Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches

Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches

Introduction. 5-phase permanent magnet synchronous machines (PMSMs) are widely used in modern electric drive systems due to their superior torque density, improved fault tolerance, and reduced torque ripple. These characteristics make them ideal for demanding applications such as electric vehicles,...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2025
Hauptverfasser: Bessaad, T., Benbouali, A., Khelifi Otmane, K., Taleb, R., Sahraoui, H., Iqbal, A.
Format: Artikel
Sprache:English
Veröffentlicht: National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine 2025
Schlagworte:
multi-machine system
fuzzy logic controller
independent vector control
asymmetric inverter
Online Zugang:http://eie.khpi.edu.ua/article/view/333124
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Electrical Engineering & Electromechanics

Institution

Electrical Engineering & Electromechanics
id eiekhpieduua-article-333124
record_format ojs
institution Electrical Engineering & Electromechanics
baseUrl_str
datestamp_date 2025-11-01T22:19:02Z
collection OJS
language English
topic multi-machine system
fuzzy logic controller
independent vector control
asymmetric inverter
spellingShingle multi-machine system
fuzzy logic controller
independent vector control
asymmetric inverter
Bessaad, T.
Benbouali, A.
Khelifi Otmane, K.
Taleb, R.
Sahraoui, H.
Iqbal, A.
Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches
topic_facet багатомашинна система
контролер нечіткої логіки
незалежне векторне керування
асиметричний інвертор
multi-machine system
fuzzy logic controller
independent vector control
asymmetric inverter
format Article
author Bessaad, T.
Benbouali, A.
Khelifi Otmane, K.
Taleb, R.
Sahraoui, H.
Iqbal, A.
author_facet Bessaad, T.
Benbouali, A.
Khelifi Otmane, K.
Taleb, R.
Sahraoui, H.
Iqbal, A.
author_sort Bessaad, T.
title Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches
title_short Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches
title_full Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches
title_fullStr Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches
title_full_unstemmed Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches
title_sort inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches
title_alt Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches
description Introduction. 5-phase permanent magnet synchronous machines (PMSMs) are widely used in modern electric drive systems due to their superior torque density, improved fault tolerance, and reduced torque ripple. These characteristics make them ideal for demanding applications such as electric vehicles, aerospace systems, and industrial automation. Problem. Despite their advantages, conventional multi-machine systems using multilevel inverters and PI controllers suffer from sensitivity to parameter variations, high torque ripple, and increased cost and complexity due to the large number of power switches. The goal of this work is to design and validate a compact robust drive system that enables independent vector control of two series-connected 5-phase PMSMs using a reduced switch count asymmetrical 19-level inverter and fuzzy logic controllers. Methodology. The proposed system is modeled in the phase domain and transformed using Clarke and Park transformations to enable decoupled control. Mamdani-type fuzzy logic controllers are implemented for both speed and current regulation. The system is simulated in MATLAB/Simulink to evaluate performance under dynamic conditions and parameter variations. Results. The fuzzy logic controller significantly outperforms the conventional PI controller, achieving a settling time of 0.06 s versus 0.15 s, a steady-state speed error of 0.4 % compared to 1.9 %, and a torque ripple reduction of 47 %. Under robustness testing with doubled inertia, the fuzzy controller maintains stable and accurate control, whereas the PI controller fails. Additionally, the inverter achieves near-sinusoidal output with a total harmonic distortion of less than 4.5 %, and the switch count is reduced by 66 % compared to traditional 36-switch designs. Scientific novelty. This work presents the first implementation of independent vector control for two series-connected PMSMs using a single 12-switch asymmetrical 19-level inverter and model-free fuzzy logic control, offering a simpler and more efficient alternative to existing approaches. Practical value. The proposed system provides a highly efficient and cost-effective solution for electric drive applications where space, reliability, and control robustness are essential, such as in electric transportation, avionics, and compact industrial systems. References 26, tables 4, figures 9.
publisher National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine
publishDate 2025
url http://eie.khpi.edu.ua/article/view/333124
work_keys_str_mv AT bessaadt inverterfuzzyspeedcontrolofmultimachinesystemseriesconnectedfedbyasinglefivephaseanasymmetrical19levelinverterwithlessnumberofswitches
AT benboualia inverterfuzzyspeedcontrolofmultimachinesystemseriesconnectedfedbyasinglefivephaseanasymmetrical19levelinverterwithlessnumberofswitches
AT khelifiotmanek inverterfuzzyspeedcontrolofmultimachinesystemseriesconnectedfedbyasinglefivephaseanasymmetrical19levelinverterwithlessnumberofswitches
AT talebr inverterfuzzyspeedcontrolofmultimachinesystemseriesconnectedfedbyasinglefivephaseanasymmetrical19levelinverterwithlessnumberofswitches
AT sahraouih inverterfuzzyspeedcontrolofmultimachinesystemseriesconnectedfedbyasinglefivephaseanasymmetrical19levelinverterwithlessnumberofswitches
AT iqbala inverterfuzzyspeedcontrolofmultimachinesystemseriesconnectedfedbyasinglefivephaseanasymmetrical19levelinverterwithlessnumberofswitches
first_indexed 2025-11-02T02:08:55Z
last_indexed 2025-11-02T02:08:55Z
_version_ 1850423688277524480
spelling eiekhpieduua-article-3331242025-11-01T22:19:02Z Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches Inverter fuzzy speed control of multi-machine system series-connected fed by a single five-phase an asymmetrical 19-level inverter with less number of switches Bessaad, T. Benbouali, A. Khelifi Otmane, K. Taleb, R. Sahraoui, H. Iqbal, A. багатомашинна система контролер нечіткої логіки незалежне векторне керування асиметричний інвертор multi-machine system fuzzy logic controller independent vector control asymmetric inverter Introduction. 5-phase permanent magnet synchronous machines (PMSMs) are widely used in modern electric drive systems due to their superior torque density, improved fault tolerance, and reduced torque ripple. These characteristics make them ideal for demanding applications such as electric vehicles, aerospace systems, and industrial automation. Problem. Despite their advantages, conventional multi-machine systems using multilevel inverters and PI controllers suffer from sensitivity to parameter variations, high torque ripple, and increased cost and complexity due to the large number of power switches. The goal of this work is to design and validate a compact robust drive system that enables independent vector control of two series-connected 5-phase PMSMs using a reduced switch count asymmetrical 19-level inverter and fuzzy logic controllers. Methodology. The proposed system is modeled in the phase domain and transformed using Clarke and Park transformations to enable decoupled control. Mamdani-type fuzzy logic controllers are implemented for both speed and current regulation. The system is simulated in MATLAB/Simulink to evaluate performance under dynamic conditions and parameter variations. Results. The fuzzy logic controller significantly outperforms the conventional PI controller, achieving a settling time of 0.06 s versus 0.15 s, a steady-state speed error of 0.4 % compared to 1.9 %, and a torque ripple reduction of 47 %. Under robustness testing with doubled inertia, the fuzzy controller maintains stable and accurate control, whereas the PI controller fails. Additionally, the inverter achieves near-sinusoidal output with a total harmonic distortion of less than 4.5 %, and the switch count is reduced by 66 % compared to traditional 36-switch designs. Scientific novelty. This work presents the first implementation of independent vector control for two series-connected PMSMs using a single 12-switch asymmetrical 19-level inverter and model-free fuzzy logic control, offering a simpler and more efficient alternative to existing approaches. Practical value. The proposed system provides a highly efficient and cost-effective solution for electric drive applications where space, reliability, and control robustness are essential, such as in electric transportation, avionics, and compact industrial systems. References 26, tables 4, figures 9. Вступ. П’ятифазні синхронні машини з постійними магнітами (PMSMs) широко використовуються в сучасних системах електроприводу завдяки високій щільності і зменшеній пульсації крутного моменту, та підвищеній відмовостійкості. Ці характеристики роблять їх ідеальними для багатьох застосувань – електромобілі, аерокосмічні системи та промислова автоматика. Проблема. Незважаючи на переваги, традиційні багатомашинні системи, що використовують багаторівневі інвертори та ПІ-регулятори, є чутливими до змін параметрів, високої пульсації крутного моменту, а також високій вартості і складності через велику кількість силових ключів. Метою роботи є розробка та валідація компактної надійної системи приводу, яка забезпечує незалежне векторне керування двома послідовно з’єднаними п’ятифазними PMSM з використанням асиметричного 19-рівневого інвертора зі зменшеною кількістю ключів та нечітких логічних контролерів. Методологія. Запропонована система моделюється у фазовій області з використанням перетворень Кларка та Парка для забезпечення розв’язаного керування. Реалізовано нечіткі логічні контролери типу Мамдані для регулювання швидкості і струму. Система моделюється в MATLAB/Simulink для оцінки продуктивності в динамічних умовах та зміни параметрів. Результати. Нечіткий логічний регулятор значно перевершує традиційний ПІ-регулятор, досягаючи часу встановлення 0,06 с проти 0,15 с, помилки швидкості 0,4 % проти 1,9 % і зниження пульсацій крутного моменту на 47 %. При випробуванні на надійність з подвоєним моментом інерції нечіткий логічний регулятор підтримує стабільне та точне керування, тоді як ПІ-регулятор виходить з ладу. Крім того, інвертор досягає майже синусоїдального вихідного сигналу із загальним коефіцієнтом гармонічних спотворень менше 4,5 %, а кількість перемикачів скорочено на 66 % порівняно з традиційними конструкціями з 36 перемикачами. Наукова новизна. У роботі представлена перша реалізація незалежного векторного управління для двох послідовно з’єднаних PMSMs з використанням одного асиметричного 19-рівневого інвертора з 12 перемикачами та нечіткого логічного управління без моделі, що пропонує більш просту та ефективну альтернативу існуючим підходам. Практична значимість. Пропонована система є високоефективним та економічним рішенням для електроприводів, де важливі компактність, надійність і стійкість управління, наприклад, в електротранспорті, авіоніці та компактних промислових системах. Бібл. 26, табл. 4, рис. 9. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine 2025-11-02 Article Article application/pdf http://eie.khpi.edu.ua/article/view/333124 10.20998/2074-272X.2025.6.02 Electrical Engineering & Electromechanics; No. 6 (2025); 8-14 Электротехника и Электромеханика; № 6 (2025); 8-14 Електротехніка і Електромеханіка; № 6 (2025); 8-14 2309-3404 2074-272X en http://eie.khpi.edu.ua/article/view/333124/330005 Copyright (c) 2025 T. Bessaad, A. Benbouali, K. Khelifi Otmane, R. Taleb, H. Sahraoui, A. Iqbal http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0

Ähnliche Einträge