Development of variable voltage variable frequency drive system for induction motor speed control

CONTENTS 
TITLE 
i 
DECLARATION
ii 
DEDICATION 
iii 
 
ACKNOWLEDGEMENT 
iv 
 
ABSTRACT 
v 
 
ABSTRAK 
vi 
CONTENTS 
vii 
 
LIST OF TABLES 
xi 
 
LIST OF FIGURES 
xii 
LIST OF SYMBOLS AND ABBREVIATIONS 
xiv 
CHAPTER 1 
INTRODUCTION 
1 
1.1 
Project background 
1 
1.2 
Problem statement 
2 
1.3
Aim 
4 
1.4 
Project Objectives 
4 
1.5 
Scope of Study 
4 
1.6 
Project Outline 
5 
CHAPTER 2 
LITERATURE REVIEW 
6 
2.1 
Introduction 
6 

---

viii 
2.2 
Previous Research Projects 
6 
2.2.1 Implement of VVVF Drive for a Three 
Phase Induction Motor 
6 
2.2.2 Scalar speed control of Dual Three 
Phase 
Induction 
Motor 
using 
Proportional Integral (PI) and Integral 
Proportional (IP Controller) 
7 
2.2.3 Variable Voltage Variable Frequency 
Speed Control of Induction Motor using 
FPGA-Xilinx 
8 
2.2.4 Improving the Dynamic Response of 
Scalar Control of Induction Machine 
Drive using Phase Angle Control 
9 
2.2.5 Hardware implementation of Simplified 
VVVF Inverter for Induction Motor 
Based on Space Vector Modulation 
(SVM) 
10 
2.3 
Induction Motor 
11 
2.4 
Variable Voltage Variable Frequency (VVVF) 
Topology 
12 
2.5 
Single phase inverter 
14 
2.6 
Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) 
15 
2.7 
Gate Driver 
16 
2.8 
P, PI, PID Controller 
17 
2.8.1 P Controller 
17 
2.8.2 PI Controller 
18 
2.8.3 PID Controller 
19 
2.9 
MATLAB/Simulink 
21 
2.10 
C2000 Texas Instrument Microcontroller 
22 
2.11 
Summarized of Previous Related project 
23 
2.12 Summary
25 

---

ix 
CHAPTER 3 
METHODOLOGY 
26 
3.1 
Introduction 
26 
3.2 
General Flowchart 
26 
3.3 
Design of switching system for VVVF 
28 
3.3.1 VVVF Development system 
30 
3.3.1.1 Development of Sinusoidal 
pulse width modulation (SPWM) 
33 
3.3.1.2 Development of LOOKUP 
Table 
34 
3.3.1.3 Development of PI Controller 
35 
3.3.1.4 Development of Speed 
Acquisition block 
36 
3.4 
VVVF Hardware Development 
39 
3.4.1 Closed loop hardware Simulink software 
inside the TI 
41 
3.5 
Gate Driver 
43 
3.6 
Inverter circuit 
44 
3.7 
Encoder speed sensor 
45 
3.8 
Complete Hardware Circuit 
46 
3.9 
Summary 
47 
CHAPTER 4 
RESULTS AND DISCUSSION 
48 
4.1 
Introduction 
48 
4.2 
VVVF Simulink test 
48 
4.2.1 Study case 1 (240V
ref
50hz
ref
) for
1300rpm Induction Motor 
48 
4.2.2 Study case 2 (240V
ref 
50hz
ref
) for 
1500rpm Induction Motor 
51 
4.2.3 Study case 3 (240V
ref
40hz
ref
) for
1300rpm Induction Motor 
53 
4.2.4 Study case 4 (240V
ref
40hz
ref
) for 
1500rpm Induction Motor 
55 

---

x 
4.3 
VVVF Hardware test 
57 
4.3.1 
Study case 1 (240V
ref
50hz
ref
) for 
1300rpm 
57 
4.3.2 Study case 2 (240V
ref
50hz
ref
) for 
1500rpm 
58 
4.3.3 Study case 3 (240V
ref
40hz
ref
) for 
1300rpm 
59 
4.3.4 Study case 4 (240V
ref
40hz
ref
) for 
1500rpm 
60 
4.4 
Comparison between Simulink and Hardware 
in IM speed 
61 
4.5 
Summary 
63 
CHAPTER 5 
CONCLUSION AND RECOMMENDATION 
64 
5.1 
Introduction 
64 
5.2 
Conclusion 
64 
5.3 
Recommendation
65 
 
REFERENCES 
67 
 
VITA 
71 

---

xi 
LIST OF TABLES 
2.1 
Differences between MOSFET and IGBT 
17 
2.2 
Comparison of Gain Response between PID Controller 
20 
2.3 
Various effect on P, PI, and PID output parameter 
20 
2.4 
Texas Instruments TMS320F28335 Delfino 
Microcontroller 
23 
2.5 
Summarized of VVVF technique 
24 
3.1 
Development of Speed Acquisition block 
38 
3.2 
List of components for gate driver 
44 
3.3 
List of components for Single phase Inverter 
45 
4.1 
Motor speed display (RPM) for 240V
ref
50hz
ref
for 
1300rpm 
50 
4.2 
Motor speed display (RPM) for 240V
ref
50hz
ref
for 
1500rpm 
52 
4.3 
Motor speed display (RPM) for 240V
ref
40hz
ref
for 
1300rpm 
54 
4.4 
Motor speed display (RPM) for 240V
ref
40hz
ref
for 
1500rpm 
56 
4.5 
Hardware motor speed output for (1300rpm) 240V
ref
50hz
ref
58 
4.6 
Hardware motor speed output for (1500rpm) 240V
ref
50hz
ref
59 
4.7 
Hardware motor speed output for (1300rpm) 240V
ref 
40hz
ref
60 
4.8 
Hardware motor speed output for (1500rpm) 240V
ref 
40hz
ref
61 
4.9 
Comparison between Simulink and Hardware speed 
(RPM) result 
63 

---

xii 
 
LIST OF FIGURES 
1.1 
VVVF Block Diagram 
2 
2.1 
VVVF Controller 
7 
2.2 
Block diagram of Closed-loop scalar control 
8 
2.3 
Block diagram for closed loop control of three-phase 
induction motor 
9 
2.4 
Block diagram showing the closed loop control of the 
proposed method 
10 
2.5 
Block Hardware Design for VVVF Based on SVM 
Implementation 
11 
2.6 
Equivalent circuit of Induction Motor 
12 
2.7 
Block diagram of VVVF control system for induction 
drive systems 
13 
2.8 
SPWM Unipolar scheme 
16 
2.9 
Proportional Controller block diagram 
18 
2.10 
PI controller block diagram 
19 
2.11 
PID block diagram 
20 
2.12 
MATLAB software 
21 
2.13 
MATLAB Simulink Library Browser 
22 
2.14 
TMS320F28335 Microcontroller 
22 
3.1 
Overall project flowchart 
27 
3.2 
VVVF Software Flowchart 
29 
3.3 
VVVF Closed loop 
32 
3.4 
Sine wave 
33 
3.5 
Cosine wave 
33 
3.6 
Lookup Table 
35 
3.7 
PI Controller Parameter 
36 

---

xiii 
3.8 
VVVF Hardware Flowchart 
40 
3.9 
Closed loop hardware Simulink software inside the TI 
42 
3.10 
Gate driver circuit 
43 
3.11 
Single phase inverter circuit 
45 
3.12 
Encoder Speed Sensor 
46 
3.13 
Entire hardware circuit 
47 

---

xiv 
LIST OF SYMBOLS AND ABBREVIATIONS 
AC 
‒ Alternating Current 
CCS 
‒ Code Composer Studio 
DC 
‒ Direct Current
EMF 
‒ Electromotive force 
f
e
 
f
r
 
‒ 
‒ 
Electrical frequency 
Frequency signal 
FPGA 
‒ Field Programmable Gate Arrays 
GUI 
‒ Graphical User Interface 
IGBTT 
‒ Insulated-gate bipolar transistor 
IM 
‒ Induction Motor 
MOSFET 
‒ Metal-Oxide Semiconductor Filed-Effect 
Transistor 
N
e
‒ Rotation Speed 
N
r
‒ Rotation Rotor 
PI
‒ Proportional Integral 
PID 
‒ Proportional Integral Derivative 
P
o
‒ Power Output 
PWM 
‒ Pulse Width Modulation 
RPM 
‒ Revolutions per minute 
SVM 
‒ Space Vector Modulation 
SPWM 
‒ Sinusoidal Pulse Width Modulation 
THD 
‒ Total Harmonic Distortion 
TI 
‒ Texas Instrument 
Vs 
‒ Voltage source 
VVVF 
‒ Variable Voltage Variable Frequency 

---

CHAPTER 1 
INTRODUCTION 
1.1 
Project background 
AC motors are one of the most used machines in manufacturing and accounted for 
80% of all motor drive applications [1]. It is simple and robust design and makes it 
cheaper in terms of maintenance compared to brushed motors. However, variable 
speed and variable load applications such as AC motors are not ideal when changing 
torque and speed control which are slower and less accurate than DC motors. The 
common way that AC motor torque and speed are being controlled are through variable 
voltage control, variable frequency control, and variable frequency and variable 
voltage control [2]. In addition, a power electronic converter is used to control the AC 
motor output performance. Thus, an AC motor uses an inverter to change the voltage 
and frequency in from the DC power source. Power semiconductor device such as 
Insulated gate bipolar transistor (IGBT), Metal oxide semiconductor field effect 
transistor (MOSFET) and Gate turn off thyristor (GTO) can be applied in controlling 
the speed of IM.
Switching devices are defined as the ability to manage power and switch its 
speed [3]. MATLAB/Simulink gave the instruction to the C2000 Texas Instrument 
TMS320F28335 the microcontroller. Gate driver boost up the voltage from 
microcontroller. The source for this project is DC power supply and after the process 
of inverter, the output is in AC voltage [4]. Step up transformer is used to increase the 
voltage to the required voltage needed for the IM motor to operate. Speed sensor is 
used as a feedback and a control parameter in MATLAB/Simulink. The output of 
motor speed is sent back to Texas Instrument. Motor speed sensor output is to be 
monitored, and this process is to be kept running and maintained by comparing it with 

---

2 
the actual condition to maintain the desired output speed. Figure 1.1 shows the block 
diagram for the whole project.
Figure 1.1: VVVF block diagram