博世电动自行车系统基于模型设计开发电动自行车控制器

挑战

在紧凑的时间内开发电动自行车的控制系统

解决方案

利用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计,设计驱动和电机控制子系统万博1manbetx,进行仿真和测试,生成原型和生产代码

结果

  • 五分钟内设计更新并准备重新测试
  • 为满足安全标准而生成的代码
  • 关键的市场截止日期

“基于模型的设计的主要商业好处是更短的开发时间和更低的成本。对我来说,最大的优势在于知道我们可以使用生成的代码,这使得我们能够在Simulink的模型级别进行调试,而不是在代码级别。”万博1manbetx

丹尼尔Baumgärtner,博世电动自行车系统公司
博世电动自行车系统驱动单元。

在短短三年时间里,博世电动自行车系统从一个市场新人成长为电动自行车行业的领导者。如今,博世eBike Systems的驱动单元被50多个欧洲自行车品牌使用。

从一开始,博世电动自行车系统的工程师就使用了基于模型的设计与MATLAB®和仿真软万博1manbetx件®加速其驱动单元的控制系统的设计、实施和测试。

博世eBike Systems首席工程师丹尼尔•Baumgärtner表示:“我们的团队只有9个月的时间来设计和生产驱动系统的客户样本,还有5个月该系统就将在欧洲自行车展销会上推出。”基于模型的设计有助于我们在这个期限内交付嵌入式eBike驱动系统控制器。”

挑战

自行车制造商每年春天都会推出新车型,而这正是大多数自行车被购买的时间。博世和其他供应商在每次推出前的夏季为制造商提供新系统;否则,这些系统要经过整整一年才能被纳入。

博世的工程师有一年多的时间来设计、实施、测试和准备eBike系统,以便在著名的欧洲自行车贸易展上展示。

因为他们正在构建一个全新的系统,团队需要一种方法来模拟他们的控制器设计,然后迅速将其部署到嵌入式微控制器或原型硬件上,以便在真正的自行车上进行测试。他们希望缩短设计迭代,即工程师将设计部署到硬件上,要么骑自行车,要么使用测试台来评估其性能,优化设计,然后重新部署以进行进一步的测试。同时,他们需要确保骑手的安全。

解决方案

博世工程师采用基于模型的设计(Model-Based Design)来开发电动自行车的驱动系统,该系统是按照公司的功能安全标准完成的。

他们将驱动系统控制器分成两个部分:驱动控制器和电机控制器。

在Simulink中建模的驱动控制器,使用诸如骑手的节奏、施加在曲万博1manbetx柄上的扭矩和自行车的速度等输入,来确定需要多少扭矩从电机来帮助骑手。

电机控制器,用Simulink和statflow建模万博1manbetx®,工作在比驱动器控制器更高的时钟频率。它向电机发送信号以响应来自驱动控制器的扭矩命令。

博世的工程师在Simulink中为每个组件开发了一个工厂模型。万博1manbetx驱动控制器工厂模型包括车手的质量和踏板行为,以及环境因素,如地面的坡度。电机控制器模型捕捉驱动系统的无刷直流电机的特性。

为了验证控制算法,该团队在Simulink中分别对驱动和电机控制器进行了闭环仿真。万博1manbetx

对于实时测试,他们使用Simulink Coder™从驱动器控制模型生成代码,编译它,并将其部署到快速原型硬件。万博1manbetx他们使用嵌入式编码器从电机控制模型生成代码®然后把它部署到微控制器上。

利用第二个快速原型单元,工程师们搭建了一个试验台,配备了用于踩自行车的驱动器和收集性能指标的传感器。他们通过在Simulink中对场景建模并使用Simulink Coder为测试硬件生成代码,为这种设置开发了测试套件。万博1manbetx

在MATLAB中,该团队分析了仿真和测试结果,创建扭矩和速度图,以可视化关键性能特征。

博世工程师使用嵌入式编码器从驱动控制和电机控制模型生成微控制器的生产代码。

结果

  • 五分钟内设计更新并准备重新测试.Baumgärtner表示:“在体验了eBike之后,我们在Simulink中调整了控制算法和参数,然后为原型硬件重新生成了代码。”万博1manbetx“在短短五分钟内,我们已经准备好使用更新后的控制器进行测试。”

  • 为满足安全标准而生成的代码.Baumgärtner说:“我们用Simulink Co万博1manbetxder和Embedded Coder生成的代码没有任何缺陷。”“它是根据我们的内部功能安全标准开发的。”

  • 关键的市场截止日期.Baumgärtner表示:“我们的驱动系统必须做好准备,在欧洲自行车交易会上亮相,以抓住每年一次的市场机遇。”“基于模型的设计对于通过代码生成加速设计迭代来实现这一目标至关重要。”