NI​電気​モータ​シミュレーション​ツール​キット​を​使用​した​電気​モータ​の​高​精度​シミュレーション

概要

自動車​業界​における​普及​が​進み、​自然​エネルギー​アプリケーション​に​も​採用​さ​れ​て​いる​電気​モータ​は、​組​込​制御​システム​の​開発​者​や​技術​者​に​難題​を​突き​付け​てい​ます。​電気​モータ​の​動作​を​適度​に​シミュレーション​する​に​は​高​精度​な​シミュレーション​が​必要​で​あり、​HIL​テスト​システム​は​シミュレーション​モデル​を​1 µ​秒​ほど​で​実行​でき​な​け​れ​ば​なり​ま​せん。​この​よう​な​高い​シミュレーション​精度​と​高速​演算​速度​を​両立​する​こと​は​これまで​不可能​で​した。​そのため​多く​の​テスト​エンジニア​は、​組​込​ソフトウェア​を​検証​する​の​に​高価​な​ダイナモ​メータ​や​フィールド​テスト​を​利用​する​しか​ありま​せん​で​した。

​ ​最新​技術​を​利用​した​高​精度​の​リアルタイム​電気​モータ​シミュレーション​を​行​え​ば、​実機​なら​破壊​の​恐れ​が​ある​よう​な、​実際​の​システム​では​実行​が​困難​または​不可能​な​過度​や​不具合​テスト​が​実現​でき​ます。​極めて​精度​の​高い​物理​システム​モデル​を​使用​すると、​コントローラ​は、​厄介​な​ケース​でも​安全​かつ​安定​し​て​制御​を​正しく​行​って​いるか​を​確認​する​こと​が​でき​ます。

​ ​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​HIL​プラットフォームを使用すれば、​テスト​実行​用​の​拡張​可能​な​オープン​プラットフォーム​で、​最高​精度​の​リアルタイム​シミュレーション​を​実現​する​こと​が​でき​ます。​さらに、​開発​プロセス​の​早い​段階​で​問題​を​発見​し​性能​を​最適​化​できる​ため、​組​込​ソフトウェア​の​検証​に​必要​な​フィールド​テスト​の​量​も​減らす​こと​が​可能​です。​その​結果、​製品​の​市場​投入​まで​の​期間​が​短縮​さ​れる​ほか、​開発​効率​も​向上​し​ます。

コンテンツ

テスト​の​難題

電気​駆動​の​エンジン​制御​装置​(ECU)​用​制御​入出力​は、​内燃​エンジン​の​パワー​トレイン​ECU​の​制御​入出力​に​比べ​はるかに​高速​です。​電気​モータ​システム​の​制御​に​使用​さ​れる​より​高速​の​デジタル​スイッチ​信号​の​場合、​従来​方式​の​HIL​テスト​では​十分​に​対応​する​こと​が​でき​ま​せん。​図​1​は、​シミュレーション​の​時間​ステップ​が​長​く​なる​の​に​応​じ​て、​2kHz​と​8kHz​の​パルス​幅​変調​(PWM)​信号​へ​の​シミュレーション​応答​における​相対​誤差​が​上昇​する​様子​を​示し​てい​ます。

図​1. 基準​周波数​が​2kHz​または​8kHz​の​PWM​信号​に​応​じ​た​パワー​エレクトロニクス​システム​の​相対​シミュレーション​誤差

この​グラフ​から、​25 µ​秒​周期​の​シミュレーション​ループ​の​場合、​8kHz PWM​へ​の​シミュレーション​応答​では、​シミュレーションの時間分解能によって誘発された​20%​の​相対​誤差​が​生​じ​て​いる​こと​が​わか​り​ます。​小さい​方​の​グラフ​は、​マイクロ​秒​以下​の​範囲​の​誤差​を​拡大​した​もの​で、​1 µ​秒​で​実行​する​同じ​シミュレーション​では​PWM​計測​の​誤差​が​わずか​0.75%​だ​っ​た​こと​が​わか​り​ます。

さらに​複雑​な​ことに、​電気​モータ​は、​磁気​飽和​や​コギングトルク​など​直接​モデリング​する​の​が​難しい​複雑​な​非線形​動作​を​示し​ます。​ECU​は​基本​機能​なら​線形​モデル​で​十分​テスト​する​こと​が​でき​ます​が、​厳密​な​テスト、​調整、​最適​化​の​ため​に​は、​より​複雑​な​動作​の​モデリング​が​必要​となり​ます。

図​2​は、​電力​システム​テスト​の​3​つ​の​ステージ​を​示し​てい​ます。​システム​全体​を​シミュレーション​し​て​電子​制御​を​テスト​する​信号​レベル​テスト、​モータ​エミュレータ​を​使用​し​て​制御​システム​と​パワー​エレクトロニクス​の​両方​を​フル​に​テスト​する​パワー​レベル​テスト、​メカニカル/​ダイナモ​メータ​テスト​の​3​つ​です。​従来​型​の​シミュレーション​システム​では、​テスト​能力​に​限界​が​あっ​た​ため、​制御​システム​の​設計​者​は​高価​な​ダイナモ​メータ​や​フィールド​テスト​を​採用​する​しか​ありま​せん​で​した。​ただし​シミュレーション​速度​と​精度​の​向上​により、​信号/​パワー​レベル​で​より​多く​の​テスト​が​可能​となり、​物理​テスト​段階​に​かかる​時間​と​コスト​が​削減​できる​よう​に​なり​ま​した。  

図​2. 電気​モータ​の​制御​システム​テスト​の​3​段階: 信号​レベル​テスト、​パワー​レベル​テスト、​メカニカル​テスト

アプローチ

シミュレーション​周期​で​1 µ​秒​に​到達​する​に​は、​電気​モータ​と​パワー​エレクトロニクス​の​HIL​テスト​システム​における​パラダイムシフト​が​必要​です。​その​よう​な​高速​で​の​システム​シミュレーション​を​可能​に​した​の​が、​プロセッサ​に​基​づ​い​た​従来​型​の​HIL​システム​から​FPGA(field-​programmable gate array)​ベース​の​シミュレータ​へ​の​シフト​で​した。

プロセッサ​ベース​の​従来​型​HIL​システム​は、​プロセッサ​と​I/​O​ノード​が​通信​バス​で​分離​さ​れ​て​いる​こと​から、​50kHz​付近​で​最大​速度​に​達し​ます。​シミュレーション​の​1​回​の​時間​ステップ​の​間​に、​入力がサンプリングされ、​データがプロセッサに転送され、​結果​が​I/​O​ノード​に​戻​さ​れ​て​出力​が​更新​さ​れ​ます。​PCI​または​PXI​バス​では、​通信​の​遅延​時間​は​通常​シミュレーション​時間​全体​の​4​分​の​3​を​占​め​ます。​計算​を​FPGA​に​移行​させる​こと​で​計算​自体​は​高速​化​し​ます​が、​速度​向上​の​大部分​は​1​つ​の​デバイス​上​に​プロセッサ​ノード​と​I/​O​ノード​を​共同​で​配置​する​こと​による​もの​なので、​通信​遅延​時間​は​ごく​わ​すか​となり​ます。

高度​な​モータ​制御​の​リアルタイム​シミュレーション​で​エンジニア​が​次に​直面​する​難題​は、​モデル​の​精度​と​シミュレーション​速度​の​適切​な​組み合わせ​を​いかに​実現​する​か​です。​機能​レベル​の​HIL​テスト​を​実施​する​なら​シンプル​な​定数​パラメータ​や​線形​モデル​で​十分​ですが、​高度​な​モータ​制御​の​耐久​テスト​や​最適​化​を​行う​に​は​より​高​精度​な​モデル​が​求め​ら​れ​ます。​計算​の​複雑​さ​を​増す​こと​なく​シミュレーション​精度​を​高める​効果​的​な​方法​として、​モデル​パラメータ​を​ルック​アップ​テーブル​に​置​き​換え​て、​それらの​パラメータ​を​シミュレーション​の​繰り返し​ごと​に​更新​する​という​方法​が​あり​ます。  

有限​要素​解析​(FEA)​の​結果​や​実験​的​に​得​ら​れ​た​テーブル​を​使用​すると、​コギングトルク​や​磁気​飽和​など、​複雑​な​非線形​動作​を​シミュレーション​する​こと​が​できる​ため、​これらの​複雑​な​現象​に​適応​できる​コントローラ​の​設計​も​可能​となり​ます。​それぞれ​の​ケース​で、​シミュレーション​で​直接​モデリング​し​なく​て​も、​ルック​アップ​テーブル​により​複雑​な​動作​を​捉える​こと​が​でき​ます。​例えば​図​3​に​明確​に​示​さ​れる​よう​に、​モータ​の​インダクタンス​は​動作​範囲​内​で​4.5​~​12mH​の​変動​が​あり​ます。

図​3. 動作​範囲​における​モータ​の​D-​Q​インダクタンス​値​の​曲面​プロット

解決法

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​では、​ソフトウェア​ツール​と​ハードウェア​ツール​を​組み合わせ​て、​パワー​エレクトロニクス​や​電気​モータ​の​リアルタイム​テスト​に​適​した​業界​トップ​レベル​の​プラットフォーム​を​提供​し​てい​ます。​NI​電気​モータ​シミュレーション​ツール​キット​に​は、​電気​機械​や​インバータ​の​モデル​が​含​まれ​てい​ます​ので、​制御​エンジニア​は​NI​の​リアルタイム​テスト​用​ツール​の​エコ​システム​に​それら​を​組み込み​テスト​システム​を​す​ば​やく​セットアップ​する​こと​が​でき​ます。

NI​電気​モータ​シミュレーション​ツール​キット

NI​電気​モータ​シミュレーション​ツール​キット​は、​電気​モータ​システム​の​デスク​トップ​および​HIL(hardware-​in-​the-​loop)​シミュレーション​を​開発​する​ため​の​モデリング​要素​を​提供​する​もの​です。​この​ツール​キット​を​使用​すると、​電気​シミュレーション、​制御、​HIL​用​の​LabVIEW​プロジェクト​テンプレート​や​各種​モータ​タイプ​の​VeriStand​アド​オン​が​追加​さ​れ​ます。​モデル​は​ホスト​コンピュータ​で​実行​し​て​ソフトウェア​のみ​の​シミュレーション​を​行う​こと​が​できる​ほか、​NI Real-​Time​ターゲット​上​で​実行​す​れ​ば​従来​型​の​HIL、​NI FPGA​ターゲット​上​で​実行​す​れ​ば​高速​HIL​が​実現​でき​ます。

図​4. この​セットアップ​は、​電気​モータ​の​ECU HIL​テスト​の​一般​的​な​ソフトウェア​と​ハードウェア​の​組み合わせ​を​示し​てい​ます。​PXI​ベース​の​高​精度​シミュレータ​は、​KGC​の​フロント​エンド​アダプタ​モジュール​とともに​FlexRIO FPGA​ボード​を​使用​し​て、​データ​は​NI VeriStand​で​記録・​表示​し​てい​ます。

ツール​キット​に​は、​シンプル​な​線形​近似​または​JSOL​の​JMAG-​RT​モデル​と​統合​できる​高​精度​表現​の、​スイッチ​ド​リラ​ク​タンス​(SR)​および​永久​磁石​同期​機​(PMSM)​モータ​タイプ​の​モデル​が​含​まれ​てい​ます。​有限​要素​解析​(FEA)​に​基づく​JMAG-​RT​モデル​と​の​インタフェース​により、​コギングトルク​や​磁気​飽和​など​の​非線形​動作​を​正確​に​シミュレーション​する​こと​が​可能​と​な​って​い​ます。

サポート​する​モータ​タイプ:

  • 永久​磁石​同期​機​(PMSM)
    • 定数​パラメータ​モデル
    • JMAG-​RT FEA​ベース​モデル
  • スイッチ​ド​リラ​ク​タンス​モータ​(SRM)
    • 線形​モデル
    • JMAG-​RT FEA​ベース​モデル

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JMAG-​RT​モデル​を​使用​した​HIL​で​株式会社​JSOL​と​提携

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​では、​株式会社​JSOL​と​提携​し、​同社​の​FEA​ツール、​JMAG​と​JMAG-​RT​から、​NI LabVIEW​システム​開発​ソフトウェア​もしくは​NI VeriStand​ソフトウェア​用​に​高​精度​モデル​を​生成​し​て、​リアルタイム​テスト​アプリケーション​を​構成​できる​よう​に​なり​ま​した。​この​提携​により、​電気​モータ​の​テスト​と​シミュレーション​に​必須​の​主要​件​へ​の​対応​が​可能​となり、​LabVIEW FPGA​と​NI RIO FPGA​ベース​の​ハードウェア​を​使用​し​て、​マイクロ​秒​レベル​の​タイミング​で​FEA​ベース​の​モータ​モデル​を​実行​する​こと​が​でき​ます。​モデル​演算​では​FEA​が​生成​した​ルック​アップ​テーブル​を​使用​し​て、​モータ​の​現在​の​状態​に​基​づ​き​リアルタイム​で​参照​する​こと​で、​線形​演算​と​非線形​の​ルック​アップ​テーブル​を​組み合わせ、​極めて​高速​かつ​高​精度​の​シミュレーション​を​実現​し​てい​ます。

 

図​5.定数​パラメータ​D-​Q​モデル、​オフライン​の​JMAG-​FEA​モデル、​LabVIEW FPGA​で​実行​する​JMAG-​RT​モデル​により​得​ら​れ​た​トル​ク​計算。​D-​Q​モデル​は​トル​ク​の​平均​値​を​シミュレーション​し​ます​が、​JMAG​および​JMAG-​RT​モデル​は​トル​ク​の​リプル​を​より​高​精度​で​シミュレーション​し​ます。

高​精度​モデル​を​生成​できる​構成​ベース​の​モデリング​ツール、​JMAG-​Express​を​ダウンロード​し​て​試し​て​みる​こと​が​でき​ます​(無料)。

NI VeriStand

NI VeriStand​は、​リアルタイム​テスト​アプリケーション​を​作成​する​ため​の​構成​ベース​の​ソフトウェア​環境​です。​手元​に​届​い​た​その日​から​すぐ​に、​ターゲット​から​ホスト​へ​の​リアルタイム​通信、​データ​ロギング、​刺激​生成、​アラーム​の​検出・​応答​など​が​行​え​ます。​また​NI VeriStand​は、​シミュレーション​のみ​の​テスト​から​HIL​テスト​まで​短期間​で​移行​でき、​テスト​プロファイル、​アラーム、​手順、​解析​ルーチン​といった​テスト​コンポーネント​を​再​利用​する​こと​が​でき​ます。​モデル​から​ハードウェア​チャンネル​へ​パラメータ​を​簡単​に​再​マッピング​し​て、​実​世界​I/​O​を​容易​に​実現​でき​ます。 このように​簡単​に​移行​できる​こと​で、​回帰​テスト​の​実行​に​かかる​時間​を​短縮​できる​ほか、​NI TestStand​など​の​テスト​管理​ソフトウェア​を​使用​し​て​テスト​を​自動化​する​こと​も​可能​となり​ます。

NI VeriStand​は、​リアルタイム​プラグ​イン​経由​で​アプリケーション​に​特​化​した​機能​を​作成​できる​オープン​フレーム​ワーク​を​特徴​として​い​ます。​そのため​テスト​システム​の​柔軟性​を​最大限​に​高め​ら​れ​ます。​NI​電気​モータ​シミュレーション​ツール​キット​を​使用​すると、​構成可能な環境にモータのモデリング機能が追加され、​デスク​トップ​シミュレーション/​テスト、​従来​型​リアルタイム​ハードウェア​プラットフォーム​で​の​リアルタイム​シミュレーション/​テスト、​FPGA​上​で​の​高速​シミュレーション​を​実行​でき​ます。

図​6. NI VeriStand​を​使用​すると、​各種​シミュレーション​ターゲット​の​様々​な​環境​から​モデル​を​実装​する​こと​が​でき​ます。

NI VeriStand​の​詳細​は​こちら

LabVIEW FPGA

FPGA(field-​programmable gate array)​と​は、​再​プログラミング​が​可能​な​シリコン​チップ​です。​PC​に​搭載​さ​れ​て​いる​プロセッサ​と​異​なり、​FPGA​を​プログラミング​すると​チップ​自体​が​再​配線​さ​れる​ため、​ソフトウェア​アプリケーション​が​実行​さ​れる​の​では​なく​指定​の​機能​が​ハードウェア​として​実装​さ​れ​ます。​初​の​FPGA​は、​Xilinx​社​の​共同​創立​者​で​ある​Ross Freeman​氏​が​1985​年​に​開発​しま​した。​NI​では​Xilinx​社​と​提携​し​て​同社​の​最先端​FPGA​技術​を​様々​な​ハードウェア​プラットフォーム​で​提供​し​て​おり、​LabVIEW FPGA​を​使用​した​グラフィカル​プログラミング​や​浮動​小数点​演算​を​可能​に​しま​した。   

LabVIEW FPGA​の​詳細​は​こちら