NI LabVIEW​と​PXI​を​使用​し​て​レゾルバ​の​動作​を​模擬​し、​マイコン​評価​に​大​きく​貢献

- 越川​丈​太郎​氏、 土屋​耕一​氏, 富士通​マイクロ​ソリ​ュ​ー​ション​ズ​株式会社 MS​開発​本部 ソリューション​開発​統括​部 マイコン​システム​開発部

"従来​は、​レゾルバ​に関する​評価​は​実際​に​レゾルバ​を​使用​する​以外​に​方法​は​ない​と​考え​てい​た。​しかし、​LabVIEW​と​PXI​を​採用​する​こと​によって、​レゾルバ​の​動作​を​自由自在​に​模​する​こと​が​可能​な​治​具​を​実現​する​こと​が​でき​た。"

- 越川​丈​太郎​氏、 土屋​耕一​氏, 富士通​マイクロ​ソリ​ュ​ー​ション​ズ​株式会社 MS​開発​本部 ソリューション​開発​統括​部 マイコン​システム​開発部

課題:

レゾルバセンサー​専用​の​インタフェース​回路​を​搭載​した​マイコン​の​システム​評価​に​は、​レゾルバ​から​の​出力​信号​を​生成​する​仕組み​が​必要​に​なる。​従来​は、​実際​に​レゾルバ​を​動作​さ​せ​て​信号​を​得​てい​た​が、​評価のために一定の状態を作ることが難しかった。​そのため、​再現​性​良く、​定量的な評価結果を得ることができなかった。​また、​レゾルバが実際には起こりえないような異常な動作を起こした場合の検証も行いたかったが、​そのための手法が存在しなかった。

ソリューション:

NI​の​PXI-7854R​を​使用​し​て、​レゾルバ​の​動作​を​模擬​する​こと​が​可能​な​信号​生成​用​治​具​を​開発​した。​レゾルバ​の​動作​と​同等​の​処理​を​実現​する​デジタル​演算​ブロック​は、​同​製品​が​搭載​する​FPGA​によって​実装​した。​そして、​FPGA​の​プログラミング​に​は、​LabVIEW/​LabVIEW FPGA​モジュール​を​使用​した。​これ​により、​通常​動作​に​加​え、​異常​動作​も​模​する​こと​が​可能​な​信号​生成​治​具​を​実現​する​こと​が​でき​た。

 

【 背景】


​富士通​マイクロ​ソリ​ュ​ー​シ​ョ​ンズ​(以下、​FMSL)​は、​最先端​の​半導体​技術​を​ベース​と​した​大規模​システム​LSI​の​開発、​ならびに​そうした​LSI​を​活用​した​システム​開発​を​行う​企業​で​ある。​具体​的​な​事業​の​例​として​は、​富士通​セミ​コンダクター​が​販売​する​マイコン​の​設計/​開発、​マイコン​に​搭載​する​ソフトウェア​の​開発、​システム​ソリ​ュ​ー​ション​の​開発​を​担​って​いる。​これらの​開発​事業​において​大きな​比重​を​占​め​て​いる​こと​の​1​つ​が、​マイコン​の​ハードウェア​と、​それに​搭載​する​ソフトウェア​を​組み合わせ​て​動作​さ​せ​た​結果、​何​も​問題​が​発生​しない​こと​を​検証​する​こと​で​ある。



​そうした​検証​において​は、​実際​の​システム​で​利用​さ​れる​構成​要素​(マイコン​の​周辺​部品)​の​動作​も​含​め、​システム​レベル​で​の​評価​を​行​わな​け​れ​ば​なら​ない。​例えば、​富士通​セミ​コンダクター​の​場合、​レゾルバセンサー​専用​の​インタフェース​回路​を​搭載​した​32​ビット​マイコン​「MB91580​シリーズ」​を​製品​化​し​て​いる。​レゾルバ​は、​図​1​に​示す​よう​に、​励磁​コイル​と、​互いに​直交​する​2​つ​の​検出​コイル、​ロ​ータ​で​構成​さ​れる。​励磁​コイル​に​振幅/​周波数​が​一定​の​正弦波​信号​が​入力​すると、​検出​コイル​から​は​変圧​器​に​似​た​仕組み​で​信号​が​出力​さ​れる。​この​とき、​ロ​ータ​の​角度​に​比例​し​て​検出​コイル​から​出力​さ​れる​電圧​が​変化​する​ので、​その​電圧​量​を​検出​す​れ​ば​角度​が​わかる​という​仕組み​で​ある。​一方​の​マイコン​側​は、​レゾルバ​用​の​インタフェース​回路​として、​検出​コイル​から​の​信号​を​受け取り、​角度​情報​を​デジタル​データ​として​得る​ため​の​角度​検出​器​(RDC)​を​備え​て​いる​(図​2)。​この​よう​な​マイコン​の​評価​を​行う​に​は、​レゾルバ​から​出力​さ​れる​もの​と​同等​の​信号​を​用意​しな​け​れ​ば​なら​ない。​しかも、​システム​評価​では、​角度検出器の動作のみならず、​それ​以外​の​回路​ブロック​が​その​とき​どの​よう​な​挙動​を​示す​の​か​という​こと​も​評価​する​必要​が​ある。

 

【課題】


​上述​した​よう​な​評価​を​行​いたい​場合、​従来​は​検出​コイル​から​の​出力​波形​を​得る​ため​に、​実際にモータを使ってレゾルバのロータを回転させ、​検出​コイル​から​の​実際​の​出力​波形​を​得る​という​手法​(図​3)​や、​ファンクション​ジ​ェ​ネ​レ​ータ​によって​検出​コイル​から​の​信号​を​模​した​波形​を​生成​する​手法​を​用​い​てい​た。​しかし、​これらの​方法​に​は​以下​に​挙げる​よう​な​課題​が​あっ​た。



​(1)​安定性/​再現​性​の​高い​評価​環境​が​作​れ​ない
​実機​の​レゾルバ​を​使用​する​方法​では、​評価​の​ため​に​一定​の​状態​を​作る​こと​が​難しい。​そのため、​再現​性​良く、​定量的な評価結果を得ることができなかった。



​(2)​レゾルバ​が​異常​動作​した​場合​の​検証​が​行​え​ない
​システム​レベル​の​評価​では、​通常​動作​時​の​検証​に​加​え、​レゾルバ​が​故障​した​とき​や、​何らかの​要因​によって​レゾルバ​が​通常​では​あり​え​ない​よう​な​動作​を​した​ときの​検証​も​行う​必要​が​ある。​しかし、​実機​の​レゾルバ​を​使う​方法​や​シミュレーション​では、​現実的にはこのような検証を行うことができなかった。



​(3)​実機​の​レゾルバ​を​そのまま​置き換える​こと​が​でき​ない
​ファンクション​ジ​ェ​ネ​レ​ータ​を​使う​手法​では、​本来​で​あれ​ば​入力​信号​を​受け​取​って​出力​信号​を​生成​する​レゾルバ​の​代わり​に、​自律​的​に​信号​を​生成​する​ファンクション​ジ​ェ​ネ​レ​ータ​を​配置​する​ことに​なる。​その​場合、​ファンクション​ジ​ェ​ネ​レ​ータ​の​部分​で​系​が​分断​さ​れる​ことに​なり、​システム​レベル​の​評価​として​ふさわしい​もの​と​は​なら​ない。

 

【ソリューション/​効果】

上述​した​課題​を​解決​する​ため​に、​NI​の​ハードウェア/​ソフトウェア​製品​を​活用​する​こと​で、​実際​の​レゾルバ​を​そのまま​置き換える​こと​が​可能​な​信号​発生​用​治​具​を​開発​した。​システム​構成​として​は、図4に​示す​よう​に、​A-​D​コンバータ​(ADC)、​D-​A​コンバータ​(DAC)、​デジタル​演算​部​によって​レゾルバ​の​各​構成​要素​を​置き換える​ことに​した。​そのため​の​ハードウェア​として​は、​NI​の​R​シリーズ​マルチ​ファンクション​RIO「PXI-7854R」​を​採用​した。​ADC​と​DAC​について​は、​同​製品​が​搭載​する​分解能​が​16​ビット​で​サンプリング​レート​が​750 kHz​の​ADC​と、​分解能​が​16​ビット​で​サンプリング​レート​が​1 MHz​の​DAC​を​使用​した。​そして、​デジタル​演算​ブロック​は​同​製品​が​搭載​する​FPGA(Xilinx​社​の​「Virtex-5」)​によって​実装​する​ことに​した。​FPGA​の​プログラミング​に​は、​グラフィカル​システム​開発​プラットフォーム​で​ある​「LabVIEW」​と​「LabVIEW FPGA​モジュール」​を​使用​する。

 

この​構成​を​採用​した​こと​の​メリット​として、​大​きく​2​つ​の​ポイント​を​挙げる​こと​が​できる。​1​つ​は、​FPGA​が​備える​高い​処理​性能​で​ある。​レゾルバ​の​動作​を​模擬​する​デジタル​演算​は、​PC​上の​ソフトウェア​処理​で​行う​より​も、​FPGA​による​ハードウェア​処理​で​行う​方​が​高速​化​を​図る​こと​が​でき​た。​もう​1​つ​は、​LabVIEW​による​FPGA​プログラミング​の​容易​さ​で​ある。​LabVIEW/​LabVIEW FPGA​モジュール​を​利用​する​こと​により、​グラフィカル​な​操作​だけ​で​FPGA​の​プログラミング​が​行える。

 

この​よう​な​構成​により、​レゾルバ​の​動作​を​模擬​する​信号​発生​用​治​具​を​作り上げる​こと​が​でき​た(図5)。​検出​コイル​の​出力​波形​は、​LabVIEW​で​作成​した​GUI​画面​に​いくつか​の​パラメータ​を​設定​する​だけ​で​生成​できる。​しかも、​実機​では​精度​が​劣化​する​極​低速​の​信号​や​超​高速​の​信号​まで​自由自在​に​生成​する​こと​が​可能​で​ある(図6)。​また、​起動​や​停止​など​の​状態​設定​について​も​自在​に​操る​こと​が​できる。​さらには、​レゾルバ​の​ショート、​断線​など​に​対応​する​振幅​異常​や、​速度​の​急変、​飛​びな​ど​に​対応​する​角度​異常​など​も、​GUI​画面​における​パラメータ​の​設定​によって、​自在かつ非常に高い再現性で模擬できるようになった(図7)。

 

【 今後​の​展開】

今回​は、​レゾルバ​用​の​インタフェース​を​対象​と​した​わけ​だが、​マイコン​に​は​ほかに​も​ADC/​DAC​や​シリアル​通信​ユニット​といった​ペリフェラル​が​数多く​存在​する。​それら​が​動作​し​て​いる​際、​ほか​の​ブロック​が​どの​よう​な​状態​に​な​って​いる​の​か​を​同時に​検証​する​こと​が​システム​評価​の​目的​の​1​つ​で​ある。​そこで、​マイコン​の​システム​評価​において、​複数​の​ブロック​の​機能​を​同時に​検証​できる​よう​に、​汎用​性/​拡張​性​を​備える​LabVIEW/​PXI​を​プラットフォーム​として​活用​し​てい​きた​いと​考え​て​いる。

 

従来​は、​各種​の​汎用​計測​器​を​用意​し、​それら​を​GPIB​で​つ​ない​で、​テキスト​ベース​の​言語​で​記述​した​プログラム​を​PC​上​で​実行​する​こと​によって​制御/​計測​を​行う​という​手法​で​評価​を​行​って​い​た。​この​方法​だ​と、​実際​の​評価​作業​より​も​準備​作業​に​多く​の​時間​を​割​かな​け​れ​ば​なら​ない。​しかも、​各社​の​測定​器​の​違い​など​によって​評価​の​再現​性​が​低下​する​といった​問題​も​起きる。​LabVIEW/​PXI​を標準的なプラットフォームとして使用すると決めれば、​常に​同等​の​条件下​で​の​評価​が​可能​に​なり、​品質​の​均一​性​が​保​た​れる​と​考え​て​いる。​また、​制御​用​の​プログラム​について​も、​テキスト​ベース​の​言語​で​記述​する​より​も、​LabVIEW​による​グラフィカル​な​記述​の​ほうが​容易​で​ある。​LabVIEW/​PXI​を標準的なプラットフォームとして使用すれば、​評価​に​かかる​工数​を​現状​の​1/3​くらい​まで​減​ら​せる​の​では​ない​か​と​考え​て​いる。

 

また、​この​信号​発生​用​治​具​は、​すでに​FMSL​社内​で​異常​状態​の​評価​に​活用​さ​れ​て​おり、​今後​は​レゾルバ​を​使​って​いる​顧客​に対して​紹介​する​こと​も​想定​し​て​いる。

 

その​際​に​は、​NI​の​PXI​製品​の​COTS(商用​オフザシェルフ)​品​として​特徴​を​活​かし、​2​台​目​以降​の​製作​は​ソフトウェア​の​移植​を​行う​だけ​で​可能​に​なる​という​メリット​を​享受​できる。

 

著者​情報:

越川​丈​太郎​氏、 土屋​耕一氏
​富士通​マイクロ​ソリ​ュ​ー​ション​ズ​株式会社 MS​開発​本部 ソリューション​開発​統括​部 マイコン​システム​開発部

図​1. ​ ​レゾルバ​の​構造​と​入出力​信号 ​
図​2. ​ ​レゾルバ​と​角度​検出​器​の​関係 ​
図​3. ​ ​従来​の​出力​波形​の​生成​方法 ​
図​4. ​ ​信号​発生​用​治​具​の​構成 ​
図​5. ​ ​信号​発生​用​治​具​の​外観 ​
図​6. ​ ​生成​した​波形​の​例 ​
図​7. ​ 角度​が​急変​した​場合​の​波形​の​例 ​