7 bewährte Methoden für den Unterricht in einem HIL-Labor

Wichtigste Erkenntnisse

• Eine fundierte HIL-Ausbildung beginnt mit Modellen mit geschlossenem Regelkreis, damit die Studierenden das Regelverhalten verstehen, bevor Variablen aus der „ hardware “ (umgebenden Welt) eingreifen.
• Das virtuelle Prototyping bietet den Studierenden eine praktische Möglichkeit, die Anforderungen an „ hardware “ schon lange vor Beginn der Fertigung zu gestalten.
• Die optimale Laborstruktur verknüpft jedes Simulationsergebnis mit zeitlichen Vorgaben, Fehlerreaktionen und Prüfungen der Bau-Einsatzbereitschaft.

Man kann die Entwicklung von „ hardware “ schon lange bevor ein physisches Spielbrett vorliegt vermitteln.

Diese Umstellung ist wichtig, da ein HIL-Kurs am effektivsten ist, wenn die Studierenden zunächst den Regelkreis anhand eines Anlagenmodells schließen und erst dann mit dem „ hardware “ fortfahren, nachdem sie die Zeitabläufe, die Steuerung und das Fehlerverhalten verstanden haben. Virtuelles Prototyping verkürzt den Nacharbeitsaufwand, senkt das Risiko im Labor und ermöglicht den Studierenden wiederholbare Übungen mit derselben Steuerungslogik, die Sie später auf hardware ausführen werden.

Ein guter HIL-Kurs beginnt schon, bevor „ hardware “ überhaupt existiert

Ein fundierter HIL-Kurs beginnt mit der Simulation, da es in der ersten Lektion um das Systemverhalten unter geschlossener Regelung geht. Die Studierenden sollten lernen, wie Regelungscode auf die Dynamik des Regelobjekts, Sensorrauschen, zeitliche Beschränkungen und Fehler reagiert, bevor sie sich mit einer Platine, einer Leistungsstufe oder einer benutzerdefinierten Schnittstelle befassen.

Eine Vorlesung zur Motorsteuerung kann mit einem Systemmodell, abgetasteten Eingangsgrößen und einem einfachen Regler beginnen. Die Studierenden können die Verstärkungen abstimmen, instabile Zustände untersuchen und Tests schnell wiederholen. Diese Vorgehensweise fördert die Entwicklung des Urteilsvermögens schneller, als wenn man auf gemeinsam genutzte Labortische oder verspätete Lieferungen von Experimentierplatinen warten müsste. Sie werden mehr Zeit damit verbringen, das Regelverhalten zu vermitteln, und weniger Zeit damit, Fehler bei der Einrichtung zu beheben.

Die Studierenden sollten am Ende des ersten Teils des Kurses fünf Gewohnheiten verinnerlicht haben.

• Sie legen die Signalbereiche fest, bevor sie irgendetwas verkabeln.
• Sie erfassen die zeitlichen Annahmen für jeden Regelkreis.
• Sie testen auf Fehler, bevor der normale Betrieb reibungslos läuft.
• Sie verknüpfen die Grenzwerte der Regler mit den Anforderungen der „ hardware “.
• Sie betrachten Modelle als Testbelege.

7 bewährte Methoden für den Unterricht in einem HIL-Labor

Diese sieben Vorgehensweisen sind erfolgreich, weil sie HIL von einer bloßen „ hardware “-Überprüfung in eine strukturierte Lehrmethode verwandeln. Jede einzelne davon hilft Ihnen dabei, virtuelles Prototyping für Elektronik zu vermitteln, Studierende auf das Prototyping „ hardware “ vorzubereiten und die Lücke zwischen Simulationsergebnissen und der Bereitschaft für den physischen Bau zu verringern.

1. Den Kurs auf der Grundlage des Closed-Loop-Modells aufbauen Tests

Ein „Closed-Loop“-Modell Tests sollte die Grundlage des Kurses bilden, da es allen Studierenden die gleichen Anlagen, Störungen und zeitlichen Vorgaben bietet. Ein Praktikum zum Thema Stromrichter kann mit einem Regler beginnen, der an ein Motor- oder Netzmodell angeschlossen ist, und anschließend Rauschen, Sättigung und Sensorverzögerung hinzufügen. Die Studierenden erkennen schnell, dass ein Regler, der im offenen Regelkreis gut zu funktionieren scheint, versagen kann, sobald eine Rückkopplung erfolgt. Bei ungenauen Laboraufbauten bleibt diese Erkenntnis verborgen, da Verdrahtungsfehler und defekte Bauteile das Regelungsproblem verschleiern können. Die Studierenden dokumentieren zudem ihre Annahmen, bevor eine Aufgabe im Rahmen von „ hardware “ beginnt.

2. Die Startsteuerung funktioniert, bevor mit dem Layout der Platine begonnen wird

Die Arbeit an den Steuerungen sollte vor dem Leiterplattenlayout beginnen, da die Entscheidungen bezüglich „ software “ und „ I/O “ sowie die Abtastpläne bereits frühzeitig die „ hardware “ beeinflussen. Ein Studententeam, das ein Batterieladegerät entwickelt, kann Wochen vor der Festlegung des Schaltplans die Zustände des Wandlers, die Fehlerschwellenwerte, die PWM-Rate und die Sensorauflösung anhand eines Modells abbilden. Diese Entscheidungen zeigen auf, was die Leiterplatte unterstützen muss und was „ Flexibel “ bleiben kann. Wenn der Regler eine schnellere Stromrückführung benötigt, als die geplante Schnittstelle bieten kann, sollte dieses Problem bereits in Woche 2 zutage treten. Die Studierenden erhalten zudem einen klareren Einblick in die Kompromisse zwischen Prozessorauslastung und Regelungsqualität. Dadurch wird die Entwicklung von hardware vor dem physischen Bau greifbar, und Sie vermitteln Planung statt Reparatur.

3. Vermittlung von Zeitvorgaben durch Übungen zur Signalintegration

Zeitliche Beschränkungen lassen sich am besten anhand von Übungen zur Signalintegration vermitteln, da die Studierenden die Verzögerung spüren, sobald die Signale einen vollständigen Regelkreis durchlaufen. Ein einfacher Servo-Aufbau kann einen Encoder-Eingang, Filterung, die Ausführung des Reglers, einen PWM-Ausgang und die Reaktion des Regelobjekts bei festgelegter Schrittzeit umfassen. Die Studierenden können eine Verzögerung oder einen Jitter von 200 Mikrosekunden hinzufügen und beobachten, wie Überschwingen, Rauschempfindlichkeit oder verpasste Schwellenwerte auftreten. Plattformen wie OPAL-RT eignen sich hierfür gut, da sie es ermöglichen, diese Tests an kontrollierten Modellen statt in einer losen Desktop-Simulation durchzuführen. Der Lernstoff bleibt im Gedächtnis haften, da er sich bei wiederholten Durchläufen in Form von Latenz, Skalierung, „ I/O “-Verhalten und Reset-Logik sichtbar zeigt.

4. Nutzen Sie virtuelle Fehler, bevor Sie die Schüler einem Risiko aussetzen

Die Arbeit mit virtuellen Störungen sollte vor dem Umgang mit risikobehafteten Laborversuchen stattfinden, da die Studierenden den Umgang mit Störungen üben müssen, ohne Angst davor zu haben, Geräte zu beschädigen. In einem Antriebslabor lassen sich innerhalb von Sekunden Sensorausfälle, festgefressene Bits, kurze Impulse oder thermische Abschaltungen simulieren; anschließend werden die Studierenden aufgefordert, die Reaktion des Reglers zu protokollieren und den Betrieb sicher wiederherzustellen. Ein solches Tempo wäre unmöglich, wenn für jede Störung eine Neuverkabelung des Versuchsaufbaus erforderlich wäre oder das Risiko bestünde, eine teure Leiterplatte zu beschädigen. Die Studierenden lernen zudem, Fehlalarme von echten Schutzereignissen zu unterscheiden. Die Simulation bietet Ihnen einen sicheren Rahmen, um diesen Standard frühzeitig zu vermitteln, und Sie werden eine bessere Disziplin im Labor feststellen, sobald die Studierenden wissen, dass Fehler Teil der normalen Überprüfung sind.

5. Bewerten Sie die Schüler zunächst nach der Qualität ihrer Muster und erst danach nach der Qualität ihrer „ hardware “.

Bei der Bewertung sollte in erster Linie die Modellqualität berücksichtigt werden, denn ein sauberes Modell sagt mehr über das Verständnis eines Teams aus als ein zufälliges Testergebnis. Eine Gruppe kann die gleiche Ausgangsspannung auf zwei Arten erreichen: zum einen mit einem dokumentierten System, klaren Annahmen und wiederholbaren Tests, zum anderen mit einer Ad-hoc-Optimierung, die niemand erklären kann. Die Bewertung des ersten Ansatzes lehrt die Studierenden, Parameter, Auswahl der Abtastpunkte, Sensorskalierung und Akzeptanzgrenzen zu begründen, bevor sie einen erfolgreichen Durchlauf feiern. Diese Gewohnheit ist wichtig, wenn man virtuelles Prototyping für Elektronik unterrichtet, da gute Modelle die Arbeit im „ hardware “ leiten, bevor Kupfer geschnitten wird. Die Studierenden erstellen zudem klarere Testpläne für spätere Bauversuche. Ein aufgeräumtes Gehäuse sollte niemals eine schwache Argumentation verbergen.

6. Pflanzenmodelle laborübergreifend wiederverwenden, um den Fortschritt kontinuierlich voranzutreiben

Die Wiederverwendung von Anlagenmodellen über verschiedene Laborübungen hinweg sorgt für kontinuierliches Lernen, da die Studierenden weniger Zeit damit verbringen, den Kontext neu aufzubauen, und mehr Zeit damit, sich mit tiefergehenden Fragen zu „ Tests “. Ein Semesterprojekt kann mit einem einfachen Gleichstrommotormodell beginnen, zu dem dann mit jeder Laborübung – bei der ein neues Konzept eingeführt wird – Reibung, Lastschwankungen, thermische Grenzen und Kommunikationsverzögerungen hinzugefügt werden. Die Studierenden behalten dasselbe Regelungsziel bei, während das System immer komplexer wird – was die Reifung von Produkten in der Praxis widerspiegelt. Diese Kontinuität erleichtert zudem Vergleiche, da jedes neue Testergebnis mit einer bekannten Basislinie verglichen wird und nicht mit einem völlig neuen Aufbau. Durch die Weitergabe von Modellen bauen die Studierenden eine mentale Verbindung zwischen virtuellem Prototyping, „ hardware “-Prototyping und der abschließenden Verifizierung auf.

7. Beenden Sie jedes Labor mit einer Überprüfung der baulichen Betriebsbereitschaft

Jedes Labor sollte mit einer Überprüfung der physikalischen Betriebsbereitschaft enden, damit die Studierenden den simulierten Erfolg mit den „ hardware “-Konsequenzen in Verbindung bringen können. Bei einer solchen Überprüfung können Signalbereiche, die Anzahl der Anschlüsse, Fehlerzustände, die Genauigkeit der Sensoren, die Prozessorauslastung und eventuell noch fehlende Zeitreserven abgefragt werden. Die Studierenden verlassen das Labor dann mit einer kurzen Aufstellung dessen, was die Platine oder Schnittstelle unterstützen muss, anstatt nur mit dem vagen Eindruck, dass der Regler funktioniert hat. Dieser Schritt vermittelt, wie man „ hardware “ entwickelt, ohne dass das Labor voller fertiger Bauteile ist, da das Modell genügend Anhaltspunkte liefert, um die nächste Bauaufgabe zu definieren. Ein Regler, der einmal unter idealen Bedingungen läuft, ist noch nicht bereit für die Fertigung, die Beschaffung oder gemeinsame Testzeiten.

„Ein Modell mit geschlossenem Regelkreis Tests sollte die Grundlage des Kurses bilden, da es jedem Studierenden die gleichen Anlagen, Störgrößen und zeitlichen Vorgaben bietet.“

Auswahl von HIL-Tools für die Entwicklung im frühen Entwicklungsstadium ( hardware )

Das richtige HIL-Tool für die frühe Entwicklung von „ hardware “ bietet Ihnen deterministische Ausführung, zuverlässiges „ I/O “, klare Fehlerinjektion und einen Arbeitsablauf, den die Studierenden wiederholen können, ohne ständig auf die Hilfe des Dozenten angewiesen zu sein. Sie brauchen nicht gleich zu Beginn das größte Labor. Sie benötigen eine Umgebung, die Überprüfungen vom Modell zur „hardware “ sichtbar und lehrbar macht.

„Man braucht nicht gleich zu Beginn das größte Labor.“

Ein nützlicher Prüfpunkt ist ganz einfach: Können die Studierenden in einer einzigen Sitzung vom Reglermodell über den Test im geschlossenen Regelkreis bis hin zu den Anforderungen an das „ hardware “ gelangen? Wenn die Antwort „Ja“ lautet, vermittelt der Kurs mehr als nur Labortechniken. OPAL-RT passt zu diesem Lehransatz, da es das Prototyping von Regelungssystemen anhand von Echtzeitmodellen ermöglicht, noch bevor die erste Platine vorliegt.