Auto-Tuning PID Control of a DC-DC Buck Converter for High-Precision Applications

Abstract

DC-DC converters are essential components in a wide range of applications, including motor drive systems, renewable energy sources, and computer power supplies. These converters regulate an unregulated input voltage to provide a stable DC output under varying load conditions. Depending on the desired voltage level, several converter topologies have been developed. Among them, the buck converter stands out as one of the most widely adopted solutions due to its ability to step down the input voltage efficiently. To ensure that the output voltage remains close to a predefined reference value, various closed-loop control strategies are commonly employed. This study presents the implementation of a model-based, auto-tuning Proportional–Integral–Derivative (PID) control algorithm for precise output voltage regulation in a DC-DC buck converter. Unlike classical PID controllers, which operate with fixed gain parameters and exhibit limited adaptability to parameter variations and external disturbances, the proposed controller dynamically adjusts its parameters in real time. This adaptive capability enhances the system's robustness under varying operating conditions. Simulation results validate the effectiveness of the proposed method, demonstrating fast transient response, minimal overshoot, and high steady-state stability. These findings suggest that the approach offers a practical and efficient control solution, especially for embedded systems requiring adaptive and high-precision regulation.

DC-DC dönüştürücüler, motor sürücü sistemleri, yenilenebilir enerji kaynakları ve bilgisayar güç kaynakları gibi çok çeşitli uygulamalarda temel bileşenlerdir. Bu dönüştürücüler, değişken yük koşulları altında, regüle edilmemiş bir giriş geriliminden kararlı bir doğru akım (DC) çıkışı elde etmek amacıyla kullanılır. İstenen çıkış gerilimi seviyesine bağlı olarak çeşitli dönüştürücü topolojileri geliştirilmiştir. Bunlar arasında buck (alçaltıcı) dönüştürücü, giriş gerilimini verimli bir şekilde düşürebilme özelliği sayesinde en yaygın şekilde benimsenen çözümlerden biridir. Çıkış geriliminin belirlenmiş bir referans değere yakın tutulabilmesi için genellikle kapalı çevrimli çeşitli kontrol stratejileri uygulanmaktadır. Bu çalışma, DC-DC buck dönüştürücüsünün çıkış gerilimini hassas bir şekilde regüle etmek amacıyla, modele dayalı otomatik ayarlamalı bir Oransal–İntegral–Türevsel (PID) kontrol algoritmasının uygulanmasını sunmaktadır. Sabit kazanç parametreleriyle çalışan klasik PID denetleyiciler, sistem parametrelerindeki değişimlere ve dış bozuculara karşı sınırlı bir uyum kabiliyeti sergilerken; önerilen kontrolör, parametrelerini gerçek zamanlı olarak dinamik şekilde ayarlayarak değişen çalışma koşullarına daha iyi uyum sağlamaktadır. Bu uyarlanabilir yapı, sistemin değişken işletim koşulları altında dayanıklılığını artırmaktadır. Simülasyon sonuçları, önerilen yöntemin etkinliğini doğrulamakta; hızlı geçici tepki, minimum aşım ve yüksek kararlı durum kararlılığı sağladığını ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, özellikle uyarlamalı ve yüksek hassasiyetli regülasyon gerektiren gömülü sistem uygulamaları için önerilen yaklaşımın pratik ve etkili bir kontrol çözümü sunduğunu göstermektedir.