Implementação de controle digital por realimentação de estados em microcontrolador STM Família G4 para acionamento de gerador eólico emulado em Typhoon HIL

Abstract

Este trabalho apresenta a implementação e a otimização de uma estratégia de controle digital por realimentação de estados multivariável com ação integral para o acionamento de um Gerador Síncrono de Ímãs Permanentes (PMSG) aplicado à microgeração eólica. O algoritmo foi embarcado no microcontrolador STM32G474RE e validado por meio da técnica Control Hardware-inthe-Loop (C-HIL). Para contornar a sobrecarga computacional inerente às transformadas para o referencial dq, necessárias para a execução do controlador e garantir determinismo temporal, o firmware explorou o Acesso Direto à Memória (DMA) na aquisição de sinais e o coprocessador CORDIC para a aceleração via hardware dos cálculos trigonométricos. Os resultados evidenciam uma redução de aproximadamente 80\% no tempo de execução da rotina em comparação à implementação puramente em software, ocupando apenas 13,8 us de uma janela de amostragem de 100 us. Além disso, o controlador garantiu erro nulo em regime permanente, baixa distorção harmônica e elevada estabilidade dinâmica diante de variações de conjugado mecânico, tanto via realimentação digital por encoder quanto por aquisição analógica.

This paper presents the implementation and optimization of a multivariable state feedback digital control strategy with integral action for driving a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) applied to small-scale wind power generation. The algorithm was embedded in the STM32G474RE microcontroller and validated using the Control Hardware-in-the-Loop (C-HIL) technique. To circumvent the computational overhead inherent to the dq reference frame transformations, which are necessary for the controller execution and to ensure temporal determinism, the firmware leveraged Direct Memory Access (DMA) for signal acquisition and the CORDIC coprocessor for hardware acceleration of trigonometric calculations. Results show a reduction of approximately 80\% in the routine's execution time compared to the software-only implementation, occupying only 13.8 us of a 100 us sampling window. Furthermore, the controller ensured zero steady-state error, low harmonic distortion, and high dynamic stability under mechanical torque variations, performing robustly with both digital encoder feedback and analog signal acquisition.