Manual de Ingeniería: Buck Converter PID

HUECAT — Wed, 21 Jan 2026 15:15:36 +0000

Vin12.0 V

Vout5.0 V

Inductor100 µH

Switching50 kHz

Documentación técnica para la implementación de un convertidor DC-DC Buck (Step-down) utilizando control digital PID en lazo cerrado. El sistema migra de una simulación HIL (Hardware-in-the-Loop) en MATLAB a una ejecución standalone en microcontrolador AVR (Arduino).

1. Lista de Materiales, Bill of Materials (BOM)

Componente	Especificación Crítica	Función
MCU	ATmega328p (Nano/Uno)	Controlador Digital (PID Discreto)
MOSFET	IRFZ44N / IRF540	Conmutación de Potencia
Gate Driver	IR2110 / TC4420	Interfaz TTL 5V a Gate 12V. Esencial para f > 20kHz.
Inductor	100 µH (Núcleo Ferrita)	Isat > 2.5A. Evitar bobinas de señal SMD.
Capacitor	33 µF (Low ESR)	Filtrado de rizado de salida.

⚠️ Nota de Diseño – Feedback:
El algoritmo PID utiliza una referencia interna de 2.5V. Para obtener 5V en la salida, es obligatorio implementar un divisor de tensión 2:1 (Resistencias 10kΩ/10kΩ) en el pin de lectura (A0).

2. Migración: Simulación vs. Hardware Real

El código base original estaba diseñado como «esclavo» de Simulink. Para el despliegue físico, se modificó la arquitectura de software para eliminar la dependencia del puerto Serial y activar la lectura ADC directa.

Versión A: Simulación (HIL)

El Arduino espera datos de MATLAB para actuar. No funciona solo.

if (Serial.available()) {
DVout = recepcion(); // Lee valor virtual
u = PID(DVout);
Serial.write(u); // Devuelve dato a PC
}

Versión B: Standalone (Real)

Operación autónoma con lectura de sensores y Anti-Windup activo.

// Lee Hardware real
y = analogRead(A0) * (5.0/1023.0);
u = PID(y);
// Actúa sobre el MOSFET
pwmWrite(9, u * 255);

3. Firmware Implementado (C++)

Código fuente optimizado para despliegue en campo. Se corrigió el error de saturación integral (Windup) que causaba inestabilidad en la versión de simulación.

// Firmware Control Buck PID - v1.0 Release
#include 

const int PIN_SENSOR = A0;  // Entrada Divisor (Vout/2)
const int PIN_PWM = 9;      // Salida Gate Driver

// Constantes PID (L=100uH, C=33uF)
float Kp = 0.272253;
float Ti = 0.0015285;
float Ts = 20e-6;           // 50kHz Loop

// Variables PID
float u = 0.0, u_1 = 0.0;
float e = 0.0, e_1 = 0.0;
float q0, q1;
float Vref = 2.5;           // Target (2.5V leídos = 5.0V reales)

void setup() {
    // Coeficientes Tustin
    q0 = Kp * (1 + (Ts / (2 * Ti)));
    q1 = -Kp * (1 - (Ts / (2 * Ti)));
    
    // Configurar PWM Asíncrono
    InitTimersSafe();
    SetPinFrequencySafe(PIN_PWM, 50000); 
    pinMode(PIN_PWM, OUTPUT);
}

void loop() {
    // 1. Lectura ADC y Normalización
    float y_medida = analogRead(PIN_SENSOR) * (5.0 / 1023.0);
    
    // 2. PID Discreto
    e = Vref - y_medida;
    u = u_1 + q0 * e + q1 * e_1;
    
    // 3. Saturación y Anti-Windup (Crítico)
    if (u > 0.95) u = 0.95; 
    if (u < 0.00) u = 0.00;
    
    // 4. Actualización Estados
    u_1 = u;
    e_1 = e;
    
    // 5. Actuación
    pwmWrite(PIN_PWM, (int)(u * 255));
    
    // Estabilización de Ciclo
    delayMicroseconds(10);
}