Control PID de fader de motor

Estoy tratando de controlar un fader motorizado (potenciómetro deslizante lineal) usando un Arduino.
El control PID da buenos resultados para "saltar" a una posición de destino específica, pero el seguimiento de las rampas es un problema, no es nada fluido. El movimiento es muy brusco, no importa lo que intente.

Aquí hay un gráfico de la posición de referencia, la posición medida y la salida del motor al seguir una rampa:

Y aquí hay un video de esa misma prueba.

En los sistemas comerciales, parece mucho más fluido, mira esto .

Detalles :
El motor fader es un Alps RSA0N11M9A0K . Para manejarlo, estoy usando un puente H ST L293D , alimentado por una fuente de alimentación regulada de 10 V CC ( XL6009 ).
En el Arduino UNO (ATmega328P), estoy usando los pines 9 y 10, con una frecuencia PWM de 31.372 kHz para que sea inaudible (Timer1 con un preescalador de 1, TCCR1B = (TCCR1B & 0b11111000) | 0b001).
El potenciómetro está cableado entre tierra y 5V, con el limpiaparabrisas yendo a ADC0, como de costumbre.

El controlador :
estoy usando un controlador PID simple con anti-windup, que se actualiza a una velocidad de 1 kHz (Ts = 1e-3 s):

float update(int16_t input) {
  int16_t error = setpoint - input;
  int16_t newIntegral = integral + error;
  float output = k_p * error 
               + k_i * newIntegral * Ts 
               + k_d * (input - previousInput) / Ts;

  if (output > maxOutput)
    output = maxOutput;
  else if (output < -maxOutput)
    output = -maxOutput;
  else
    integral = newIntegral;

  previousInput = input;
  return output;
}

La salida del controlador es un valor de -127 a 127. La salida PWM se genera de la siguiente manera:

const int8_t knee = 48;

uint8_t activation(int8_t val) {
  if (val == 0)
    return 0;
  else {
    return map(val, 0, 127, 2 * knee, 255);
  }
}

void writeMotor(int8_t val) {
  if (val >= 0) {
    analogWrite(forward, activation(val));
    digitalWrite(backward, 0);
  } else {
    analogWrite(backward, activation(-val));
    digitalWrite(forward, 0);
  }
}

Agregué 48 a la señal PWM de 7 bits, porque ahí es donde el motor comienza a moverse a 31 kHz, y luego lo amplí a un número de 8 bits (porque eso es lo que espera la función) analogWrite:

Lo que he intentado :
he intentado agregar un filtro EMA a la entrada, a la señal de control, al componente derivado del controlador PID, pero fue en vano. También intenté reducir la resolución de la entrada analógica, usando histéresis para evitar que cambiara entre dos valores cuando estaba estacionaria. Esto no parece afectar nada. Aumentar el paso de tiempo a 10 ms tampoco parece ayudar.

También intenté hacer una identificación del sistema en MATLAB e intenté ajustarlo en Simulink (siguiendo esta serie de videos ). Obtuve un modelo con un ajuste del 91%, pero no sabía cómo lidiar con las no linealidades de entrada y salida del modelo MATLAB, cómo afectan el ajuste PID y cómo implementarlo en el Arduino.

Lo último que he intentado es hacer dos controladores diferentes: uno para grandes saltos en la posición de referencia y otro para pequeños errores al seguir una rampa. Esto parece ayudar un poco, porque entonces puedo aumentar el coeficiente integral al rastrear, sin aumentar el sobreimpulso al saltar.
Sin embargo, al aumentar la ganancia integral (y proporcional), el motor ahora siempre está haciendo algo, incluso cuando debería estar estacionario y la referencia no cambia. (Realmente no se mueve, pero puedes sentirlo vibrar).
Prácticamente no tengo ganancia derivada, porque aumentarla por encima de 1e-4 parece hacerla aún más entrecortada, y realmente no noto ninguna diferencia entre 0 y 1e-4.

Mi conjetura es que necesita más potencia para superar la fricción estática, entonces la fricción dinámica es menor, por lo que se excede, por lo que impulsa el motor hacia atrás, lo que hace que se detenga nuevamente, luego tiene que superar la fricción estática nuevamente, se dispara hacia adelante nuevamente , etc.

¿Cómo superan este problema los controladores comerciales?

Mis antecedentes :
Estoy en mi tercer año de licenciatura en Ingeniería Eléctrica, he seguido cursos sobre teoría de control, procesamiento de señales digitales, control LQR, etc., así que tengo algunos antecedentes teóricos, pero tengo problemas para aplicar todas esas teorías a este sistema del mundo real.

Editar :
probé las mediciones del sensor de circuito abierto, como recomendó laptop2d, y estoy bastante sorprendido con los resultados: en frecuencias PWM altas, hay picos desagradables en las lecturas. A 490 Hz, no hay ninguno.
Y esto es en un ciclo de trabajo constante, por lo que no puedo imaginar qué tipo de ruido obtengo cuando el motor invierte la dirección muy rápidamente.

Así que tendré que encontrar una manera de filtrar ese ruido antes de comenzar a trabajar en el controlador nuevamente.

Edición 2 :
el uso de un filtro de promedio móvil exponencial no fue suficiente para filtrar el ruido.

He probado con bastones en 0,25, 0,50 y 0,75. Los polos pequeños no tuvieron mucho efecto y los polos más grandes agregaron demasiada latencia, por lo que tuve que reducir las ganancias para mantenerlo estable, lo que resultó en un peor rendimiento general.

Agregué un capacitor de 0.1 µF a través del potenciómetro (entre el limpiaparabrisas y tierra), y eso parece limpiarlo.

Por ahora, funciona bastante bien. Mientras tanto, estoy leyendo el artículo publicado por Tim Wescott .
Gracias por toda tu ayuda.