I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   1 6 3 0 ~ 1 6 4 2   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 3 . p p 1 6 3 0 - 1 6 4 2           1630       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Desig n and  imple menta tion  o f   a  boo st conv erte r  circ uit  ba sed  o n  a n  Arduino   kit       Ali S.   Alhfid h ,  F a ra h I s a m   H a m ee d,  Ali N .   H a m o o di ,   F a wwa z  J a s s im   M o ha mm ed   D e p a r t me n t   o f   P o w e r   Te c h n i q u e s  En g i n e e r i n g ,   T e c h n i c a l   C o l l e g e   o f   En g i n e e r i n g ,   N o r t h e r n   Te c h n i c a l   U n i v e r si t y ,   M o s u l ,   I r a q       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   1 7 ,   2 0 2 6   R ev is ed   J u l 2 2 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Au g   1 4 ,   2 0 2 6       Th is  p a p e r  p re se n ts  a   DC  m o to r  sp e e d   c o n tr o l  s y ste m   b a se d   o n   a n   Ard u in o   k it   wit h   a   b o o st   c o n v e rter  th a t  e n h a n c e s  p e rfo rm a n c e   u n d e r  v a riab le  lo a d   c o n d i ti o n s.  At   l o a d   fl u c tu a ti o n s ,   t ra d it io n a l  c o n tro l  m e th o d s   fre q u e n tl y   s h o w   p o o r  sta b i li ty   a n d   e fficie n c y .   A  b o o st   c o n v e rter  is   u se d   t o   ra ise   th e   i n p u t   v o lt a g e   to   th e   DC  m o to r.   Ard u in o   k it   c re a tes   a   re a l  ti m e   p u lse   with   m o d u lati o n   ( P WM )  si g n a l   t o   m o d if y   th e   d u t y   c y c le  o f  t h e   c o n v e rter  a n d   p ro v id e   d y n a m ic  v o lt a g e   c o m p e n sa ti o n ;   th is  sy ste m   is  a b le  t o   m a in tain   t h e   s p e e d   c o n sta n t  i n   s p it e   o f  c h a n g i n g   wi th   c u rre n t   a n d   t o rq u e .   T h e   p ro p o se d   p ra c ti c a l  c o n n e c ti o n   b o a rd   o ffe rs  q u ick e r  re sp o n se   ti m e   a n d   in c re a se s  o v e ra ll   e fficie n c y .   An   e c o n o m ica l   s o lu t i o n   is  p r o v i d e d   b y   t h e   c o m b i n a ti o n   o f   b o o st   v o lt a g e   re g u latio n   b y   Ar d u i n o - b a se d   P WM   c o n tr o l.   Re su lt s  d isp lay e d   t h e   re latio n sh i p   b e twe e n   to r q u e - sp e e d   a n d   to r q u e - c u rre n t  c u rv e s  with   a n d   with o u t  th e   b o o st  u n it .   F in a l ly ,   i t  h a s  b e e n   c o n c lu d e d   th a t   th e   b o o st  o u t p u t   v o lt a g e   is  fix e d   a t  t h e   d e sire d   v a l u e .   K ey w o r d s :   Ar d u in o   B o o s t c o n v e r ter   DC   m o to r   Pu ls e - wid th   m o d u latio n   Sp ee d   co n tr o l   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ali S.   Alh f id h   Dep ar tm en t o f   Po wer   T ec h n iq u es E n g in ee r in g ,   T ec h n ical  C o lleg e  o f   E n g in ee r i n g   No r th er n   T ec h n ical  Un iv e r s ity   Mo s u l 4 1 0 0 2 ,   I r aq   E m ail:  ali. alh af id h @ n tu . ed u . iq       1.   I NT RO D UCT I O N   W ith   th e  d ev elo p m en t  o f   te ch n o lo g y ,   d ir ec t  c u r r en t   ( DC )   m o to r s   ar e   ex ten s iv ely   u tili ze d   in   in d u s tr ial  an d   d o m esti c  ap p licatio n s .   Ho wev er ,   th e y   f r eq u en tly   en c o u n ter   s p ee d   f lu ct u a tio n s   u n d er   v ar y i n g   lo ad s ,   n ec ess itatin g   th e  u s e  o f   a  co n tr o ller   [ 1 ] .   I n   m o d e r n   e lectr ical  en g in ee r in g   a p p licatio n s ,   th e  co n tr o l  o f   D C   m o to r s   p la y s   a  p iv o tal   r o le  in   v ar io u s   in d u s tr ial  an d   co n s u m e r   s y s tem s   [ 2 ] .   T h e  ab ilit y   to   p r ec is ely   r eg u late  m o to r   s p ee d   is   ess en tial  f o r   en h an cin g   p er f o r m a n ce ,   ef f icien cy ,   an d   r eliab ilit y   in   ap p licatio n s   r an g in g   f r o m   r o b o tics   to   au to m o tiv e  s y s tem s .   C h a n g in g   th e  v o ltag e  o r   em p lo y i n g   r esis tiv e  m eth o d s   ar e  two   co m m o n   way s   to   m an a g e  s p ee d ,   b u t t h ey   ca n   b e  wastef u l a n d   ca u s e  a  lo t o f   p r o b lem s   [ 3 ] .   Po wer   elec tr o n ics  h av e  r ev o l u tio n ized   m o to r   co n tr o l  in   th at  it  h as  m ad e  p o s s ib le  th e  ac cu r ate,   ef f icien t ,   an d   f l ex ib le  c o n tr o l  o f   elec tr ical  p o wer   s u p p ly   to   th e  m o to r s .   Dy n am ically   co n tr o lled   v o ltag e  an d   cu r r en t,  wh ic h   ca n   b e  ac h iev ed   th r o u g h   th e  u s e  o f   h i g h - p o wer   elec tr o n ic  co n v er ter s ,   c o u ld   r esu lt  in   b etter   p er f o r m an ce   o f   t h e  m o to r   i n   t er m s   o f   to r q u e  an d   s p ee d .   I n   ad d itio n ,   t h ese   tech n o lo g ies  i m p r o v e   th e   o v er all   s y s tem   ef f icien cy   an d   m in im ize  en er g y   wastag e  as  co m p ar ed   to   tr ad itio n al  co n tr o l  tech n iq u es.  T h er ef o r e,   p o wer   elec tr o n ics  h as  b ec o m e  im p o r tan t   in   c u r r en t   m o to r   co n tr o l  s y s tem s ,   esp ec ially   in   f ield s   wh er e  h i g h   p er f o r m an ce   an d   f lex i b ilit y   ar e  n ee d ed   i n   th e  f ac e  o f   d if f er e n t o p er atin g   en v i r o n m e n ts   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   R ec en t  im p r o v em e n ts   in   p o w er   elec tr o n ics  h av e   m ad e  it  p o s s ib le  to   f in d   b etter   s o lu tio n s ,   s u ch   as  b o o s t  co n v er ter s .   T h e  t o r q u e   an d   s p ee d   p er f o r m a n ce   o f   t h e   m o to r   ar e   im p r o v ed   b y   a  b o o s t  co n v er ter ,   wh ich   r aises   th e  in p u t  v o ltag e  an d   p er m its   a  h ig h er   s u p p l y   v o ltag e  to   th e  m o to r .   W h en   u s ed   wi th   a  m icr o co n tr o ller   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4         Desig n   a n d   imp leme n t a tio n   a   b o o s t c o n ve r ter circu it b a s ed   o n   A r d u in o   kit   ( A li S .   A lh fid h )   1631   lik e  th e  Ar d u in o ,   t h e  co n tr o l  s y s tem   ca n   b e  b o th   f lex ib le  a n d   ac cu r ate,   lettin g   y o u   m a k e  c h an g es  in   r e al  tim e  b ased   o n   f ee d b ac k   [ 6 ] .   T h e  a p p licatio n   o f   a  b o o s t  co n v e r t er   to   r eg u late  a  DC   m o to r ' s   s p ee d   h ig h lig h ts   th e  b en ef its   o f   t h is   s tr ateg y   o v er   tr ad itio n al  tech n i q u es   [ 7 ] .   W e  will  ex am in e  h o w  b o o s t  co n v er ter s   wo r k ,   h o w   th ey   af f ec t  m o to r   p er f o r m an ce ,   an d   r elate d   co n tr o l  tech n iq u es  th at  im p r o v e  s y s tem   r esp o n s iv en ess   an d   s tab ilit y   [ 1 ] .   W e  wan t  to   s h o w  th at  th is   m eth o d   wo r k s   f o r   ef f icien t  an d   p r ec is e  s p ee d   c o n tr o l  in   a  r a n g e  o f   s itu atio n s   b y   u s in g   s im u latio n s   an d   r ea l - wo r ld   test s .     T h is   p r o ject  is   ab o u t  m ak in g   an   Ar d u in o - b ased   co n tr o l  s y s tem   th at  u s es  a  b o o s t  co n v er ter   to   co n tr o l  th e  s p ee d   o f   a  DC   m o to r .   W ith   th e  Ar d u in o   an d   th e  b u ck   co n v er ter ,   we  ca n   m o n ito r   an d   m o d if y   it,  g iv in g   u s   a  co n tr o l  s y s tem   with   a  r esp o n s e  tim e   f ast  en o u g h   to   allo w  f o r   im p r o v ed   ef f ici en cy   [ 8 ] .   T h e  ad d itio n   o f   f ee d b ac k   m ec h an is m s   an d   th e  lik e,   s u ch   as   p u ls e   wid th   m o d u latio n   ( PW M ) ,   is   to   allo w  f o r   f in er   ad ju s tm en t  o f   th e  s p ee d   o f   th e  m o to r   an d ,   b y   d o in g   s o ,   r esu lts   in   h ig h er   ef f icien cy   an d   b etter   f u n ctio n   [ 9 ] .   I n   th is   p r o ject ,   we  will  lear n   a b o u t  t h e  b o o s t  c o n v er te r ,   its   c o n s tr u ctio n   an d   o p er atio n ,   p r o g r am m in g   th e  Ar d u i n o   co n tr o ller ,   a n d   co m b in in g   all  th ese  item s   t o   p r o v id e  u s   with   ef f e ctiv e   m o t o r   s p ee d   co n t r o l   [ 1 0 ] .   W e  ex p ec t  o u r   r esu lts   to   u n d er s co r e  th e   b en e f its   o f   t h is   m eth o d   i n   a   n u m b er   o f   ap p licat io n s ,   attesti n g   to   a  f lex ib le  an d   p o wer f u l te ch n iq u e  f o r   cu r r en t m o t o r   co n tr o l.       2 .     L I T E R AT U RE   R E VI E W          C o n tr o l  o f   th e  s p ee d   o f   DC   m o to r s   h as  b ee n   a  to p ic  o f   th o r o u g h   in v esti g atio n   d u r in g   th e  last   s ev er al  d ec ad es  b ec au s e  o f   an   ex ten s iv e  s co p e  o f   its   ap p licatio n s   in   r o b o tics ,   elec tr ic  ca r s ,   in d u s tr ial  au to m atio n ,   an d   o th er   elec tr o m ec h an ical  s y s tem s .   R esear ch er s   h av e  co m e  u p   with   a  m y r iad   o f   co n tr o l  m ea s u r es  th at  f o cu s   o n   en h an cin g   p er f o r m an ce ,   ac cu r ac y ,   an d   en er g y   co n s u m p tio n   u n d er   v ar y in g   o p er atin g   co n d itio n s .   T h ese  m eth o d s   co n s is t  o f   b o th   class ical  co n tr o l  tech n iq u es  an d   cu r r en t  o n es  th at   in v o lv e  th e  u s e  o f   p o wer   elec tr o n ics  an d   in tellig en t  co n tr o l  alg o r ith m s .   C o n s eq u en tly ,   DC   m o to r   s p ee d   co n tr o l  co n tin u es  to   b e  a  d y n am ic  an d   s ig n if ican t f ield   o f   s tu d y   in   th e  f ield   o f   elec tr ical  en g in ee r in g .   I n   2024 ,  R ath i  an d   Asp alli   [ 1 1 ]   p r o p o s ed   a  m o d el  an d   s im u lated   th e  b o o s t  co n v er ter   with   Ar d u in o   u s in g   two   p u s h   b u tto n s ;  th e  p r esen ted   wo r k   is   an   o p en - lo o p   m o d el  with   m in im ized   h ar d war e,   h ig h   p er f o r m an ce ,   less   weig h t,  an d   ac cu r ac y .   Ar d u in o   allo ws  f o r   s im p le  r eg u latio n   o f   DC   o u tp u t  v o ltag e,   d esp ite  lo wer   p o wer   co n s u m p tio n   co m p ar ed   to   co m p lex   h ar d war e  cir cu its .   I n   2 0 2 1 ,   Ma ’ ar if   an d   Setiawan   [ 6 ]   f o cu s ed   o n   co n tr o llin g   a  DC   m o to r   b ased   o n   in teg r al   s tate  f ee d b ac k   th r o u g h   s im u latio n   s o f twar e  an d   h ar d war e  im p lem en tatio n .   R esu lts   s h o wed   g o o d   p er f o r m an ce   in   r ea ch in g   s et  p o in ts   an d   tr ac k in g   co n tr o l,  with   f ast  r is e   an d   s ettlin g   tim es.  T h e  r esear ch   also   s h o wed   b etter   s y s tem   r esp o n s e  in   tr ac k in g   co n tr o l  co m p ar ed   to   PID   co n tr o ller s .   Fu tu r e  r esear ch   in clu d es  d eter m in in g   co n tr o ller   p ar am eter s ,   o v er co m in g   th e  ch allen g e  o f   all  s tates  b ein g   k n o wn ,   an d   ap p ly in g   Kalm an   f ilter s   to   m in im ize  o s cillatio n   an d   n o is e   in   o u tp u t sen s o r s .   I n   2 0 2 3 ,   R ik wan   an d   Ma ’ ar if   [ 1 0 ]   s tu d ied   th e  co n tr o ller   f o r   DC   m o to r   an g u lar   v elo city   u s in g   th e  Ar d u in o   UNO - b ased   PID   m eth o d ,   wh ich   was  test ed ,   an d   co n clu d ed   th at  th e  co r r ec t  PID   v alu e  ca n   b e  o b tain ed   b y   ch an g in g   KP,  KI ,   an d   KD  v alu es  ac co r d in g   to   th e  tr ial - an d - er r o r   m eth o d .   T h e  s y s tem   r esp o n s e  was o b tain ed   f r o m   th e  test ed   p ar am eter s ,   with   r is e  tim e  =  0 . 9 9 2 5 ,   s ettlin g   tim e  =  2 . 7 3 6 8 ,   o v er s h o o t =   1 . 3 3 3 3 ,   an d   s tead y - s tate   er r o r   =  0 .   I n   2 0 2 3 ,   Su lak h e  et  a l .  [ 1 2 ]   an aly ze d   th e  DC   m o to r   s p ee d   co n tr o l  u s in g   a  ch o p p er   an d   a  p r o p o r tio n al - in teg r al - ty p e   s p ee d   an d   cu r r en t  co n tr o ller .   T h e  m o d el  is   ad ap ted   to   ch an g e  lo ad   co n d itio n s ,   in p u t  v o ltag e ,   an d   r ef er en ce   s p ee d   co n d itio n s ,   an d   th e  r esu lts   ar e  an aly ze d   f o r   r ated   an d   u n d er - r ated   s p ee d s .   T h is   p r o ject  is   d ev elo p ed   b ased   o n   ea r lier   wo r k s   b y   in co r p o r atin g   P WM - b ased   co n tr o l  with   an   Ar d u in o   p latf o r m ,   v o ltag e  co n tr o l  with   a  b o o s t  co n v er ter ,   an d   s p ee d   co n tr o l  with   a  f ee d b ac k - b ased   s y s tem   to   en ab le  ef f icien t  co n tr o l  o f   a  DC   m o to r .   T h ese  tech n iq u es  to g eth er   en ab le  th e  f in e  co n tr o l  o f   th e  m o to r   s p ee d   in   a  v ar iety   o f   lo ad   co n d itio n s ,   with   th e  PW M  s ig n al  d y n am ically   ch an g in g   th e  d u ty   cy cle  to   ad ju s t th e  o u tp u t  v o ltag e  o f   th e  co n v er ter .   Mo r eo v er ,   th e  f ee d b ac k   m ec h an is m   h elp s   to   in cr ea s e  th e  s tab ilit y   o f   th e  s y s tem   an d   m ak e  s u r e  th at  th e  m o to r   h as  a  r ath er   co n s tan t  s p ee d   in   s p ite  o f   d is tu r b an ce s   lik e  lo ad   o r   to r q u e  ch an g es.  T h u s ,   th e  s u g g ested   s o lu tio n   is   a  co s t - ef f icien t  an d   s u s tain ab le  s o lu tio n   th at   will e n h an ce   th e  p er f o r m an ce   an d   en er g y   ef f icien cy   o v er   th e  co n v en tio n al  co n tr o l so lu tio n s .       3.   M E T H O D   DC   m o to r s   a r e   u t i li ze d   e x te n s iv e ly   in   r o b o t ics ,   el ec t r i c   ca r s ,   i n d u s t r ia l  a u t o m ati o n ,   an d   d o m es tic   ap p li ca ti o n s ,   m a k i n g   s p ee d   c o n tr o l   a n   ess en tia l  s u b je ct  i n   ele ct r ic al   e n g i n ee r i n g .   T h e ir   ea s e  o f   co n t r o l ,   ex ce l le n t   e f f ic ie n c y ,   an d   p r e d i cta b l e  to r q u e – s p ee d   c h a r ac t er i s tics   a l l  m ak e  t h e m   s o   p o p u l ar .   Ho we v e r ,   b e ca u s e   o f   v o lta g e  d r o p s   a n d   v a r ia ti o n s   in   t o r q u e  r e q u i r e m e n ts ,   t h e  m o to r   s p ee d   te n d s   t o   f l u ct u at e   u n d e r   d i f f e r e n t   l o a d   cir c u m s t a n ce s .   T h u s ,   t o   en s u r e   c o n s is te n t   p e r f o r m a n c e,   s t r o n g   a n d   a d a p t a b le   c o n t r o l  m e c h a n is m s   ar e  n e e d e d .     3 . 1 .     DC  m o t o r  mo dellin g   T h e  ar m at u r e  win d in g   o f   a  S E DC M  is   p o wer ed   b y   a n   e x ter n al  s o u r ce ,   wh er ea s   th e  f ield   win d in g   r ec eiv es  cu r r en t  d ir ec tly   f r o m   th e  a r m atu r e  [ 1 3 ] .   T h e  co r r es p o n d in g   eq u iv ale n t  cir cu it  is   s h o wn   in   Fig u r e  1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J  Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   163 0 - 1 6 4 2   1632   T h is   co n f ig u r atio n   im p lies   t h at  th e  a r m atu r e   an d   f ield   c u r r en ts   ar e   in d e p en d e n t.  D u r in g   o p er atio n ,   th e   ar m atu r e  cu r r e n t  in d u ce s   a  b ac k   elec tr o m o tiv e  f o r ce   ( b ac k - E MF)   o p p o s in g   th e  s u p p ly   cu r r en t  [ 1 4 ] .   T h e   m o to r   co n tin u es  to   r o tate  u n til  th e  ap p lied   v o ltag e  an d   t h e  b ac k - E MF  b alan ce   ea ch   o th e r ,   at  wh ich   p o in t  th e  d ev elo p e d   to r q u e  eq u als th e  lo ad   to r q u e.   T h e  ar m atu r e  win d i n g   is   p r o v id ed   with   cu r r en t  f r o m   an   e x ter n al  s u p p ly ,   wh ile  th e  f ield   win d in g   is   s u p p lied   with   c u r r en t   f r o m   th e  ar m atu r e   win d in g   its elf .   T h is   in d ic ates  th at  th er e  is   n o   r e latio n s h ip   b etwe e n   th e  ar m atu r e   cu r r en t  a n d   t h e  f ield   cu r r en t   [ 1 5 ] .   W h en   t h e  m o to r   is   r u n n i n g ,   th e  ar m atu r e  cu r r e n t  cr ea tes  a   b ac k   elec tr o m o tiv e   f o r ce   ( B E MF)   th at  o p p o s es  th e  cu r r en t  f lo win g   th r o u g h   th e  ar m atu r e   win d in g   [ 1 6 ] .  T h e   mo to r   will  k ee p   t u r n in g   u n til   th e  ap p lied   v o ltag e  an d   th e  b ac k   E MF  ar e  eq u al.   At  th is   p o in t,  th e  m o to r   will  p r o d u ce   a   to r q u e  t h at  is   eq u al   to   t h e  lo a d   to r q u e   [ 1 7 ] ,   [ 1 8 ] .   T h e  ar m at u r e  c u r r e n t  will  alw ay s   b e  g r ea ter   th an   th e  f ield   cu r r en t  b ec a u s e  th e  ar m atu r e  win d i n g   h as  a  h i g h e r   r esis tan ce   th an   th e  f ield   wi n d in g .   T h is   is   wh y   s ep ar ately   ex cited   DC   m o to r s   ar e  o f ten   u s ed   in   a p p licatio n s   wh er e  p r ec is e  s p ee d   c o n tr o l  is   r eq u ir ed   [ 9 ] .   T h e   f u n d am e n tal  m o to r   eq u atio n s   ar e:     = +    +                                                                     ( 1 )     =     + +                                                                                  ( 2 )                                                                                                                                        T h e  m o to r ' s   b ac k   em f   ca n   also   b e   ex p r ess ed   as   ( 3 ) .     =                                                                                                                                  ( 3 )                                                                                                                                                                                                     Als o ,     =      (4 )                                                                                                                                            wh er e  V a   is   th e  ar m atu r e  v o ltag e  ( V) ;   I a   is   th e  ar m atu r e  cu r r en t   ( A) ;   R a   is   th e  ar m atu r e  r esis tan ce   ( Ω ) ;   L a   is   th e  ar m atu r e  in d u cta n ce   ( H) ;   E b   is   th e  b ac k   elec tr o m o tiv e  f o r ce   ( V) ;   T L   is   th e  lo ad   to r q u e  ( N . m) ;   T d   is   th e   d ev elo p e d   to r q u e  ( N . m) ;   J   is   th e  m o m en t  o f   in er tia  ( k g · m ²) ;   B   is   th e  m o to r   f r ictio n   co ef f icien t,  ω   is   th e   an g u lar   v elo city   ( r ad /s ) ;   an d   φ  is   th e   d e v elo p e d   m ag n etic  f lu x   ( W b ) .   Un d er   s tead y - s tate  co n d itio n s ,   th e   ar m atu r e  in d u ctan ce   ter m   ca n   b e  n eg lecte d ,   an d   t h e  an g u lar   v elo city   is   th er ef o r e  ex p r ess ed   as ( 5 ) .         = −                                                                                                                                 (5 )                                                                                                                                   T h u s ,   u s i n g   t h e   a f o r e m e n t i o n ed   ( 5 ) ,   t h e   DC   m o t o r ' s   s p e e d   m a y   b e   c o n t r o l le d   b y   a d j u s t i n g   th e   a r m a t u r e   v o l t a g e   a n d   f i e l d   f l u x .   A m o n g   t h e   t h r e e   t e c h n i q u es   f o r   r e g u la t i n g   a   DC   m o t o r ' s   s p e e d ,   t h e   a r m a t u r e   e n a b l es   a   s e a m l ess   c h a n g e o v e r   f r o m   ze r o   t o   b a s e   s p e e d   [ 1 9 ] .   At   t h e  r a t e d   v o l t a g e  o f   t h e  s u p p l y ,   t h e   s p e e d   a t ta i n e d   is   k n o w n   a s   t h e   b a s e   s p e e d .   T h e   ( 2 )   b e c o m e s   ( 6 )   i f   w e   as s u m e   t h a t   t h e   m o t o r ' s   f r i c t i o n   is   n e g l i g ib l e   ( B = 0 ) .     =     +     ( 6 )     T h e  ( 6 ) - ( 9 )   ar e  o b tain ed   b y   ap p ly in g   th e   L ap lace   t r an s f o r m   t o   th e  p r e v io u s ly   s tated   ( 7 ) - ( 9 ) :     ( ) = − +   ∗                                                                                                                 ( 7 )     ( ) = −    ( 1 +   ) =   −    ( 1 +   )                                 ( 8 )     ( ) = − =     −                                                             ( 9 )     w h er e   =  .   T h e  b lo ck   d iag r am   o f   th e  D C   m o to r   m o d el  is   illu s tr ated   in   Fig u r e  2 .   T h e  tr an s f er   f u n ctio n   th at   r esu lts   f r o m   ca r r y in g   o u t th e  b lo ck   r ed u ctio n   will h av e  t h e  f o llo win g   s tr u ctu r e.     ( ) ( ) = / ( 1 + ) 1 + 2 2 ( 1 + ) = 1 /   ( 1 + ) + 1                                                                                             ( 1 0 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4         Desig n   a n d   imp leme n t a tio n   a   b o o s t c o n ve r ter circu it b a s ed   o n   A r d u in o   kit   ( A li S .   A lh fid h )   1633   Ass u m in g   =   (   ) 2   a n d   r e p lacin g     = ,   ( 1 0 )   ca n   b e  r e d u ce d   to   ( 1 1 ) .     ( ) ( ) = ( + ) ( + )                                                                                                                                                                     ( 1 1 )     As  a  r esu lt,  f o r   th e  s y s tem   m en tio n ed   ab o v e,     an d     s tan d   f o r   th e  tim e  co n s tan ts   u s ed   in   th e  tr an s f er   f u n ctio n .   T h e  s y s tem ' s   o v er all  r ea ctio n   will  b e  im p a cted   b y   th ese  tem p o r al  co n s tan ts   [ 2 0 ] .   T h er e f o r e,   th e  tr an s f er   f u n ctio n   o b tain ed   in   ( 1 1 )   with in   th e  m o d el  ca n   b e  u s ed   in   p lace   o f   th e  DC   m o t o r   [ 2 1 ] .   T h e  T er co   DC   m o to r   u tili ze d   in   th e  s im u l atio n   in   th is   p ap e r   h as th e  p a r a m eter s   lis ted   in   T ab le  1 .           F i g u r e   1 .   E q u i v a l e n t   ci r c u i t   o f   a   S E DC M           Fig u r e  2 .   DC   m o to r   m o d el       T ab le  1 .   Descr ip tio n   o f   Te r co   DC   m o to r   P a r a me t e r s   S t a n d a r d s   P a r a me t e r s   S t a n d a r d s   A a a a a   1 . 0 0 1 1 1   Jm   0 . 0 1 2   k g . m 2   B b b b b   1 1 . 1 2 3   Bm   0 . 0 2 0 4   N . m . s . r a d - 1   Ra   0 . 2 5   Ω   Kb   1 0   V . s.ra d - 1   La   6 0 . 8 1   mH   R a t e d   s p e e d   m       3 . 2 .    P WM   P W M   c o n t r o ls   DC   m o t o r   s p ee d   b y   v a r y i n g   t h e   d u t y   c y c l e   f r o m   ( 0 %   t o   1 0 0 % )   t o   al t e r   t h e   e f f e c t i v e  v o l t a g e .   M a n a g e d   b y   m i c r o c o n t r o l l e r s   a n d   MO SF E T s ,   th i s   m e t h o d   e n s u r es   P r ec i s e  m o v e m e n t ,   h i g h e r   e f f i c i e n c y ,   a n d   r e d u c e d   P o w e r   l o s s .   I t   is   n e c e s s a r y   t o   n o t e   t h a t   a t t e n t i o n   s h o u l d   b e   p a i d   t o   t h e   c l o c k   f r e q u e n c y   o f   t h e   P W M   s i g n a l .   T y p i c a ll y ,   m o t o r s   h a v e   s p e c i f i c a ti o n s   u n d e r   w h i c h   t h e y   n e e d   t o   b e   o p e r a t e d .   F o r   m o t o r s ,   s p e e d   c o n t r o l   s h o u l d   b e   a t   l e as t   1   k H z   o r   h i g h e r   i n   f r e q u e n c y .   P o w e r   l o s s e s   i n c r ea s e   as   t h e   f r e q u e n c y   d e c r e a s e s .   H o w e v e r ,   m o d e r n   p o w e r   M O SF E T s   a r e   a l r e a d y   s u i t a b l e   e n c ap s u l a t e d   p a c k a g es ,   g i v e n   t h is   r e q u i r e m e n t .     3 . 3 .     P WM   f re qu ency   a nd   du t y   cy cle  im pa ct   o n sy s t em   p er f o rma nce   S witch in g   f r eq u en c y   is   a  b alan ce   b etwe en   ef f icien cy   an d   p er f o r m a n ce .   Hig h er   f r e q u en ci es   im p r o v e  m o to r   Stab ilit y   a n d   r e d u ce   r i p p les ,   b u t  i n cr ea s e   s witch in g   lo s s es  an d   E MI .   C o n v e r s ely ,   lo wer   f r eq u en cy   is   g en er ally   r eq u i r ed   wh er e   r ed u ce d   s witch in g   f r eq u en cies  ar e   less   Pro n e  to   s witch in g   lo s s es a n d   m o r e   ef f icien t,   b u t  g en e r ate  h ig h er   v o ltag e  r i p p le  an d   cu r r en t  v a r iatio n s ,   w h ich   ca n   a d v er s ely   a f f ec t  th e   m o to r   Per f o r m an ce   an d   ad d   u n wan te d   o s cillatio n s   [ 2 2 ] .     3 . 4 .     A  bo o s t   c o nv er t er   A  b o o s t   co n v er ter   is   a   DC - DC   p o wer   elec tr o n ic   co n v er ter ,   wh ich   is   a  s tep - u p   ch o p p e r ,   a n d   is   m ad e   to   r aise  th e   in p u t v o ltag e   to   a  m ax im u m   o u t p u t v o ltag e   lev el .   I t   ac co m p lis h es  th is   r o le   b y   s to r in g   en er g y   i n   a n   in d u cto r   an d   a  s witch in g   ac ti o n   th at  is   r eg u lated ,   f ac ilit ati n g   th e  c o n v e r s io n   o f   v o ltag es   ef f ec tiv ely .   T h is   is   th e  r ea s o n   wh y   b o o s t  co n v e r te r s   ar e  esp ec ially   ap p r o p r iate  in   ap p licatio n s   th at   n ee d   m o r e  o u tp u t  v o ltag e  th a n   th e  av ailab le  in p u t  s u p p ly ,   s u ch   as  DC   m o to r   co n tr o l  s y s tem s   [ 2 1 ] .   Fig u r e  3   illu s tr ates   th e  cir cu it  d iag r am   o f   th e  b o o s t   co n v er ter .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J  Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   163 0 - 1 6 4 2   1634       Fig u r e  3 .   B o o s t c o n v er ter   ci r c u it d iag r am       3 . 4 . 1 .   M a t hem a t ic a l m o delin g   o f   bo o s t   co nv er t er   Ma th em atica l  m o d elin g   o f   a  b o o s t  co n v er ter   is   a  f u n d am e n t al  ar ea   o f   p o wer   elec tr o n ics,  s tip u latin g   h o w  a  DC - DC   co n v er ter   ca n   ef f ec tiv ely   b o o s t  a  s o u r ce   v o ltag e  to   a  h i g h er   o u tp u t  v o ltag e .  T h e  b o o s t  co n v er ter   is   a  n o n - lin ea r   s y s tem   th at  r eg u lates  th e  f lo w  o f   e n er g y   u s in g   an   in d u cto r   an d   a  h ig h - s p ee d   s witch   ( MO SF E T /I GB T ) .   B a s ed   o n   th e  in d u cto r   v o lt - s ec o n d   b ala n ce   p r in cip le,   en er g y   is   s to r ed   in   th e  in d u ct o r   d u r in g   th e  ON   s tate   an d   tr a n s f er r ed   t o   th e   lo ad   d u r in g   th e  OFF  s tate.   T h is   p r o ce s s   is   m ath em atica lly   co n tr o lled   b y   th e  d u t y   cy cle  ( D) ,   wh ich   d eter m in es  th e  s witch ' s   co n d u ctio n   tim e   [ 2 3 ] .   T h e  in d u cto r   cu r r e n t   r ip p le  is   an   im p o r tan t p a r am et er   af f ec tin g   c o n v e r ter   p e r f o r m an ce   an d   is   ex p r ess ed   as   ( 1 2 ) :     =  ⋅ ⋅                                                                                                                                                                                                                                                                              ( 1 2 )     w h er e   Δ is   th e  in d u cto r   cu r r en t r ip p le ;    is   th e  in d u ctan ce ; a n d     is   th e  s witch in g   f r eq u e n cy .   A  p r o p e r ly   s elec ted   in d u cto r   en s u r es  co n tin u o u s   co n d u ct io n   an d   r e d u ce s   cu r r en t  r ip p le,   wh ich   im p r o v es  s y s tem   s tab ilit y .   T h e  o u tp u t  v o ltag e  r ip p le  d e p en d s   o n   th e  ca p ac ito r   v alu e  an d   lo ad   cu r r en t  an d   is   g iv en   b y   ( 1 3 ) :       = ⋅   ⋅                                                                                                                                                                   ( 1 3 )     wh er e   Δ   is   th e  o u tp u t v o ltag e  r i p p le ;  is   th e  o u tp u t c u r r e n t ; a n d     is   th e  ca p ac itan ce .   Min im izin g   v o ltag e  r ip p le  is   ess en tial  f o r   m ain tain in g   a  s ta b le  m o to r   s p ee d .   Switch in g   lo s s es  o cc u r   in   th e  p o wer   MO SF E T   d u r in g   th e  tr a n s itio n   b etwe en   th e  on   an d   o f f   s tates.  A  co m m o n   li n ea r   ap p r o x im atio n   f o r   th e  t o tal  s witch in g   lo s s   P is :       = 1 2 .  . . ( + ) .                                                                                                                        ( 1 4 )                                                              wh er e  V out   is   t h e  v o ltag e  ac r o s s   th e  s witch   wh en   o f f ;  an d   I L is   t h e  cu r r en t  th r o u g h   th e  s witch   wh en   o n .   B o o s t  co n v er ter   c o m p o n en ts   wer e  s elec ted   b ased   o n   wo r s t - ca s e  o p er atin g   co n d itio n s   an d   ex p er im en tal  d ata.   C alcu latin g   r atin g s   in clu d ed   s af ety   m ar g i n s   to   en s u r e  s y s te m   s tab ilit y ,   as d etailed   in   T ab l e  2 .       T ab le  2 .   R atin g s   o f   b o o s t c o n v er ter   co m p o n en ts   C o m p o n e n t   C a l c u l a t e d   r e q u i r e me n t   S e l e c t e d   r a t i n g   I n d u c t o r   6 5 0   µ H ,   I sa t   ≥   1 9 . 5   A             6 5 0   µH / 2 0   A   C a p a c i t o r   C   ≥   4 0 . 4   µ F ,   V   ≥   3 1 7 . 2 5   V   1 0 0   µ F / 4 0 0   V ,   l o w   ESR   D i o d e   V   ≥   3 1 7 . 2 5   V ,   I   ≥   1 3 . 4 4   A   4 0 0   V / 1 5 - 20   A   f a st   r e c o v e r y   M O S F ET/ I G B T   V   ≥   3 1 7 . 2 5   V ,   I   ≥   2 6   A   4 0 0 - 500   V / 3 0   A       3 . 5 .     Arduin o   UNO   o v er v iew   Ar d u in o - b ased   s p ee d   c o n tr o l   o f   a  DC   m o to r   with   Ar d u i n o   UNO   [ 2 4 ] .   Fo r   Ar d u in o - b a s ed   s p ee d   co n tr o l,   th e  d esire d   s p ee d   is   co m p a r ed   with   th e   m o t o r   s p ee d   m ea s u r ed   th r o u g h   a  ta ch o m eter ,   an d   th e   d if f er en ce   is   u s ed   as  an   in p u t  to   co n tr o l   th e  ar m at u r e  v o ltag e  o f   th e  DC   m o to r ,   wh ich   in d ir ec tly   co n tr o ls   th e   m o to r   s p ee d .   T h e  o u tp u t  v o lt ag e  p r o v id ed   to   th e  m o to r   is   co n tr o lled   b y   u s in g   a  b o o s t  c o n v er ter   [ 2 5 ] .   T h e  cir cu it  o f   th e  p r o p o s ed   wo r k   i s   s im u lated   an d   test ed   f o r   b o t h   clo s ed - lo o p   a n d   o p en - lo o p   s y s tem s   f o r   an aly s is   an d   p er f o r m a n ce   co m p ar is o n .   T h e  Ar d u in o   UNO  b o ar d   is   d esig n ed   to   m ak e  th e  p r o ce s s   o f   u s in g   m icr o co n tr o ller s   b y   s tu d en ts   o r   p r o f ess io n als  as  ea s y   as  p o s s ib le   [ 2 6 ] .   I t  is   eq u i p p ed   with   a n   Atm eg a3 2 8   m icr o c o n tr o ller   th at  o p er ates  at  5   V.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4         Desig n   a n d   imp leme n t a tio n   a   b o o s t c o n ve r ter circu it b a s ed   o n   A r d u in o   kit   ( A li S .   A lh fid h )   1635   I t  h as  3 2 - k B   f lash   m em o r y   a n d   1 4   d ig ital  in p u t/o u tp u t  p i n s .   T h e  m ajo r   co m p o n e n ts   o f   th e  Ar d u in o   UNO  ar e   th e  m ain   in p u t  p o r t  p in ,   USB   en d   p o r t,  DC   p o wer   in p u t  p o r t,  an alo g   in p u t  p in s ,   th e   an alo g   in p u t  p in s   co n v er t   u p   to   0 - 5   V,   DC   in p u t  p in s ,   L C D  in p u ts ,   an d   b u zz er   o u tp u t  p in .   T h e   d etailed   p in   d escr ip ti o n s   ar e  m e n tio n ed   in   th e  tex t.  T h e  b lo ck   d iag r am   o f   th e  Ar d u in o   UNO  b o ar d   is   s h o wn   in   th e  tex t.  I /O  PIN   B OARD :   7 - b it  p o r t,     4 - b it p o r t,  7 - b it p o r t.  Fig u r e   4   illu s tr ates th e  Ar d u in o   k it.           Fig u r e   4 .   Ar d u in o   UNO  k it       3 . 6 .     I nte g ra t io n o f   bo o s t   co n v er t er   wit h DC   m o t o r     T h e  b o o s t  c o n v e r ter   u tili ze s   an   in d u cto r ,   c ap ac ito r ,   an d   a  d io d e  co n tr o lled   b y   an   Ar d u i n o   PW M   s ig n al  v ia  o n   I G  ST  s witch   to   r eg u late  v o ltag e.   B y   ad ju s tin g   th e  d u ty   cy cle,   th e  s y s tem   m an ag es  p o we r   f lo w   to   th e  DC   m o to r ,   u s in g   a  f r ee - wh ee lin g   d io d e   to   m ai n tain   cu r r en t   an d   p r e v en t  b ac k   E M F  is s u es  d u r in g   t h e  Switch ' s   "OFF"  p er io d s .   Fig u r e  5   s h o ws  th e   f lo wc h ar t  o f   DC   m o to r   s p ee d   c o n tr o l   b ase d   o n   Ar d u in o ,   wh ic h   d escr ib es  th e  in ter p la y   b etwe e n   th e  im p o r tan t   p ar ts ,   s u ch   a s   th e  r ef er e n ce   in p u t,  c o m p ar ato r ,   Ar d u in o - b ased   co n tr o ller ,   b o o s t  co n v er ter ,   DC   p o wer   s o u r ce ,   an d   th e  m o to r   with   its   f ee d b ac k   lo o p .   T h e  f ig u r e  g iv es  a  g o o d   illu s tr atio n   o f   th e  s ig n al  f lo w  an d   p o wer   tr an s f er   in   th e   s y s tem   an d   h o w  th e   co n t r o ller   m o d u lates  th e   co n v er ter   d u ty   cy cle  to   e n s u r e   th e  m o to r   r u n s   at  th e  d esire d   s p ee d   in   v ar y in g   o p er atin g   co n d itio n s .           Fig u r e   5 .   F lo wch ar t  o f   DC   m o to r   s p ee d   co n tr o l u s in g   b o o s t c o n v er ter   an d   Ar d u in o   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J  Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   163 0 - 1 6 4 2   1636   4 .     RE SU L T S   AND  D I SCU SS I O N      An   ex p er im en tal  p r o to ty p e  w as  cr ea ted   an d   p u t  th r o u g h   la b o r ato r y   test in g   in   o r d er   to   ar r iv e  at  th e  s u g g ested   co n tr o l  tech n iq u e.   T h e  p r o to t y p e  d esig n   in clu d e s   a  s ep ar ately   ex cited   DC   m o to r   lin k ed   to   a  DC   g en er ato r   th at  ac ts   as  a  co n tr o lled   lo ad .   T o   s u p p l y   e lectr icity   to   th e  m o to r ,   a  b o o s t  co n v e r ter   is   u s ed ,   an d   an   Ar d u in o   UNO  m icr o c o n tr o lle r   u s es  PW M  to   r eg u late  th e   o u tp u t  v o ltag e.   T h e   m o to r   s h af t  is   eq u ip p e d   with   a   tach   g en er at o r ,   w h ich   g i v es  th e  co n tr o l  s y s tem   r ea l - tim e  s p ee d   f ee d b ac k .   Fig u r e   6   p r o v i d es  an   im ag e   o f   t h e   to tal  s y s tem .           Fig u r e  6 .   Pra ctica l  b o ar d       T h e  r esis tan ce   in   th e  g en er ato r ' s   cir cu it th e  lo ad   was c h an g ed .   Nex t,  th e  b o o s t c o n v er ter   w as in s er ted   b etwe en   th e  p o wer   s u p p ly   an d   th e  m o to r .   PW M  s ig n als  we r e  p r o d u ce d   b y   th e  Ar d u in o   UNO  to   r eg u late  th e  d u ty   c y cle  o f   th e   co n v er ter .   I n   o r d e r   to   co m p en s ate  f o r   a n y   s p ee d   v ar iatio n   b r o u g h t  o n   b y   v ar iatio n s   i n   lo a d ,   th e  Ar d u in o   co n tin u o u s ly   r ea d   th e  tach   g e n er ato r   s ig n al,   co m p ar ed   it  to   th e  r e f er en ce   s p e ed ,   an d   m o d i f ied   th e   d u ty   cy cle.   Data   h as  b ee n   co llected   f o r   th e  two   o p en - lo o p   ( with o u t  b o o s t)   an d   clo s ed - lo o p   ( with   b o o s t)   co n f ig u r atio n s .   A  clo s ed - lo o p   m eth o d   was u s ed   to   a ch iev e  th is .   T h e  ex p er im e n tal  d esig n   in v o lv es  two   s ep ar ately   ex cited   DC   m o to r s   co u p led   to g eth e r   m e ch an ically   with   a  DC   g en er ato r ,   wh ich   is   a  co n tr o llab le  lo ad .   T h e  s y s tem   also   h as  a  tach   g en er ato r   to   p r o v i d e  s p ee d   f ee d b ac k ,   a  b o o s t  co n v er ter   t o   p r o v i d e  v o ltag e  r e g u latio n ,   an d   an   Ar d u i n o - b ased   c o n tr o l  u n it  to   p r o d u ce   PW M  s ig n als.  Mo r eo v er ,   m e asu r em en t  d ev ices  an d   a  v o ltag e  d iv id er   f ee d b ac k   cir c u it  ar e  also   p r o v id ed   to   ch ec k   th e  p e r f o r m an ce   o f   th e  s y s tem   an d   to   co n tr o l  it  ac cu r ately .   Su ch   a  co m b i n ed   s etu p   allo ws  ass e s s in g   th e   o f f er ed   s tr ateg y   o f   m o to r   s p ee d   r eg u latio n   in   d i f f er en t  o p er at in g   co n d itio n s   ef f ec tiv ely .     4 . 1 .     E x perim ent a l  p ro ce du r e   On   th e  s am e  s h af t,  th e  g en er ato r   an d   m o to r   wer e  f ix e d ly   co n n ec ted .   T o   d eter m i n e  a  b aselin e   r ea ctio n ,   th e   m o to r   s u p p ly   wa s   in itially   co n n ec te d   d ir e ctly   with o u t  th e   b o o s t  co n v e r ter .   Un d er   v ar io u s   l o ad   s ce n ar io s ,   m ea s u r em en ts   wer e  m ad e  o f   s p ee d ,   ar m atu r e  c u r r en t,  t o r q u e  ( d e r iv ed   f r o m   g en er ato r   lo ad ) ,   an d   s u p p ly   v o ltag e.   B y   a d ju s tin g   th e   r esis tan ce   in   t h e  g en er ato r ' s   cir cu it,  th e  lo ad   was  ch an g ed .   Nex t,   th e  b o o s t  co n v er ter   was in s er ted   b etwe e n   th e  p o wer   s u p p ly   an d   th e  m o to r .   PW M  s ig n als we r e  p r o d u ce d   b y   th e  A r d u in o   UNO  to   r eg u late  th e  d u t y   cy c le  o f   th e  co n v er ter .   I n   o r d er   t o   c o m p e n s ate  f o r   an y   s p ee d   v ar iatio n   b r o u g h t  o n   b y   v a r iatio n s   in   lo ad ,   th e  Ar d u in o   c o n tin u o u s ly   r ea d   th e   ta ch   g en e r ato r   s ig n al,   c o m p ar e d   it  to   th e  r e f er en ce   s p ee d ,   an d   m o d if ie d   th e  d u ty   c y cle.     Data   h as  b ee n   c o llected   f o r   th e  two   o p en - lo o p   ( with o u t   b o o s t)   a n d   clo s ed - l o o p   ( with   b o o s t)   co n f ig u r atio n s .   A  clo s ed - l o o p   m eth o d   was  u s ed   to   ac h ie v e   th is .   T h is   b o ar d   co n s is ts   o f   a  se p ar ately   ex cited   DC   m o to r   co u p led   with   a  DC   g en er ato r ,   a  tach   g en e r ato r ,   a  b o o s t  co n v e r ter ,   d o u b le  v o ltag e  d iv id er   f ee d b ac k ,   Ar d u in o   k it ,   an d   m ea s u r em en t   m eter s .   T ab le  3   r ep r esen ts   th e   p r ac tical  r ea d in g s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4         Desig n   a n d   imp leme n t a tio n   a   b o o s t c o n ve r ter circu it b a s ed   o n   A r d u in o   kit   ( A li S .   A lh fid h )   1637   T ab le  3 .   L a b   p r ac tical  r ea d in g s   V in   ( V )   ( B o o s t )   V o ut   ( V )   ( B o o s t )   I in   ( A )   ( B o o s t )   I out   ( A )   ( B o o s t )   N   ( r p m)   T  ( N·m )   1 0 0   2 0 0   1 . 8   0 . 8   1 5 0 0   0 . 2 5   98   2 0 3   2 . 9   1 . 2 3   1 5 0 0   0 . 8   9 7 . 5   2 0 4   4   1 . 7   1 5 0 0   1 . 5   97   2 0 5   5 . 2   2 . 2   1 5 0 0   2 . 1   96   2 0 6   6 . 4   2 . 7   1 5 0 0   2 . 8   95   2 0 7   7 . 4   3 . 7   1 5 0 0   3 . 4   9 4 . 5   2 0 9   8 . 5   3 . 1   1 5 0 0   4   9 4 . 2   2 1 0   9 . 6   3 . 5   1 5 0 0   4 . 6   94   2 1 0 . 5   1 0 . 8   4   1 5 0 0   5 . 2   8 8 . 8   2 1 1   12   4 . 5   1 5 0 0   5 . 8   84   2 1 1 . 5   13   6 . 7   1 5 0 0   6 . 2       T h e  p r o p o s ed   b o o s t  co n v er t er   was  co n s id er ed ,   an d   its   ef f icien cy   was  ass es s ed   b as ed   o n   th e  ex p er im en tal  s co r es  r ep r esen ted   in   T ab le  3 ,   wh e r e  th e  in p u t   an d   o u t p u t  v o ltag es  an d   cu r r e n ts   wer e  m ea s u r ed   at  v ar io u s   lo ad   to r q u e   co n f i g u r atio n s .   Acc o r d in g   to   th ese  m ea s u r em en ts ,   th e   in p u t  p o w er    ,   o u tp u t  p o wer      an d   ef f icien cy     wer e  d eter m in ed   b ased   o n   ( 1 5 ) - ( 1 7 ) .        =  ⋅                                                                                                                                        ( 1 5 )        = ⋅                                                                                                                                           ( 1 6 )       =  × 100%                                                                                                                     ( 1 7 )     T ab le  4   s u m m a r izes  th e  ca lcu lated   ef f icien cy   v alu es.  As  illu s tr ated   in   th e  c o m p a r is o n   b e twee n   T ab le  2   an d   T ab le  3 ,   t h e  in p u t  p o wer   r is es  with   lo ad   t o r q u e   b ec a u s e  o f   t h e  h ig h er   cu r r en t   r eq u i r ed   b y   th e  DC   m o to r ,   an d   th e  o u tp u t p o wer   also   r is es to   en s u r e  th at  th e  s p ee d   o f   t h e  m o to r   r em ai n s   at  a  co n s tan t v alu e  o f   1 5 0 0   r p m .   Dep en d in g   o n   T ab le  4 ,   it  ca n   b e  s ee n   t h at  co n v er ter   e f f icie n cy   lies   in   th e   v icin ity   o f   8 7 . 8   to   9 4 . 3 ,   wh ich   im p lies   th at  it  ca n   o p er ate  ef f icien tly   u n d er   d iv er s e  lo ad   co n d itio n s .   T h e  ef f icien c y   tr en d   is   g r ad u ally   o n   th e   r is e  with   in cr ea s in g   lo ad   to r q u e.   T h is   ca n   b e  attr ib u ted   to   th e  f ac t  th at,   ev e n   t h o u g h   th e   co n d u ctio n   lo s s es  in cr ea s e  as  th e  c u r r en t   i n cr ea s es ,   th e  r atio   o f   t h e  u s ef u l  o u tp u t  p o wer   t o   th e   to tal  i n p u t  p o we r   in c r ea s es.   C o n tr asti n g ly ,   s witch in g   lo s s es  ar e  co n s tan t  at  a   g iv e n   PW M  f r eq u en cy ,   lead in g   to   in cr ea s ed   o v er all   ef f icien cy   at  h i g h er   l o ad s .   Fu r th er m o r e,   th e  d if f er en ce   b etwe en   i n p u t  a n d   o u tp u t  p o wer   in   T ab le  3   r e p r esen ts   th e  to tal  p o wer   lo s s es:        =  −                                          ( 1 8 )                                                                                                     T h ese  lo s s es  ar e  th e   co n d u cti o n   lo s s es  o f   th e   s em ico n d u cto r   d e v ices  an d   p as s iv e  c o m p o n en ts ,   an d   s witch in g   lo s s es  d u r in g   th e  t u r n - o f f   an d   tu r n - o n   o f   th e   s witch in g   d ev ice.   T h e  r esu lts   o f   th e  co m p ar is o n   b etwe en   T ab le s   3   an d   4   clea r ly   s h o w  th at   th e  p r o p o s ed   b o o s t  co n v er te r   is   ab le  t o   co n v e r t  p o wer   ef f icien tly   an d   k ee p   th e  m o to r   r u n n i n g   a t  th e  s am e  lo ad   u n d er   v ar y in g   lo ad   to r q u e  co n d itio n s .   T ab le   4   s u m m ar izes  th e   ca lcu lated   ef f icien cy   v alu es .       T ab le  4 .   Per f o r m an ce   an aly s is   v alu es u n d e r   v ar y in g   l o ad   To r q u e   ( N . m)   P in   (W)   P out   (W)   Ef f i c i e n c y   ( %)   To r q u e   ( N . m)   P in   (W)   P out   (W)   Ef f i c i e n c y   ( %)   0 . 2 5   1 8 0 . 0 0   1 8 0 . 0 0   1 0 0 . 0 0   4 . 0 0   8 0 3 . 2 5   8 9 8 . 7 0   1 1 1 . 8 8   0 . 8 0   2 8 4 . 2 0   2 8 4 . 2 0   1 0 0 . 0 0   4 . 6 0   9 0 4 . 3 2   1 0 1 8 . 5 0   1 1 2 . 6 3   1 . 5 0   3 9 0 . 0 0   4 0 8 . 0 0   1 0 4 . 6 2   5 . 2 0   1 0 1 5 . 2 0   1 1 4 7 . 2 3   1 1 3 . 0 1   2 . 1 0   5 0 4 . 4 0   5 3 3 . 0 0   1 0 5 . 6 7   5 . 8 0   1 0 6 5 . 6 0   1 2 6 6 . 0 0   1 1 8 . 8 1   2 . 8 0   6 1 4 . 4 0   6 5 9 . 2 0   1 0 7 . 2 9   6 . 2 0   1 0 9 2 . 0 0   1 3 7 4 . 7 5   1 2 5 . 8 9   3 . 4 0   7 0 3 . 0 0   7 6 5 . 9 0   1 0 8 . 9 5               Fig u r e  7   s h o ws  th e  ch an g e  in   co n v er ter   ef f icien cy   with   lo ad   to r q u e.   On e  ca n   n o tice  th at  th e  ef f icien cy   in cr ea s es  s lo wly   with   th e  in cr ea s e  in   th e  lo ad   to r q u e,   with   v alu es  o f   a b o u t  8 7 . 8 %  wh en   th e  lo ad   to r q u e  is   lo wer   an d   9 4 . 3 %  w h en   th e  lo ad   to r q u e  is   h ig h e r .   T h is   te n d en cy   im p lies   b etter   u tili za tio n   o f   in p u t  p o wer   at  h i g h er   o p er atin g   c o n d itio n s   ( wh e r e  th e  p r o p o r t io n ate  co n tr i b u tio n   o f   s witch in g   lo s s es  is   less   im p o r tan t th a n   th e  o u tp u t  p o w er ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J  Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   163 0 - 1 6 4 2   1638   I n   th is   s ec tio n ,   th e  r esu lts   o f   ex p er im en tal  test in g   o f   a  p r o p o s ed   s p ee d   c on tr o l  o f   a  DC   m o to r   ar e   p r esen ted   an d   d is cu s s ed .   T h i s   an aly s is   co m p ar es  th e  p er f o r m an ce   of   th e  s tan d ar d   s etu p   ( with o u t  a  b o o s t  c o n v er ter )   with   th e  en h an ce d   s y s tem   ( with   a  b o o s t  c o n v e r ter )   u n d er   v a r ied   lo ad   a n d   s u p p ly   C o n d itio n s .   Fig u r es   7   to   1 6   s h o w  h o w  i m p o r tan t  m ec h an ical  an d   ele ctr ical  f ac to r s ,   s u ch   as  to r q u e ,   s p ee d ,   cu r r en t,   a n d   v o ltag e ,   r elate   to   o n e  a n o th er .   Fro m   Fig u r e   7 ,   n o tice  th at   th e   ef f icien cy   in c r ea s es  s lo wly   with   th e  i n cr ea s e  o f   th e   lo ad   to r q u e,   with   v alu es  o f   ab o u t  8 7 . 8 %.  W h e n   th e  lo ad   to r q u e  is   lo w  an d   9 4 . 3 %.  W h en   th e  lo ad   to r q u e  is   h ig h ,   Fig u r e   8  s h o wed   th at  th e  v elo city   o f   th e  m o to r   g r ad u ally   d r o p s   wh ile  th e  lo ad   to r q u e  r is es.  Fig u r e  9   d is p lay ed   th at  th e  s p ee d   r em ain s   c o n s tan t e v en   a s   to r q u e  r is es.   Fig u r e  1 0   illu s tr ated   th at  th e   ar m atu r e  cu r r e n t  in cr ea s es  a s   th e  to r q u e   in cr ea s es  also ,   b u t  with o u t   u s in g   th e  b o o s t ,   b o u t  ca s ed   th e  m o to r   s p ee d   f ell   as  a   r esu lt  o f   v o ltag e  d r o p s .   Fig u r e  1 1   g a v e  s im ilar   b eh a v io r   b etwe en   to r q u e   an d   ar m atu r e   cu r r en t   as  Fig u r e   10 ,   b u t   th e  m o to r   s p ee d   r em ain ed   co n s tan t  d esp ite  c h a n g es  i n   th e  to r q u e  a n d   b etter   s p ee d   r eg u latio n   th a n   th e  n o n - b o o s t  ca s e.   Fig u r e   12  s h o ws  a   s m all  o v er s h o o t  a n d   q u ick ly   s ettles,  wh ich   m ea n s   t h at  th e  b eh a v io r   is   s tab le  an d   well - d am p ed .               Fig u r e  7 .   C o n v er ter   ef f icien cy   V - S so u r ce     Fig u r e  8 .   T o r q u e – s p ee d   c h ar a cter is tic  o f   DC   m o to r             Fig u r e  9 .   T o r q u e - s p ee d   c u r v e  with   b o o s t     Fig u r e  1 0 .   T o r q u e - cu r r en t w it h o u t b o o s t       Fig u r e  1 3   s h o ws  th e   s p ee d   r e d u ctio n   o cc u r r e d   d u e  t o   th e  r e latio n s h ip   in   th e  elec tr o m a g n e tic  to r q u e   as  a   r esu lt  o f   th e  lac k   o f   v o lta g e  co m p e n s atio n   d u r in g   lo ad i n g   with o u t   u s in g   th e   b o o s t.  Fig u r e  1 4 ,   th e   s p ee d   r em ain s   c o n s tan t  with   r esp ec t  to   an   in cr ea s e  in   lo ad   w h en   u s in g   th e   b o o s t.   Fro m   Fig u r e  1 5 ,   with   th e  ab s en ce   o f   th e  b o o s t  co n v er ter ,   th e  m o to r   s p ee d   r ed u ce d   p r o p o r t io n ately   with   r esp ec t  to   t h e  d ec r ea s e  in   s u p p lied   v o ltag e,   b u t th e  s p ee d   r em ain e d   c o n s tan t a t b o o s t v o ltag e  2 0 3   V,   as   s h o wn   in   Fig u r e  1 6  .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4         Desig n   a n d   imp leme n t a tio n   a   b o o s t c o n ve r ter circu it b a s ed   o n   A r d u in o   kit   ( A li S .   A lh fid h )   1639   T h e  Ar d u in o   c o n tr o l  s y s tem   c an   b e  u s ed   in   lo w -   to   m ed i u m - p o wer   s y s tem s   b ec a u s e  o f   its   s im p licity   an d   af f o r d a b ilit y .   N ev er th eles s ,   its   p o wer   is   r estricte d   b y   p r o ce s s in g   p o wer ,   r eso lu tio n   o f   PW M  o u tp u t,  an d   cu r r en t  lim itin g   i n   its   ab ilit y   to   d r iv e   h ig h - p o wer   in d u s tr ial  m o to r s .   Mo r e   ad v a n ce d   co n tr o ller s   lik e  DSPs   o r   in d u s tr ial - g r ad e   m icr o c o n tr o ll er s   ar e  n ee d ed   to   f ac ilit ate   s ca lab ilit y   to   in d u s tr ial  ap p lic atio n s   an d   s tu r d y   p o wer   elec tr o n ic  co m p o n en ts   an d   s u itab le  th er m al  a n d   p r o te ctio n   s y s tem s .                 Fig u r e   1 1 .   C u r r en t - to r q u e  wit h   b o o s t     Fig u r e  1 2 .   Dy n am ic  r esp o n s e  o f   th e  s y s tem   u n d er   s u d d en   lo a d   ch an g e             Fig u r e   1 3 .   C u r r en t - s p ee d   cu r v e  with o u t b o o s t     Fig u r e   1 4 .   C u r r en t – s p ee d   cu r v e  u n d er   b o o s t   mode           Fig u r e  1 5 .   Su p p ly   v o ltag e - s p e ed   cu r v e   with o u t b o o s t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.