Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model
Introduction. Scalar control (SC) and field-oriented control (FOC) are widely used in sensorless induction motor (IM) drives for their balance of performance and cost. Among estimation techniques, the voltage-model (VM) based model reference adaptive system (MRAS) is preferred in industry due to its...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine
2026
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://eie.khpi.edu.ua/article/view/349674 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Electrical Engineering & Electromechanics |
Репозитарії
Electrical Engineering & Electromechanics| _version_ | 1864036366938013696 |
|---|---|
| author | Nguyen, P. D. Kuchar, M. |
| author_facet | Nguyen, P. D. Kuchar, M. |
| author_sort | Nguyen, P. D. |
| baseUrl_str | http://eie.khpi.edu.ua/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-05-01T21:05:27Z |
| description | Introduction. Scalar control (SC) and field-oriented control (FOC) are widely used in sensorless induction motor (IM) drives for their balance of performance and cost. Among estimation techniques, the voltage-model (VM) based model reference adaptive system (MRAS) is preferred in industry due to its simple structure and low computational load. Problem. Traditional VM-based MRAS schemes are highly sensitive to parameter uncertainties, especially to variations in stator resistance Rs caused by temperature changes. These variations degrade flux estimation accuracy, leading to significant speed-tracking errors, increased transients, and reduced stability in both SC and FOC. Goal. This study quantitatively evaluates how the estimation of stator resistance Rs and the dependent rotor resistance Rr affects the speed-control performance of sensorless SC and FOC under parameter mismatch. Methodology. An improved VM-based MRAS is proposed with parallel Rs estimation and Rr updated via a linear relation to Rs. Estimator stability and convergence are proven using Lyapunov theory. The estimator is integrated into SC and FOC and tested in MATLAB/Simulink under identical conditions, including a sudden 30 % increase in resistance. Speed tracking is quantified using the integral of time-weighted absolute error (ITAE). Results. Parameter estimation markedly enhances the robustness of both strategies. In sensorless SC, ITAE drops by about 66.2 % (5.512 to 1.863), indicating much lower transient oscillations. In sensorless FOC, ITAE falls by about 54 % (0.7075 to 0.323), with speed overshoot nearly eliminated (0.031). Scientific novelty. The study provides a unified quantitative comparison of sensorless SC and FOC using ITAE under identical operating and estimation conditions, revealing different levels of performance recovery with the proposed dual-resistance adaptation. Practical value. The findings guide the design of more reliable industrial IM drives, showing that while FOC retains superior dynamics, SC with estimation becomes a robust, cost-effective option for applications with significant parameter uncertainty. References 31, table 1, figures 13. |
| doi_str_mv | 10.20998/2074-272X.2026.3.09 |
| first_indexed | 2026-05-02T01:00:07Z |
| format | Article |
| id | eiekhpieduua-article-349674 |
| institution | Electrical Engineering & Electromechanics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-05-02T01:00:07Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | eiekhpieduua-article-3496742026-05-01T21:05:27Z Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model Nguyen, P. D. Kuchar, M. асинхронний двигун бездатчикове керування скалярне керування векторне керування адаптивна система з еталонною моделлю оцінювання опору статора induction motor sensorless control scalar control field-oriented control model reference adaptive system stator resistance estimation Introduction. Scalar control (SC) and field-oriented control (FOC) are widely used in sensorless induction motor (IM) drives for their balance of performance and cost. Among estimation techniques, the voltage-model (VM) based model reference adaptive system (MRAS) is preferred in industry due to its simple structure and low computational load. Problem. Traditional VM-based MRAS schemes are highly sensitive to parameter uncertainties, especially to variations in stator resistance Rs caused by temperature changes. These variations degrade flux estimation accuracy, leading to significant speed-tracking errors, increased transients, and reduced stability in both SC and FOC. Goal. This study quantitatively evaluates how the estimation of stator resistance Rs and the dependent rotor resistance Rr affects the speed-control performance of sensorless SC and FOC under parameter mismatch. Methodology. An improved VM-based MRAS is proposed with parallel Rs estimation and Rr updated via a linear relation to Rs. Estimator stability and convergence are proven using Lyapunov theory. The estimator is integrated into SC and FOC and tested in MATLAB/Simulink under identical conditions, including a sudden 30 % increase in resistance. Speed tracking is quantified using the integral of time-weighted absolute error (ITAE). Results. Parameter estimation markedly enhances the robustness of both strategies. In sensorless SC, ITAE drops by about 66.2 % (5.512 to 1.863), indicating much lower transient oscillations. In sensorless FOC, ITAE falls by about 54 % (0.7075 to 0.323), with speed overshoot nearly eliminated (0.031). Scientific novelty. The study provides a unified quantitative comparison of sensorless SC and FOC using ITAE under identical operating and estimation conditions, revealing different levels of performance recovery with the proposed dual-resistance adaptation. Practical value. The findings guide the design of more reliable industrial IM drives, showing that while FOC retains superior dynamics, SC with estimation becomes a robust, cost-effective option for applications with significant parameter uncertainty. References 31, table 1, figures 13. Вступ. Скалярне керування (SC) та векторне керування (FOC) широко застосовуються в бездатчикових електроприводах з асинхронними двигунами (IM) завдяки оптимальному поєднанню ефективності та вартості. Серед методів оцінювання адаптивна система з еталонною моделлю (MRAS) на основі моделі напруги (VM) є поширеною в промисловості завдяки простій структурі та низьким обчислювальним витратам. Проблема. Традиційні схеми MRAS на основі моделі напруги є високочутливими до невизначеностей параметрів, особливо до змін опору статора (Rs), спричинених температурними впливами. Такі зміни погіршують точність оцінювання потокозчеплення, що призводить до значних похибок відстеження швидкості, зростання перехідних процесів і зниження стійкості як у SC, так і у FOC. Мета. Кількісно оцінити вплив оцінювання опору статора Rs та пов’язаного з ним опору ротора Rr на характеристики керування швидкістю в бездатчикових системах SC і FOC за умов розузгодження параметрів. Методика. Запропоновано вдосконалену систему MRAS на основі моделі напруги з паралельним оцінюванням Rs та оновленням Rr за лінійною залежністю від Rs. Стійкість і збіжність оцінювача доведено з використанням теорії Ляпунова. Оцінювач інтегровано до структур SC і FOC та досліджено в середовищі MATLAB/Simulink за однакових умов, зокрема при раптовому збільшенні опору на 30 %. Якість відстеження швидкості оцінювалася за інтегральним критерієм абсолютної похибки, зваженої за часом (ITAE). Результати. Оцінювання параметрів суттєво підвищує робастність обох стратегій. Для бездатчикового SC значення ITAE зменшилося приблизно на 66,2 % (з 5,512 до 1,863), що свідчить про істотне зниження перехідних коливань. Для бездатчикового FOC значення ITAE знизилося приблизно на 54 % (з 0,7075 до 0,323), при цьому перерегулювання швидкості було майже повністю усунено (0,031). Наукова новизна. У роботі наведено уніфіковане кількісне порівняння бездатчикових систем SC і FOC за критерієм ITAE в однакових умовах роботи та оцінювання, що дозволило виявити різний рівень відновлення характеристик при запропонованій адаптації двох опорів. Практична значимість. Отримані результати можуть бути використані під час проєктування більш надійних промислових електроприводів з асинхронними двигунами. Показано, що хоча FOC зберігає перевагу за динамічними характеристиками, SC з оцінюванням параметрів є робастним і економічно доцільним рішенням для застосувань зі значною невизначеністю параметрів. Бібл. 31, табл. 1, рис. 13. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" and Аnatolii Pidhornyi Institute of Power Machines and Systems of NAS of Ukraine 2026-05-02 Article Article application/pdf https://eie.khpi.edu.ua/article/view/349674 10.20998/2074-272X.2026.3.09 Electrical Engineering & Electromechanics; No. 3 (2026); 62-67 Электротехника и Электромеханика; № 3 (2026); 62-67 Електротехніка і Електромеханіка; № 3 (2026); 62-67 2309-3404 2074-272X en https://eie.khpi.edu.ua/article/view/349674/344137 Copyright (c) 2026 P. D. Nguyen, M. Kuchar http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | induction motor sensorless control scalar control field-oriented control model reference adaptive system stator resistance estimation Nguyen, P. D. Kuchar, M. Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model |
| title | Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model |
| title_alt | Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model |
| title_full | Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model |
| title_fullStr | Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model |
| title_full_unstemmed | Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model |
| title_short | Performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model |
| title_sort | performance improvement of sensorless scalar and vector control for induction motor drives via an enhanced voltage model |
| topic | induction motor sensorless control scalar control field-oriented control model reference adaptive system stator resistance estimation |
| topic_facet | асинхронний двигун бездатчикове керування скалярне керування векторне керування адаптивна система з еталонною моделлю оцінювання опору статора induction motor sensorless control scalar control field-oriented control model reference adaptive system stator resistance estimation |
| url | https://eie.khpi.edu.ua/article/view/349674 |
| work_keys_str_mv | AT nguyenpd performanceimprovementofsensorlessscalarandvectorcontrolforinductionmotordrivesviaanenhancedvoltagemodel AT kucharm performanceimprovementofsensorlessscalarandvectorcontrolforinductionmotordrivesviaanenhancedvoltagemodel |