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Diseño y simulación del sistema de control de velocidad de un motor brushless dc mediante un algoritmo de inteligencia artificial

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2026-02-13

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Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

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Ortiz Jaimes, David Andrés; Carrero Ariza, Julián David (2026). Diseño y simulación del sistema de control de velocidad de un motor brushless dc mediante un algoritmo de inteligencia artificial. Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. https://hdl.handle.net/11349/100947

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Resumen

Brushless DC motors (BLDCs) offer significant advantages over traditional DC motors. They consist of a synchronous motor with a coil made of three-phase permanent magnets that convert a DC voltage to a three-phase AC voltage with a direct frequency connection to the rotor. The need to develop adaptive control strategies for BLDC motors arises from critical limitations in current industrial methods. While classic techniques such as state-space or PID control exist, they lack autonomous mechanisms to adjust parameters in response to operational variations, such as load changes or thermal degradation. Recent studies show that 72% of failures in industrial applications are due to the rigidity of traditional controllers in the face of unmodeled disturbances, particularly in systems operating under dynamic regimes. This technological gap has led to the integration of artificial intelligence (AI) and machine learning (ML) techniques, which not only automate parameter tuning but also compensate for intrinsic motor nonlinearities, such as magnetic saturation and variable friction—phenomena that are impossible to model with conventional differential equations. The proposed methodology, supported by MATLAB/Simulink, addresses two fundamental challenges reported in the literature. First, it overcomes the lack of reproducibility in previous studies by incorporating realistic motor characteristics, such as nonlinear magnetization curves and load-dependent thermal profiles—aspects absent in 68% of current research. Secondly, the transition to physical implementations is facilitated by the automatic generation of optimized C code for microcontrollers, thus reducing the gap between theoretical simulations and functional prototypes. It is worth noting that hybrid approaches, such as combining swarm optimization algorithms (e.g., Glowworm Swarm Optimization) with PID controllers, have been shown to reduce speed error by 40% and energy consumption by up to 22% in variable operating conditions, according to tests performed. From an industrial perspective, this project transcends the academic sphere by offering a standardized protocol for validating AI/ML-based controllers in real-world operating environments. The ability to train machine learning models with historical operating data would allow, for example, the anticipation of bearing failures or rotor misalignments, reducing corrective maintenance costs by up to 35%. Furthermore, the hybridization of classical and modern techniques establishes a replicable paradigm for the adaptive optimization of complex electromechanical systems, consolidating essential competencies in the design of cyber-physical systems aligned with Industry 4.0 requirements. In the academic context, this work synthesizes multidisciplinary knowledge acquired in control engineering, advanced programming, and data analysis, laying the groundwork for future research in neuromorphic control and autonomous systems. Its implementation not only validates the theoretical feasibility of hybrid controllers but also contributes to the technical community through the publication of MATLAB scripts and open-access synthetic databases

Descripción

Los motores DC sin escobillas (conocidos como BLDC) presentan ventajas significativas frente a los motores DC tradicionales. Estos consisten en un motor sincrónico, en el que la bobina está hecha de imanes permanentes de tres fases, que transforman un voltaje DC a un voltaje AC trifásico con una conexión directa de frecuencia al rotor. La necesidad de desarrollar estrategias de control adaptativas para motores BLDC surge de limitaciones críticas en los métodos industriales actuales. Si bien existen técnicas clásicas como el control por espacio de estados o PID, estas carecen de mecanismos autónomos para ajustar parámetros ante variaciones operativas, tales como cambios de carga o degradación térmica. Estudios recientes evidencian que el 72% de las fallas en aplicaciones industriales se deben a la rigidez de los controladores tradicionales ante perturbaciones no modeladas, particularmente en sistemas que operan bajo regímenes dinámicos. Esta brecha tecnológica motiva que se integren técnicas de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML), las cuales permiten no solo automatizar la sintonización de parámetros, sino también compensar no linealidades intrínsecas de los motores, como la saturación magnética y la fricción variable, fenómenos que resultan imposibles de modelar con ecuaciones diferenciales convencionales. La propuesta metodológica, respaldada por MATLAB/Simulink, se abordan dos desafíos fundamentales reportados en la literatura. En primer lugar, se supera la falta de reproducibilidad en estudios previos mediante la incorporación de características realistas del motor, como curvas de magnetización no lineales y perfiles térmicos dependientes de la carga, aspectos ausentes en el 68% de las investigaciones actuales. En segundo lugar, se facilita la transición a implementaciones físicas mediante la generación automática de código C optimizado para microcontroladores, reduciendo así la brecha entre simulaciones teóricas y prototipos funcionales. Cabe destacar que enfoques híbridos, como la combinación de algoritmos de optimización por enjambre (e.g., Glowworm Swarm Optimization) con controladores PID, han demostrado reducir el error de velocidad en un 40% y el consumo energético hasta un 22% en régimen variable, según pruebas realizadas. Desde una perspectiva industrial, este proyecto trasciende el ámbito académico al ofrecer un protocolo estandarizado para validar controladores basados en IA/ML en entornos operativos reales. La capacidad de entrenar modelos de aprendizaje automático con datos históricos de funcionamiento permitiría, por ejemplo, anticipar fallos en rodamientos o desalineaciones rotóricas, reduciendo costos de mantenimiento correctivo en hasta un 35%. Además, la hibridación de técnicas clásicas y modernas establece un paradigma replicable para la optimización adaptativa de sistemas electromecánicos complejos, consolidando competencias esenciales en el diseño de sistemas ciberfísicos alineados con los requisitos de la industria 4.0. En el contexto académico, este trabajo sintetiza conocimientos multidisciplinarios adquiridos en ingeniería de control, programación avanzada y análisis de datos, sentando las bases para futuras investigaciones en control neuromórfico y sistemas autónomos. Su ejecución no solo valida la viabilidad teórica de los controladores híbridos, sino que también contribuye a la comunidad técnica mediante la publicación de scripts de MATLAB y bancos de datos sintéticos de acceso abierto

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