当我看到我的研究生们在比赛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设计并制作了电子长板，这是我的电驱动和磁场定向控制(矢量控制)课程的期末项目。由两个独立的无刷直流电动机(bldc)提供动力，长板可以携带骑手长达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。凯文·莱费尔斯带着电子长板进行测试。
基于模型设计的实践项目的价值
学生通过完成实践项目比听讲座能更深刻地理解工程概念。即使是在考试中取得优异成绩的学生，也不能真正理解诸如电机磁场定向控制之类的概念，直到他们将这些概念应用到现实世界中。
基于模型的设计使学生能够在有限的时间内解决有意义的项目。例如，Raphael在一个学期内完成了电子长板的印刷电路板设计，而Kevin则设计、实现并测试了控制器。Kevin编写了超过15,000行代码——比他在一个学期内手写的代码还要多。
波鸿获得总学术人数(TAH)许可证是该校的一个重要里程碑，对我的课程也是一个福音。学生可以自由使用MATLAB®和仿真软金宝app件®实验室内外的作业。这种灵活性是非常激励人的。MATLAB和Simu金宝applink是行业标准工具，学生们知道，要发展行业所需的技能，他们需要更多的实践工具，而不是仅仅在实验室工作。TAH许可证还使我的工作更容易，因为我不再需要跟踪单个许可证。
建立需求
对于所有的学生项目，我都建立了一套基本要求，然后让学生们提出自己的想法。电子长板项目必须包括一个动力装置，两个不机械连接的独立电机，以及一个DSP，在其上实现面向现场的控制(图2)。项目的控制部分必须具有挑战性，但足够简单，学生可以在一个学期内完成。每个学生必须使用基于模型的设计。在我看来，基于模型的设计是控制系统开发的最先进技术，因为它能够早期和彻底地验证设计、低实现成本、可移植到多个硬件平台以及短开发时间。
在基于模型的设计成为一项要求之前，学生们并没有学到很多关于实际工程项目是如何进行的。例如，他们通常会从预先打包的第三方电机控制器开始，将几行C代码组合在一起以使电机旋转，然后直接构建系统的其余部分进行试错测试。当他们完成时，他们会发现系统没有满足他们的电力需求或满足所有的实时要求。因为他们没有通过模拟验证他们的设计，他们只是在发现这些问题时为时已晚。
补充基本的项目要求，学生包括几个特定于电子长板的要求。除了规定单次充电的最小行驶距离外，这些要求还规定了电子长板需要能够攀爬的最大制动距离和最小坡度。
控制器的设计与实现
磁场定向控制的主要设计挑战是在电机中保持转子和定子磁场之间的90°角。除了最大限度地减少磁通量的变化，以实现快速瞬态响应，保持这个角度最大限度地提高电机转矩为给定的电流。凯文使用霍尔传感器测量转子位置，这是场定向控制和板的速度控制环的关键输入。
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)金宝app的速度和转矩的Simulink模型，该模型使用Simscape Electronics™建模(图3)。我们发现该示例是面向场控制的良好实现。
从mathworks.com下载示例项目后，Kevin修改了电子长板的参数，删除了不需要的部件，并添加了一些特性。在Simulink中运行模拟后，Kevin使用了Embed金宝appded Coder®为主板上的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，看看它是否满足他所建立的实时需求。
凯文和拉斐尔基本上都是自己工作，每周见我一次，这样我就能监督他们的进展。在这个项目中，Kevin运用和扩展了他在波鸿中学早期控制设计选修课中获得的基于模型的设计的基本知识。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，这使得他在工作中几乎不需要我的帮助。
一旦电子长板的其余部分已经构造好，印刷电路板也准备好了(图4)，Kevin和他的同学们开始在波鸿校区内外进行测试。
凯文骑着自行车绕过附近的一个湖——距离超过25公里——来测试冲浪板的范围。没过多久，学生们就开始比赛，看谁能在保持最高平均速度的情况下最快耗尽电池。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，为了可视化电子长板的速度响应，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Kevin完成了他在HS波鸿的学业后，他开始在一家使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时，他们当场雇用了他。
Kevin学到的最有价值的一课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开发的早期阶段寻求验证需求。
我计划为下一组参加现场导向控制课程的学生做一些改变。我仍然需要实践项目与基于模型的设计，我将鼓励更多的学生建立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，以及使用Simulink验证和验证、Stateflow进行物理建模金宝app®，和Simscape Electronics™。
我打算用这块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，激发他们的兴趣，然后再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现场的控制。
文章刊登于MathWorks新闻与笔记
