Bosch的eBike系統(tǒng)作為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，已經(jīng)被50多家歐洲自行車品牌所采用。而從一開始，Bosch的eBike系統(tǒng)的工程師們就使用MATLAB和Simulink工具，采用基于模型的設(shè)計(jì)，來加速實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)單元控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、和測試。

“我們的團(tuán)隊(duì)只有9個(gè)月的時(shí)間，也就是在歐洲自行車交易會(huì)（Eurobike）前5個(gè)多月完成設(shè)計(jì)并制造出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的客戶樣機(jī)。”Bosch eBike系統(tǒng)的主任工程師Daniel Baumgartner這樣說。“基于模型的設(shè)計(jì)是一個(gè)絕好的開發(fā)方式，它使得我們可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出一個(gè)嵌入式eBike驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器。”

挑戰(zhàn)

歐洲人大多在春季買自行車，所以自行車制造廠家通常會(huì)在春季發(fā)布新型號的產(chǎn)品。Bosch和別的自行車零部件供貨商，一般就在夏季給整車廠提供新系統(tǒng)。這樣，Bosch工程師只有一年多一點(diǎn)的時(shí)間來設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、和測試，并準(zhǔn)備好在這個(gè)極其重要的歐洲自行車交易會(huì)上做產(chǎn)品演示。

由于他們需要建造一套全新的系統(tǒng)，所以團(tuán)隊(duì)必須要有一種方法來仿真所設(shè)計(jì)的控制器，并快速地運(yùn)用到一個(gè)嵌入式微處理器中，或應(yīng)用到一個(gè)原型硬件中，以供實(shí)車測試用。工程師們需要縮短設(shè)計(jì)的疊代過程，這一過程包括：從設(shè)計(jì)方案到硬件、親自騎自行車或用測試臺架來評估其性能、重新修改設(shè)計(jì)、再做進(jìn)一步的測試。同時(shí)，他們也要確保騎車人的安全。

解決方案

Bosch工程師們采用基于模型的設(shè)計(jì)流程來開發(fā)eBike驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并使之符合公司的功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

他們把驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器分成兩個(gè)單元：驅(qū)動(dòng)控制器和電機(jī)控制器。

工程師們用Simulink來對驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行建模，輸入?yún)?shù)包括：騎車人的節(jié)奏，曲柄上的扭矩，車速，從而來確定電機(jī)需要給出多少的扭矩以達(dá)到助力效果。

對于電機(jī)控制器，工程師們用Simulink和Stateflow這兩個(gè)工具，控制器的頻率要比驅(qū)動(dòng)控制器的高。電機(jī)控制器要給電機(jī)發(fā)送信號，以回應(yīng)驅(qū)動(dòng)控制器對于扭矩的要求。

Bosch工程師們還為這每種單元開發(fā)出了被控對象模型。驅(qū)動(dòng)控制器的對象模型考慮到了騎車人的體重和踏車行為，以及諸如地面坡度等環(huán)境因素。電機(jī)控制器的對象模型則加入了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中無電刷直流電機(jī)的各種特性參數(shù)。

為了驗(yàn)證控制算法，團(tuán)隊(duì)對于驅(qū)動(dòng)控制器和電機(jī)控制器，分別在Simulink中進(jìn)行了閉環(huán)仿真。

為了進(jìn)行實(shí)時(shí)測試，工程師們使用Simulink Coder，從驅(qū)動(dòng)控制器模型自動(dòng)生成代碼，編譯之后，下載到快速原型控制器中。工程師們并且使用Embedded Coder，從電機(jī)控制器模型自動(dòng)生成產(chǎn)生代碼，下載到微處理器中。

用另外一個(gè)快速原型控制器，工程師們搭建了一個(gè)測試臺架，上面裝備了兩個(gè)執(zhí)行器用來驅(qū)動(dòng)踏板，和用于采集性能參數(shù)的傳感器。他們在Simulink中開發(fā)出了測試案例，并使用Simulink Coder自動(dòng)生成測試硬件運(yùn)行的代碼。

之后，工程師們使用MATLAB，對仿真和測試結(jié)果進(jìn)行分析，并繪制出扭矩和速度等關(guān)鍵參數(shù)圖形。

Bosch工程師們使用Embedded Coder，從驅(qū)動(dòng)控制器和電機(jī)控制器的模型，為微處理器生成產(chǎn)品級的代碼。

基于模型的設(shè)計(jì)的商業(yè)價(jià)值主要在于縮短開發(fā)時(shí)間、降低開發(fā)成本。對我而言，最明顯的優(yōu)勢在于我知道我們可以放心地使用自動(dòng)生成的代碼，它使得我們在Simulink模型級別即可進(jìn)行查錯(cuò)處理，而不是在代碼級別才進(jìn)行糾錯(cuò)工作。

——Bosch eBike System, Daniel Baumgartner

結(jié)果

設(shè)計(jì)方案可以在5分鐘之內(nèi)予以更新，并供測試用。Baumgartner說：“在一臺eBike樣車上騎行一會(huì)兒體檢系統(tǒng)性能和表現(xiàn)，我們就可以在Simulink中對控制算法和各個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后重新為原型硬件生成代碼。只要不到5分鐘的時(shí)間，我們就可以用新的控制器算法重做一次騎行測試。”

所生成的代碼符合安全標(biāo)準(zhǔn)。Baumgartner說：“用Simulink Coder和Embedded Coder所生成的代碼沒有任何缺陷（Zero Defect），它們完全是遵循我們內(nèi)部對于功能安全標(biāo)準(zhǔn)來開發(fā)的。”

滿足嚴(yán)苛的市場投放時(shí)限。“我們的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須開發(fā)出來，以便可以在一年一度的歐洲自行車交易會(huì)上推出。基于模型的設(shè)計(jì)流程，它通過代碼自動(dòng)生成的方式來加速設(shè)計(jì)的迭代過程，真正是我們能滿足這一目標(biāo)的關(guān)鍵所在。”Baumgartner最后說。