当我看到我的研究生们在竞争谁能在他们制作的电动滑板上保持最高的平均速度时，我知道我已经实现了他们项目的两个最重要的目标。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。Kevin Leiffels正在测试电子长板。
基于模型设计的动手项目的价值
学生通过完成实践项目而不是听讲座来获得对工程概念更深入的理解。即使在测试中取得优异成绩的学生，在将这些概念应用到现实世界之前，也无法真正理解电机磁场定向控制等概念。
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。
作为对基本项目要求的补充，学生们包括了电子长板的一些特定要求。除了规定单个蓄电池充电的最小范围外，这些要求还规定了e-longboard需要能够爬坡的最大制动距离和最小坡道坡度。
控制器的设计与实现
磁场定向控制中的一个主要设计挑战是在电机的转子和定子磁场之间保持90°的角度。除了最小化磁通量的变化以实现快速瞬态响应外，保持该角度可使给定电流下的电机扭矩最大化。Kevin使用霍尔传感器测量转子位置，这是磁场定向控制和电路板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。该示例包括用于控制三相永磁同步电机（PMSM）速度和金宝app转矩的Simulink模型，该模型使用Simscape Electronics建模™ （图3）。我们发现这个例子是一个很好的面向场控制的实现。
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®为板的TI F28069微控制器生成C代码。在这一点上，他开始评估系统的实时响应，看看它是否满足他确定的实时要求。
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。
凯文绕着附近的一个湖骑了一圈，距离超过25公里，以测试董事会的射程。不久，学生们就开始竞争，看谁能保持最高的平均速度，以最快的速度耗尽电池。在测试运行之后，Kevin对运行期间捕获的度量进行了后期处理。例如，为了可视化电动长板的速度响应，他在MATLAB中创建了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。当该公司得知凯文在电子长板方面取得成功时，他们当场聘用了他。
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验证和确认™ （在R2017b处转换），因为他们也在寻求在开发的早期阶段验证需求。金宝app金宝app
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™。
我计划用这块板来激励明年的学生。我将把这块板带到课堂上，让学生们在去实验室开始他们自己的项目之前，到外面试驾，激发他们的兴趣，使用基于模型的设计和面向场的控制。
文章刊登在MathWorks新闻和笔记
