Stem用基于模型的设计加速电力电子控制系统的发展
挑战
解决方案
结果
- 节省了6个月的开发时间
- 节省了数千美元的滑板旋转成本
- 在硬件可用后，系统可全面运行
“通过基于模型的设计，我们清楚地看到了我们的控制器如何与硬件一起工作，即使硬件还在开发中。在我们有了硬件之后，我们很容易进行改进，因为模拟与我们在瞄准镜上看到的情况相符，这让我们对设计充满信心。”
David Erhart, Stem
在许多地区，大型企业的电费包括用电总量的费用，以及基于用电高峰的需求费用。仅15分钟的高需求就能占到一个月电费账单总费用的一半。Stem的分布式存储技术通过预测使用模式和在需要时部署存储的能量来降低峰值负载。在非高峰时段充电，Stem储物柜大小的PowerStore塔中的电池可以根据需要提供高达18千瓦的电力。
Stem使用MATLAB基于模型的设计，在短短13个月内设计并开发了PowerStore能源系统®和仿真软件®．
Stem工程副总裁David Erhart说:“我们认为我们承担了开发时间线的风险，但事后来看，基于模型的设计实际上降低了风险，因为我们可以在硬件可用之前开发和调试控制系统。”“事实上，我们使用Simulink和Simscape Electrical进行的模拟使我们能够做出硬件设计决策。因此，我们缩短了产品开发周期，只需要一个电路板就可以完成。”
挑战
作为一家拥有一个小工程师团队的初创公司，Stem需要尽可能缩短上市时间，同时降低其第一款产品的成本。实现这两个目标的一种方法是减少板旋转，这通常需要花费1.5万美元或更多，并消耗数周的工程进度。为此，Stem希望通过使用高度精确的植物模型进行仿真来设计和验证控制算法。这种算法需要控制绝缘栅极双极晶体管(igbt)，当它们与电网和PowerStore电池相互作用时，igbt每秒切换24000次。
PowerStore必须通过IEEE 1547标准认证，用于将分布式资源与电力系统互连，并通过UL 1741标准认证，用于用于分布式能源的逆变器、转换器、控制器和互连系统设备。这些标准包括严格的防孤岛规则，要求所有连接到电网的发电逆变器在断电后几秒内关闭。Stem寻求一种方法，使他们能够简化认证过程。
解决方案
Stem工程师使用基于模型的设计来加速他们旗舰PowerStore产品的开发。
在Simulink和Simscape Electrical™中，首席电力电子工程师Brad Landseadel和他的团队开发了一个工厂模型，其中包括继电器、igbt、电感器、DC-link电容器和脉宽调制器(PWMs)以及电网的子模型。
他们使用Simulink和Control System Toolbox™来模拟PowerStore的先进电子控制系统，包括防孤岛控制逻辑。在Stateflow®，他们模拟了一个状态机，它可以管理故障，处理来自电源监视器的命令，并启动序列来充电或放电电池。
为了调试和验证控制算法及其9个比例积分(PI)控制回路，该团队在Simulink中模拟了控制器和植物。在这些模拟过程中，团队获得了影响硬件设计的见解。例如，他们确定了最佳电感值，并确定了额外继电器的需求。
工程师使用嵌入式编码器从他们的控制器模型生成C代码®，在德州仪器的code Composer Studio™中编译代码，并将其部署到TI的TMS320F28335数字信号处理器上。
在测试和完善硬件和控制器设计后，Stem开始了认证过程。在认证测试期间，该团队创建了Simulink模拟来复制初始设计未通过的测试。
“我们更新了控制器模型，重新生成了代码，并在第二天通过了测试，”Erhart说。“这种能力让我们在第一次尝试时就通过了认证，比正常速度快了25%左右。”
Stem的PowerStore系统获得了TÜV的UL 1741和IEEE 1547认证，目前已投入生产。
结果
节省了6个月的开发时间．Landseadel说:“我们用Embedded Coder生成的代码只做了它应该做的事情。“手工编写包含9个PI循环的代码，然后在硬件上进行调试，这将增加6个月或更多的时间。”
节省了数千美元的滑板旋转成本．“许多公司需要七名或更多的董事会成员。对于我们的八层板，一个单一的再生成本约为25,000美元，”埃尔哈特说。“使用基于模型的设计，我们只需要在生产前进行一次打印。这不仅节省了时间，还可能节省了数十万美元，这对一家初创公司来说是一笔不小的数目。”
在硬件可用后，系统可全面运行．Landseadel表示:“基于模型的设计使我们能够在拥有硬件之前开发控制器软件。“当我们的第一批电路板进来时，所有的控制算法都已经到位;五天后，我们就可以用Embedded Coder生成的代码提供电力了。”
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