This paper proposes a new approach of Field Programmable Gate Array (FPGA) controlled digital implementation of shunt active power filter (SAPF) under steady state and dynamic operations. Typical implementations of SAPF uses microprocessor and digital signal processor (DSP) but it limited for complex algorithm structure, absence of feedback loop delays and their cost can be exceed the benefit they bring. In this paper, the hardware resources of an FPGA are configured and implemented in order to overcome conventional microcontroller or digital signal processor implementations. This proposed FPGA digital implementation scheme has very less execution time and boosts the overall performance of the system. The FPGA controller integrates the entire control algorithm of an SAPF, including synchronous reference frame transformation, phase locked loop, low pass filter and inverter current controller etc. All these required algorithms are implemented with a single all-on chip FPGA module which provides freedom to reconfigure for any other applications. The entire algorithm is coded, processed and simulated using Xilinx 12.1 ISE suite to estimate the advantages of the proposed system. The coded algorithm is also defused on a single all-on-chip Xilinx Spartan 3A DSP-XC3SD1800 laboratory prototype and experimental results thus obtained match with simulated counterparts under the dynamic state and steady state operating conditions.
In a field-oriented vector-controlled permanent magnet synchronous motor (PMSM) control system, the d-axis current control loop can offer a free degree of freedom which can be used to improve control performances. However, in the industry the desired d-axis current command is usually set as zero without using the free degree of freedom. This paper proposes a method to use the degree of freedom for control performance improvement. It is assumed that both the inner loop proportional-integral (PI) current controller and the q-axis outer loop PI speed controller are tuned by the well-known tuning rules. This paper gives an optimal d-axis reference current command generator such that some useful performance indexes are minimized and/or a tradeoff between conflicting performance criteria is made. This paper uses a differential evolution algorithm to autotune the parameter values of the optimal d-axis reference current command generator. This paper implements the proposed control system in real time on a Texas Instruments TMS320F28335 floating-point DSP. This paper also gives experimental results showing the practicality and feasibility of the proposed control system, along with simulation results.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.20
no.3
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pp.201-208
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2015
The effects of dead-time and offset error, which cause output current distortion in single-phase grid-connected inverters are investigated this paper. Offset error is typically generated by measuring phase current, including the voltage unbalance of analog devices and non-ideal characteristics in current measurement paths. Dead-time inevitably occurs during generation of the gate signal for controlling power semiconductor switches. Hence, the performance of the grid-connected inverter is significantly degraded because of the current ripples. The current and voltage, including ripple components on the synchronous reference frame and stationary reference frame, are analyzed in detail. An algorithm, which has the proportional resonant controller, is also proposed to reduce current ripple components in the synchronous PI current regulator. As a result, computational complexity of the proposed algorithm is greatly simplified, and the magnitude of the current ripples is significantly decreased. The simulation and experimental results are presented to verify the usefulness of the proposed current ripple reduction algorithm.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.20
no.5
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pp.429-436
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2015
Torque ripples generate mechanical vibration at low speed and acoustic noise at high speed. The back emf harmonics of a PM synchronous motor is one of the main sources of torque ripples. To reduce torque ripples resulting from back emf harmonics, dq-axis harmonic currents that reduce the torque ripples are generally compensated to the current controller. Harmonic current compensation is effective at low speed, but it is not applicable at high speed because of the limited bandwidth of the current controller. In this study, dq-axis harmonic voltage compensation that can reduce torque ripples at high speed is proposed. The dq-axis harmonic voltages are calculated from the motor speed and the dq-axis harmonic currents. The effectiveness of the proposed method in reducing torque ripple is verified by a simulation and experiments.
Jung, Jin-Woo;Leu, Viet Quoc;Dang, Dong Quang;Choi, Han Ho;Kim, Tae Heoung
Journal of Power Electronics
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v.14
no.5
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pp.980-988
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2014
This paper proposes an online gain tuning algorithm for a robust sliding mode speed controller of surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) drives. The proposed controller is constructed by a fuzzy neural network control (FNNC) term and a sliding mode control (SMC) term. Based on a fuzzy neural network, the first term is designed to approximate the nonlinear factors while the second term is used to stabilize the system dynamics by employing an online tuning rule. Therefore, unlike conventional speed controllers, the proposed control scheme does not require any knowledge of the system parameters. As a result, it is very robust to system parameter variations. The stability evaluation of the proposed control system is fully described based on the Lyapunov theory and related lemmas. For comparison purposes, a conventional sliding mode control (SMC) scheme is also tested under the same conditions as the proposed control method. It can be seen from the experimental results that the proposed SMC scheme exhibits better control performance (i.e., faster and more robust dynamic behavior, and a smaller steady-state error) than the conventional SMC method.
This study proposed a fault tolerant control algorithm for electro-hydraulic brake systems where permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive is adopted to boost the braking pressure. To cope with motor position sensor faults in the PMSM drive, a braking pressure controller based on an open-loop speed control method for the PMSM was proposed. The magnitude of the current vector was determined from the target braking pressure, and motor rotational speed was derived from the pressure control error to build up the braking pressure. The position offset of the pump piston resulting from a leak in the hydraulic system is also compensated for using the open-loop speed control by moving the piston backward until it is blocked at the end of stroke position. The performance and stability of the proposed controller were experimentally verified. According to the results, the control algorithm can be utilized as an effective means of degraded control for electro-hydraulic brake systems in the case that a motor position sensor fault occurs.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.65
no.10
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pp.1648-1654
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2016
This paper analyzes complex vector current control for the enhanced cross-coupling compensation in accordance with parameter variation in grid-connected inverter system, and verifies through simulation and experiment. Complex vector current control is performed in the synchronous reference frame through d-q transformation. It generates cross-coupling components with rotating nominal angular frequency. In general, cross-coupling elements are compensated by decoupling terms added to output of conventional decoupling PI controller. But, it is impossible to compensate them perfectly which transient response is especially deteriorated such as large overshoot and slow tracking, when variation of grid impedance or measurement error occurs. However, complex vector current control can improve stability and response characteristic of current control regardless of the situation as before. Decoupling controller and complex vector controller are represented through complex forms, and these controllers are analyzed by using frequency response in s-domain, respectively. It is verified that complex vector controller has more superior response characteristic than decoupling controller through MATALB, PSIM and experimental in 5kW grid-connected inverter when L filter parameter is varied from 1.1mH to increase double, 2.2mH.
Ko, Heesang;Yang, Su-Hyung;Lee, Young Il;Boo, Chang-Jin;Lee, Kwang Y.;Kim, Ho-Chan
Journal of Electrical Engineering and Technology
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v.10
no.2
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pp.688-698
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2015
This paper presents a modeling and a controller design for a hybrid wind turbine generator, especially with an operating mode of battery energy-storage system and a dumpload that contribute to the frequency control of the system while diesel-synchronous unit is not in operation. The proposed control scheme is based on a robust tracking controller, which takes an account of system uncertainties due to the wind flow and load variations. In order to provide robustness for system uncertainties, the range of operation is partitioned into three operating conditions as sub-models in the controller design. In the simulation study, the proposed robust tracking controller (RTC) is compared with the conventional proportional-integral (PI) controller. Simulation results show that the effectiveness of the RTC against disturbances caused by wind speed and load variation. Thus, better quality of the hybrid wind power system is achieved.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.14
no.3
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pp.98-106
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1997
In this paper, a new method of position synchronizing control is proposed for multi-axes driving system. The proposed position synchronizing control system is constituted with speed and synchronizing controller. The speed controller is aimed at the following to speed reference. Furthermore, it is designed to guarantee low sensitivity under some disturbance as well as robustness against model uncertainties using $H_{\infty}$technique. The synchronizing controller is designed to keep minimizing the position error using PID control law which is considered to reduce the dimension of transfer function in the control system. Especially, the proposed method can be easily conducted by controlling only slave axis speed, because it, has variable structure which is decided to master and slave axis by the sign of synchronizing error. Therfore, the master axis which is smaller influenced than another axes by disturbance can be controlled without reducing or increasing its speed for precise position synchronization. The effectiveness of the proposed method is sucessfully confirmed through many experiments.s.
Grid Connected inverter is produced current to deliver power to grid. To provide low THD current, LCL filters is effective to filter high frequency component of current output from inverter. To provide sinusoidal waveform, there are many researchers have been proposed several controllers for grid-connected inverter controllers. Synchronous Reference Frame (SRF)-based controller is the most popular methods. SRF-based controller is capable for reducing both of zero-steady state error and phase delay. But SRF based controller is contained cross-coupling components, which generate some difficulties to analyze. In this paper, SRF based controller is analyzed. By applying decoupling control, cross-coupling component is eliminated and single phase model of the system is obtained. Through this single phase model, gain controller is designed. To reduce steady state error, proportional gain is set as high as possible, but it may produce instability. To compromise between a minimum steady state error and stability, the single phase model is evaluate through Root Locus and Bode diagram. PSIM simulation is used to verify the analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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