switched relucance motar by b.k.bose

7/22/2019 Switched Relucance Motar by B.K.Bose

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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 , V O L . I A - 2 2 , N O . 4 , J U L Y / A U G U S T 1 9 8 6

Microcomputer Cont r ol of S w i t c h e d R e l u c t a n c eM o t o rBIMAL K . BOSE, SENIOR M E M B E R , I E E E , TIMOTHY J . E . MILLER, SENI OR MEMBER, I E E E , PAUL M . SZCZESNY, ANDWILLIAM H . BICKNELL

A b s t r a c t - A m i c r o c o m p u t e r - b a s e d f o u r - q u a d r a n t c o n t r o l s y s t e m o f as w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r i s d e s c r i b e d . T h e c o n t r o l w a s i m pl em e nt edw i t h a s p e e d f e e d b a c k l o o p , a t or q ue f e e d b a c k l o o p , a n d b o t h t h e t o r q u ea n d s p e e d f e e d b a c k l o o p s c o m b i n e d . I n a d d i t i on th e c o n t r o l l e r i n c o r p o -r a t e s a s t a r t u p o p e r a t i o n , s e q u e n c i n g , a n d s y n c h r o n i z e d a n g l e s t e e r i n gc o n t r o l . T h e a n g l e c o n t r o l l e r w a s d e s i g n e d u s i n g d e d i c a t e d d i g i t a lh a rd w ar e , w h e re a s t h e o t h e r f u n c t i o n s w e r e i m p l e m e n t e d us in g a n I n t e l8 7 5 1 s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r . T h e c o m p l e t e c o n t r o l s y s t e m w a s t e s t e di n t h e l a b o r a t o r y w i t h a 5 - h p d r i v e , a n d th e t e s t r e s u l t s w e r e f o u n d t o b ee x c e l l e n t .

I N T R O D U C T I O NINTEREST i n sw itched r e l u c t a n c e m o t o r ( S R M ) d r i v e s h a sr e v i v e d d u r i n g t h e l a s t f i v e t o t e n y e a r s . T h e p o i n t s i n f a v o ro f S R M d r i v e s a r e t h a t t h e m a c h i n e i s s i m p l e i n c o n s t r u c t i o na n d e c o n o m i c a l c o m p a r e d t o i n d u c t i o n a n d s y n c h r o n o u s t y p e so f m a c h i n e s [ 6 ] . I n a d d i t i o n , t h e c o n v e r t e r w h i c h s u p p l i e sp o w e r t o t h e m a c h i n e r e q u i r e s f e w e r p o w e r d e v i c e s a n d ,t h e r e f o r e , i s m o r e e c o n o m i c a l a n d r e l i a b l e [ 7 ] . T h e S R Md r i v e s h a v e r e c e i v e d w i d e a t t e n t i o n i n E u r o p e , a n d s e r i o u sa t t e m p t s a r e b e i n g m a d e t o c o m m e r c i a l i z e t h e m .T h e l i t e r a t u r e o n S R M d r i v e s c o n c e n t r a t e s m a i n l y o n t h ea n a l y s i s o f t h e m a c h i n e a n d t h e c o n f i g u r a t i o n o f t h e p o w e rc o n v e r t e r s , b u t v e r y f e w p a p e r s d i s c u s s t h e c o n t r o l a ' s p e c t s .T h e c o n t r o l r e q u i r e m e n t s o f t h e S R M d r i v e a r e s o u n i q u e t h a tt h e c o n c e p t s o f i n d u c t i o n - a n d s y n c h r o n o u s - t y p e m a c h i n e s c a nh a r d l y b e e x t r a p o l a t e d t o t h e SRM. T h e S R M d r i v e s d i s c u s s e di n t h e l i t e r a t u r e a r e m a i n l y o p e n - l o o p c o n t r o l w i t h a n g l e a n dc u r r e n t a m p l i t u d e r e g u l a t i o n a n d h a v e u s u a l l y b e e n d e s i g n e dw i t h d i s c r e t e c o m p o n e n t s a n d d e d i c a t e d h a r d w a r e .T h i s p a p e r d e s c r i b e s a m i c r o c o m p u t e r - b a s e d c o n t r o l o f t h eS R M d r i v e s y s t e m w h i c h i s c a p a b l e o f o p e r a t i n g i n a l l f o u rq u a d r a n t s . T h e m i c r o c o m p u t e r f u n c t i o n s i n c l u d e f e e d b a c ks p e e d a n d t o r q u e c o n t r o l s , c o m p u t a t i o n o f t h e f e e d b a c k s p e e da n d t o r q u e , s t a r t i n g , s e q u e n c i n g c o n t r o l , c o m p u t a t i o n o f t h es w i t c h i n g a n g l e s , a n d a p h a s e - l o c k e d l o o p f o r t h e a n g l e

P a p e r IPCSD 8 6 - 1 , a pp ro v ed b y t h e I n d u s t r i a l D r i v e s C o m m i t t e e o f t h eIEEE 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 f o r p r e s e n t a t i o n a t t h e 1 9 8 5 I n d u s t r yA p p l i c a t i o n s S o c i e t y A n n u a l M e e t i n g , T o r o n t o , O N , C a n a d a , O c t o b e r 6 - 1 1 .M a n u s c r i p t r e l e a s e d f o r p u b l i c a t i o n F e b r u a r y 5 , 1 9 8 6 .B . K . B o s e i s w i t h t h e G e n e r a l E l e c t r i c R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t C e n t e r ,B u i l d i n g 3 7 - 3 8 0 , 1 R iv er R o ad , S c h e ne c t ad y , NY 1 2 3 4 5 .T . J . E . M i l l e r a n d P . M. S z c z e s n y a r e w i t h t h e G e n e r a l E l e c t r i c C o m p a n y ,C o r p o r a t e R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t C e n t e r , B u i l d i n g 3 7 - 3 8 0 , P . O . B o x 4 3 ,S c h e n e c t a d y , NY 1 2 3 0 1 .W. H . B i c k n e l l i s w i t h t h e G e n e r a l E l e c t r i c C o m p a n y , C o r p o r a t e R e s e a r c ha n d D e v e l o p m e n t C e n t e r , B u i l d i n g 3 7 - 4 7 8 , P . O . B o x 4 3 , S c h e n e c t a d y , NY1 2 3 0 1 .IEEE L o g N u m b e r 8 6 0 8 6 3 2 .

c o n t r o l l e r . T h e a n g l e c o n t r o l l e r , w h i c h i n t e r f a c e s t o t h em i c r o c o m p u t e r , h a s b e e n d e s i g n e d u s i n g d e d i c a t e d h a r d w a r e .T h e c o m p l e t e c o n t r o l s y s t e m h as b e e n d e s i g n e d a n d t e s t e d i nt h e l a b o r a t o r y w i t h a p r o t o t y p e d r i v e s y s t e m .P O W E R C I R C U I T O P E R A T I O N

T h e c o n t r o l s y s t e m w a s d e v e l o p e d f o r a f o u r- p ha se m a c h i n ew h i c h h a s f o u r s t a t o r p o l e p a i r s a n d t h r e e r o t o r p o l e p a i r s . T h ep o w e r c o n v e r t e r w i t h a c r o s s s e c t i o n o f t h e m a c h i n e i s s h o w ni n F i g . 1 . T h e o p p o s i t e s t a t o r p o l e s a r e s u p p l i e d b y a c o n v e r t e rp h a s e , a n d t h e p h a s e c u r r e n t i s s w i t c h e d o n a n d o f f i ns y n c h r o n i s m w i t h t h e r o t o r p o s i t i o n . T h e b i f i l a r w i n d i n g i ns e r i e s with t h e d i o d e r e t u r n s s t o r e d e n e r g y t o t h e s o u r c e w h e nt h e t r a n s i s t o r t u r n s o f f . T h e t r a n s i s t o r s c o n d u c t i n s e q u e n c e ,a n d t h e o r d e r o f c o n d u c t i o n d e p e n d s o n t h e d i r e c t i o n o f t h er o t a t i o n . A d y n a m i c b r a k e e x i s t s i n t h e d c l i n k ( n o t s h o w n )w h i c h a b s o r b s e n e r g y d u r i n g r e g e n e r a t i o n .T h e i n d u c t a n c e p r o f i l e o f t h e s t a t o r p o l e p a i r w i t h r e s p e c t t ot h e r o t o r a n g u l a r p o s i t i o n i s s h o w n i n F i g . 2 , w h i c h a l s oi n d i c a t e s t y p i c a l s t a t o r p h a s e c u r r e n t w a v e s . I n a f o r w a r dm o t o r i n g m o d e , f o r e x a m p l e , t h e c u r r e n t p u l s e i s e s t a b l i s h e dw h e r e t h e i n d u c t a n c e p r o f i l e h a s a p o s i t i v e s l o p e . T h i s i sb e c a u s e t h e i n s t a n t a n e o u s m o t o r t o r q u e i s g i v e n b y t h e r e l a t i o nIT e ( j ) = i 2 M2 ( 1 )

w h e r e i i s t h e i n s t a n t a n e o u s c u r r e n t a n d m i s t h e in du cta n ces l o p e .T h e c u r r e n t i i s sw itched o n a t a n a dv a n ce a n g l e 0 6 , a n d i tr i s e s l i n e a r l y t o t h e m a g n it ud e I a t t h e c o r n e r p o i n t ( 0 0 ) b y t h er e l a t i o n( 2 )0 ILmrV d

w h e r e Lm i s t h e minimum i n d u c t a n c e ; w r i s t h e r o t o r s p e e d ,a n d V d i s t h e d c l i n k v o l t a g e . T h e cu r r en t I i s m a i n t a i n e dc o n s t a n t b y t h e c h o p p i n g c o n t r o l a n d t h e n t u r n e d o f f a t a O pa n g l e s o t h a t t h e c u r r e n t z e r o a n g l e O q d o e s n o t e x t e n d m u c hi n t o t h e n e g a t i v e i n d u c t a n c e s l o p e r e g i o n . A t h i g h s p e e d t h em a c h i n e c o u n t e r E M F d o m i n a t e s , a n d c h o p p i n g c o n t r o l i s l o s ta s i n d i c a t e d b y t h e p u l s e B , w h i c h a l s o i n d i c a t e s t h e s a t u r a t i o ne f f e c t . T h e c u r r e n t p u l s e , d u r i n g f o r w a r d b r a k i n g , i s n e a r l yi d e n t i c a l t o t h a t o f f o r w a r d m o t o r i n g a t l o w s p e e d , e x c e p t t h a ti t i s e s t a b l i s h e d w h e r e t h e i n d u c t a n c e s l o p e m i s n e g a t i v e .S i n c e h e r e t h e O q a n g l e c a n f r e e l y e x t e n d i n t o t h e m i n i m u m

0 0 9 3 - 9 9 9 4 / 8 6 1 0 7 0 0 - 0 7 0 8 $ 0 1 . 0 0 1 9 8 6 IEEE

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BOSE e t a l . : MICROCOMPUTER C ONT R OL O F SWITCHED RELUCTANCE M O T O RPHASE A 9 W I A / / ' G

TRANSI STO R CONVERTERF i g . 1 . S w i t c h e d r e l u c t a n c e m o t o r w i t h power c o n v e r t e r . A 4 C N I A / 1 6

It8' 2 4I A I Z D U C T A A I C EP R O F C I L EE06 0

L O l , c y 4 2 G eR OTOR 9NGLE FF O R W q k D

I AF O R P W A R D AM 4 O T O R IN G 8( F M A ) 0 0FO J R W h RDBRAK I A J C G(FG) 0-

F i g . 2 . T y p i c a l p h a s e c u r r e n t waves i n r e l a t i o n t o i n d u c t a n c e p r o f i l e .i n d u c t a n c e r e g i o n , t h e 0 p a n g l e i s k e p t c o n s t a n t a t t h e c o r n e rp o i n t ( 3 6 0 ) . T h e a d v a n c e a n g l e 0 i s t o b e l i m i t e d b e c a u s e t h ecu r r en t i n t h e p o s i t i v e s l o p e r e g i o n c o n t r i b u t e s m o t o r i n gt o r q u e .T h e cu r r en t p u l s e w a v e s h a p e s i n r e v e r s e m o t o r i n g a r ei d e n t i c a l t o t h o s e i n f o r w a r d m o t o r i n g , e x c e p t t h e s e a r e p l a c e dw i t h r e s p e c t t o s l o p e 2 ( s e e F i g . 2 ) , w h i c h a p p e a r s a s a p o s i t i v es l o p e i n r e v e r s e r o t a t i o n . T h e c y c l e p e r i o d s 0 , Y f o r b o t hf o r w a r d a n d r e v e r s e r o t a t i o n s a r e i n d i c a t e d i n t h e f i g u r e .A g a i n , t h e cu r r en t p u l s e s i n f o r w a r d a n d r e v e r s e b r a k i n g a r ei d e n t i c a l , e x c e p t t h e l a t t e r i s p l a c e d o n s l o p e 1 , w h i c h a p p e a r sa s a n e g a t i v e s l o p e i n r e v e r s e r o t a t i o n .A p a r t i c u l a r p h a s e i s f i r e d p e r i o d i c a l l y w i t h a 6 0 0 c y c l ep e r i o d a n d , t h e r e f o r e , f o r t h e f o u r - p h a s e m a c h i n e c o n s e c u t i v ep h a s e s a r e f i r e d a t a 1 5 0 i n t e r v a l . F i g . 3 s h o w s t h e t y p i c a lt o r q u e - s p e e d c u r v e o f t h e S R M i n m o t o r i n g m o d e , w h i c h a l s oi n d i c a t e s t h e c u r r e n t a n d a n g l e p r o f i l e s . A t s p e e d s t y p i c a l l yb e l o w a f e w r / m i n , d e f i n e d a s t h e s t a r t u p m o d e , f u l l t o r q u e i sa v a i l a b l e . T h e c h o p p i n g m o d e , w h i c h e x t e n d s u p t o a b a s es p e e d o f o b , e s s e n t i a l l y d e f i n e s t h e c o n s t a n t t o r q u e r e g i o nw h e r e t h e c u r r e n t a m p l i t u d e I i s c o n t r o l l e d b y t h e c h o p p e ro p e r a t i o n . B e y o n d t h e c h o p p i n g mode t h e c u r v e e n t e r s i n t o t h ec o n s t a n t p o w e r r e g i o n w h e r e t h e t o r q u e i s c o n t r o l l e d o n l y b yt h e 0 ' a n g l e . T h e n a b o v e t h e c r i t i c a l s p e e d t O r i t h e l i m i t i n g 0 'a n g l e i s r e a c h e d , a n d t h e t o r q u e f a l l s o f f w i t h a s t e e p e r s l o p e .N o t e t h a t i n t h e c o n s t a n t p o w e r r e g i o n t h e c h o p p i n g m o d e mayb e r e s u m e d i f t h e p e a k c u r r e n t r i s e s a b o v e a t h r e s h o l d v a l u e .

5TART-UP CHOPP/NG m o DEMO0DE\ ( C O N S T O N T 7 O R 0 0 f )

F s 7 0 i E g w oF i g . 3 . T o r q u e - s p e e d curve s h o w i n g m o d e s o f o p e r a t i o n .D I G I T A L A N G L E C O N T R O L

T h e c o n t r o l s y s t e m i n c o r p o r a t e s a d e d i c a t e d h a r d w a r ed i g i t a l a n g l e c o n t r o l l e r w h i c h r e c e i v e s t h e a n g l e c o m m a n d sf r o m t h e f e e d b a c k l o o p a n d t r a n s l a t e s t h e m i n t o t r a n s i s t o rc o n d u c t i o n a n g l e s w h i c h a r e s y n c h r o n i z e d t o t h e r o t o rp o s i t i o n . T h e b a s i c c o n t r o l p a r a m e t e r s o f t h e d r i v e s y s t e m c a nb e s u m m a r i z e d a s f o l l o w s :I c h o p p i n g cu r r en t l e v e l , w h i c h i s a l s o t h e p e a k - l i m i t i n g

cu r r en t ( i p ) i n t h e c o n s t a n t p o w e r r e g i o n ,0 0 t r a n s i s t o r t u r n - o n a n g l e , w h i c h may b e r e l a t e d t o t h ea d v a n c e a n g l e 0 0 ,0 p t r a n s i s t o r t u r n - o f f a n g l e .T h e m a c h i n e h as a r o t o r p o s i t i o n e n c o d e r w h i c h c o n s i s t s o ff o u r o p t i c a l s e n s o r s a n d a n i n t e r r u p t i n g t y p e d i s k with t h ep r o f i l e o f t h e r o t o r s t a m p i n g a s s h o w n i n F i g . 1 . T h e s e n s o r sa r e m o u n t e d a t t h e r i g h t e d g e o f e a c h s t a t o r p o l e p a i r a s s h o w ni n F i g . 4 , w h i c h a l s o s h o w s t h e l o g i c o u t p u t w a v e f o r m s f r o mt h e s e n s o r s f o r f o r w a r d r o t a t i o n . T h e s i g n a l s a r e a l s o u s e d f o rt h e s t a r t u p o p e r a t i o n d i s c u s s e d l a t e r . T h e s i g n a l s a r e m u t u a l l yp h a s e s h i f t e d b y 1 5 0 . A m o n o s t a b l e c a p t u r e s a 1 - - 0t r a n s i t i o n , a n d t h e o u t p u t s a r e c o u p l e d t o g e t h e r t h r o u g h a n O Rg a t e t o g e n e r a t e t h e 1 5 0 p u l s e t r a i n . T h e p u l s e t r a i n a p p e a r s i nt h e s e q u e n c e 4 - 3 - 2 - 1 a n d w i l l h a v e t h e o p p o s i t e s e q u e n c e i nr e v e r s e r o t a t i o n . T h e d i r e c t i o n o f r o t a t i o n c a n b e d e t e c t e d b y

7 0 9


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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 , V O L . I A - 2 2 , N O . 4 , J U L Y / A U G U S T 1 9 8 60 .

'8-3 o ' 6 0

5 35 4 _ .

0 4 3 2

F i g . 4 . S e n s o r w a v e f o r m s f o r f o r w a r d r o t a t i o n .

8 7 5 ' I L l

> : o ( > rCfOCK( P R O G R R r o , P 7 8 L E )9 5 1 3

F l P E E r DF i g . 5 . P h a s e - l o c k e d l o o p g e n e r a t o r w i t h p r o g r a m m a b l e c l o c k .t h e p r e s e n c e ( o r a b s e n c e ) o f a 0 - - 1 t r a n s i t i o n o f t h e S 2 w a v ew i t h i n p u l s e s 1 a n d 4 o f t h e p u l s e t r a i n .T h e 1 5 0 p u l s e s a r e u s e d t o g e n e r a t e a p u l s e t r a i n w i t h a0 . 2 5 0 i n t e r v a l b y a d i g i t a l p h a s e - l o c k e d l o o p m e t h o d as s h o w ni n F i g . 5 . T h i s i n t e r v a l c o n s t i t u t e s t h e r e s o l u t i o n o f t h e c o n t r o la n g l e s . A 1 5 0 c o u n t e r a c c u m u l a t e s t h e F O U T c l o c k p u l s e sd u r i n g t h e 1 5 0 i n t e r v a l , a n d t h e r e s u l t i n g d i g i t a l w o r d W , i sd i v i d e d b y 6 0 t o g e n e r a t e t h e w o r d W P L L f o r t h e p h a s e - l o c k e dl o o p ( P L L ) c o u n t e r . T h e PLL c o u n t e r i s down c o u n t e d b y t h eF O U T c l o c k . When t h e c o u n t e r c l e a r s , a p u l s e i s g e n e r a t e d a tt h e o u t p u t a n d t h e c o u n t e r r e l o a d s a u t o m a t i c a l l y f r o m i t sb u f f e r . A p h a s e - s y n c h r o n i z e d p u l s e t r a i n a t h i g h e r f r e q u e n c yi s t h u s g e n e r a t e d b y t h e PLL c o u n t e r . T h e s p e e d s i g n a l i sc a l c u l a t e d f r o m t h e 1 5 c o u nt e r o u tp u t a s s h o w n b e c a u s e i t i si n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e w o r d W , . T h e F O U T c l o c k i s m a d ep r o g r a m m a b l e with s p e e d t o m a i n t a i n a g o o d r e s o l u t i o n o f t h e0 . 2 5 0 p u l s e s a n d t o p r e v e n t a n o v e r f l o w o f t h e 1 5 0 c o u n t e r a tv e r y l o w s p e e d . A t l o w s p e e d , F O U T i s p r o g r a m m e d l o w , a n d i ti n c r e a s e s i n s t e p s as s p e e d i n c r e a s e s . S i n c e t h e s a m e F O U Tc l o c k t r i g g e r s b o t h o f t h e c o u n t e r s , t h e r e s p e c t i v e t i m ei n t e r v a l s r e m a i n p r o p o r t i o n a l t o t h e i r d i g i t a l w o r d s .T h e a n g l e c o n t r o l l e r f o r t h e d r i v e s y s t e m c o n s i s t s o f f o u rp a i r s o f p r o g r a m m a b l e d o w n - c o u n t e r s , o f w h i c h p h a s e A i ss h o w n i n F i g . 6 . F i g . 7 s h o w s t h e w a v e f o r m s f o r t h e f o r w a r dm o t o r i n g o p e r a t i o n . E a c h c o u n t e r o p e r a t e s a s a p r o g r a m m a b l eo n e s h o t w h e r e t h e d i g i t a l w o r d s O p 6 = 0 + 6 p a n d 0 0 = 6 0 0

9 S 1 3 OP U L 5 S E W I D ) 7 H r TOTRN1s(OAp~- i vC O U N T E R S G f R O r ' 7 8 4 ' G - 8 G

,J C ~ U R R & A I ' C O N r A k O L L RF R O M fM i c R O C O f l P U T A E R( 3 335S APL ,A') 95/3 0 . 2 5 P ULS/S

e o DEZA Y S XCO UN7e R G 6_F i g . 6 . P r o g r a m m a b l e c o u n t e r s f o r d e l a y p u l s e w i d t h g e n e r a t i o n ( s h o w n f o rp h a s e A o n l y ) .- O ' a r e l o a d e d i n t o t h e b u f f e r o f t h e p u l s e w i d t h c o u n t e r a n dt h e d e l a y c o u n ter , r e s p e c t i v e l y . B o t h t h e c o u n t e r s a r e c l o c k e db y t h e 0 . 2 5 0 p u l s e t r a i n . T h e d e l a y c o u n t e r i s en a bl ed b y 6 0 0p u l s e s g e n e r a t e d b y a 1 -+ 0 t r a n s i t i o n o f s e n s o r S I . When t h ec o u n t e r c l e a r s a t a n g l e 0 0 , i t e n a b l e s t h e p u l s e w i d t h c o u n t e r ,w h i c h m a i n t a i n s a l o g i c o n e a t t h e o u t p u t d u r i n g t h ec o u n t d o w n p e r i o d . When t h e c o u n t e r c l e a r s , i t a u t o r e l o a d sf r o m t h e b u f f e r a n d l o c k s u n t i l e n a b l e d a g a i n . T h i s o u t p u t i sc o u p l e d w i t h t h e c h o p p i n g l o g i c s i g n a l f r o m t h e b a n g - b a n gc u r r e n t c o n t r o l l e r b y a n A N D g a t e , a n d t h e o u t p u t c o n s t i t u t e st h e p h a s e A t r a n s i s t o r b a s e d r i v e e n a b l e s i g n a l . S i n c e t h ec o u n t e r s a r e in de p e n den t , e a c h c a n b e p r o g r a m m e d b e t w e e n

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B O S E e t a l . : MICROCOMPUTER CONTROL OF SWITCHED RELUCTANCE M OTOR

6 0 nP U L 5 6 5C 0 U L 5 E O U T P 7 o l 9C o u # r C aur,

1 o~~~~~0

DELAYC O U A / T Z , eP U L S L A l / , 7 'COUNNTER

F i g . 7 . C o u n t e r w a v e s i n f o r w a r d m o t o r i n g m o d e .

5 HP S R A ,8 R r o R

` 0k 4

I s . 2r 3 8 ' 4 r 5 8 ' S ' /,0 7 T 0 o P0 5 / 7/ M ( D L E G )t tP F t A S E D P H*SE P H I A S E B a P 5, 9 L I G A ' E D 4 L / 6 N E D d / G N E D A L / C A E DF i g . 8 . S t a r t i n g t o r q u e a s f u n c t i o n o f r o t o r p o s i t i o n .0 - 6 0 , w h i c h i s e s s e n t i a l f o r f o u r - q u a d r a n t o p e r a t i o n o f t h ed r i v e s y s t e m .

MOTOR S T A R T I N GF o r a s a t i s f a c t o r y s t a r t i n g o f t h e S R M f r o m a n y a r b i t r a r yp o s i t i o n o f t h e r o t o r , a s t a r t u p c o n t r o l i s e s s e n t i a l . F o r af o r w a r d s t a r t u p c o n t r o l , t h e p h a s e c u r r e n t s h o u l d b e e s t a b -l i s h e d i n t h e i n t e r v a l b e t w e e n 0 - 1 8 . T h e r e f o r e , t h e p o s i t i o n

s e n s o r s i g n a l s ( s e e F i g . 4 ) a r e s e n s e d a n d c o m p l e m e n t e d , a n dt h e r e s u l t i n g l o g i c s i g n a l s a r e l o a d e d i n t o t h e t r a n s i s t o r b a s ed r i v e r s . F o r r e v e r s e s t a r t i n g t h e c u r r e n t p u l s e ha s t o b e p l a c e do n t h e n e g a t i v e s l o p e ( p o s i t i v e s l o p e f o r t h e r e v e r s e d i r e c t i o n ) .T h e l o g i c s i g n a l s f o r r e v e r s e s t a r t i n g c a n b e g e n e r a t e d b y A N Dc o u p l i n g t h e a d j a c e n t s e n s o r s i g n a l s . T h i s g e n e r a t e s 3 3 - 6 0 p u l s e w i d t h s i n s t e a d o f t h e d e s i r e d 4 2 - 6 0 d u r a t i o n . T h ee x c e s s 9 0 c a u s e s some a d d i t i o n a l p o w e r d i s s i p a t i o n b u t c a n b ei g n o r e d , c o n s i d e r i n g t h e s h o r t d u r a t i o n f o r s t a r t i n g . T h e s t a r t -u p a l g o r i t h m i s i m p l e m e n t e d with t h e h e l p o f t h e m i c r o c o m p u -t e r . F i g . 8 s h o w s t h e m e a s u r e d s t a r t i n g t o r q u e o f e a c h p h a s e a sa f u n c t i o n o f t h e r o t o r p o s i t i o n . T h e c u r v e s d e v i a t e f r o m t h ei d e a l r e c t a n g u l a r s h a p e o f 1 8 0 w i t h a 3 0 o v e r l a p p i n g b e c a u s eo f t h e s a t u r a t i o n a n d f r i n g i n g e f f e c t s . T h e r e s u l t i n g t o r q u e c a nb e o b t a i n e d b y s u m m i n g t h e c o m p o n e n t s w h i c h , o b v i o u s l y ,f l u c t u a t e w i t h t h e r o t o r p o s i t i o n . T h e t o r q u e c u r v e s r e m a i ns y m m e t r i c a l f o r b o t h f o r w a r d a n d r e v e r s e s t a r t i n g . T h e

m a g n i t u d e o f t h e s t a r t i n g t o r q u e c a n b e c o n t r o l l e d b yr e g u l a t i n g t h e l e v e l o f I .F E E D B A C K S P E E D A N D T O R Q U E C O N T R O L

T h e d r i v e s y s t e m w a s d e s i g n e d w i t h s p e e d f e e d b a c k c o n t r o l ,t o r q u e f e e d b a c k c o n t r o l , a n d b o t h t h e t o r q u e a n d s p e e d l o o p sc o m b i n e d . F i g . 9 s h o w s t h e b l o c k d i a g r a m f o r t h e s p e e df e e d b a c k c o n t r o l l o o p . T h e command s p e e d ( w * ) i s c o m p a r e dw i t h t h e a c t u a l s p e e d c o , a n d t h e e r r o r t h r o u g h a p r o p o r t i o n a l -i n t e g r a l ( P I ) c o m p e n s a t o r , a n d a n a b s o l u t e v a l u e c i r c u i tg e n e r a t e s t h e c h o p p i n g c u r r e n t command I . T h e a d v a n c ea n g l e G i s c a l c u l a t e d f r o m I * b y ( 1 ) s o t h a t i n m o t o r i n g m o d e st h e c u r r e n t I i s b u i l t a t t h e b e g i n n i n g o f t h e p o s i t i v e i n d u c t a n c es l o p e . T h e a n g l e s 0 0 a n d O p , , i n d i f f e r e n t m o d e s , c a n b es u m m a r i z e d a s f o l l o w s :Mod e G o O PF o r w a r d m o t or in g ( F M ) 6 0 0 - 0 0 + 6 ,R e v e r s e m o t o r i n g ( R M ) 4 2 0 - 0 OF o r w a r d r e g e n e r a t i o n ( F G ) 1 8 1 8 R e v e r s e r e g e n e r a t i o n ( R G ) 0 1 8 w h e r e 0 ' i s t h e a n g l e b e t w e e n t h e p o s i t i v e i n d u c t a n c e s l o p epc o r n e r p o i n t a n d t h e t r a n s i s t o r t u r n - o f f p o i n t . I n t h e FM m o d e

7 1 1


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I E E E TRANSACTIONS O N INDUSTRY A P P L I C A T I O N S , VOL. I A - 2 2 , N O . 4 , JULY/AUGUST 1 9 8 6fORw ,D zIe v e R , s F ' l , F G / R 1 7 , 9 G

) Y A I v E S E N S O R T i A 9 N 2Z(r C O W n P U T A JTONF i g . 9 . B l o c k d i a g r a m o f s p e e d c o n t r o l s y s t e m .

t h e t u r n - o f f a n g l e O p = O , , b u t i n t h e RM m o d e O p = 4 2 0 +O p . T h e 6 ' a n g l e i s m a d e p r o g r a m m a b l e w i t h s p e e d a s s h o w nt o m i n i m i z e t h e i n f l u e n c e o f t h e b r a k i n g t o r q u e . T h e maximumv a l u e o f 6 ' i s c l a m p e d a s s h o w n i n F i g . 3 t o p r e v e n tc o n t r i b u t i o n o f t h e b r e a k i n g t o r q u e b y t h e p r e c e d i n g n e g a t i v es l o p e .T h e f e e d b a c k s p e e d s i g n a l i s c o m p u t e d f r o m a p o s i t i o ne n c o d e r w h i c h ha s a s a m p l i n g i n t e r v a l o f 1 5 0 . I t s e e m so b v i o u s t h a t t h e p o s i t i o n e n c o d e r c a n n o t b e u s e d a t l o w s p e e dw h e r e t h e s a m p l i n g t i m e b e c o m e s t o o l a r g e . H o w e v e r , t h ep o s i t i o n e n c o d e r i s r e q u i r e d f o r t h e s t a r t i n g a s w e l l a s t h ec o n t r o l o f t h e 0 0 a n d O p , , a n g l e s . An a l t e r n a t e p o s i t i o n e n c o d e rw i t h a l a r g e n u m b e r o f p u l s e s p e r r e v o l u t i o n c a n b e u s e d i f al o w s p e e d r a n g e i s d e s i r e d .T h e s y s t e m a s s h o w n i n F i g . 9 w i l l s t a r t a n d r u n a t l o ws p e e d w i t h * , 0 0 , a n d p Q , a s c o n t r o l v a r i a b l e s . A s t h e s p e e di n c r e a s e s , t h e c h o p p i n g m o d e w i l l v a n i s h , a n d t h e s y s t e m w i l le n t e r i n t o t h e a n g l e c o n t r o l m o d e . I n t h i s c o n d i t i o n t h e p e a kc u r r e n t i p w i l l r e m a i n b e l o w t h e c o m m a n d e d I v a l u e .H o w e v e r , i f i p t e n d s t o e x c e e d I d u e t o t r a n s i e n t l o a d i n g , t h ec h o p p e r w i l l a c t a s a p e a k - c u r r e n t l i m i t e r .A b l o c k d i a g r a m o f t h e t o r q u e c o n t r o l l o o p i s s h o w n i n F i g .1 0 . T h e c o n s i d e r a t i o n o f t o r q u e c o n t r o l i s i m p o r t a n t i n e l e c t r i cv e h i c l e - t y p e a p p l i c a t i o n s . I n a d d i t i o n , p r o v i d i n g a t o r q u e l o o pw i t h i n a s p e e d l o o p c a n m a k e t h e r e s p o n s e o f t h e s p e e d l o o pf a s t e r . T h e i m p l e m e n t a t i o n o f t h e t o r q u e f e e d b a c k c o n t r o l i na n S R M i s d i f f i c u l t b e c a u s e t h e c o m p u t a t i o n o f a c c u r a t ef e e d b a c k t o r q u e i s n o t e a s y . T h e t o r q u e c a n b e c o m p u t e d f r o mt h e d c l i n k p o w e r b y t h e f o l l o w i n g r e l a t i o n s :

m o t o r i n g T e = V d I d l ( 3 )( A rr e g e n e r a t i o n Te- V d I d ( 4 )? t a r

? o r T / G E V

V \ J I dF i g . 1 0 . B l o c k d i a g r a m o f t o r q u e c o n t r o l l o o p .

w h e r e - 1 i s t h e e f f i c i e n c y o f t h e c o n v e r t e r - m a c h i n e s y s t e m .T h e s e e x p r e s s i o n s n e g l e c t t h e d e l a y d u e t o t h e e n e r g y s t o r a g ee f f e c t i n i n d u c t a n c e s . T h e e f f i c i e n c y o f t h e p a r t i c u l a r m a c h i n et e s t e d w a s e v a l u a t e d e x t e n s i v e l y f o r d i f f e r e n t l o a d a n d s p e e dc o n d i t i o n s . T h e d a t a w e r e a v a i l a b l e i n t h e f o r m o f a l o o k u pt a b l e f o r t h e t o r q u e c o m p u t a t i o n s . T h e c o m p u t e d t o r q u e s h o w sa r e a s o n a b l y g o o d c o r r e l a t i o n w i t h t h e m e a s u r e d t o r q u e . T h et o r q u e c o m p u t a t i o n , h o w e v e r , r e m a i n s i n v a l i d i n t h e l o w -s p e e d r e g i o n b e c a u s e o f e x c e s s i v e r i p p l e .A s s h o w n i n F i g . 1 0 , o n l y t h e a b s o l u t e v a l u e o f t h e t o r q u e i sc o n t r o l l e d , a n d t h e p o l a r i t y command a c t u a t e s t h e a n g l es w i t c h e s a s i n d i c a t e d i n F i g . 9 . T h e t o r q u e l o o p i s a c t i v e f o rp o s i t i v e e r r o r o n l y .T h e t o r q u e c o n t r o l l o o p w a s i m p l e m e n t e d within t h e s p e e dl o o p t o e n h a n c e t h e s y s t e m r e s p o n s e s p e e d . A h i g h - g a i n t o r q u el o o p l i n e a r i z e s t h e s y s t e m , m a k e s t h e p e r f o r m a n c e i n s e n s i t i v et o p a r a m e t e r v a r i a t i o n , a n d p e r m i t s t h e s p e e d l o o p c o n t r o l l e rg a i n t o b e h i g h w i t h i n t h e l i m i t o f s t a b i l i t y . T h e o v e r a l l s y s t e mo p e r a t e s i n f o u r q u a d r a n t s with t h e a b s o l u t e v a l u e o f t h e t o r q u ec o n t r o l i n t h e i n n e r l o o p .

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BOSE e t a l . : MICROCOMPUTER C ONT R OL OF SWITCHED RELUCTANCE M O T O R

0 ' t5 30 4 5 * 0)

6 F A ? P l / N GD E L ?Y Of 0

L- SAFT _ _ _ / Vo r - - tSTA ) Q T O F A q C 7 1 V fT O r I i n U o

F i g . I 1 1 C o u n t e r wa v es s h o w i n g r e s p o n s e d e l a y i n a n g l e c o n t r o l f o r w a r d m o t o r i n g m o d e .D Y N A M I C MODEL

T h e d y n a m i c m o d e l o f t h e S R M s e e m s t o b e c o m p l e xb e c a u s e o f t h e n o n l i n e a r i t i e s a n d s a m p l i n g d e l a y s , b u t someg e n e r a l d i s c u s s i o n i s a p p r o p r i a t e h e r e . A t ve r y l o w s p e e d t h ea n g l e c o n t r o l l e r s t a r t s w i t h 1 8 0 t o r q u e - p r o d u c i n g p u l s e s( p w , ) i n m o t o r i n g , w h i c h l i n e a r l y r e d u c e s w i t h s p e e d t o 9 0 a t9 0 0 r / m i n . W i t h 1 8 0 p u l s e s a n o v e r l a p o f 3 0 e x i s t s f o r a d j a c e n tp h a s e s . W i t h 1 5 0 p u l s e s t h i s o v e r l a p v a n i s h e s , a n d t h e ga pi n c r e a s e s t o 6 0 f o r a 9 0 p u l s e . T h i s c o r r e s p o n d s t o af e e d f o r w a r d s a m p l i n g d e l a y o f 1 . 1 1 ms a t 9 0 0 r / m i n . T h i ss a m p l i n g del a y c a n b e i g n o r e d w i t h t h e s p e e d c o n t r o l l o o p i ft h e f e e d b a c k s p e e d i s s a m p l e d a t 1 5 i n t e r v a l s . I n a d d i t i o n t ot h i s s a m p l i n g d e l a y , t h e p h a s e c o i l c u r r e n t h a s a r e sp onsedel a y w h i c h d e p e n d s o n t h e s a t u r a t i o n l e v e l .T h e s a m p l i n g d e l a y o f t h e S R M i s p a r t i c u l a r l y c o m p l i c a t e di n t h e a n g l e c o n t r o l m o d e . F i g . 1 1 s h o w s t h e w a v e f o r m s f o rt h e w o r s t c a s e i n t h e f o r w a r d m o t o r i n g m o d e . T h e d e l a y a n dp u l s e w i d t h c o u n t e r s a re u p d a t e d w i t h t h e s am p l in g t im e o f t h ef e e d b a c k c o n t r o l l o o p ( 3 . 3 3 m s ) . S i n c e t h e del a y c o u n t e r s a ree n a b l e d a t 1 5 i n t e r v a l s , t h e w o r s t - c a s e s a m p l i n g d e l a y a t 0 0 i s1 5 w i t h a s t e p c h a n g e o f A O ' a s s h o w n . N o t e t h a t A O p w ha s t ob e a p p e n d e d t o t h e l e a d i n g e d g e t o e s t a b l i s h a s t e a d y - s t a t ec o n d i t i o n . T h i s r e q u i r e s t h a t t h e d e l a y c o u n t e r b e c l e a r e d w i t ha new 0 0 v a l u e . O t h e r w i s e , A G p , w i l l b e a p p e n d e d t o t h et r a i l i n g e d g e , c a u s i n g a r e d u c t i o n o f t o r q u e . T h e r e f o r e , t h ew o r s t - c a s e s a m p l i n g del a y i s 7 5 0 a s i n d i c a t e d i n F i g . 1 1 .T h e d e v e l o p e d t o r q u e o f t h e S R M i s r e l a t e d t o t h e a c t i v erms p h a s e c u r r e n t b y a s q u a r e l a w r e l a t i o n . I n t h e c h o p p i n gmode t h i s c u r r e n t c a n b e a s s u m e d a s c o n s t a n t , n e g l e c t i n g t h e ,s p r e a d i n g e f f e c t . I f t h e a n g l e c o n t r o l e f f e c t i s i g n o r e d i nc h o p p i n g m o d e , t h e n t h e t o r q u e - c u r r e n t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i cc a n b e g i v e n b y t h e a f o r e m e n t i o n e d sq u ar e l a w r e l a t i o n . I n t h ea n g l e c o n t r o l m o d e , G ' i s c o n s t a n t a n d t h e rms p h a s e c u r r e n t i sr e g u l a t e d b y t h e a d v a n c e a n g l e G ' o n l y . T h i s r e l a t i o n i si n f lue nc e d b y t h e m a c h i n e c o u n t e r EMF w h i c h i s , a g a i n , af u n c t i o n o f t h e s p e e d a n d rms c u r r e n t .

S E Q U E N C I N G C O N T R O LT h e d r i v e s y s t e m h a s s e v e r a l m o d e s o f o p e r a t i o n w i t hp e r m i s s i b l e t r a n s i t i o n p a t h s s h o w n b y t h e s e q u e n c e d i a g r a m i nF i g . 1 2 . T h e n o r m a l r u n n i n g m o d e s ( F M , RM, F G , a n d R G )a r e g r o u p e d i n t o t h e M O T / G E N m o d e . F o r a s u c c e s s f u l t r a n s i t i o nb e t w e e n t h e m o d e s , t h e c o n d i t i o n a l s w r i t t e n a l o n g t h e a r r o w ss h o u l d b e v a l i d , a n d then t h e a c t i o n r o u t i n e s ( i n d i c a t e d b yd o t s ) a r e e xecu ted b e f o r e t h e t r a n s i t i o n o c c u r s .T h e m i c r o c o m p u t e r i n i t i a l l y a t t a i n s t h e N E U T R A L m o d e a f t e rt h e p o w e r i s sw itched o n . T h e s y s t e m t h e n t r a n s i t i o n s t o t h eS T A R T - U P m o d e i f t h e s p e e d command e x c e e d s a t h r e s h o l dv a l u e . M e a n w h i l e , e n a b l i n g t h e f e e d b a c k l o o p b u i l d s u p t h ec u r r e n t command t h r o u g h t h e P I c o m p e n s a t o r . T h e p h a s e -l o c k e d l o o p a nd s p ee d c o m p u t a t i o n a r e e n a b l e d with a d e l a y o f5 0 ms t o e n s u r e a m i n i m u m s p e e d s o t h e c o u n t e r s d o n o to v e r f l o w . When t h e s p e e d e x c e e d s 2 4 r / m i n a s s h o w n , t h es y s t e m t r a n s i t i o n s t o t h e M O T / G E N m o d e b ut r e t u r n s t o t h eS T A R T - U P m o d e i f t h e s p e e d f a l l s b e l o w 1 2 r / m i n . T h eh y s t e r e s i s b a n d p r e v e n t s f a u l t y c h a t t e r i n g b e t w e e n t h e m o d e s .T h e a c q u i s i t i o n o f a p a r t i c u l a r r u n n i n g m o d e d e p e n d s u p o n t h el o g i c s i g n a l s s h o w n i n F i g . 9 .

M I C R O C O M P U T E R HARDWARE AN D S O F T W A R E D E S I G NT h e m i c r o c o m p u t e r h a r d w a r e i s b a s e d o n t h e I n t e l 8 7 5 1s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r w h i c h i s s u p p o r t e d b y p e r i p h e r a l

c h i p s . T h e p e r i p h e r a l h a r d w a r e i n c l u d e s AID c o n v e r t e r s f o ra c q u i s i t i o n o f t h e d c l i n k v o l t a g e , c u r r e n t a n d s p e e d c o m -m a n d s , a D /A f o r c h o p p e r c u r re n t c o m m a n d , a n d t w o s y s t e mt i m i n g c o n t r o l l e r c h i p s t y p e AM9513 m a n u f a c t u r e d b y A d -v a n c e d M i c r o D e v i c e s . T h e AM9513 c h i p h a s f i v e s o f t w a r ec o n f i g u r a b l e c o u n t e r / t i m e r s a s w e l l a s a p r o g r a m m a b l e f r e -q u e n c y d i v i d e r . E a c h o f t h e f i v e c o u n t e r s may b e c o n f i g u r e d i no n e o f 2 4 p o s s i b l e o p e r a t i n g m o d e s .A l l o f t h e c o n t r o l a n d c o m p u t a t i o n f u n c t i o n s t h a t a r e t i m ec r i t i c a l a r e i m p l e m e n t e d i n A s s e m b l y l a n g u a g e , w h e r e a s t h es e q u e n c i n g f u n c t i o n , w h i c h i s l e s s t i m e c r i t i c a l , i s w r i t t e n i n

7 1 3


7/8

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 CA T IO N S , V O L . I A - 2 2 , N O . 4 , J U L Y / A U G U S T- ENA aZE P I Le ENABLeE ( , , C O M 7 P U T A T I O N

* D I S 8 8 L E S T M R 7 - U PR o O T IM E E N R B LE C OUNTE R S

CO OU ' T ERSaOO/ NA\ . E heLE RoT'J 75 3

S T A 5 R t T - UP ROUTIDrl D/RtO* D 1 5 ABLE P-L* ZuIS f8aLE ,CO/IP?PITATI T* DISABLE PB.oJrLoJ

F i g . 1 2 . S i m p l i f i e d sequence d i a g r a m .

t he PL/M l a n g u a g e . The program i s r e s i d e n t i n th e 4 - k b y t eEPROM memory o f t h e m i c r o c o m p u t e r .T h e e x e c u t i v e s o f t w a r e c o n s i s t s o f a r e a l - t i m e s c h e d u l e rw h i c h i s r e s p o n s i b l e f o r t h e o r d e r l y e x e c u t i o n o f m u l t i p l e t a s k sa n d t h e i r s a m p l i n g i n t e r v a l g e n e r a t i o n . The f a s t e s t t a s k s a r eth e c o n t r o l a n d c o m p u t a t i o n f u n c t i o n s a n d a r e e x e c u t e d e v e r y3 . 3 3 ms. T h i s t as k a ls o i n c l u d e s a s i g n e d 1 6 - 1 6 - b i t m u l t i p l ya n d a 3 2 / 1 6 -b it d iv i d e r o u t i n e . The s e q u e n c i n g f u n c t i o n i se x e c u t e d w i t h a s a m p l i n g i n t e r v a l o f 2 6 . 6 7 ms, a n d h i g h - l e v e ld i a g n o s t i c s are e x e c u t e d e v e r y 2 1 3 . 3 m s. The 8 7 5 1 c h i p h a st w o e x t e r n a l i n t e r r u p t s i g n a l s ; one i s u s e d f o r t he 3 . 3 3 msc l o c k t i c k s t h a t a c t i v a t e t h e r ea l- ti m e s c h e d u l e r , a n d t h e o t h e ri s f o r s e r v i c i n g th e 1 5 0 i n t e r r u p t w h i c h s a m p l e s t h e 1 5 0c o u n t e r a n d p r o c e s s e s d a t a f o r t h e p h a s e - l o c k e d l o o p c o u n t e ra n d s p e e d c o m p u t a t i o n .

L A B O R A T O R Y T E S T ST h e SRM u s e d i n t e s t i n g h a s a n o m i n a l r a t i n g o f 5 h p w i t h ap e a k c u r r e n t o f 6 0 A a n d i s s u p p l i e d f r o m a r e g ul at e d v o l t ag e

s o u r c e o f 1 0 0 V . A d c l o a d m a c h i n e i s c o u p l e d t o the s h a f t t oa p p l y a v a r i a b l e l o a d t o r q u e . The SRM was f i r s t t e s t e d openl o o p w i t h t h e n e w l y d e v e l o p e d a n g l e c o n t r o l l e r . T h e n f e e d -b a c k c o n t r o l was a d d e d f o r th e s p e e d l o o p , t h e torque l o o p ,a n d t h e s p e e d l o o p w i t h t h e i n n e r torque l o o p . The d r i v esystem was t e s t e d e x t e n s i v e l y i n a l l f o u r q u a d r a n t s u n d e r b o t hs t e a d y - s t a t e a n d t r a n s i e n t c o n d i t i o n s .The s p e e d s i g n a l , c o m p u t e d f r o m t h e 1 5 0 p u l s e p o s i t i o ne n c o d e r , was f o u n d t o h a v e some j i t t e r d u e t o b l a d e t o l e r a n c e .S i n c e t h i s i s u n a c c e p t a b l e a t h i g h s p e e d b e c a u s e o f l o w d i g i t a lc o u n t s , the s i g n a l was a v e r a g e d o v e r f o u r c o n s e c u t i v e i n t e r -v a l s a b o v e 8 0 0 r / m i n . A g a i n t h e s a m p l i n g t i m e i n t e r v a l ,c o r r e s p o n d i n g t o 1 5 0 , was t o o l a r g e at l o w s p e e d s a n d ,t h e r e f o r e , was r e s t r i c t e d t o 5 0 r / m i n . A T e l e d y n e s e n s o r ,h a v i n g 2 4 0 0 p u l s e s / r e v o l u t i o n was u s e d w i t h a p u l s e i n t e g r a -

F i g . 1 3 . P h a s e c u r r e n t w a v e s i n c h o p p i n g mode a t 5 5 0 r / m i n (t = 10 , W = 1 4 0 ) . Top t o b o t t o m : i _ , i b b i ,i d ( 1 0 A / d i v , 5 m s/ di v) .

6 6 ( - , # ) / d) r0

6 6 i 6h 7 m / d

k oto , , e I b / d

t o I n I b / di r e /

2 4 dI0

iO ; n A D / d' i

TIME 1 . 0 5 r-F i g . 1 4 . T r a n s i e n t p e r f o r m a n c e o f s p e e d c o n t r o l s y s t e m w i t h i n n e r toloop.t i o n m e t h o d o v e r a s a m p l i n g i n t e r v a l o f 3 . 3 3 ms , e n a b l i n gl o we s t s p e e d o f 1 2 r / m i n .F i g . 1 3 s h o w s the t y p i c a l s t e a d y - s t a t e p h a s e c u r r e n t wai n c h o p p i n g m o d e , i n d i c a t i n g t h e w e l l - b a l a n c e d o p e r a t i o nthe m a c h i n e . The c h o p p i n g f r e q u e n c y i s h i g h e r i n i t i a l l y ,r e d u c e s g r a d u a l l y b e c a u s e o f t h e i n c r e a s i n g i n d u c t a n c e s . To v e r s h o o t o f the s e n s o r c u r r e n t , d u e t o l a r g e d i / d t a t a h i gf r e q u e n c y , c a u s e s t a p e r i n g o f t h e c h o p p i n g c u r r e n t p r o f iF i g . 1 4 s h o w s th e t y p i c a l t r a n s i e n t r e s p o n s e o f the s pc o n t r o l system w i t h t he i n n e r t o r q u e l o o p c l o s e d . T

j - O J I M R - UPI A I } T i f A L ZATIO N

i ' M _ _ A A f l

714


8/8

e t a l . : MICROCOMPUTER CONTROL OF SWITCHED RELUCTANCE M O T O Rt o r q u e T e l a n d the m e a s u r e d t o r q u e f r o m at o r q u e m e t e r a r e s h o w n i n t h e f i g u r e f o rT h e l a t t e r i n c o r p o r a t e s a l o w - p a s s f i l t e r t ot h e r i p p l e . T h e l o n g e r d u r a t i o n o f b r a k i n g i sd u e t o t h e l o w e r c l a m p i n g o f b r a k i n g t o r q u e .

C O N C L U S I O NT h e p a p e r d e s c r i b e s t h e d e v e l o p m e n t , d e s i g n , a n d l a b o r a -t e s t o f a n I n t e l 8 7 5 1 m i c r o c o m p u t e r - b a s e d c o n t r o l o f a 5 -S R M d r i v e s y s t e m . T h e c o n t r o l f u n c t i o n s i n c l u d e f e e d b a c kw i t h s p e e d l o o p , t o r q u e l o o p , s e q u e n c i n g c o n t r o l ,a n d p o s i t i o n s y n c h r o n i z e d a n g l e c o n t r o l . B e c a u s e o fe c r i t i c a l t i m i n g r e q u i r e m e n t , t h e a n g l e c o n t r o l w a s i m p l e -w i t h d e d i c a t e d d i g i t a l h a r d w a r e . T h e f e e d b a c k s p e e dw a s s y n t h e s i z e d f r o m t h e 1 5 p u l s e p o s i t i o n e n c o d e r i ne h i g h e r s p e e d r a n g e , w h e r e a s i n t h e l o w e r s p e e d r a n g e at y p e s e n s o r w a s u s e d . The f e e d b a c k t o r q u e w a sf r o m e l e c t r i c a l s i g n a l s a n d w a s v a l i d e x c e p t a t v e r yw s p e e d s d u e t o e x c e s s i v e r i p p l e . T h e c o m p l e t e d r i v e s y s t e ms t e s t e d t h o r o u g h l y i n a l l t h e f o u r q u a d r a n t s u n d e r b o t ha n d t r a n s i e n t c o n d i t i o n s , a n d p e r f o r m a n c e s w e r e

t o b e e x c e l l e n t .R E F E R E N C E S

] P . J . L a w r e n s o n e t a l . , V a r i a bl e - sp e e d s w it c he d r e l u c t a n c e m o t o r s ,P r o c . I n s t . E l e c . E n g . , v o l . 1 2 7 , p p . 2 5 3 - 2 6 5 , J u l y 1 9 8 0 .] W. F . R a y a n d R . M. D a v i s , I n v e r t e r d r i v e f o r d o u b l y s a l i e n tr e l u c t a n c e m o t o r : I t s f u n d a m e n t a l b e h a v i o r , l i n e a r a n a l y s i s a n d c o s ti m p l i c a t i o n s , E l e c t r i c Power A p p l . , v o l . 2 , p p . 1 8 5 - 1 9 3 , D e c . 1 9 7 9 .] R . M. D a v i s , W. F . R a y , a n d R . J . B l a k e , I n v e r t e r d r i v e f o r s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r : C i r c u i t s a n d c o m p o n e n t r a t i n g s , P r o c . I n s t . E l e c .E n g . , v o l . 1 2 8 , p t . B , p p . 1 2 6 - 1 3 6 , M a r . 9 84 ] T . J . E . M i l l e r , C o n v e r t e r v o l t - a m p e r e r e q u i r e m e n t s o f t h e s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r d r i v e , i n P r o c . IEEE I n d . A p p l . S o c . Annu.M e e t i n g , 1 9 8 4 , p p . 8 1 3 - 8 1 9 .5 ] P . H . C h a p p l e , W. F . R a y , a n d R . J . B l a k e , M i c r o p r o c e s s o r c o n t r o lo f a v a r i a b l e r e l u c t a n c e m o t o r , P r o c . I n s t . E l e c . E n g . v o l . 1 3 1 , p t .B , p p . 5 1 - 6 0 , M a r . 1 9 8 4 .6 ] M. R . H a r r i s , T . J . E M i l l e r , a n d J . F i n c h , A r e v i e w o f t h e s w i t c h e dr e l u c t a n c e d r i v e , p r e s e n t e d a t t h e IEEE I n d . A p p . S o c . A n n u .M e et i ng , T o ro nt o, ON, O c t 1 9 8 5 .7 ] J . T . B a s s , M. E h s a n i , T . J . E M i l l e r , a n d R . L S t e i g e r w a l d , D e v e l o p m e n t o f a u n i p o l a r c o n v e r t e r f o r v a r i a b l e re l u c t a n c e m o t o rd r i v e s , i n P r o c . IEEE I n d . A p p l . S o c . Annu. M e e t i n g , 1 9 8 5 , p p .1 0 6 2 - 1 0 6 8 .

B i m a l K . B o s e ( S ' 5 9 - M ' 6 0 - S M ' 7 8 ) r e c e i v e d t h eB . E . d e g r e e f r o m C a l c u t t a U n i v e r s i t y , C a l c u t t a ,I n d i a , i n 1 9 5 6 , a n d t h e M . S . d e g r e e f r o m t h eU n i v e r s i t y o f W i s c o n s i n , M a d i s o n , i n 1 9 6 0 , a n d t h e | P h . D . d e g r e e f r o m C a l c u t t a U n i v e r s i t y i n 1 9 6 6 .He w a s a Member o f t h e F a c u l t y a t C a l c u t t aU n i v e r s i t y w h e r e h e w a s a w a r d e d t h e P r e m c h a n dR o y c h a n d S c h o l a r s h i p a n d t h e M o u a t g o l d m e d a lf o r r e s e a r c h c o n t r i b u t i o n s . I n 1 9 7 1 h e j o i n e d R e n s -s e l a e r P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e , T r o y , NY, a s a membero f f a c u l t y i n t h e E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n tr e h e w a s r e s p o n s i b l e f o r o r g a n i z i n g t h e u n d e r g r a d u a t e a n d g r a d u a t ee l e c t r o n i c s p r o g r a m s f o r f i v e y e a r s . He w a s a c o n s u l t a n t f o r s e v e r a lincludin g t h e G e n e r a l E l e c t r i c R D C e n t e r , B e n d i x C o r p o r a t i o n ,E l e c t r o n i c s , a n d P C I O z o n e C o r p o r a t i o n . S i n c e 1 9 7 6 h e h a s b e e n w i t hE l e c t r i c C o r p o r a t e R e s e a r c h a n d D e v el o p m en t, S c h e n e c t a d y , NY.r e s e a r c h i n t e r e s t s a r e p o w e r c o n v e r s i o n s y s t e m s a n d m i c r o c o m p u t e r -p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n o f p o w e r e l e c t r o n i c s y s t e m s . He h o ld s 1 5p a t e n t s . He e d i t e d t h e IEEE P r e s s b o o k A d j u s t a b l e S p e e d AC D r i v e( t r a n s l a t e d i n t o C h i n e s e ) a n d c o n t r i b u t e d t h e a r t i c l e o n a c d r i v e s i nI n t e r n a t i o n a l E n c y c l o p e d i a on C o n t r o l and S y s t e m s ' p u b l i s h e d b y

Pergmon P r e s s . He h a s w r i t t e n a b o o k Power E l e c t r o n i c s and AC D r i v e sw h i c h h a s b e e n p u b l i s h e d b y P r e n t i c e - H a l l , I n c . A n o t h e r IEEE P r e s s b o o kM i c r o c o m p u t e r C o n t r o l o f Power E l e c t r o n i c s and D r i v e s s p o n s o r e d b y t h eI 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 i s i n p r o g r e s s . He i s c u r r e n t l y a n A d j u n c tF a c u l t y Member i n t h e R e n s s e l a e r P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e .D r . B o s e w a s C h a i r m a n o f t h e I E E E T R A N S A C T I O N S R e v i e w o f S t a t i cP o w e r C o n v e r t e r C o m m i t t e e f o r e i g h t y e a r s ( 1 9 7 6 - 1 9 8 3 ) . He i s a member o ft h e Power E l e c t r o n i c s C o m m i t t e e a n d M i c r o c o m p u t e r C o n t r o l C o m m i t t e e o ft h e IEEE I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s S o c i e t y , a m e mbe r o f t h e S c i e n t i f i c C o m m i t t e eo f t h e I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n D i g i t a l C o nt ro l o f E l e c t r i c a l M a c h i n e s , t h eP r o g r am C o m m i tt ee o f t h e I n t e r n a t i o n a l S t a t i c P o w e r C o n v e r t e r C o n f e r e n c e ,t h e C o m m i t t e e o n A u t o m o t i v e A p p l i c a t i o n s o f M i c r o p r o c e s s o r s , t h e F e l l o wN o m i n a t i n g C o m m i t t e e f o r t h e S t a t i c P o w e r C o n v e r t e r C o m m i t t e e , a n d t h eP r o g r a m C o m m i t t e e o f t h e T o k y o I n t e r n a t i o n a l Power E l e c t r o n i c s C o n f e r -e n c e . H i s b i o g r a p h y h a s b e e n p u b l i s h e d i n W h o ' s Wh o i n E n g i n e e r i n g , U K ,W h o ' s Who i n T e c h n o l o g y , U S A , a n d D i r e c t o r y o f W o r l d R e s e a r c h e r s i nJ a p a n . T h e I n s t i t u t e o f E l e c t r o n i c s a n d T e l e c o m m u n i c a t i o n E n g i n e e r s , I n d i a ,h a s e s t a b l i s h e d t h e B i m a l B o s e Award i n P o w e r E l e c t r o n i c s w h i c h i s a w a r d e da n n u a l l y t o a n I nd i a n e n g i n e e r f o r a n o u t s t a n d i n g c o n t r i b u t i o n i n p o w e re l e c t r o n i c s .

T i m o t h y J . E . M i l l e r ( M ' 7 4 - S M ' 8 2 ) r e c e i v e d t h eB . S c . d e g r e e f r o m t h e U n i v e r s i t y o f G l a s g o w a n dt h e P h . D . d e g r e e f r o m t h e U n i v e r s i t y o f L e e d s i n1 9 7 0 a n d 1 9 7 7 , r e s p e c t i v e l y , b o t h i n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g .He j o i n e d t h e re se a rc h s t a f f o f t h e G e n e r a lE l e c t r i c C o m p a n y , C o r p o r a t e R e s e a r c h a n d D e v e l -o p m e n t , i n 1 9 7 9 . He h a s w o r k e d o n t h e d e s i g n o fp e r m a n e n t - m a g n e t a c m o t o r s a n d g e n e r a t o r s , o n t h e_ l c o n t r o l s y s t e m f o r t h y r i s t o r - s w i t c h e d c a p a c i t o r s f o rp o w e r s y s t e m c o m p e n s a t i o n , a n d o n t h e d e v e l o p -m e n t o f p o w e r e l e c t r o n i c c o n v e r t e r s a n d c o n t r o l s y s t e m s f o r s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r d r i v e s . H i s t e c h n i c a l w o r k includes t h e a n a l y s i s o f t hed y n a m i c p e r f o r m a n c e o f p e r m a n e n t - m a g n e t a c m o to r s d ur in g s t a r t i n g a n dw h e n o p e r a t i n g f r o m s o l i d - s t a t e p o w e r s u p p l i e s . He h a s d e s i g n e d t h e w o r l d ' sl a r g e s t p e r m a n e n t - m a g n e t g e n e r a t o r f o r i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s . H i s w o r k o ns w i t c h e d r e l u c t a n c e s y s t e m s i n c l u d e s t h e d e v e l o p m e n t o f n o v e l t y p e s o f p o w e re l e c t r o n i c c o n v e r t e r s w i t h a s s o c i a t e d a n a l y s i s . He i s p r e s e n t l y M a n a g e r o f t h eP o w e r E l e c t r o n i c s C o n t r o l P r o g r a m , P o w e r E l e c t r o n i c s L a b o r a t o r y . He ia l s o a n i n s t r u c t o r i n t h e R e a c t i v e P o w e r C o n tr o l c o ur s e w h i c h h e h e l p e d t oe s t a b l i s h a t t h e U n i v e r s i t y o f W i sc o ns in . He i s t h e a u t h o r o f a t e x t b o o k o nr e a c t i v e c o m p e n s a t i o n f o r e l e c t r i c p o w e r s y s t e m s , w h i c h i s t h e o n l y t e x td e a l i n g w i t h m o d e r n p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n i q u e s . He i s a l s o a n A dj un ctA s s o c i a t e P r o f e s s o r a t U n i o n C o l l e g e i n S c h e n e c t a d y , NY, w h e r e h e t e a c h e sc o u r s e s i n e l e c t r i c a l e n e r g y c o n v e r s i o n a n d e l e c t r o n i c c o n t r o l o f m o t o r d r i v e s .l I e h o l d s e i g h t p a t e n t s a n d h as a u th o r ed 2 8 t e c h n i c a l p a p e r s i n a d d i t i o n t o h i st e x t b o o k .D r . M i l l e r i s a C h a r t e r e d E n g i n e e r i n t h e U n i t e d Kingdom a nd a n A s s o c i a t eF e l l o w o f t h e I n s t i t u t e o f M a t h e m a t i c s a n d i t s A p p l i c a t i o n s .

P a u l M . S z c z e s n y , f o r a p h o t o g r a p h a n d b i o g r a p h y p l e a s e s e e p a g e 1 1 9 1 o ft h e S e p t e m b e r / O c t o b e r 1 9 8 5 i s s u e o f t h i s T R A N S A C T I O N S .

W i l l i a m H. B i c k n e l l r e c e i v e d t h e a s s o c i a t e s d e g r e ei n a p p l i e d s c i e n c e f r o m H u d s o n V a l l e y C o m m u n i t yC o l l e g e , T r o y , NY, a n d t h e B . S . d e g r e e i n e l e c t r ic a l e n g i n e e r i n g f r o m U ni o n C o l l e g e , S c h e n e c t a d y ,NY, i n 1 9 7 6 a n d 1 9 8 3 , r e s p e c t i v e l y .S i n c e 1 9 8 3 , h e h a s w o r k e d a s a R e s e a r c h S p e c i a l -i s t f o r G e n e r a l E l e c t r i c C o r p o r a t e R e s e a r c h a n dD e v e l o p m e n t i n S c h e n e c t a d y , NY. He h a s b e e ne n g a g e d i n d e v e l o p i n g m i c r o p r o c e s s o r - b a s e d c o n -t r o l s y s t e m s f o r p o w e r e l e c t r o n i c c i r c u i t s . H i sc u r r e n t f i e l d o f i n t e r e s t i s i n d e v e l o p i n g c o m p u t e d -a i d e d d e s i g n t o o l s f o r h i g h - v o l t a g e i n t e g r a t e d c i r c u i t s .

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