導入
昨年の応用パワーエレクトロニクス会議（APEC2016）で、大学院時代以来会っていなかった親友に偶然会いました。彼は現在、大手パワーエレクトロニクス企業で優秀な研究開発エンジニアとして活躍しています。
最初の会話の後、お互いの個人的な経験や仕事での成果について語り合い、パワーエレクトロニクス業界について話し合いました。私は、ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）シミュレーションと、それが（地球上の）パワーエレクトロニクスと電力システムの様相をいかに劇的に変えつつあるかについて、自分の知見を共有したいと考えていました。
私が説明を終える前に、彼の顔がひどく嫌悪感で歪むのを見て、私はショックを受けました。彼はすぐにこう言い返しました。「HILシステムを使ってみたのですが、動作させるために必要なソフトウェアツールをすべて習得するのに何ヶ月もかかり、シミュレーションされた波形は私の期待とは程遠いものでした。数値安定性の問題に何度も遭遇し、シミュレーション用のモデルの準備とコンパイルに何時間もかかりました。正直なところ、時間と忍耐が尽きてしまい、コントローラーテストの自動化にさえ手が回らなかったのです。」私が彼を落ち着かせる前に、彼は二度とHILシミュレーションは使わないと誓いました。
私は HIL テストを強く信じており、パワー エレクトロニクス制御エンジニアにとって不可欠なツールボックスとなると、オシロスコープや電源装置のすぐ隣に HIL システムを位置付ける傾向があるため、これを個人的に受け止めました。友人が 1 つのシステム経験に基づく開発およびテスト方法に対して非常に強い否定的な感情を抱いていたことは、私にとってはかなり困ったことでした。
当然のことながら、彼のフィードバックは、いわゆる「製品の設計が悪すぎる」という深い不満から生まれたものでした。しかし、特定の製品の設計が悪いからといって、その方法や使用法全体が間違っているわけではありません。もし新車が購入後数年間頻繁に故障するなら、私は別の車を買うでしょう。しかし、そのメーカーから買うのは間違いなく最後です。
一方で不適切な HIL 設計の例に刺激を受け、他方で史上最も偉大な工業デザイナーの 1 人である Dieter Rahms と彼の優れた設計の 10 原則にインスピレーションを受けて、私は「優れた Hardware-in-the-Loop 設計の 4 つの原則」と名付けたいものを定義する必要がありました。
1.優れたHIL設計は使いやすく直感的である
私たちは皆、スケジュールがぎっしり詰まっていて、締め切りも厳しく、デザインへの意欲も旺盛で、大きな夢を持つエンジニアです。そんな私たちにとって、一番困るのは、常に付きっきりで面倒を見てくれる人を必要とし、常にいじくり回したり再プログラミングしたり、複数のソフトウェア／ハードウェアツールを操作（統合）して初めて使えるようにしなければならないツールです。
簡単に言えば、HILソフトウェアがハードウェアとシームレスに連携しない場合は、そのHILシステムは構想も設計も不十分です。これらの製品は、1つの実行ファイルでインストールでき、数秒でコンパイルでき、ワンクリックで実行でき、完全に自動化されたテストが可能で、レポート生成機能が組み込まれているなど、使いやすさも重要です。
リアルタイムのハードウェア・イン・ザ・ループ・テストは、楽しくて簡単なものでなければなりません。ソフトウェア設計の不備や統合の問題で頭を悩ませるようなものではありません。テストによって効率が向上し、プロジェクトが楽になるだけでなく、上司の満足度も高まるはずです。
2.優れたHIL設計はプラグアンドプレイ
コントローラをテストする場合、それがスマート インバータ コントローラ (プライマリ コントローラ) であっても、マイクログリッド監視コントローラであっても、コントローラのハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェアを変更することなく、テスト対象のコントローラ デバイス (DUT) をテスト システムに接続できることが重要です。
実際、コントローラーは実際のパワーステージに接続した場合と全く同じ「感覚」を持つ必要があります。さらに、このようにテストされた制御ソフトウェアとファームウェアは、量産グレードの状態で提供されており、追加のテストなしですぐに導入できます。
3.優れたHIL設計は超高忠実度である
当社では、C-HIL（コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ）シミュレーション技術を用いてコントローラのテストを実施しています。これにより、高出力の実験室に赴くことなく、コントローラのファームウェアとソフトウェアの性能を決定的に検証できます。このテスト方法により、メーカーは最新のソフトウェアリリースをテストし、世界中に設置されている数百万台ものスマートインバータに自動的に配信することが可能になります。
したがって、特に安全性が重要となるアプリケーションでは、コントローラ メーカーと HIL ツール プロバイダーの間で一定レベルの信頼と要件を確立する必要があります。
HIL テスト結果を信頼するには、次の 3 つの主な基準を満たす必要があります。
- 正確な動的モデリング。正確なリアルタイム動的モデリングには、一般的なパワーエレクトロニクスシステムでは通常1マイクロ秒程度の非常に小さなシミュレーション時間ステップと、電力変換器、機械、PVパネル、送電線などの高精度モデルが必要です。
- 低レイテンシかつ高精度な入出力段。HILでは、リアルタイムシミュレーションがコントローラとループ内で行われるため、実際のコントローラで発生する人為的な遅延を低減するために、HILシステムのループバックレイテンシを最小限に抑える必要があります。典型的な遅延は、シミュレーションの時間ステップと同程度、例えば1～2マイクロ秒程度である必要があります。さらに、高精度なアナログ出力段と高サンプリングレートのデジタル入力も重要です。12～14ビットのPWM分解能を実現するには、アナログ出力は少なくとも12ビット、デジタルサンプリングは10～20ナノ秒程度である必要があります。
- 数値安定性。HILを用いてコントローラを自動テストする場合、数値不安定性は数時間、あるいは数日かけて得たテスト結果を台無しにする可能性があります。言うまでもなく、数値的な問題に直面すると、結果の妥当性に疑問を抱き始めます。最高のHILシミュレータが真価を発揮するのは、高い精度と数値安定性の両方を実現できる点です。
4.優れたHIL設計は有用である
ハードウェア・イン・ザ・ループは、主にテストおよび検証ツールです。したがって、HILツールの有用性はテスト効率の観点から測定する必要があります。コントローラのライフサイクルには、主に以下の2つのフェーズがあります。
- コントローラ開発：手動および半自動テストが主流であり、
- 製品の展開と保守:自動テストが中心です。
コントローラ開発において、HILリアルタイムシミュレーションツールは、エンジニアが安全かつ頻繁にテストを実施できるようにします。新しい制御機能が継続的に追加されるにつれて、HILシステムは継続的なテストと設計者への即時フィードバックを可能にします。この設計フェーズでは完全なテスト自動化は必須ではありませんが、エンジニアは簡単なテストを迅速に準備し、実行する必要があります。
これを効率的に行うには、特定のテストケースに合わせて迅速にカスタマイズできる、使いやすいグラフィカルユーザーインターフェースが不可欠です。実際、実行時にリアルタイムシミュレーションモデルと対話し、インターフェースをカスタマイズできることは、コントローラーの開発とテストの効率を大幅に向上させます。
製品の導入および保守フェーズでは、コントローラーのソフトウェアとファームウェアのテストの大部分を自動化する必要があります。このフェーズにおけるテストの効率は、テスト回数をテストコストで割った値として定義されます。
C-HILテストベッドは、電力ラボのテストとは異なり、監視なしでコントローラーのファームウェア/ソフトウェアを24時間365日テストでき、テストベッドのコストも固定されているため、時間の経過とともにテスト回数が増えるにつれてテスト効率が向上します。さらに、自動レポート機能は、制御に関するあらゆる問題を迅速に特定し、修正するために不可欠です。
友人を説得して、ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テストをもう一度試してみることにしました。すると彼は、良い設計、いや良いHIL設計とは、使いやすく、プラグアンドプレイで、正確で、テストと検証が効率的であるべきだと認めました。そして、ディーター・ラームの「良い設計」の原則と実践に従った設計が生まれたのです。
クレジット
著者| イヴァン・チェラノヴィッチ
ビジュアル| 台風HIL
編集者| デボラ・サント
