Bosch eBike Systems、モデルベースデザインにより電動自転車コントローラーを開発

自転車メーカーは、毎年、購入者が増える春に新モデルをリリースしています。Bosch やその他のサプライヤーは、リリース前の夏に新しいシステムをメーカーに提供します。この時期に提供しないと、システムの導入が可能になるまで丸 1 年待つことになります。

名誉あるユーロバイク国際見本市で展示するためには、eBike システムの設計、実装、テスト、準備にかけられる時間は 1 年余りしかありませんでした。

全く新しいシステムを構築していたため、コントローラーの設計をシミュレーションした後、組み込みマイクロコントローラーに素早く展開するか、実際の自転車でテストするためのハードウェアをプロトタイピングする方法が必要でした。また、チームは、エンジニアが設計をハードウェアに展開する際の設計の反復を短縮したいと考えていました。設計の反復では、自転車に乗るか、テストベンチを使用し、性能評価や設計の改良を行った後、再展開してさらなるテストを行うことが求められます。また、運転者の安全性を確保するということも考える必要がありました。

Bosch のエンジニアは、モデルベースデザインを使用して eBike 用ドライブシステムを開発しました。この開発は、同社の機能安全規格に基づき行われました。

彼らは、ドライブ システムコントローラーを、ドライブ コントローラーとモーター コントローラーの 2 つのコンポーネントに分割しました。

Simulink でモデル化されたドライブ コントローラーは、運転者のケイデンス、クランク走行時のトルク、自転車の速度などの入力によって、運転者をサポートできるようにモーターから必要なトルクを判断します。

モーター コントローラーは、Simulink や Stateflow^® でモデル化されており、ドライブ コントローラーよりも高いクロック周波数で動作します。また、ドライブ コントローラーからのトルクの命令に応じて、モーターに信号を送ります。

Bosch のエンジニアは、Simulink を使用して、コンポーネントごとにプラントモデルを開発しました。ドライブ コントローラーのプラントモデルには、運転者の体質量やペダリング動作だけでなく、地面の傾斜などの環境要因が取り入れられています。モーター コントローラーのプラントモデルは、駆動システムのブラシレス DC モーターの特性を捕捉します。

チームは、制御アルゴリズムを検証するために、Simulink でドライブ コントローラーとモーター コントローラーの閉ループシステムのシミュレーションを個別に行いました。

また、リアルタイムテストで Simulink Coder™ を使用して、ドライブ制御モデルからコードを生成、コンパイルし、ラピッド プロトタイピング ハードウェアに展開しました。続いて、Embedded Coder^® を使用してモーター制御モデルからコードを生成し、マイクロ コントローラーに展開しました。

エンジニアは、2 台目のラピッド プロトタイピング装置を使用して、自転車を漕ぐためのアクチュエーターと、パフォーマンス メトリクスを収集するためのセンサーを搭載したテストベンチを構築しました。また、このセットアップ用のテストスイートを開発するために、Simulink でシナリオをモデル化し、Simulink Coder を使用してテストハードウェア用のコードを生成しました。

チームは、MATLAB を使用して、シミュレーションとテストの結果を解析し、トルクおよび速度のプロットを作成して、鍵となる性能特性を可視化しました。

Bosch のエンジニアは、Embedded Coder を使用して、ドライブ制御モデルおよびモーター制御モデルからマイクロ コントローラーの量産向けコードを生成しました。