Shaft Sensor Less Speed Control of IM Drive

8/14/2019 Shaft Sensor Less Speed Control of IM Drive

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Shaft Sensorless Speed C o n t r o l of I n d u c t i o nMotor DriveM a k y s * , Ashert, Gaot, Jain* U n i v e r s i t y o f Z i l i n a , F a c u l t y o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , Z i l i n a , S l o v a k i at U n i v e r s i t y o f N o t t i n g h a m , S c h o o l 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 E n g i n e e r i n g , N o t t i n g h a m , UK

A b s t r a c t - I n t h i s p ap e r , t h e t e s t v o l t a g e i n j e c t i o n c o u p l e dw i t h t r a c k i n g o f m a g n e t i c s a l i e n c i e s c r e a t e d b y s a t u r a t i o na n d r o t o r s l o t t i n g w a s u s e d f o r s h a f t s e n s o r l e s s s p e e dc o n t r o l o f i n d u c t i o n m o t o r d r i v e s a t z e r o a n d l o w s p e e d .Method d o e s n o t r e q u i r e a d d i t i o n a l w i r e c o n n e c t i o n s a n d i su s a b l e f o r s t a r o r d e l t a m a c h i n e c o n n e c t i o n . The p a p e r i sp r o p o s i n g l o w memory m e t h o d o f e l i m i na ti on s at ur at io ne f f e c t f r o m p o s i t i o n s i g n a l s , w h i c h a r e o b t a i n e d f r o ms e n s o r s o f l i n e c u r r e n t d e r i v a t i o n s . E x p e r i m e n t a l r e s u l t s a r ep r e s e n t e d s h o v i n g t r a c k i n g o f r o t o r s p e e d a n d p o s i t i o n ,s i g n a l p r o c e s s i n g w i t h p r o p o s e d m e t h o d a n d s h a f t s e n s o r l e s ss p e e d c o n t r o l a s w e l l .

I . INTRODUCTIONC o n t r o l l e d i n d u c t i o n m o t o r d r i v e s w i t h o u t m e c h a n i c a ls p e e d s e n s o r s a t t h e m o t o r s h a f t h a v e t h e a t t r a c t i o n o f l o wc o s t , h i g h r e l i a b i l i t y a n d n o m i s t a k e t h e y c a n w o r k i nh o s t i l e e n v i r o n m e n t . Many r e l i a b l e t e c h n i q u e s e x i s t t oe s t i m a t e r o t o r s p e e d w i t h o u t d e t e r i o r a t i n g t h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e o f t h e d r i v e . I f l o w s p e e d o p e r a t i o n i s n o td e m a n d e d , a p p r o a c h e s u t i l i z i n g t h e m a c h i n e b a c k - e m f a r eo f t e n p r e f e r r e d , w h e r e t h e i n f o r m a t i o n o n t h e r o t o r s p e e di s e x t r a c t e d f r o m m e a s ur e d s t a t o r c u r r e n t s a n d f r o m t h ev o l t a g e s a t t h e m o t o r t e r m i n a l s , k n o w n a s m o d e l - b a s e dm e t h o d . H o w e v e r , b e l o w 1 Hz t h e q u a l i t y o f e s t i m a t e ds p e e d o r r o t o r f l u x p o s i t i o n i s p o o r a n d m a i n t a i n i n g z e r os p e e d i s n o t p o s s i b l e . T h e r e f o r e , m o s t o f r e s e a r c h e r s a r eu s i n g t h e s a l i e n c y i n s p a t i a l i m p e d a n c e s o f a c m a c h i n e si n s t e a d o f b a c k - e m f t o e s t i m a t e d r o t o r f l u x p o s i t i o n , s p e e do r r o t o r p o s i t i o n . I n o r d e r t o m e a s u r e t h i s s a l i e n c y , t h eb a l a n c e d t h r e e - p h a s e h i g h f r e q u e n c y s i g n a l i s g e n e r a t e db y t h e i n v e r t e r a n d s u p e r i m p o s e d u p o n t h e f u n d a m e n t a le n a b l e d t r a c k i n g i n d e p e n d e n t o f s p e e d a n d l o a d [ 1 ] , [ 2 ] . I n[ 3 ] , S h r o e d l p r o p o s e d a n o t h e r m e t h o d s o - c a l l e d m e t h o d o fi n d i r e c t f l u x - d e t e c t i o n b y o n l i n e r e a c t a n c e m e a s u r e m e n t( I N F O R M ) . E a c h p h a s e o f a m a c h i n e w a s p e r i o d i c a l l ys u b j e c t e d t o v o l t a g e t e s t p u l s e s , a p p l i e d i n d i f f e r e n td i r e c t i o n s a s s h o w n i n F i g u r e . 1 . D u r i n g t h e s e p u l s e s t h ec u r r e n t d e r i v a t i o n s t h a t c o n t a i n t h e u s e f u l p o s i t i o ni n f o r m a t i o n i s m e a s ur e d. W h i l st t h e i m p l e m e n t a t i o n o fh i g h f r e q u e n c y i n j e c t i o n i s e a s i e r , f o l l o w i n g s i g n a lp r o c e s s i n g i s m o r e c o m p l i c a t e d a n d f e a t u r e s o f f i n a le s t i m a t i o n a r e d e p e n d e d o n m o r e p a r a m e t e r s . O n t h e o t h e rh a n d , t e s t v e c t o r i n j e c t i o n i s m o r e d i f f i c u l t t o i m p l e m e n t ,b u t t h i s m e t h o d p r o v i d e s m o r e s u f f i c i e n t p o s i t i o n s i g n a l ,w h i c h d o e s n o t n e e d s o c o m p l i c a t e d s i g n a l p r o c e s s i n g . F o rt h i s r e a s o n s , t h i s m e t h o d w a s c h o s e n t o e x c i t e r o t o rs a l i e n c i e s i n t h i s p a p e r .I t i s w e l l k n o w n t h a t m o s t l y t h e m a c h i n e s a t u r a t i o n a n dr o t o r s l o t t i n g m o d i f y t h e l e a k a g e i n d u c t a n c e s . T h e f i r s te f f e c t c o n t a i n s r o t o r f l u x p o s i t i o n a n d t h e s e c o n d o n ec o n t a i n s r o t o r s l o t p o s i t i o n . I n o r d e r t o e s t i m a t e r o t o rp o s i t i o n , t h e m a g n e t i c s a t u r a t i o n a c t s a s a d i s t u r b a n c e . I t

c r e a t e s a n u n w a n t e d s a l i e n c y w h i c h e f f e c t m u s t b ee l i m i n a t e d .T h i s p a p e r d e s c r i b e s a ne w m e t h o d t o r e d u c e t h ed e t e r i o r a t i n g e f f e c t o n t h e p o s i t i o n e s t i m a t e d u e t os a t u r a t i o n . T h e m e t h o d h a s b e e n i m p l e m e n t e d o n a ne x p e r i m e n t a l 3 0 - k W i n d u c t i o n m a c h i n e d r i v e a n d t h er e s u l t i n g s e n s o r l e s s s p e e d c o n t r o l i s s h o w n t o b e r o b u s tu n d e r d i f f e r e n t l o a d c o n d i t i o n s .

I I . ANISOTROPY I D E N T I F I C A T I O NT h e u s e d m e t h o d i n v o l v e s t o s u p e r i m p o s e s e r i e s o fv o l t a g e t e s t v e c t o r s V k , k = 1 - 6 , o n t h e n o r m a l PWMw a v e f o r m a s s h o w n i n F i g u r e . 2 .T h i s t e s t s i g n a l m e t h o d i s d e s c r i b e d i n [ 4 ] a n d d u r i n gt h e s e p u l s e s t h e p h a s e c u r r e n t d e r i v a t i o n s a r e m e a s u r e d b ya i r - c o r e c o a x i a l d i / d t s e n s o r s [ 5 ] . T h e s i g n a l s f r o m d i / d ts e n s o r s r e f l e c t t h e a n i s o t r o p y o f r o t o r , w h i c h i n t r o d u c e su n b a l a n c e i n t h e p h a s e v a l u e s o f t h e s t a t o r l e a k a g ei n d u c t a n c e s . T h e l e a k a g e i n d u c t a n c e s may b e a s s u m e d t ov a r y a c c o r d i n g t o :1 ( y a = l o + A l c o s ( n a n O a n ) ( 1 )

( 2 )l o b = l o + A l c o s ( n a n ( O a n - 2 / 3 ) )l G c = l o +A l c o S ( n a n ( O a n - 4 , K / 3 ) ) ( 3 )w h e r e 1 o i s t h e a v e r a g e i n d u c t a n c e , a n d J I i s i t sv a r i a t i o n c a u s e d b y t h e r o t o r a n i s o t r o p y ( n a n = 2 f o rs a t u r a t i o n i n d u c e d a n i s o t r o p y o r n a n = r s = N r / p f o r r o t o rs l o t t i n g , w h e r e N r i s r o t o r s l o t n u m b e r a n d p t h e p o l ep a i r s ) .

u 5 ( 0 , 0 , 1 ) u 6 ( 1 , 0 , 1 )F i g . 1 . D e f i n i t i o n o f S p a c e V e c t o r s

1 - 4 2 4 4 - 0 1 2 1 - 6 / 0 6 / $ 2 0 . 0 0 C 2 0 0 6 IEEE 3 3 7 E P E - P E M C 2 0 0 6 , P o r t o r o 2 , S l o v e n i a


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A d d i t i o n a l l y , t h e v o l t a g e d r o p s a c r o s s t h e s t a t o rr e s i s t a n c e c a n b e i g n o r e d d u e t o t h e i r s m a l l v a l u e sc o m p a r e d w i t h U d .H e n c e , ( 4 ) - ( 7 ) g i v e :d i ( u l )a b

d td i ( u l )b c

d tF i g . 2 . A p p l i c a t i o n o f V o l t a g e T e s t V e c t o r s

T h e e q u i v a l e n t c i r c u i t w h e n t h e m a c h i n e i s a p p l i e d w i t hv e c t o r u l i s s h o w n i n F i g u r e 3 . F o r t h i s c a s e t h e f o l l o w i n ge q u a t i o n s c a n b e d e r i v e d :d i ( u l )ad t

d i ( u O )a b J U dd t l u a

d i ( u O )_ d b c - = od td i ( a U )dIcadd t ' G a

( 1 0 )

( 1 1 )( 1 2 )

E x p r e s s i n g ( 1 0 ) t o ( 1 2 ) i n t e r m s o f l i n e c u r r e n t s y i e l d s :U d ( u l )a b s d i a b )

d t( 4 ) d i ( u l )

d td i ( u O ) I 1 + 1 I Ug = U dd t l u ' a l c G c

c( u l )bi d ( t r s + I 6 b + e b

d i ( u l )- U i ( U )+ C a + e ( U l )Ud l c a r s a c d t cS i m i l a r , i f i n a c t i v e v o l t a g e v e c t o r s u o o r 1 7 i S a p p ly i e l d i n g e q u a t i o n s :

d i ( u O )0 - i ( U O ) r + adb +(uO)= l a b r s + ua d t + e a

( 5 ) d i b u ) _ d i b U = )d dt - c Udd t d t ' G a

( 6 ) d i u l ) _ d i ( u O ) 1tdt U dd t d t ' G C

( 1 4 )

( 1 5 )S u b s t i t u t i n g ( 1 ) t o ( 3 ) i n t o ( 1 3 ) t o ( 1 5 ) y i e l d s :d i ( u l ) d i ( u O ) -U ( 2 C O S ( a n ( a n ) ) )

() d t d t / o / o 3( 1 6 )

O = i ( ) r s + I b d ( u O )b c + e ( U O )d t b d i ( u l )( 8 ) bd t d i ( u O ) Ab- Ud ( 1 - - C O S ( ( n a n O a n ) )d t l o l o. ( u O )

c=i O ) S G l ca + e (a ( T C d t d i l u l ) _ d i 6 ( u O )( 9 ) d t d t - - U d . ( 1 - A l ((0n 4 , T ) ) ( 1 8 )=-0(1--0 3(n ( O a n - - ) ) )1 0 1 0 3I f t h e s a m p l i n g i n s t a n t s , a t w h i c h u o a n d u l a r e a p p l i e d ,a r e c l o s e , i t c a n b e a s s u m e d t h a t :

( u O ) ( u l ) ( u O ) ( u l ) ( U O ) ( U l )a ; z e a , e b ; z e b , e c ~ e cI a i a b

/ S eI ( a r / 0cUd

f r o m w h i c h t h r e e b a l a n c e d p o s i t i o n s c a l a r s P a ( V ) , P b ( V ] )a n d p q ( v ] ) c a n b e d e f i n e d a s f o l l o w s :P a ( V l ) 1 + c 1 ( d tu - d b ) ( 1 9 )d t d )

d i ' ( u l )P b ( v I ) = -2 + c l ( ac t id i ( u l )P c ( v i ) 1 : : : : I + c 1 ( d t

d i ( u o )d td i ( u o )c)d t

( 2 0 )

( 2 1 )w h e r e c , = 1 o U d T h e a n a l y s i s f o r t h e o t h e r a c t i v ev e c t o r s , i n v i e w o f ( 7 ) t o ( 9 ) , f o l l o w s i n t h e same m a n n e r ,s o w e o b t a i n f o r V 3 :

d i ( u 3 )P a ( V 3 ) 1+c1(a d i ( u O )d t ( 2 2 )

3 3 8

VI V 4 V 3 V6 V 5 V2

( 1 3 )

( 1 7 )

F i g . 3 . E q u i v a l e n t c i r c u i t w i t h u l b e i n g a p p l i e d

% L --

r ,


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d i ( u 3 ) CP b ( V 3 ) = 1 l + C l (dc --I d td i ( u 3 )P c ( v 3 ) = - 2 + c 1 ( bd t

A l s o f o r V 5 :d i( u 5 )P a ( V 5 ) " : : : 2 +c 1 ( Cd i t

d i ( u O )c)d ts a t u r a t i o n w i l l i n t e r a c t w i t h t h e r o t o r s l o t t i n g t o c r e a t e( 2 3 ) s i d e b a n d r o t o r s l o t h a r m o n i c s . T h e s i g n a l p r o c e s s i n gr e q u i r e t o o b t a i n u s e a b l e r o t o r f l u x p o s i t i o n o r r o t o rp o s i t i o n s i g n a l s i s c o n s i d e r i n g i n S e c t i o n I I I .d i u O )d t ( 2 4 )

d i ( u )d )i td 1 ( d 5 ) d t ( u )P b V 5 : : : : : I l - d t dt )

d i ( u 5 )P c ( V 5 ) 1 : : : I + c 1 ( ad t d i ( u ))d tT h i s a p p r o a c h c o n s i d e r s t h e l i n e c u r r e n t s a n d h e n c eo n l y t h r e e i n j e c t i o n s h a v e t o b e d o n e a n d t a k e o n e

m e a s u r e m e n t f r o m e a c h . E f f e c t i v e l y , t h e p r o c e d u r e i s t h i s :* I n j e c t v e c t o r V I a n d r e a d t h e d i a / d t* I n j e c t v e c t o r V3 a n d r e a d t h e d i b J d t* I n j e c t v e c t o r V5 a n d r e a d t h e d i , / d tT h e v e c t o r s V 2 , V 4 , V6 j u s t e l i m i n a t e c u r r e n td i s t u r b a n c e s i n t r o d u c e d b y p r e v i o u s v e c t o r s . C o n s i d e r i n gt h e s e f a c t s a n d i n o r d e r t o e l i m i n a t e DC o f f s e t , t h r e ep o s i t i o n s i g n a l s p a , P b a n d p , c a n b e d e f i n e d a s f o l l o w s :d i ( u 5 ) d i ( u O )P a = 2 + c 1 ( C L C d ) )d t d td i ( u l ) d i ( u O )P b =-2+c1 ( _ a a _ )d t d t

d i i ( u 3 )P C 2 + c 1 ( bd t

( 2 8 )

I I I . SEP A R A T I O N O F T H E A N I Z O T R O P Y S IG N A LT h e s e p a r a t i o n a n d e l i m i n a t i o n o f u n u s a b l e h a r m o n i c sc a n n o t b e d o n e u s i n g r e a l - t i m e f i l t e r i n g s i n c e d r i v eo p e r a t i o n e x i s t s w h e r e 2 k o e = n r s s c o r I n a d d i t i o n , t h e 2 k 0 O eh a r m o n i c s c an c on v e r g e t o d c v a l u e a t z e r o f r e q u e n c ye x c i t a t i o n . S e v e r a l t e c h n i q u e s w e r e e s t a b l i s h e d t oe l i m i n a t e c o r r u p t i n g h a r m o n i c ( H a r m o n i c C o m p e n s a t i o n[ 7 ] , SM P [ 8 ] , S p a t i a l F i l t e r i n g [ 9 ] o r S y n c h r o n o u s F i l t e r sw i t h memory [ 1 0 ] ) . T h e m e t h o d u s e d i n t h i s p a p e r i s a l s ob a s e d o n S y n c h r o n o u s F i l t e r s .

A . T h e P r i n c i p l e o f t h e S y n c h r o n o u s F i l t e r sT h e s y n c h r o n o u s f i l t e r b l o c k f o r i d e n t i f i c a t i o n o ff u n d a m e n t a l f r e q u e n c y h a r m o n i c s i s s h o w n i n F i g u r e 4 .T h e k t h b a n k t r a n s f o r m s t h e p o s i t i o n s i g n a l s i n t o a

s y n c h r o n o u s d q f r a m e r o t a t i n g a t k O i , w h e r e O i i s t h ei n s t a n t a n e o u s a n g l e o f t h e s t a t o r c u r r e n t v e c t o r :P d q k P a f i k e ( 3 3 )

E a c h o f t h e k 2 , 4 . . . n d i s t u r b i n g h a r m o n i c i s now a t d ca n d i s r e t a i n e d w i t h a l o w p a s s f i l t e r o f c u t - o f f f r e q u e n c yf s t h a t i s v e r y l o w ( 0 . 5 H z ) . A f t e r f i l t e r i n g t h e s i g n a l s a r et r a n s f o r m e d b a c k i n t o t h e s t a t i o n a r y f r a m e a n d a d d e d t of o r m a t o t a l d i s t u r b a n c e s i g n a l :( 3 4 )nP d i j a / E P aP k _k j ek = OS y n c h r o n o u s f i l t e r s a r e i d e a l t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o fp o s i t i o n s i g n a l i f t h e s e s i g n a l s i n c l u d e o n l y f e w c o r r u p t i n g( 3 0 ) h a r m o n i c s b e c a u s e n u m b e r o f t h e b a n k s w i l l b e l i m i t e d b yt h e c o m p u t i n g p o w e r o f t h e m i c r o c o n t r o l l e r .

O n c e t h e d i s t u r b a n c e s i g n a l s h a v e b e e n b u i l t , o n e c a n( S 1 ) o b t a i n an e n h a n c e d s i g n a l :i ( u o )b )d t ki )R e s t r i c t i n g t h e a n a l y s i s t o o p e r a t i o n a t l o w s p e e d wec a n a s s u m e t h a t i m p l e m e n t a t i o n V I , V 3 , V5 i s n e a r l yi n s t a n t , t h u s ,P = P c c + i P , 8 = P a + a P b + a 2 P C

d i ( 5 )d tC l

a 2 ( d i f i ( Ubd td i ( u O ) d i ( u )~ ) - a ( a

d t d t' 3 ) d i ( u 0 )b )d t

d i u 0 ( 3 2 ))]

m j N, 0 + O hP a / _ f i l t P a / i P d i s a / EP s b eh = Ow h e r e P s b i s t h e m a g n i t u d e o f h t h s i d e b a n d h a r m o n i c sa b o u t t h e e s t i m a t e d p o s i t i o n h a r m o n i c .P , x , p+ 0

w h e r e a = e - 2 7 1 / 3 , a n d r o t o r s l o t p o s i t i o n p e s t i m a t i o ni s a s s u m e d . T h e s l o t - p a s s i n g a n g l e i s o b t a i n e d f r o m a r ct a n ( p , / p p ) f r o m w h i c h t h e r o t o r p o s i t i o n a n g l e c a n b ec o n s t r u c t e d [ 6 ] .A c c o r d i n g t o ( 1 ) t o ( 3 ) , i t i s w e l l k n o w n t h a t i n m o s tc a s e s t h e l e a k a g e i n d u c t a n c e s a r e d e p e n d e n t o n t h em a c h i n e s a t u r a t i o n a n d r o t o r s l o t t i n g . T h e f i r s t e f f e c tc o n t a i n s r o t o r f l u x p o s i t i o n a n d t h e s e c o n d o n e c o n t a i n sr o t o r s l o t p o s i t i o n . I t i s n o t e d t h a t i s i d e a l , i n p r a c t i c e

h a r m o n i c s o f s a t u r a t i o n c o m p o n e n t 2 k 0 O e , k = 2 . 3 . . . w i l le x i s t a s e f f e c t o f n o n - l i n e a r c o n v e r t e r e f f e c t s , s a t u r a t i o ns p a c e h a r m o n i c e t c . I n a d d i t i o n , r o t a t i n g m a c h i n e

+2 0 - e+ n O , -

- m O , 7- n O -

F i g . 4 . S t r u c t u r e o f s y n c h r o n o u s f i l t e r s

3 3 9

( 3 5 )

P f x 4 3 f i l t++ f r 1 PfAb


4/6

T h e s e c a n b e e l i m i n a t e d a l s o w i t h o n e b a n k o fs y n c h r o n o u s f i l t e r i n t h e r o t a t i n g f r a m e o f p a r t i c u l a rs i d e b a n d h a r m o n i c a s s h o w n i n F i g u r e 4 ( g r e e n a r e a ) . I t i sn o t e d t h a t t h e f i l t r a t i o n i s d o n e i n a s y nc h r o n o us f r am e s on o p h a s e s h i f t o n t h e r e t a i n e d d i s t u r b a n c e s i g n a l i s a d d e di n s i g n a l P d i s a p . H o w e v e r , t h i s s i g n a l i s a f u n c t i o n o f l o a d ,s o t h a t u n d e r l o a d t r a n s i e n t s , t h e s i g n a l P d i s i p i s o n l ye n h a n c e d a f t e r t y p i c a l l y 0 . 8 s f o r f s 0 . 5 H z . T h e m o s ts i g n i f i c a n t d i s a d v a n t a g e o f t h e s y n c h r o n o u s f i l t e r s i s t h a ti f f r e q u e n c y o f a n y c o r r u p t i n g h a r m o n i c s i s l e s s t h a n f f ,f i l t r a t i o n o f t h i s h a r m o n i c i s i n e f f e c t i v e . S o , a t z e r o s p e e da n d u n l o a d e d m a c h i n e t h e m o s t o f d i s t u r b i n g h a r m o n i ca r e z e r o w h a t m e a n s t h a t i d e n t i f i c a t i o n a n d e l i m i n a t i o n o fu n w a n t e d h a r m o n i c s i s i m p o s s i b l e a s s h o w n i n F i g u r e 5 .I n o r d e r t o o v e r c o m e t h e s e p r o b l e m s a n d t o o b t a i n g o o de l i m i n a t i o n a t l o w s p e e d u n d e r a l l l o a d c o n d i t i o n s , s i m i l a ra s i n [ 1 0 ] memory s t o r a g e m e t h o d i s p r o p o s e d .B . T h e l o w m e m o r y m e t h o d

T h e p r o p o s e d s t r u c t u r e o f s y n c h r o n o u s f i l t e r s w i t hmemory i s d i s p l a y e d i n F i g u r e 6 . A l l p r e v i o u s p r o p o s e dm e t h o d s u s e d memory i n t h e s i m i l a r way - t o s t o r a g ep a r t i c u l a r v a l u e s f o r e v e r y s t e p o f d i s c r e t e f i e l d a n g l e6 k ( b a s i c s t e p w a s u s e d t o b e a bo ut o n e d e g r e e w h a t m e a n s3 6 0 v a l u e s ) a n d f o r e v e r y s t e p o f t o r q u e c u r r e n tc o m p o n e n t I s q . I n t h i s a p p r o a c h , t h e m a i n a i m i s t o u s e a sl e s s memory a s p o s s i b l e , s o t h a t memory h a s b e e n s i t u a t e dt o t h e s y n c h r o n o u s d q f r a m e r o t a t i n g a t k O i , w h e r e O i i s t h ei n s t a n t a n e o u s a n g l e o f t h e s t a t o r c u r r e n t v e c t o r . T h i ss t r u c t u r e a l l o w s t o m a s s i v e l y d e c r e a s e s p a c e o f memoryw h e r e o n l y t w o v a l u e s f o r e v e r y c o r r u p t i n g h a r m o n i c sw e r e n e e d e d . N o t e t h a t t h e s e v a l u e s a r e d e p e n d e n t o n t h el e v e l a n d p h a s e s h i f t o f p a r t i c u l a r h a r m o n i c s w h i c h a r em o s t l y c h a n g e d w i t h l o a d l e v e l s o t h a t t h e c u r r e n tc o m p o n e n t I s q m u s t b e a d d e d a s a d r i v e i n p u t t o c h o i c ep r o p e r v a l u e o f e l i m i n a t i o n f r o m t h e m e m o r y . T h u s , t h ef i n a l s i z e o f memory i s d e p e n d i n g o n n u m b e r o fd i s t u r b i n g h a r m o n i c s a n d s i z e o f t o r q u e c u r r e n tc o m p o n e n t s t e p .A p r e - c o m m i s s i o n i n g p r o c e s s h a s b e e n d o n e t o f i l lm e m o r y i n o r d e r t o e l i m i n a t e 3 d i s t u r b i n g h a r m o n i c s w i t ht o r q u e c u r r e n t c o m p o n e n t s t e p I A . T h i s p r o c e s s r e q u i r e se n a b l i n g m e m o r y a r r a y t o b e r e w r i t t e n (ENABLE i n p u t ) .

R e a l a n d e s t i m a t e d r o t o r p o s i t i o n1 0 - XC o 5 L

0 _o2 02 0

a )- 2 0 -

5 1 0 1 5R e a l s p e e d

0 5 1 0 1 5 2 0E s t i m a t e d s p e e d2 0

a ) h- 2 0 o

P o ,

F i g . 6 . S t r u c t u r e o f s y n c h r o n ou s f i l t e r s w i t h l o w m e m o r yI V . E X P E R I M E N T A L R E S U L T S

T h e p r o p o s e d m e t h o d h a s b e e n i m p l e m e n t e d o n a ni n d i r e c t r o t o r f i e l d o r i e n t a t i o n ( I R F O ) - c o n t r o l l e d 30kWi n d u c t i o n m a c h i n e w it h a n o p e n s l o t r o t o r h a v i n g 2 8 - s l o t sp e r p o l e a s s h o w n i n F i g u r e 7 .T h r e e d i / d t s e n s o r s w e r e p l a c e d i n t h e l i n e c u r r e n t s t ot r a c k t h e a n i s o t r o p y c a u s e d b y t h e s l o t t i n g e f f e c t . T h es w i t c h i n g f r e q u e n c y o f t h e IGBT w a s 2 . 5 k H z . T h em i n i m u m v e c t o r d u r a t i o n i s s e t a t 2 5 j t s .A . R o t o r s p e e d a n d p o s i t i o n e s t i m a t i o nI n o r d e r t o v e r i f y g o o d q u a l i t y o f e l i m i n a t i o n w i t h l o wmemory m e t h o d , s e n s o r e d s p e e d c o n t r o l w a s u s e d a n dc o m p a r i s o n b e t w e e n e n c o d e r a n d e s t i m a t e d p o s i t i o n h a sb e e n d o n e a s s h o w n i n F i g u r e 8 .

2 0 2 5 30t i m e [ s ]

2 5 30t i m e [ s ]

5 1 0 1 5 2 0 2 5 30t i m e [ s ]F i g . 5 . S p e e d a n d p o s i t i o n e s t i m a t i o n w i t h s y n c h r o n o u s f i l t e r s a t l o wa n d z e r o s p e e d F i g . 7 . E x p e r i m e n t a l i n d u c t i o n d r i v e

3 4 0


5/6

R e a l s p e e dR e a l a n d E s t i m a t e d p o s i t i o n

6R o t o r f l u x p o s i t i o n 8 1 0 1 2t i m e [ s ]

6 8 1 0 1 2P o s i t i o n e r r o r t i m e [ s ]

2 0 02 - 1 000acn o =

2 0 02 - 1 000au ) O ,

2 3 4 5 6 7 8 9E s t i m a t e d s p e e d

1 0t i m e [ s ]

2 3 4 5 6 7 8 9 1 0T o r g u e c o m p o n e n t I s q t i m e [ s ]1 ' 0' F 5

oA 0o i - 5

100-

- 1 02 0-2 0 0

2 4 6 8 1 0 1 2T o r q u e c o m p o n e n t I s q t i m e [ s ]

2

F i g u r e 8 . S e n s o r e d c o n t r o l 9 r p m , l o a (I n t h i s c a s e t h e p o s i t i v e l o a d s t e ]f e = 0 . T h e e r r o r b e t w e e n r e a l a n d e s ti s a b o u t 2 e l e c t r i c a l d e g r e e s . T h i s e sa n y l o w p a s s f i l t e r s w h a t i n c r e a s e d tp o s i t i o n .F i g u r e 9 s h o w s d i f f e r e n c e s o f p , ca f t e r e l i m i n a t i o n t h e f i r s t , t h e s e c o n

b a n d h a r m o n i c d u r i n g t h e p o s i t i vl O r p m . T h e m a c h i n e w a s w o r k i n g vr o t o r s l o t h a r m o n i c h a d m a i n e f fu n w a n t e d c o r r u p t i n g h a r m o n i c s h a d10% o f r o t o r s l o t t i n g e f f e c t .

- 1 00 3 4 5 6 9 1 0t i m e [ s ]

F i g u r e 1 0 . S h a f t s e n s o r l e s s c o n t r o l , s p e e d s t e p s 5 r p m - l 0 0 r p m - 5 r p m , n ol o a dF i g u r e 1 0 s h o w s s h a f t s e n s o r l e s s s p e e d s t e p f r o m 5 t o

8 101O O r p m a n d b a c k t o 5 r p m w i t h o u t t h e l o a d . T h e maximumt i m e [ s ] s p e e d v a l u e w a s l i m i t e d w i t h s a m p l i n g f r e q u e n c y w h e r ef o r 1 O O r p m w a s o n l y 7 v a l u e s o f e s t i m a t e d p o s i t i o n p e rd s t e p 3 5 % ( f e = 0 ) o ne r o t o r s l o t p o s i t i o n . P u s h i n g u p s p e e d over t h i s l i m i tl e d t o i n c r e a s i n g o f t h e e s t i m a t e d s p e e d r i p p l e .p w a s a p p l i e d t o g e t T h e o p e r a t i o n a t z e r o s p e e d a n d a p p r o x i m a t e l y 3 5 %t i m a t e d r o t o r p o s i t i o n l o a d i s s h o w n i n F i g u r e 1 1 . S p e e d a nd p o s i t i o n e s t i m a t i o ns t i m a t i o n w a s w i t h o u t i s s t i l l e x c e l l e n t . T h e l o w - p a s s f i l t e r w i t h c u t - o f fh e n o i s e o f e s t i m a t e d f r e q u e n c y 3 0 H z w a s a d d e d t o i m p r o v e e s t i m a t e d s p e e d ., o m p o n e n t b e f o r e a n dd , t h e f o u r t h a n d s i d ee s p e e d d e m a n d o fv i t h f u l l f l u x b u t s t i l lf e c t . A f t e r f i l t r a t i o n ,l e s s m a g n i t u d e t h a n

V . C O N C L U S I O N ST h e p a p e r h a s s h o w n t h a t t e s t v o l t a g e i n j e c t i o n c o u p l e d

w i t h t r a c k i n g o f m a g n e t i c s a l i e n c i e s c r e a t e s e x c e l l e n tm e t h o d t o e s t i m a t e p o s i t i o n a n d r o t o r s p e e d . A new l o wm e m o r y e l i m i n a t i o n m e t h o d w a s p r o p o s e d w h i c h a l l o w se s t i m a t i o n a t z e r o a n d l o w s p e e d a n d i n c r e a s e s t h e q u a l i t yB . S h a f t s e n s o r l e s s s p e e d c o n t r o lI n t h e f o l l o w i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h e e s t i m a t e dr o t o r p o s i t i o n a n g l e w a s u s e d f o r t h e d q a x i st r a n s f o r m a t i o n . T h e e s t i m a t e d s p e e d w a s a l s o u s e d a sf e e d b a c k f o r s p e e d c o n t r o l l o o p . A DC m a c h i n e w a s u s e da s a l o a d . A C m a c h i n e w a s f e d f r o m AC/AC 22KW IGBTi n v e r t e r s i n c e t h e l o a d i n g w a s r e s t r i c t e d t o 3 5 % .

2 0 0 0

2 0 0 0Q-

- 2 0 0 0 o2 0 0 0 r -

A l p h a c o m p o n e n t o f p o s i t i o n s i g n a l p a b b e f o r e e l i m i n a t i o n

1 2 3 4 5A l p h a c o m p o n e n t o f p o s it i o n s i g n a l p ab a f t e r e l i m i n a t i o n

2 0

~ E 0) X- 2 0 02 01 0 _

0 4-1 0 _01 0 r

6t i m e [ s ] 0 5no ..CL

- 2 0 0 0 _o 2 3 4F r e q u e n c y s p e c t r u m b e f o r e a d a f t e r e l i m i n a t i o n 6t i m e [ s ]4 0 0

E 2 0 0Oo

2 0

, 1 0 -0

0_0

R e a l s p e e d

4 6E s t i m a t e d s p e e d

4 6 8R e a l a n d e s t i m a t e d p o s i t i o n s

4 6 8T o r q u e c o m p o n e n t I s q

1 0 1 5f r e q u e n c y [ H z ]F i g u r e 9 . F i l t e r i n g w i t h l o w memory m e t h o d , l O r p m , 35% l o a d , F i g u r e 1 1 . S h a f t s e n s o r l e s s c o n t r o l , s p e e d s t e p s 5 r p m - O r p m - 5 r p m ,p e r m a n e n t l o a d 35%

341

10x)

0o 5 -01 0 0

0

C 5 -

O _0

2

2

10 1 2t i m e [ s ]

1 0 " ' 9 1 2 :1 0 1 2t i m e [ s ]

10 1 2t i m e [ s ]

10 1 2t i m e [ s ]

E2 --oa )a )0-(n

L_

4


6/6

o f e s t i m a t e d s i g n a l s i n w i d e s p e e d r a n g e . T h e s e f e a t u r e se n a b l e p r e c i s i o n a n d h i g h d y n a m i c s p e e d c o n t r o l . I n t h i sp a p e r , o n l y p r e - c o m m i s s i o n i n g p r o c e s s w as u s e d t o w r i t ed o w n t h e v a l u e s f r o m s y n c h r o n o u s f i l t e r s t o t h e memory.R e s e a r c h i s c o n t i n u i n g t o i m p l e m e n t s e l f i n - l i n ec o m m i s s i o n i n g p r o c e s s f o r l o w m e m o r y m e t h o d a n di m p l e m e n t t h i s m e t h o d o n l o w c o s t D S P .

V I . A P P E N D I XI n d u c t i o n m o t o r p a r a m e t e r s : B r o o k C r o m t o n , A -c o n n e c t e d , 4 1 5 V , 5 0 H z , 30KW, 5 3 A , 1 4 8 0 rpm, 5 6 - s l o tr o t o r , moment o f i n e r t i a , J = 0 . 6 9 N m s 1

REFERENCES[ 1 ] P . L . J a n s e n a n d R . D . L o r e n z , " T r a n s d u c e r l e s s f i e l d o r i e n t a t i o nc o n c e p t s e m p l o y i n g s a t u r a t i o n i n d u c e d s a l i e n c i e s i n i n d u c t i o nm a c h i n e s , " IE E E I A S A n n u a l M e e t in g , 1 99 5 , n o . 3 0 , v o l . 1 , p p1 7 4 - 1 8 1 .[ 2 ] J . I . Ha a n d S . K . S u l , " S e n s o r l e s s f i e l d o r i e n t a t i o n o f a n i n d u c t i o nm a c h i n e b y h i g h f r e q ue n cy s i g n a l i n j e c t i o n , " IE E E I A S A n n u a lM e e t i n g , 1 99 7, p p . 4 2 6 - 4 3 2 .[ 3 ] M . S c h r o e d l , " S e n s o r l e s s c o n t r o l o f A C m a c h i n e s a t l o w s p e e da n d s t a n d s t i l l b as e d o n t h e I N F O R M m e t h o d , " IE E E I A S A n n u a lM e e t i n g , 1 9 9 6 , p p . 2 7 0 - 2 7 7

[ 4 ] C . S p i t e r i . S t a i n e s , G . M . A s h e r a nd M . S u m n e r , " S e n s o r l e s sC o n t r o l o f I n d u c t i o n M a c h i n e s a t Z e r o a n d Low F r e q u e n c y u s i n gZ e r o S e q u e n c e C u r r e n t s " , IEEE I A S A n n u a l M e e t i n g , 2 0 0 4[ 5 ] J o r g e J u l i e t a n d J o ac h i m H o l t z , " S e n s o r l e s s A c q u i s i t i o n o f t h eR o t o r P o s i t i o n A n g l e f o r I n d u c t i o n M o t o r s w i t h A r b i t r a r y S t a t o rW i n d i n g s " , IE E E I A S A n n u a l M e e t i n g , , 2 0 0 4[ 6 ] C . C a r u a n a , G . M . A s h e r a n d J . C l a r e , " S e n s o r l e s s F l u x P o s i t i o nE s t i m a t i o n a t Low a n d Z e r o F r e q u e n cy b y m e a s u r i n g Z e r o -S e q u e n c e C u r r e n t i n D e l t a C o n n e c t e d C a g e I n d u c t i o n M a c h i n e s " ,CD-R O M, IE E E I A S A n n u a l M e e t i n g , S a l t L a k e C i t y , 2 0 0 3[ 7 ] N . T e s k e , G . M. A s h e r , M. S u m n e r , a n d K . J . B r a d l e y ," S u p p r e s s i o n o f S a t u r a t i o n S a l i e n c y E f f e c t s f o r t h e S e n s o r l e s sP o s i t i o n C o n t r o l o f I n d u c t i o n M o t o r D r i v e s U n d e r L o a d e dC o n d i t i o n s , " IE 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 E l e c t r o n i c s , n o . 5 ,v o l . 4 7 , p p . 1 1 4 2 - 1 1 5 0 , O c t . 2 0 0 0[ 8 ] N . T e s k e , G . M. A s h e r , M. S u m n e r , a n d K . J . B r a d l e y ," E n c o d e r l e s s p o s i t i o n e s t i m a t i o n f o r s y m m e t r i c c a g e i n d u c t i o nm a c h i n e s u n d e r l o a d e d c o n d i t i o n s , " IE E E T r a n s a c t i o n s o nI n d u s t r i a l A p p l i c a t i o n s , n o . 6 , v o l . 3 7 , p p . 1 7 9 3 - 1 8 0 0 , N o v / D e c .2 0 0 1[ 9 ] J . H o l t z a n d H . P a n , " E l i m i n a t i o n o f S a t u r a t i o n E f f e c t s i nS e n s o r l e s s P o s i t i o n C o n t r o l l e d I n d u c t i o n M o t o r s " , IE E E I A SA n n u a l M e e t i n g , P i t t s b u r g h , O c t . 1 3 - 1 8 , 2 0 0 2[ 1 0 ] Q i a n g G a o , G r e g A s h e r a nd M a r k S u m n e r , " S e n s o r l e s s P o s i t i o na n 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 s U s i n g H i g h F r e q u e n c yI n j e c t i o n And W i t h o u t o f f - l i n e P r e - C o m m i s s i o n i n g " , t h e 3 1 s tA n n u a l M e e t i n g o f I E E E , I E S 2 0 0 5

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