当我看到我的研究生们比赛看谁能在他们自己制作的电动滑板上保持最高的平均速度时，我知道我已经完成了他们项目中我最重要的两个目标。他们不仅对基于模型的设计原则有了深刻的理解，而且还从中获得了很多乐趣。
Kevin Leiffels和Raphael-David Volmering设计并建造了电子长板，作为我的电子驱动和磁场定向控制(矢量控制)课程的最终项目。由两个独立的无刷直流电机(bldc)提供动力，长板可以携带一个骑手高达25公里(15.5英里)，最高速度超过40公里/小时(25英里/小时)(图1)。
图1所示。凯文·莱费尔斯正在测试电子长板。
基于模型设计的动手项目的价值
与听讲座相比，学生通过完成实践项目来获得对工程概念的更深入的理解。即使是在考试中取得优异成绩的学生，在将这些概念应用到现实世界中之前，也无法真正理解电机磁场定向控制这类概念。
基于模型的设计使学生能够在有限的时间内处理有意义的项目。例如，Raphael在一个学期内完成了e-longboard的印刷电路板设计，而Kevin则设计、实现和测试了控制器。凯文生成了超过15000行代码——这比他一个学期用手写出来的代码还要多。
HS Bochum获得了总学术人数(TAH)许可证是大学的一个重要里程碑，也是我的课程的福音。学生可以自由使用MATLAB®和仿真软金宝app件®在实验室内外的作业中。这种灵活性具有很强的激励作用。MATLAB和Simu金宝applink是工业标准工具，学生们知道，要发展工业所需的技能，他们需要更多的工具练习，而不是仅仅在实验室工作。TAH执照也使我的工作更容易，因为我不再需要跟踪个人执照。
建立需求
对于所有的学生项目，我建立了一套基本要求，然后让学生提出自己的想法。e-longboard项目必须包括一个功率器件,不是机械地连接两个独立的马达,间接磁场定向矢量控制的DSP实现的控制部分(图2)。项目必须是具有挑战性的,但简单的学生在一个学期完成。每个学生必须使用基于模型的设计。在我看来，基于模型的设计(Model-Based Design)是控制系统开发的最新技术，因为它能够尽早、彻底地验证设计、降低实现成本、可移植到多个硬件平台，以及缩短开发时间。
在基于模型的设计成为一种要求之前，学生们并没有学到很多关于真正的工程项目是如何进行的。例如，他们通常从一个预先打包的第三方电机控制器开始，编写几行C代码来让电机旋转，然后直接构建系统的其余部分以进行试错测试。当他们完成时，他们会发现系统不能满足他们的电力需求或满足所有的实时需求。因为他们没有通过模拟验证他们的设计，他们只是在为时已晚时才发现这些问题。
补充基本的项目要求，学生包括几个具体的要求，以电子长板。除了规定一次电池充电的最小里程外，这些要求还规定了最大制动距离和电动长板需要爬坡的最小坡度。
控制器的设计与实现
磁场定向控制的主要设计挑战是保持电机转子和定子磁场之间的90°角。除了尽量减少磁通量的变化以实现快速瞬态响应，保持这个角度可以在给定电流下使电机转矩最大化。凯文使用霍尔传感器来测量转子位置，这是磁场定向控制和板的速度控制回路的关键输入。
Kevin的控制器设计基于MathWorks中的一个面向字段的控制项目示例®网络研讨会。该示例包括一个用于控制三相永磁同步电机(PMS金宝appM)的速度和转矩的Simulink模型，该模型使用Simscape Electronics™建模(图3)。我们发现该示例可以很好地实现磁场定向控制。
从mathworks.com下载示例项目后，Kevin修改了e-longboard的参数，删除了不需要的部件，并添加了特性。在Simulink中运行了仿真之后，Kevin使用了Emb金宝appedded Coder®为板上的TI F28069单片机生成C代码。在那一刻，他开始评估系统的实时响应，看看它是否满足他建立的实时需求。
凯文和拉斐尔主要靠自己工作，每周见我一次，这样我就可以监督他们的进展。在这个项目中，Kevin运用并扩展了他在HS Bochum之前的控制设计选修课中学到的基于模型的设计的基础知识，包括MATLAB和Simulink。金宝app他依靠MathWorks的技术支持来解决他遇到金宝app的任何技术问题，这使得他在工作中很少得到我的帮助。
一旦电子长板的其余部分已经构建好，印刷电路板也准备好了(图4)，凯文和他的同学开始在HS波鸿校园内外进行测试运行。
凯文绕着附近一个超过25公里的湖骑行，以测试滑板的射程。没过多久，学生们就开始比赛，看谁能保持最高的平均速度，最快地耗尽电池。在测试运行之后，Kevin对运行期间捕获的指标进行了后处理。例如，为了可视化e-longboard的速度响应，他在MATLAB中创建了一个期望速度和实际速度的组合图(图5)。
学生和课程的下一步
当凯文在HS波鸿完成学业后，他开始为一家采用基于模型设计的工程公司工作。当公司得知凯文在电子长板上的成功后，他们当场雇佣了他。
Kevin学到的最有价值的经验之一是，在实际实现之前，通过建模和仿真尽可能彻底地验证需求的重要性。他现在工作的公司将支持我们即将使用的Simulink Verification an金宝appd Validation™(在R2017b过渡)，因为他们也在金宝app寻求在开发的早期阶段验证需求。
我正计划为下一组参加实地控制课程的学生做一些改变。我仍然需要基于模型的设计的动手项目，我将鼓励更多的学生构建一个增强版的电子长板。明年的课程版本将更加强调需求、逻辑模式和使用Simulink Verification and Validation, statflow的物理建模金宝app®，和Simscape Electronics™。
我打算用这个板子来激励明年的学生。我会把板子带到课堂上，让学生们在外面试驾，以激发他们的兴趣，然后他们就会去实验室开始他们自己的项目，使用基于模型的设计和面向领域的控制。
文章刊登在MathWorks新闻和笔记
