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DC Motor Speed Control through Parallel DC/DC Buck Converters

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This article proposes a multivariable robust controller for the regulation of DC motor angular speed, and for the active current sharing in each parallel DC/DC buck converter. Considering that the parallel DC/DC buck converter is connected in cascade to the armature of the DC motor. Additionally, the controller rejects actively the internal and external disturbances, which is subjected the multivariable linear system. These disturbances are considered time-varying, but they are bounded. The control law is based on differential flatness and active disturbance rejection control with GPI observers. Computer simulations using Matlab/Simulink verified the effectiveness of the proposed controller.
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Abstract— This article proposes a multivariable robust
controller for the regulation of DC motor angular speed, and for
the active current sharing in each parallel DC/DC buck
converter. Considering that the parallel DC/DC buck converter
is connected in cascade to the armature of the DC motor.
Additionally, the controller rejects actively the internal and
external disturbances, which is subjected the multivariable linear
system. These disturbances are considered time-varying, but they
are bounded. The control law is based on differential flatness and
active disturbance rejection control with GPI observers.
Computer simulations using Matlab/Simulink verified the
effectiveness of the proposed controller.
Keywords— Parallel DC/DC Buck Converters, DC motor
angular speed control, Differential flatness, Active disturbance
rejection control, GPI Observer, Matlab/Simulink.
I. INTRODUCCIÓN
RADICIONALMENTE se han utilizado tres tipos de
motores para funcionar en régimen de velocidad variable,
los cuales son: a) motor síncrono, b) motor de inducción y
c) motor de corriente directa (CD). A pesar de que el motor de
CD es menos eficiente debido a las pérdidas por fricción entre
escobillas y conmutador, sus características permiten regular
la velocidad de una forma sencilla dentro de márgenes
amplios, además de proporcionar un alto par de arranque,
razones por las cuales ha sido utilizado en diversas
aplicaciones relacionadas con el accionamiento de motores
electricos [1-2].
Actualmente, en el desarrollo de controladores de velocidad
de alto rendimiento para las aplicaciones industriales que
requieren variación de velocidad, se emplea un convertidor
electrónico de potencia CD/CD como interfaz entre la fuente
de alimentación y el motor de CD, de tal manera que la
velocidad angular del motor se puede variar ajustando el
voltaje de salida de cd de dicho convertidor [3].
Algunos de los trabajos relacionados con controladores de
velocidad del motor de CD utilizando convertidores
electrónicos de potencia son los siguientes: en [1], [3] y [4] se
proponen controladores de velocidad accionados mediante un
convertidor CD/CD tipo reductor, donde el modelo promedio
del sistema convertidor-motor CD resulta ser lineal, además
de ser diferencialmente plano [5]. Cabe mencionar que la
propiedad de planitud diferencial es de gran ayuda, ya que
mediante ésta se pueden diseñar no solamente controladores
de regulación, sino también controladores de seguimiento,
además de poder agregar una parte integral para minimizar los
efectos del par aplicado al motor de CD [2-3].
En [6-10] se presentan trabajos relacionados con el
suministro de energía utilizando una configuración de dos
convertidores CD/CD tipo reductor con interconexión en
paralelo, llamado también convertidor multi-fase, donde se
tiene la doble finalidad de: a) incrementar la capacidad de
potencia del convertidor y reducir el esfuerzo de corriente en
los dispositivos, b) conservar la linealidad del modelo y la
propiedad de planitud diferencial. Lo anterior trae como
consecuencia trabajar con un sistema de múltiples entradas y
múltiples salidas (MEMS). De los trabajos anteriores,
solamente en [6] se aborda la combinación de convertidores
paralelo-motor de CD, donde los autores diseñan e
implementan un impulsor para una lancha eléctrica. En esta
aplicación se muestran algunas de las ventajas que tienen los
convertidores en paralelo en cuanto al manejo de potencia
entrada-salida. Además, al utilizar este tipo de sistemas se
tienen las siguientes ventajas: sistemas más confiables, rápida
respuesta dinámica, menor esfuerzo en los dispositivos de
potencia, rizos de voltaje y corriente reducidos.
Sin embargo, surgen los siguientes problemas de control a
resolver en esta topología:
(i) Equilibrar las corrientes en cada uno de los
convertidores CD/CD tipo reductor interconectados
en paralelo.
(ii) Regular la velocidad del motor de CD,
independientemente de la carga que el motor tenga
acoplada a su eje.
Por tanto, en este artículo se propone un controlador
robusto multi-variable por rechazo activo de perturbaciones
(ADRC, por sus siglas en inglés), basado en observadores
GPI u observadores lineales de estado extendido [2], [11-22],
utilizando la propiedad de planitud diferencial, para el sistema
convertidor CD/CD tipo reductor interconectado en paralelo
que alimenta al motor de CD. La ley de control tiene por
objetivos: a) equilibrar las corrientes de los convertidores, y
b) regular la velocidad angular del motor de CD, a pesar de
T
E. Guerrero, Universidad Tecnológica de la Mixteca, Huajuapan de
León, Oaxaca, México, egerrero@mixteco.utm.mx
J. Linares, Universidad Tecnológica de la Mixteca, Huajuapan de León,
Oaxaca, México, jlinares@mixteco.utm.mx
E. Guzmán, Universidad Tecnológica de la Mixteca, Huajuapan de León,
Oaxaca, México, eguzman@mixteco.utm.mx
H. Sira, Cinvestav-IPN, Cd. de México, D.F., México,
hsira@cinvestav.mx
G. Guerrero, CENIDET, Cuernavaca, Morelos, México,
gerardog@cenidet.edu.mx
A. Martínez, Universidad Tecnológica de la Mixteca, Huajuapan de
León, Oaxaca, México, alberto.mtba@gmail.com
Corresponding author: E. Guerrero.
DC Motor Speed Control through Parallel
DC/DC Buck Converters
E. Guerrero, J. Linares, Senior Member, IEEE, E. Guzmán, H. Sira, G. Guerrero and A. Martínez
IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 15, NO. 5, MAY 2017 819
las perturbaciones internas y externas a las cuales se somete el
sistema.
El documento está organizado de la siguiente manera: en la
segunda sección se obtiene el modelado dinámico del sistema
lineal multi-variable y se diseña el control por rechazo activo
de perturbaciones basado en observadores GPI. La tercera
sección presenta los resultados de simulación obtenidos en el
ambiente Matlab/Simulink. Por último, en la cuarta sección se
mencionan las conclusiones del trabajo y las futuras
investigaciones que se desarrollarán a partir de esta propuesta.
II.
DISEÑO
DEL
CONTROLADOR
POR
RECHAZO
ACTIVO
DE
PERTURBACIONES
A. Modelado del sistema propuesto
En la Fig. 1 se muestra el sistema propuesto, el cual
consiste de dos convertidores CD/CD tipo reductor
interconectados en paralelo y conectados a las terminales de
armadura del motor CD. En donde representa la fuente de
alimentación principal,
e
son las corrientes que circulan
en cada uno de los convertidores, es el voltaje de salida en
común,
y
son la resistencia e inductancia de armadura,
es la corriente de armadura, es la inercia del motor, es el
coeficiente de fricción viscosa,
es la constante de la fuerza
magnetomotriz (FMM), Ω la velocidad angular del motor de
CD. Para simplificar las ecuaciones que se muestran más
adelante cada convertidor en paralelo utiliza el mismo valor de
inductancia, de tal modo que =
=
. Además, el
capacitor y la resistencia de carga  son compartidos por
ambos convertidores. Por último, la perturbación externa de
par que se aplica al motor se denota por
, el cual se
considera variante con el tiempo, con magnitud desconocida
pero con la restricción de ser acotado. Cabe mencionar que
esta propuesta es idónea para aplicaciones de tracción
eléctrica que demandan una gran cantidad de corriente en la
armadura del motor [6-8].
Figura 1. Motor de CD accionado mediante convertidores en paralelo.
El modelo dinámico del sistema en el espacio de estado se
expresa en (1), con el estado redefinido como:
=(
,
,,
)
T
=(
,
,
,
,
)
T
∈
. El modelo
promedio, continuo en el tiempo, es válido siempre que el
convertidor CD/CD tipo reductor interconectado en paralelo
trabaje en el modo de conducción continuo (m.c.c.) [23]. Por
tanto las entradas de control en un sentido promedio deben
pertenecer al intervalo cerrado,
,
∈{0,1}.


=−
+


=−
+


=
+
−


=
−
−


=
−
−
(1)
De ahí, el sistema lineal multi-variable de quinto orden se
lleva a la forma típica =+ tal como se muestra en
(2).



=
00
00
00
00

0
00
00 0
+
0
0
00
00
00
(2)
B. Salidas que linealizan al sistema entrada-salida, llamada
parametrización diferencial
Para determinar la controlabilidad del sistema, se forma la
matriz de controlabilidad de Kalman para este sistema
utilizando (3). La matriz resultante es de tamaño 510, la cual
contiene columnas linealmente dependientes y linealmente
independientes.
=


(3)
De acuerdo a los índices de Kronecker, se extraen las
columnas linealmente independientes para formar la matriz de
controlabilidad de dimensión 55 en (4), la cual resulta ser
de rango completo (rango cinco); de ahí que el sistema lineal
multi-variable es controlable y por tanto, es diferencialmente
plano [5].
=
0−


0
00


0


−

+
0
00

−


0
00 0


0
(4)
Como el sistema cuenta con dos entradas de control,
entonces se tienen dos salidas planas, que a su vez linealizan
al mismo en su forma entrada-salida. Estas salidas se
determinan en base a los índices Kronecker de la matriz de
controlabilidad de Kalman dada en (4). La suma de sus grados
relativos de cada salida deben coincidir con el orden del
sistema [5], es decir
+
=5. Por lo tanto, en base a lo
820 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 15, NO. 5, MAY 2017
dicho anteriormente se seleccionan las siguientes salidas
planas:
(i) La primera salida corresponde a la corriente del
inductor del primer convertido ==.
(ii) L segunda salida corresponde a la velocidad angular
del motor de CD =.
A continuación se obtiene la parametrización diferencial de
todo el sistema, es decir, se realiza la linealización entrada-
salida, donde cada una de las variables de estado y entradas de
control se expresan en términos de las salidas planas y sus
derivadas sucesivas. De ahí, se tiene lo siguiente,
=
=
()+()
+

+(
)
+
()
+
+()
+
−+

+
+
+
+

=
+
+
+
+


=
++
=
=
+
+
+
+

+

=
()+
()
+
()+

(
)
+()
+
−
+
()
+
−
−


+
()+

+
+

+

−

(5)
De (5) se comprueba que la suma de las derivadas de más
alto orden de cada una de las salidas planas =1 y =4,
es igual a +=5, el cual coincide con el orden del
sistema, esto quiere decir que la suma de los grados relativos
de las salidas planas es igual al orden del sistema, por tanto
esta linealización se hace en forma exacta [5].
Las entradas de control se expresan en función de las
derivadas de mayor orden de las salidas planas, en este caso
y (), y los demás términos se consideran como entrada de
perturbación. Las entradas de control en forma matricial con
respecto a estas variables se muestran en (6), donde y
son funciones desconocidas, sin embargo se consideran
acotadas, las cuales son vistas como perturbaciones internas y
externas.
=
0


()+
(6)
A partir de (6), se despeja el vector que contiene las
derivadas de más alto orden de las salidas planas. De ahí, se
obtiene lo siguiente:
()=
0





+
(7)
Las ’s son funciones desconocidas, pero acotadas, las
cuales incluyen perturbaciones internas y externas a las cuales
se somete al sistema, por tal motivo, es necesario estimar estas
funciones de perturbación.
C. Diseño de los observadores GPI
En base a la matriz desacoplada expresada en (7), se reduce
el sistema multi-variable en sistemas independientes y se
diseña un observador para cada una de las funciones
desconocidas. En (8) se diseña un observador GPI para
estimar la función de perturbación =, así como también
la estimación de la salida plana 1 =̂. La salida medida es
=, por tanto se hace una copia del sistema (7), y se
extiende la dinámica de la función de perturbación
desconocida, y se obtiene el diseño del observador GPI.
=
++(−̂)
=(−̂) (8)
La sintonización de las ganancias del observador y ,se
lleva a cabo mediante el todo de ubicación de polos
directos, en el cual se eligen los coeficientes de acuerdo a la
parte lineal predominante del polinomio característico que se
desee que gobierne el comportamiento de la convergencia del
error muy cerca de cero. Para este caso se utiliza un polinomio
Hurwitz de segundo orden, de tal manera que la
sintonización de las ganancias quedan expresadas en (9) con
las siguientes condiciones: 0<1≤1 y >0.
=+(2)+
=
=2
(9)
De manera similar, en (10) se diseña un observador GPI
para estimar la perturbación =. Simultáneamente se
estiman la segunda salida plana
, la derivada de la
segunda salida plana Ω
, la doble derivada de la segunda
salida plana Ω
, y la triple derivada de la segunda salida
plana Ω
. Para el diseño del observador GPI, se hace una
copia del sistema (7), y se añaden tres extensiones dinámicas a
la función de perturbación desconocida , por tanto se tiene
el diseño completo del segundo observador GPI.
GUERRERO et al.: DC MOTOR SPEED CONTROL THROUGH 821
Ω
=Ω
+ΩΩ
Ω
=Ω
+ΩΩ
Ω=Ω
+ΩΩ
Ω=
(+)++ΩΩ
=+ΩΩ
=+ΩΩ
=ΩΩ
(10)
La sintonización de las ganancias ′ del segundo
observador GPI, se realiza mediante un polinomio Hurwitz.
Este se expresa en (11), donde los valores de las ganancias del
observador GPI, se realizan mediante la ubicación de polos
directos, esto con la finalidad de tener una convergencia del
error de estimación cerca de cero: >0, 0<2≤1 y >0.
=+++++++
=6+
=6+12
=3
+12
+12
+8
=12
+8
+3
+12
=3
+12
+6
=6
+

=
(11)
Con la finalidad de separar el par de carga estimado de las
funciones de perturbación desconocidas ’s. A continuación
se diseña un observador GPI para estimar el parámetro de par
de carga desconocido, pero considerado acotado.
D. Diseño del estimador de par
En (12) se diseña un estimador de par de carga, haciendo
una copia de la ecuación mecánica del motor de CD (1), donde
aquí la función desconocida se define como = y
simultáneamente también se estima la segunda salida plana Ω
(nótese que al igual que (11) se estimó de nueva cuenta la
velocidad). Para este diseño se toma como salida a F2 y se
realiza una sola extensión dinámica para la función
desconocida, ,de ahí se tiene el diseño del tercer observador
GPI.
=1
−−
1+12−
=−Ω

(12)
La sintonización de las ganancias y del observador del
parámetro de par de carga, se expresa en (13), en donde los
coeficientes para la sintonización de éstas se restringen por las
siguientes desigualdades: 0<3≤1 y >0. Con la
finalidad de que la convergencia del error cerca de cero se
realice de forma asintótica. Por tanto, las ganancias del
observador del parámetro de par quedan expresadas como:
=+(2)+
=
=2
(13)
E. Resultado principal: diseño del controlador lineal por
rechazo activo de perturbaciones.
Antes de escribir las ecuaciones finales del controlador, se
hacen las siguientes consideraciones:
(i) Solamente se miden las dos salidas planas, = y
=Ω.
(ii) Se tienen valores aproximados de los elementos que
conforman los convertidores, así como también los
valores nominales de los parámetros del motor.
Debido a la robustez del controlador no es necesario
tener los valores exactos.
(iii) Las funciones de perturbación ’s se consideran
completamente desconocidas, sin embargo éstas son
acotadas.
(iv) La función del parámetro de par de carga, f1 es
completamente desconocido, pero también se
considera acotado.
(v) Las referencias constantes de cada una de las salidas
planas son:=̅ y
.
(vi) Los valores de y , son los valores estimados de
las funciones desconocidas, y .
A partir de (6), (8) y (10) se obtienen los siguientes
controladores desacoplados en (14):
=
(−)
=−
(−)+
(−)
==−(−)
=() =−Ω
−Ω
−Ω
−ΩΩ
(14)
Las ganancias de los dos controladores auxiliares
(controladores virtuales), se sintonizan mediante dos
polinomios Hurwitz de primer y cuarto orden tal como se
muestra en (15), y deben cumplirse las siguientes restricciones
>0, 0<<1 y >0. Esto con la finalidad de que la
convergencia de los errores de regulación de las dos salidas
planas se realice de forma asintótica muy cerca de cero. Por
tanto, se tienen las siguientes ganancias en términos del
coeficiente de amortiguamiento y frecuencia natural:
 =(+)
 =+(4)+(4+2
)+(4
)+
(15)
822 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 15, NO. 5, MAY 2017
=4
,
=4
+2
,
=4
, 
=
III.
RESULTADOS
DE
SIMULACION
En la Fig. 2 se muestra el diagrama a bloques del sistema
implementado en el ambiente Matlab/Simulink, en donde se
muestran dos grandes etapas: a) la etapa de potencia, que
incluye los convertidores CD/CD reductores en paralelo
accionando el motor de CD y b) la ley de control con sus
diferentes sub-módulos: los observadores GPI, controladores
auxiliares, controladores ADRC. En donde es importante
destacar la retroalimentación entre controladores y
observadores GPI para las perturbaciones.
Figura 2. Diagrama a bloques del sistema en Matlab/Simulink.
Se consideran los siguientes parámetros de diseño para los
convertidores en paralelo (ver Fig. 1): =90,
=
==1, =470, =3 y una
frecuencia de conmutación de los interruptores
=100.
Además, se supone una corriente de referencia: ̅
=0.76 y
una velocidad angular deseada Ω
=100/. Por último, se
considera la siguiente perturbación externa (par externo
aplicado) al motor de CD:
=0.0. <0.4
0.5. 0.4<<0.7
0.8. 0.7<<1
(16)
Respecto al motor de CD, en la simulación se utilizan
parámetros reales de un motor de excitación separada con el
que se ha venido trabajando. En la Tabla I se muestran los
valores nominales de voltaje, corriente de cada uno de los
devanados y potencia del motor de CD, mientras que en la
Tabla II se muestran los parámetros electromecánicos de
diseño obtenidos experimentalmente.
TABLA I
VALORES NOMINALES DEL MOTOR DE CD.
Motor de corriente directa de excitación separada
Potencia nominal 0.25 H.P.
Voltaje nominal 90 V
Corriente de armadura nominal 3.0 A
Corriente del campo serie 0.6 A
Corriente del campo paralelo 0.6 A
Velocidad nominal 1750 RPM
TABLA II
PARÁMETROS ELECTROMECÁNICOS DEL MOTOR DE CD.
Parámetro Símbolo Valor
Resistencia de armadura
7.5
Inductancia de armadura
39.010

Resistencia de campo

280.0
Inductancia de campo

2.7
Constante de FMM
0.36 ∙/
Coeficiente de fricción
viscosa 3.510

∙∙
Inercia del motor J 2.0210


En la Tabla III se muestran los parámetros de sintonización
de los observadores, estimador de carga y los controladores de
(8), (10) y (12) que hasta el momento han dado los mejores
resultados de simulación.
TABLA III
PARÁMETROS DE SINTONIZACIÓN DE LOS
OBSERVADORES Y CONTROLADORES.
Observadores Controladores
Corriente
8000
k 1000
0.7071
Velocidad
8000
1000
0.7071
0.7071
4000
Par
8000
0.7071
Los resultados obtenidos son los siguientes: en la Fig. 3 se
muestra el voltaje a la salida del convertidor encargado de
alimentar el devanado de armadura del motor de CD, en donde
se tiene un tiempo de establecimiento de 130 ms y además
presenta cambios de voltaje producto del par externo aplicado
dado por (16). En la Fig. 4 se muestran las corrientes en los
inductores de los convertidores, donde
es una de las salidas
planas, por lo que se observa que
presenta transitorios de
mayor amplitud al inicio y durante las perturbaciones externas
aplicadas ya que es la que absorbe las perturbaciones del
sistema. Aun así, se destaca que ambas corrientes se
encuentran en equilibrio en un sentido promedio y la suma de
ambas corresponde a la corriente de armadura del motor de
CD. Cabe mencionar que los altos transitorios iniciales son
provocados por la alta demanda de corriente de armadura, lo
cual es una característica de este tipo de motores.
GUERRERO et al.: DC MOTOR SPEED CONTROL THROUGH 823
Figura 3. Voltaje de salida de convertidores en paralelo.
Figura 4. Corrientes de los convertidores en paralelo.
El funcionamiento del ADRC depende de la efectividad de
la estimación por parte de los observadores, para ese sistema
en particular, se había diseñado un observador GPI para una
de las perturbaciones y para la corriente en (8). Como
resultado, en la Fig. 5 se muestra el buen desempeño del
estimador de una de las corrientes de los convertidores en
paralelo.
Figura 5. Corrientes medida y estimada del primer convertidor en paralelo.
Referente a las variables de salida del motor de CD, el
devanado de campo se excita con una corriente constante de
0.36 A, mientras que la Fig. 6 muestra la corriente de
armadura, la cual desarrolla una corriente pico de 11 A y una
corriente de 0.7 A en vacío. Como se observa, también
presenta incrementos naturales debido al par externo aplicado
por (16), pero la corriente tiende a estabilizarse en menos de
30 ms después de aplicada cada perturbación. El par inducido
por el motor de CD se muestra en la Fig. 7, éste presenta un
comportamiento similar a la corriente de armadura ya que es
proporcional a la misma, además, se observa que tiene un par
antes de aplicar la perturbación, el cuál es de 0.2 ∙ debido
a la inercia del motor. En la Fig. 8 se muestra la respuesta del
estimador de par, la cual es casi idéntica al aplicado (los
transitorios son diferentes). En la Fig. 9 se muestra la
velocidad del motor, cuya referencia es de 100 rad/s,
asimismo, es importante resaltar el buen desempeño del
estimador de velocidad y la robustez del controlador, puesto
que la velocidad del motor se mantiene constante ante las
variaciones del par aplicado. Por último, para confirmar la
robustez del controlador se efectuaron otras pruebas:
variaciones de la fuente de alimentación y cambios en los
parámetros del convertidor (diferentes valores de inductancia),
como resultado se obtuvo una salida robusta frente a esas
variaciones, comprobando que el controlador ADRC
contrarresta los efectos de las perturbaciones estimadas por los
observadores GPI diseñados.
Figura 6. Corriente de armadura del motor de CD.
Figura 7. Par inducido.
Figura 8. Par de carga externo aplicado y estimado.
Figura 9. Velocidad angular medida y estimada del motor de CD.
En general, el controlador presenta un buen desempeño tal
como se muestra en la Fig. 11, en donde se observa un índice
del error cuadrático medio (ISE) de regulación de velocidad
menor a 0.1 con incrementos después de aplicar el par de
perturbación de (16).
Figura 10. ISE de regulación de velocidad.
IV.
CONCLUSIONES
Este trabajo muestra la efectividad y robustez del
controlador multi-variable por rechazo activo de
perturbaciones basado en observadores GPI para el motor de
CD alimentado mediante convertidores reductores en paralelo,
el cual cumple con las tareas de regular la velocidad del motor
824 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 15, NO. 5, MAY 2017
y equilibrar las corrientes de los convertidores. Utilizar esta
técnica no requiere de un modelo matemático exacto de la
planta, además es un método fácil de entender y de aplicar.
Además, una de las aportaciones de este trabajo es mostrar el
proceso de diseño del controlador ADRC a partir del
modelado del sistema, realizando la parametrización
diferencial, con la cual se diseña el observador GPI para
estimar de manera precisa las perturbaciones del sistema que
son rechazadas en un controlador lineal.
En base a los resultados de simulación, se puede decir que
lucen prometedores debido a que se obtuvo un buen
funcionamiento del convertidor a pesar de que es un sistema
multi-variable de alto orden y fue perturbado de manera
significativa. Como trabajo futuro se implementará este
controlador en un arreglo de puertas programables en campo
(FPGA). Además, se comparará con otras técnicas de control
para verificar las ventajas que se mencionan.
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un FPGA para un Convertidor Tipo Reductor,» Huajuapan de León,
Oaxaca, 2011.
Esteban Guerrero, obtuvo el título de Ing. Eléctrico por el
Instituto Tecnológico de Morelia, Michoacán, México en 1994
y el grado de Maestría en Ciencias con especialidad en Ing.
Electrónica en CENIDET en Cuernavaca, Morelos, México en
2004. Actualmente es profesor-investigador de tiempo
completo en la Universidad Tecnológica de la Mixteca UTM,
Huajuapan de León, Oaxaca, México.
Jesús Linares, realizó sus estudios de Ing. en Electrónica en la
BUAP, Puebla. Posteriormente obtuvo el grado de M. en C. en
la UDLA, Puebla, México con la especialidad en Electrónica
de Potencia. En el 2006 recibió el grado de Doctor en Ciencias
otorgado por el Cinvestav-IPN, México D.F., en la división de
Mecatrónica. Desde el año 2006 pertenece al Sistema Nacional
de Investigadores en México. Actualmente, es director del Instituto de
Electrónica y Mecatrónica de la UTM, Huajuapan de León, Oaxaca, México.
Enrique Guzmán, obtuvo el título de Ing. Electrónico por el
Instituto Politécnico Nacional IPN, México en 1992,
posteriormente obtuvo el grado de Maestría en Ciencias de la
computación por el CIC-IPN, México D.F en 2000 y el grado
de Doctor en Ciencias de la Computación en el 2008 en el
Centro de Investigación en Computación CIC-IPN, México
D.F. Actualmente funge como profesor-investigador de tiempo completo en la
Universidad Tecnológica de la Mixteca UTM, Huajuapan de León, Oaxaca.
GUERRERO et al.: DC MOTOR SPEED CONTROL THROUGH 825
Hebertt Sira, realizó sus estudios de posgrado en el
Massachussets Institute of Technology, Cambridga, Mass.
EEUU, de donde obtuvo en 1974, conjuntamente, los títulos de
Master of Science in Electrical Engineer y el de Electrical
Engineer. En 1977 obtuvo el Doctorado PhD en Ingeniería
Eléctrica del mismo Instituto. Actualmente es profesor jubilado
de la Universidad de los Andes y desde 1998, se desempeña como
Investigador titular en el Centro de Investigación y Estudios Avanzados del
IPN Cinvestav-IPN, Ciudad de México, D.F., México, con la categoría de
Investigador Titular 3-E.
Gerardo Guerrero, obtuvo el título de Ing. Eléctrico por el
Instituto Tecnológico de Morelia, México en 1985 y el Grado
en Ing. Electrónica por el Centro Nacional de Investigación y
Desarrollo Tecnológico CENIDET, Cuernavaca, Morelos,
México en 1994 y el grado de Doctor en Ingeniería por la
Universidad Nacional Autónoma de México UNAM, México
en el 2001. Actualmente es director del departamento de Ing. Electrónica en el
CENIDET.
Alberto Martínez, obtuvo el título de Ingeniero en
Electrónica en el 2016 por la Universidad Tecnológica de la
Mixteca UTM, Huajuapan de León, Oaxaca, México.
Actualmente cursa sus estudios de posgrado para obtener el
grado de Maestro en Electrónica en el área de sistemas
inteligentes aplicados en la misma universidad.
826 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 15, NO. 5, MAY 2017
... Variable frequency converters have been introduced with the development of semiconductor devices, improving the technical characteristics of this type of drive to the point where it is superior to its nearest rivals because it permits high-precision, efficient, and quality speed regulation [4]- [6]. Thus, in recent 2007 years a wide variety of control techniques have been developed and applied, such as, for example, direct torque control (DTC) and field-oriented control (FOC), which have dominated the market for decades [7]- [9]. ...
... Figure 1. IMC control scheme [4] Typically, the IMC controller design is done in two steps using the model factoring method. ...
Article
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Three speed-control strategies for DC and AC drives are presented in this study: a proportional integral derivative (PID) control strategy; an internal model control (IMC); and a state-space control by pole assignment with full state observer (ESSO). The three strategies are applied to a case study, demonstrating the potential of each one. Experimental identification was used to obtain the drive models used for the synthesis of the controllers. The three strategies showed satisfactory results when compared with the requirements imposed on the system, in addition to the good rejection of disturbances. However, the IMC strategy showed itself to be a little softer and with no maximum overshoot, which in some cases and some applications is usually a restriction.
... The speed of a dc motor may change by feeding it the PWM signal generated by the microcontroller [1]. Controlling speed of DCM can be done with closed-loop control through microcontroller [2], where one of controller commonly used is conventional PID controller [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]. In this study, DCM is used as an Omni steering wheel of Omni-Directional 3WD robot. ...
Article
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Dc motor is widely used as actuator in industry and robotics. In this experiment a dc motor is used as an Omni wheel actuator on Omni-directional 3WD robot. In order for the movement of the robot to follow the specified vector quantity, then the speed of the wheels connected in each motor shaft must persist at each set of points that have been determined. For these needs then, every dc motor must be controlled the number of revolutions. One of the problems with implementing a PID controller is the possibility of a wind-up integrator effect that causes the system to be unable to follow the command behavior. The purpose of this study was to obtain PID controller parameters in such a way as to avoid the effects of wind-up integrators and achieve the best system response performance using an experimental based heuristic approach. The results of this study show that the wheel spin is able to follow various reference speeds with settling time and steady state error at about 1.1s and 0.648%.
... A DC-to-DC buck converter was suggested for DC motor control by [21], and for a permanent magnet with a DC motor, the authors of [22] suggested the predictive control algorithm with a Discrete-Time Reduced-Order GPIO. ...
Article
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Industries have many rotational operations that are used for design, transport, lift, drilling, rolling, robotics, and many other applications. These rotating applications require a proper controller for accurate control of the operation. Separately excited DC motors (SEDCMs) are versatile and have various industrial operations because of their specific speed control characteristics. So, for smooth and accurate operation of an SEDC motor, controllers should be used. PI and PID controllers are used in many cases, but they are ineffective for nonlinear load operation. A fuzzy controller is a heuristic controller and can provide automatic control of the operation. Its operation depends on the selection of the correct membership values. This work proposes a novel particle swarm optimization (PSO) technique that would provide the optimum value of the membership for fuzzy controllers for optimum control of the industrial processes. To obtain SEDC results, MATLAB simulation was performed, and the fuzzy controller with novel PSO was implemented. A fuzzy PSO controller used for motor speed control operation obtains a rise time of 0.00026 s, settling time of 0.000214 s, maximum overshoot of zero, and delay time of 0.016 s, which are the best values when compared to PID and PID-Fuzzy controllers. It is observed that the results obtained from the separately excited DC motor using a fuzzy PSO controller improve the dynamic behavior of the motor that so it smoothly tracks the required speed without any more overshoot or oscillation than the PID controller. Such dynamic, stable operation of the motor makes it perfect for industrial as well as household operations.
... In the literature, these results include hierarchical control [18], state feedback-adaptive fuzzy control [19,20], H ∞ based control with LMI technique [21], flatness based control [22][23][24], generalized proportional-integral (GPI) control [25] and LQR control technique [26]. In reference [27], for angular velocity tracking in DC-DC converter fed DC motor, the authors proposed a multivariable robust control algorithm with disturbance rejection mechanism implemented through GPI observers. Numerical simulations have been presented to support the claim of better performance. ...
Article
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A novel neuro‐adaptive control scheme is proposed in the context of angular velocity tracking in DC–DC buck converter driven permanent magnet DC motor system. The controller builds upon the idea of backstepping and consists of a fast single hidden layer Hermite neural network (HNN) module equipped with on‐board (adaptive) learning to counteract the unknown non‐linear time‐varying load torque and to ensure nominal tracking performance. The HNN has a simple structure and exhibits promising speed and accuracy in estimating dynamic variations in the unknown load torque apart from being computationally efficient. The proposed method guarantees a rapid recovery of nominal angular velocity tracking under parametric and non‐parametric uncertainties. In order to verify the performance of the proposed neuro‐adaptive speed controller, extensive experimentation has been conducted in the laboratory under various real‐time scenarios. Results are obtained for start‐up, time‐varying angular velocity tracking and under the influence of highly non‐linear unknown load torque. The performance metrics such as peak undershoot/overshoot and settling time are computed to quantify the transient response behaviour. The results clearly substantiate theoretical propositions and demonstrate an enhanced dynamic speed tracking under a wide operating regime, thus confirming the suitability of proposed method for fast industrial applications.
... As a larger current leads to lower resistance, without additional current-sharing strategies, the sub-system will finally become overload (Tiwari et al., 2015;Hu et al., 2016;Scheuermann, 2016). Typical current-sharing control strategies include the following: the output impedance method, master-slave setting method, average current automatic sharing method, thermal stress automatic current-sharing method, and maximum current automatic current-sharing method (Guerrero et al., 2017;Sadabadi, 2021). In terms of control signals, the control strategies can be further divided into analog and digital modes (Fang et al., 2014). ...
Article
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Modular design helps to improve the reliability and power density of power electronic systems, so cascading of power electronics modules is an effective method to improve the overall stability of the system. The application of the wireless power transfer (WPT) system to electric buses faces the challenge of higher power requirement; modularization provides a solution to the design of the wireless charging system for electric buses. A modular wireless charging system for electric buses is proposed in this study; the system consists of five identical 6.6 kW wireless charging modules distributed relatively disperse on the chassis. Through the design of coil layout, different modules on the receiver side can be decoupled from each other, which facilitate independent control. Each module utilizes the bipolar-solenoid coupling structure, which proves to have a high misalignment tolerance. In order to reduce the electromagnetic radiation for passengers on the electric bus, shielding is added on the receiver side. Five independent modules work collaboratively to compose a 30 kW wireless charging system for electric buses. The DC-DC efficiency is 87.44% in an aligned position at 200 mm transmission distance. With closed-loop control, the proposed system has high misalignment tolerance in the horizontal X-Y plane. Compared with the open loop control scheme, the average efficiency of the proposed system increases by 22.1% within 300 mm misalignment.
... Por otro lado, la cantidad de hidrógeno generado por el electrolizador depende de la potencia eléctrica suministrada al mismo, en el vehículo se tiene una batería, por lo que la energía eléctrica debe controlarse mediante un convertidor de electrónica de potencia de corriente directa a corriente directa (CD-CD) [15]. Los convertidores tienen diferentes aplicaciones y por lo mismo, diferentes topologías que se adaptan a las necesidades particulares [16][17][18][19], además de oportunidades de investigación, y desarrollos [20][21][22][23]. ...
Article
Internal combustion engine vehicles are a key factorin the actual economy and is expected to continue the growth indemand for vehicles using gasoline. Gasoline, like other fossil fuels,is a non-renewable resource whose reserves are constantlydeclining. Due to this reason, to improve the efficiency and toreduce emissions is of great importance for energy reserves andenvironmental protection. There are vehicles with hybrid systems and other technologies that reduce fuel consumption andpollutants generation, however most of the vehicles do not have or they are not compatible with the new technologies. This work proposes to enrich gasoline by adding hydrogen to the mixture of fuel and oxygen in order to improve combustion and reducepollutants. Hydrogen is regarded as a promising alternative fuel for internal combustion engines, which unlike fossil fuels, it can be generated by renewable energy. On the internet there is a set of experiments with alkaline electrolyser, generating oxyhydrogen for fuel enrichment. However, the design and development of a control system, specifically designed for the dynamic performanceof an electrolyser, is not commonly found in the scientificliterature. The main approach of this paper is to design and build a power conditioning stage based on synchronous buck converteris used to provide supply power to an alkaline electrolyzer thatproduces hydrogen and oxygen with up to 99 % purify.
... This is mainly due to its rapid dynamic response, energy-efficient, flexibility and ease of control particularly at low speeds and low ripples in the armature current (AbdElhafez et al., 2017). In Guerrero et al. (2017), a buck-boost converter using MOSFET as a switch fed DC series motor is presented and concluded that this system possesses a good operation performance with a minimum ripple in the output of the motor current and voltage. In Lachkar et al. (2006), the authors have considered a back-stepping design technique in the controller design to control DC motors through AC-DC power converters of the buck-boost type, to achieve speed regulation and unity power factor. ...
Article
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Small-signal analysis of boost converter fed permanent magnet DC (PMDC) motor for electric vehicle applications is performed, and hardware implementation is realized in this paper. Extensive analysis is performed to identify the relevant steady-state and dynamic features of the proposed system with small-signal linearization, and relevant transfer functions are formulated. The nonlinear equations of the system are derived and then linearized around a stable operating point to construct a small-signal model. Transfer functions relating the control of the converter to the motor speed and control to input current are derived symbolically using computerized symbolic algebra in MathCAD. The control-to-output transfer functions are obtained by introducing perturbation in state variables, equating AC and DC quantities and proceeding with AC quantities. The principle of operation, operation modes, small-signal analysis, experimental verification, and the effectiveness of the speed control are discussed and presented. An experimental prototype is implemented using dSPACE DS1103-based digital signal processor, and the proposed model is used for online parameter tuning of the speed controller. The speed control dynamics and transient response are investigated under sudden load changes. The overall system performance is evaluated and verified experimentally based on a speed feedback control scheme for validation purposes.
Article
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The main objective pursued by this survey is to debate the feasibility of a new distribution system in low voltage direct current (LVDC) microgrids and its impact on social development. To this end, this study provides valuable information for renewable energy planners and researchers, giving insights or solutions to reduce the transition gap between the current energy network and the future DC energy microgrids. Mainly, this article is divided into interlinking converters, protection schemes, and control systems, which have been analyzed taking into account the technical aspects of an LVDC microgrid as well as the social impact they have in poverty areas. This survey studies how low voltage DC networks can produce social welfare. In short, this paper assess social implications and technical issues, such as low inertia, grounding issues, voltage regulations, arc apparition, etc., providing a different approach to overcome these issues.
Article
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This paper is concerned with path-tracking control of a wheeled mobile robot. This robot is equipped with two permanent magnet brushed DC-motors which are fed by two inverter-DC/DC Buck power converter systems as power amplifiers. By taking into account the dynamics of all the subsystems we present, for the first time, a formal stability proof for this control problem. Our control scheme is simple, in the sense that it is composed by four internal classical proportional-integral loops and one external classical proportional-derivative loop for path-tracking purposes. This is the third paper of a series of papers devoted to control different nonlinear systems, which proves that the proposed methodology is a rather general approach for controlling electromechanical systems when actuated by power electronic converters.
Article
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This brief presents an active disturbance rejection control scheme for the angular velocity trajectory tracking task on a substantially perturbed, uncertain, and permanent magnet synchronous motor. The presence of unknown, time varying, and load-torque inputs, unknown system parameters, and the lack of knowledge of the initial shaft’s angular position, prompts a high-gain generalized proportional integral (GPI) observer-based active disturbance rejection (ADR) controller. This controller is synthesized on the basis of the differential flatness of the system and the direct measurability of the system’s flat outputs, constituted by the motor’s angular displacement and the d-axis current. As a departure from many previous treatments, the d-q-axis currents model is here computed on the basis of the measured displacement and not on the basis of the unknown position. The proposed high-gain GPI observer-based ADR controller is justified in terms of a singular perturbation approach. The validity and robustness of the scheme are verified by means of realistic computer simulations, using the MATLAB/SIMULINKPSIM package.
Article
Full-text available
This paper focuses on the design and construction of an electric drive system for an electric boat. A number of technical interventions were made to convert a simple boat to an electrically driven boat. In our days the electric boats and the electric propulsion in general constitute a part of the electric transportation. The electric transportation seems to be an alternative solution in the continuously increasing demand in the sector of transports as well as in energy and environmental problems. The high efficient electric machines and power electronic converters, the high control level of power electronics that offers manoeuvrability in a ship, the lack of noise - disturbance and the absence of pollution lead to the use of electric propulsion in boats and ships more and more nowadays. In the application, on account of practical and safety reasons we were led to the choice of a low voltage permanent magnet direct current (DC) motor. This is resulting to a high value of current to get the nominal power of 1.5 kW. For this reason an interleaved four - channel dc/dc converter was designed and constructed which has the ability to control high currents and can be considered as ideal for such type applications. The particular converter is constituted by 4 parallel channels, it is working in the continuous conduction mode (CCM) and it decreases the voltage of 36 V to 0-24 V to control the velocity of the dc propulsion motor which its full load current is 78 A. Firstly, simulation via PSpice program and also a number of experiments have been made to investigate the operation of the converter. The experiments show that the efficiency of the interleaved converter of the application is about 95 %, so it is a good solution for driving low voltage - high current dc motors. Such types of electric motors are used in electric transportation applications. The launching of the boat “PROTEUS” and a number of sea tests show the advantages of the electric propulsion.
Article
Full-text available
A linear output feedback controller is developed for trajectory tracking problems defined on a modified version of Chua's circuit. The circuit modification considers the introduction of a flat input, i.e. a suitable external control input channel guided by (a) the induction of the flatness property on a measurable output signal of the circuit and (b) the physical viability of the control input. A linear active disturbance rejection control based on a high-gain linear disturbance observer, is implemented on a laboratory prototype. We show that the state-dependent disturbance can be approximately, but arbitrarily closely, estimated through a linear high-gain observer, called a generalised proportional integral (GPI) observer, which contains a linear combination of a sufficient number of extra iterated integrals of the output estimation error. Experimental results are presented in the output reference trajectory tracking of a signal generated by an unrelated chaotic system of the Lorenz type. Laboratory experiments illustrate the proposed linear methodology for effectively controlling chaos.
Article
Full-text available
This paper presents an active disturbance rejection (ADR) approach for the control of a buck–boost-converter feeding a dc motor. The presence of arbitrary, time-varying, load torque inputs on the dc motor and the lack of direct measurability of the motor's angular velocity variable prompts a generalized proportional integral (GPI) observer-based ADR controller which is synthesized on the basis of passivity considerations. The GPI observer simultaneously estimates the angular velocity and the exogenous disturbance torque input in an on-line cancellation scheme, known as the ADR control. The proposed control scheme is thus a sensorless one with robustness features added to the tra-ditional energy shaping plus damping injection methodology. The discrete switching control realization of the designed continuous feedback control law is accomplished by means of a traditional PWM-modulation scheme. Additionally, an input to state stability property of the closed-loop system is established. Experimental and simulation results are provided. Index Terms—Buck–boost converter, energy shaping plus damping injection control, reduced generalized proportional integral (GPI) observer, sensorless speed control.
Conference Paper
Full-text available
This article deals with the sensor-less trajectory tracking control of a double-buck-converter/dc-motor combination. We simultaneously regulate, both, the output voltage of the first buck-converter and the angular velocity of the dc-motor shaft so that it tracks a pre-specified reference trajectory. The main result of our proposed control scheme is a linear time-varying controller that is based only on measurements of converter currents and voltages. The control law is derived using the exact tracking error dynamics from which a static linear passive output feedback is derived. All variables of the reference trajectories are generated exploiting the differential flatness property of the combined multi-variable system. The discrete switching control realization of the designed continuous feedback control law is accomplished by means of a Sigma-Delta scheme. Experimental results are provided
Conference Paper
Full-text available
In this paper a novel control strategy, the active disturbance rejection control (ADRC), is applied to the representative process control problems. In the ADRC framework, the disturbance and unmeasured dynamics associated with chemical processes are treated as an additional state variable, which is then estimated and compensated for in real time. This reduces a normally complex, time-varying, nonlinear, and uncertain dynamic process to an approximately linear, time-invariant, cascade-integral form, where a simple proportional-derivative (PD) controller suffices. Simulation studies are performed on two nonlinear continuous stirred tank reactors (CSTR), both demonstrate very good performance in the absence of an accurate mathematical model of the process.
Article
This article presents the design and implementation of a speed controller for a DC motor through a buck converter, which tracks a smooth reference trajectory designed by a Bezier polynomial interpolation. The system reduces voltage and current sudden peaks in the armature circuit of the motor during the start. The calculation of the speed control is obtained from an output F called flat output (calculated through the Kalman controllability matrix). This control is based on feedback from all states rewritten in terms of the flat output and its successive derivatives for tracking the trajectory. With the aid of the pole placement technique it is possible to properly tune the controller in closed loop. The effectiveness of the system is verified experimentally by means of a platform that consists of the DC motor-buck converter and a PWM modulator.
Article
This article describes the design of a linear observer‐linear controller‐based robust output feedback scheme for output reference trajectory tracking tasks in an omnidirectional mobile robot. The unknown, possibly state‐dependent, additive nonlinearities influencing the input‐output tracking error dynamics are modeled as an absolutely bounded, additive, unknown “time‐varying disturbance” input signal. This procedure simplifies the system tracking error description to that of three independent chains of second order integrators with, known, position‐dependent control gains. These simplified systems are additively perturbed by the unknown, smooth, time‐varying signal which is proven to be trivially observable. Generalized proportional integral (GPI) observers, are shown to naturally estimate, in an arbitrarily close manner, the unknown perturbation input of the simplified system and a certain number of its time derivatives. This information is used to advantage on the linear, observer‐based, feedback controller design via a simple cancellation effort. The results are implemented on a laboratory prototype of an omnidirectional mobile robot.
Conference Paper
This paper is the first part of a two-part series which will trace the earliest origins of the novel-idea of a "disturbance-observer", as that idea emerged within the context of modern, MIMO state-variable system theory and was published in various control-conference proceedings and in systems/control journals. The technical evolution of the theory of disturbance-observers as it occurred chronologically over the period 1968-1985 will be presented in a subsequent paper.