n t ,N P ) ; 0 : p h a s e c o n n e c t e d t o t h e n e g a t i v e o f t h e D C - l i n k ) .

F i g . 1 T h r e e - l e v e l NPC i n v e r t e r

sB sQV O ( 0 2 0 V 4 ( 1 2 0 ) V 3 ( 2 C 2 )

V 7 ( 0 2 2 ) sA

sVi ii { 0 0 2 7 1 O , K 1 0 9 ) 7 4 1 ( 2 0 5 IS C , , , V 9 ( 0 0 2 ) , V I O ( 1 0 2 ) V I 1 ( 2 0 2 )

F i g . 2 V o l t a g e s p a c e v e c t o r s f o r a t h r e e - l e v e l NPC i n v e r t e r

I I I . DTC WITH A T H R E E - L E V E L I N V E R T E RI n D i r e c t T o r q u e C o n t r o l , t h e t o r q u e a n d t h e s t a t o r f l u x

a r e r e g u l a t e d t o t h e i r r e f e r e n c e v a l u e s b y s e l e c t i n g t h ea d e q u a t e s w i t c h i n g s t a t e . T h e c o n v e n t i o n a l DT C w i t h at w o - l e v e l i n v e r t e r m a k e s no d i f f e r e n c e b e t w e e n l a r g e a n ds m a l l f l u x a n d t o r q u e e r r o r s . T h e s w i t c h i n g s t a t e s c h o s e n f o rt h e l a r g e e r r o r t h a t o c c u r s d u r i n g t h e s t a r t u p o r d u r i n g as t e p c h a n g e i n t o r q u e o r f l u x r e f e r e n c e a r e t h e s a m e t h a th a v e b e e n c h o s e n f o r t h e f i n e c o n t r o l d u r i n g s t e a d y - s t a t e . Ab e t t e r q u a n t i f i c a t i o n o f t h e i n p u t v a r i a b l e s i n c r e a s i n g t h en u m b e r o f l e v e l s o f t h e h y s t e r e s i s b l o c k s t o g e t h e r w i t hs p l i t t i n g t h e s t a t o r f l u x p o s i t i o n i n t o 1 2 s e c t o r s o f 3 0 0 a n dt h e i n c r e a s e d n u m b e r o f i n v e r t e r s t a t e s a v a i l a b l e f o r a t h r e e -l e v e l i n v e r t e r may l e a d t . o a b e t t e r p e r f o r m a n c e o f t h ec o n t r o l . A DT C c o n t r o l s t r a t e g y h a s b e e n d e s i g n e d f o r t h et h r e e - l e v e l i n v e r t e r . T h e s t a t o r f l u x p o s i t i o n h a s b e e nd i v i d e d i n t o 1 2 s e c t o r s o f 3 0 0 d e g r e e s , s t a r t i n g w i t h t h e f i r s ts e c t o r s i t u a t e d b e t w e e n 0 a n d 3 0 0 . T h e h y s t e r e s i s b l o c k sa r e d e s i g n e d a s i t i s s h o w n i n F i g . 3 .T h e t a b l e f o r t h e i n v e r t e r s t a t e s e l e c t i o n h a s b e e n d e v i s e dt o a c h i e v e a n a c c u r a t e c o n t r o l o f b o t h t o r q u e a n d s t a t o r f l u xa n d r e d u c e t h e t o r q u e r i p p l e i n h e r e n t i n t h e DT C m e t h o d .T h e n u m b e r s i n t h e t a b l e f o r t h e o u t p u t v o l t a g e v e c t o r o ri n v e r t e r s t a t e a r e w r i t t e n a c c o r d i n g t o F i g . 2 .TI

. ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .................... v . . . . . . . . . . .m U ~ ~ ~ ~ > t - . o T e? r - i , .~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ F +i g . 3 H y s t e r e s i s b l o c k s f o r DT C w i t h a t h r e e - l e v e l NPC i n v e r t e r( F D / F = / F I : f l u x d e c r e a s e / e q u a l / i n c r e a s e . T D D / T D / T = / T Y / T I I : t o r q u e h i g hd e c r e a s e / d e c r e a s e / e q u a l / i n c r e a s e / h i g h i n c r e a s e . )

T a b l e I : V e c t o r s e l e c t i o n t a b l e ( S . : s t a t o r f l u x s e c t o r . 4 ) : s t a t o r f l u xm o d u l u s e r r o r a f t e r t h e h y s t e r e s i s b l o c k . t : t o r q u e e r r o r a f t e r t h e h y s t e r e s i sb l o c k . )

_ S S 2 S 3 54 5 5 S 6 S7 S B S 9 S 1 0 S l l S 1 2TDD V O V O V O V O V O V O V O V O V O V O V OTD V 1 5 V 1 6 V 1 6 V 1 7 V 1 7 V 1 8 V 1 8 V13 V13 V14 V 1 4 V15FD T = V 1 5 V i e V 1 6 V 1 7 V 1 7 V 1 8 V 1 8 V I 3 V 1 3 V 1 4 V 1 4 V I 5T l V 5 V6 V 7 V8 V 9 V 1 O V i l V12 V I V2 V3 V4T I l V5 V 6 V7 V8 V 9 V 1 0 V i i V 1 2 V i V2 V 3 V4TDD V O V O v O V O v O v O v O v O v O v O v o VOTD V 1 4 V 1 5 V 1 5 V 1 6 V 1 6 V 1 7 V 1 7 V 1 8 i V1 8 V 1 3 3 V 1 3 V14F = T = V 1 4 V 1 5 V15 V i 6 V 1 6 V 1 7 V 1 7 V 1 8 V 1 8 V13 V 1 3 V14T I V4 V5 V 6 V7 V 8 V9 V l O V i l V 1 2 V I V2 V3T l I V 4 V5 V6 V7 V 8 V9 V 1 0 V i i V 1 2 V I V 2 V 3TDD VO VO v O vo V O v o V O V O v o V O V O V O.T V 1 4 V 1 5 V 1 5 V 1 6 V 1 6 V i 7 V 1 7 V 1 8 V 1 8 V 1 3 V 1 3 V 1 4F I T = V 1 4 V 1 5 V 1 5 V 1 6 V 1 6 V 1 7 V 1 7 V 1 8 V 1 8 V 1 / 3 V 1 3 V 1 4T I V 3 V 5 V5 V 7V V9 V I1T V 1 V1VT V3. . T i l V I 7 I r 7 7 7 - , V 9 V _ - l T I v I

9 2 4

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3/5

I V . VECTOR S E L E C T I O N BASED O N FuzzY L O G I CT h e a p p r o a c h b a s e d o n u s i n g a F u z z y L o g i c c o n t r o l l e rf o r t h e i n v e r t e r s t a t e s e l e c t i o n h a s a l r e a d y b e e n i n v e s t i g a t e df o r DT C w i t h a t w o - l e v e l i n v e r t e r [ 1 1 ] . H o w e v e r t h e u s e o fa d i f f e r e n t t o p o l o g y w i t h a n i n c r e a s e d n u m b e r o f i n v e r t e rs t a t e s a v a i l a b l e b r i n g s e n h a n c e d p o s s i b i l i t i e s t o t h i sa p p r o a c h . A b e t t e r q u a n t i f i c a t i o n o f t h e i n p u t v a r i a b l e sp r o v i d e d b y F u z z y L o g i c , t o g e t h e r w i t h t h e 2 7 s t a t e s

a v a i l a b l e f o r a t h r e e - l e v e l i n v e r t e r w i l l l e a d t o a m o r ea c c u r a t e c o n t r o l . T h e m e m b e r s h i p f u n c t i o n s f o r t h e t o r q u ee r r o r , s t a t o r f l u x e r r o r a n d s t a t o r f l u x p o s i t i o n a r e a s s h o w ni n F i g . 4 . T h e l i n g u i s t i c t e r m s u s e d f o r t h - e s t a t o r f l u x e r r o ra r e N ; n e g a t i v e e r r o r ( F D ) ; Z : z e r o e r r o r ( F = ) a n d P :p o s i t i v e e r r o r ( F I ) . F o r t h e t o r q u e e r r o r t h e t e r m s u s e d a r eN L : n e g a t i v e l a r g e e r r o r ( T D D ) : N S : n e g a t i v e s m a l l e r r o r( T D ) ; Z : z e r o e r r o r ( T = ) ; P S : p o s i t i v e s m a l l e r r o r ( T I ) ; P L :p o s i t i v e l a r g e e r r o r ( T I L ) .T h e t e r m s i n b r a c k e t s , g i v e t h e e q u i v a l e n c e o f t h e l a b e l sw i t h t h e d i f f e r e n t o u t p u t s o f t h e h y s t e r e s i s b l o c k u s e d i n t h ep r e v i o u s s e c t i o n i n F i g . 3 a n d T a b l e I . T h e c o n t r o l s c h e m ew i t h t h e F u z z y L o g i c c o n t r o l l e r i s s h o w n i n F i g . 5 .

N Z P

\ A X IS P I u S F 2 S t a t o r F l u x e r r o r ( W b )

N L N o Z F E P L

T E - t T E n . 0 T d T E A T o r q u e e r r o r ( N m )

e7 0 9 o 1 0 O e ilt e ' v 4e4 e 6A t A A A A AA/)I A A A1 \ .~.' t 1

0 ' 1 FS t a t o r F l u x p o s i t i o n ( r a d )

F i g . 4 M e m b e r s h i p f u n c t i o n s f o r t h e i n p u t s o f t h e F u z z y L o g i c v e c t o rs e l e c t o r ( S F 1 = - 0 . 0 3 W b : S F 2 = 0 . 0 3 W b : T E 1 = - 0 . 0 6 N - m ; T E 2 = - 0 . 0 3 N - m ;T E 3 = 0 . 0 2 N - m : T E 4 = 0 . 0 3 N - m )

S t a t o r F l u xr e t n - e n c e S t a t o v F i u .T o q e f - a e - Toqero F u - - v L o g i c i 7 dutor. t e e i_I Induc.VS + M t i o nT o - q u e e t t r c t r r I l e s v I

| E D s t i m a t e d S t a t c o r F l u x r se c t o r p 0 2 i t i o n _ DS t a t o r f l u n b&tE s t i m n a t t d T o r q i u e E T l r a o r q u e i

II E s t i n a t e d S t a t o , r F l u x r b d u l u s b s e d n etatF h s d u s s m o t c u r m o d e lF u z z y L o g i c D i r e c t T o q u e e C o n t r o l ( F D T C

F i g . 5 C o n t r o l s c h e m e w i t h t h e F u z z y L o g i c c o n t r o l l e rI n o r d e r t o a c l i i e v e a m o r e a c c u r a t e s e l e c t i o n o f t h ei n v e r t e r s t a t e , t h e s t a t o r f l u x p o s i t i o n h a s b e e n d i v i d e d i n t o

1 2 s e c t o r s i n s t e a d o f t h e 6 s e c t o r s o f t h e c o n v e n t i o n a l D T C .T h e u n i v e r s e o f d i s c o u r s e o f t h i s v a r i a b l e h a s b e e n d i v i d e di n t o t w e l v e F u z z y s e t s ( I t o 1 2 ) -T h e o u t p u t v a r i a b l e o f t h e c o n t r o l l e r i s t h e i n v e r t e r s t a t e .I n a V S I o n l y a d e f i n e d n u m b e r o f d i f f e r e n t s w i t c h i n g s t a t e sa r e p o s s i b l e . s o t h e o u t p u t v a r i a b l e i s d i s c r e t e . T h e r e f o r e ,t h e d e f i n i t i o n o f a m e m b e r s h i p d i s t r i b u t i o n i s n o t n e c e s s a r yf o r t h e o u t p u t v a r i a b l e .T h e t o t a l n u m b e r o f r u l e s i s 1 8 0 . T h e i n f e r e n c e m e t h o du s e d i s M a m d a n i ' s p r o c e d u r e b a s e d o n m i n - m a x d e c i s i o n .T h e o u t p u t s a r e o b t a i n e d d i r e c t l y a n d t h e maximumc r i t e r i o n m e t h o d i s u s e d f o r d e f u z z i f i c a t i o n . B y t h i s m e t h o d ,t h e v a l u e o f f u z z y o u t p u t w h i c h h a s t h e m a x i m u mp o s s i b i l i t y d i s t r i b u t i o n i s u s e d a s t h e c o n t r o l o u t p u t . T h er u l e s f o r t h e c o n t r o l l e r h a v e b e e n e x t r a c t e d f r o m t h e T a b l e1 . T h e c o r r e s p o n d e n c e b e t w e e n t h e l i n g u i s t i c t e r m s a n d t h el a b e l s u s e d i n T a b l e I h a s b e e n e x p l a i n e d i n t h e d e s c r i p t i o no f t h e m e m b e r s h i p f u n c t i o n s . T h e c o n t r o l r u l e s f o r t h i sc o n t r o l l e r c a n b e d e s c r i b e d u s i n g t h e t h r e e i n p u t v a r i a b l e sa n d t h e o u t p u t . T h e i d , r u l e R i c a n b e w r i t t e n a s :R I : i f t h e f l u x e r r o r i s A , , t h e t o r q u e e r r o r i s B i a n d t h ef l u x p o s i t i o n i s C i t h e n t h e i n v e r t e r s t a t e i s N i .

V . S I M U L A T I O N RESULTST h r e e s y s t e m s , t h e c o n v e n t i o n a l DT C w i t h t w o - l e v e li n v e r t e r ( D T C 2 L ) , DTC w i t h t h r e e - l e v e l i n v e r t e r ( D T C 3 L )a n d t h e s y s t e m w i t h a F u z z y L o g i c c o n t r o l l e r f o r t h ei n v e r t e r s t a t e s e l e c t i o n ( F D T C 3 L ) , h a v e b e e n s i m u l a t e d t oe s t a b l i s h a c o m p a r i s o n . A l l s i m u l a t i o n s h a v e a s a m p l e t i m ef o r t h e c o n t r o l l o o p o f l O O t s . T a b l e I I s h o w s t h e m o t o rc h a r a c t e r i s t i c s . T h e s i m u l a t i o n c a r r i e d o u t i s t h e s y s t e mr e s p o n s e t o a t o r q u e a n d s t a t o r f l u x s t e p f r o m z e r o t o t h en o m i n a l v a l u e s f o r b o t h m a g n i t u d e s . T h e m o t o r i n i t i a l s p e e di s t h e n o m i n a l s p e e d a s w e l l . Two i n d e x e s a r e c a l c u l a t e d t oe s t a b l i s h a c o m p a r i s o n : I E 2 ( i n t e g r a l s q u a r e e r r o r ) f o r t h et o r q u e a n d I E 2 f o r t h e s t a t o r f l u x . T o t a l H a r m o n i c d i s t o r t i o n( T H D ) h a s a l s o b e e n c a l c u l a t e d f o r t h e l i n e c u r r e n t ( i s as t a t o r p h a s e c u r r e n t f o r t h e p h a s e a ) .T a b l e I I I s h o w s t h e THD o f t h e c u r r e n t i s a a n d t h e I E 2f o r t o r q u e a n d f l u x r e s p o n s e s f o r b o t h s y s t e m s . T h e s ei n d e x e s a r e l o w e r f o r t h e s y s t e m F D T C 3 L .

9 2 5

t

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4/5

T a b l e I I . M o t o r c h a r a c t e r i s t i c sR a t e d p o w e r 1 . 5 k W . S t a r : 3 8 0 V / 3 . 5 AN u m b e r o f p o l e s 4N o m i n a l s p e e d 1 4 0 0 r e v / m i n = 1 4 6 . 6 2 r d I sR a t e d t o r q u e 9 . 9 N MN o m i n a l F l u x 1 . 1 5 W bR s , R r . L m , L r = L s 4 . 3 5 . 0 5 , 0 . 3 0 5 6 H , 0 . 0 1 4 6 H .

I s a CURRENT6 1r

2-C: o

- 2 1- 4ORQUE AN D STATOR F L U X STEP RESPONSES1 2

T o r q u e r e s p o n s e

26 Il S t a t o r F l u x r e s p o n s eZ 4

2 i'

- 2 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 . 1 4 0 . 1 6 0 . 1 8 0 . 2T i m e ( s )F i g . 6 T o r q u e a n i d S t a t o r F l u x r e s p o n s e f o r DTC2L

I s a CURRENT

A 1

LK' I

L;

1 .i ! " " ,

Il SI j I 1r4k

0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 0 . 1 1 0 . 1 2T i m e ( s )F i g . 9 i s a c u r r e n t f o r DTC3L

T O RQ U E AND STATOR F L U X S T E P RESPONSES1 2T o r q u e r e s p o n s e

L L 61 ; 1 S t a t o r F i u x r e s p o n s eZ 4 i

;_ 2a -

- 2 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 . 1 4 0 . 1 6 0 . 1 8 0 . 2T i m e ( s )F i g . 1 0 T o r q u e a n d S t a l o r F l u x r e sp o ns e f o r FDTC3L

I s a CURRENT6

00 6 0 008-009-010 . 0 6 0 . 0 7 0 . 0 8 0 . 0 5 0 . 1T i m e ( s )F i o g . 7 i s a c u r r e n t f o r DTC2L

I # , ' .4 \ ; k2 F

- 2 ?

1 -

. .

* Q j ! iI v I 1 40 . 0 8 0 . 0 9 0 . 1 0 . 1 1 0 . 1 2T i m e ( s )F i g . I I i . c u r r e n t f o r FDTC3L

I\

0 . 1 3

T a b l e m . S u m m a r y o f t h e s i m u l a t i o n r e s u l t sS Y S T E M I E 2 T o r q u e I E 2 S t a t o r T H D i s aF l u xDTC2L 0 . 9 0 8 0 . 0 0 2 5 6 1 1 . 5 %DTC3L 0 . 5 4 8 0 . 0 0 2 5 6 8.1%FDTC3L 0 . 5 2 5 j 0 . 0 0 2 5 4 5 . 9 %

9 2 6

- 44

0 . 1 1

4 )U

9 -

xL L

0 -0 ;

0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 . 1 4 0 . 1 6 0 . 1 8 0 . 2T i m e ( s )F i g . 8 T o r q u e a n d S t a t o r F l u x r e s p o n s e f o r DTC3L

- 0 I ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~fi !I [

4 L

I

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5/5

V I . C O N C L U S I O N S AND FURTHER W O RKD i r e c t T o r q u e C o n t r o l i s a n i m p o r t a n t a l t e m a t i v e m e t h o df o r t h e i n d u c t i o n m o t o r d r i v e s y s t e m . T h e m a i n a d v a n t a g e i si t s h i g h p e r f o r m a n c e a n d s i m p l i c i t y . DT C w i t h a d i f f e r e n tt o p o l o g y f o r t h e i n v e r t e r h a s b e e n s t u d i e d i n t h e p r e s e n tw o r k . T h e t o p o l o g y u s e d , i n s t e a d o f t h e s t a n d a r d T w o -L e v e l i n v e r t e r , i s t h e T h r e e - L e v e l N e u t r a l P o i n t C l a m p e di n v e r t e r . D u e t o t h e e n h a n c e d p o s s i b i l i t i e s f o r t h e i n v e r t e rs t a t e s e l e c t i o n i n a t h r e e - l e v e l i n v e r t e r a F u z z y L o g i cC o n t r o l l e r h a s b e e n d e s i g n e d i n o r d e r r e p l a c e t h ec o n v e n t i o n a l m e t h o d b a s e d o n a t a b l e . T h i s a p p r o a c hp r o v i d e s a m o r e a c c u r a t e s e l e c t i o n o f t h e i n v e r t e r s t a t e .S i m u l a t i o n s o f t h e n o v e l DT C s c h e m e s h o w a r e d u c t i o n i nt o r q u e r i p p l e a n d h a r m o n i c d i s t o r t i o n i n b o t h s t a t o r c u r r e n t sa n d v o l t a g e s , w h e n c o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l DT C w i t ha t w o - l e v e l i n v e r t e r ; a n d c o n v e n t i o n a l DT C a d a p t e d f o r at h r e e - l e v e l i n v e r t e r . F u t u r e w o r k w i l l i n c l u d e t h ee x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n o f t h e n o v e l s c h e m e . T h e s y s t e mw i l l b e i m p l e m e n t e d i n a d S p a c e DS 1 1 0 3 t h a t w i l l c o n t r o l a3 0 A t h r e e - l e v e l NPC i n v e r t e r f e e d i n g a 1 . 5 kW i n d u c t i o nm o t o r . M o r e o v e r t h e i m p r o v e m e n t o f t h e s y s t e m b e h a v i o r

f o r d i f f e r e n t o p e r a t i n g p o i n t s w i l l b e a l s o s t u d i e d .p a r t i c u l a r l y a t l o w s p e e d , w h e r e DT C p e r f o r m a n c e i s l e s ss a t i s f a c t o r y .V I I . REFERENCES

[ 1 ] T a k a h a s h i , I . : N o g u c h i . T . " A new q u i c k - r e s p o n s e a n d h i g h -e f f i c i e n c y c 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 . " I E E ET r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l A p p l i c a t i o n s . v o l . I A - 2 2 , n o . 5 , 1 9 8 6 ,p a g e s 8 2 0 - 8 2 7 .

[ 2 ] D e p e n b r o c k , M . " D i r e c t s e l f c o n t r o l o f i n v e r t e r - f e d i n d u c t i o nm a c h i n e s . " I E E E T r a n s a c t i o n s i n P o w e r E l e c t r o n i c s , v o l . P E - 3 , No4 , O c t . 1 9 8 8 , p a g e s 4 2 0 - 4 2 9 .[ 3 ] P o h j a l a i n e n , P . ; T i i t i n e , P . : L a l u , J . ; " T h e n e x t g e n e r a t i o n m o t o rc o n t r o l m e t h o d - D i r e c t T o r q u e C o n t r o l , D T C " , P r o c e e d i n g s EPEC h a p t e r S v m p o s i u m . . L a u s a n n e , S w i t z e r l a n d , 1 9 9 4 .[ 4 ] A B B . D i r e c t T o r q u e C o n t r o l - t h e w o r l d ' s m o s t a d v a n c e d AC d r i v et e c h n o l o g y . T e c h n i c a l g u i d e N o . 1 , 1 9 9 9 .[ 5 ] M a r t i n s , C . A . : M e y n a r d , T . A . ; R o b o a m , X . , C a r v a l h o , A . S . "Ap r e d i c t i v e s a m p l i n g s c a l e m o d e l f o r D i r e c t T o r q u e C o n t r o l o f t h ei n d u c t i o n m a c h i n e f e d b y m u l t i l e v e l v o l t a g e - s o u r c e i n v e r t e r . " T h eE u i ' o p e a n P h v s i c a l J o u r n a l A p p l i e d P h v s i c s . No 5 , 1 9 9 9 , p a g e s 5 1 -5 6 .[ 6 ] N a b a e . A . : T a k a h a s h i , I . , A k a g i i , H . " A n e w n e u t r a l - p o i n t - c l a m p e dPWM i n v e r t e r . " 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 i a l A p p l i c a t i o n s , v o l .I A - 1 7 . n o . 5 , S e p t . / O c t . 1 9 8 1 , p a g e s 5 1 8 - 5 2 3 .[ 7 ] L e e , K . B . : S o n g , J . H . ; C h o y . I . , Y o o n , J . Y . ' l m p r o v e m e n t o f L o w -S p e e ( d O p e r a t i o n i P e r f o r m a n c e o f DT C f o r T h r e e - L e v e l I n v e r t e r - F e dI n d L c t i o n 1 M o t o r s . " ' I E E E T r a n t s a c t i o n s i n P o w e r E l e c t r o n i c s , v o l .4 8 . No 5 . O c t o b e r 2 0 0 1 , p a g e s 1 0 0 6 - 1 0 1 4 .[ 8 ] L e e , K . B . : S o n g , J . H . ; C h o y . I . : Y o o n , J . Y . " T o r q u e R i p p l eR e d u L c t i o n i n D T C ' o f I n d u c t i o n M o t o r D r i v e n b y T h r e e - l e v e l I n v e r t e rw i t h L o w S w i t c h i n g F r e q u e n c y . " I E E E T r a n s a c t i o n s i n P o w e r 'E l e c t r o n k . s . v o l . 1 7 , No 2 . M a r c h 2 0 0 2 , 2 5 5 - 2 6 4 .[ 9 1 H u , X . : Z h a n g , L . ' A p r e d i c t i v e D i r e c t T o r q u e C o n t r o l s c h e m e f o r at h r e e - l e v e l V S I - t e d i n d u c t i o n l m o t o r d r i v e . " 9 t t l I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c e o n 1 E l e c t r i c a l M a c h i n ? e s a n d D r i v e s . C o n f e r e n c eP u b l i c a t i o n i n o . 4 6 8 . 1 9 9 9 , p a g e s 3 3 4 - 3 3 8 .[ 1 0 ] W u , X . : H u a n g . L . " D i r e c t T o r q u e C o n t r o l o f T h r e e - l e v e l I n v e r t e rU s i n g N e u r a l N e t w o r k s a s a S w i t c h i n g V e c t o r S e l e c t i o n . " I A SA n n u a l M e e t i n i - , I E E E 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 . 2 0 0 1 , p a g e s9 3 9 - 9 4 4 .[ 1 1 ] M i r , S . A . : Z i n g e r . D . S . : E l b u l u k . M . E . " F u z z y C o n t r o l l e r f o rI n v e r t e r F e d I n d u c t i o n M a c h i n e s . " I E E E T r a n s a c t i o n s o n t I t n d u s t r i a lA p p l i c a t i o n s . v o l . I A - 2 1 , n o . 4 . J a n i / F e b 1 9 9 3 . p a g e s 1 0 0 9 - 1 0 1 5 .

9 2 7