導入
現在、産業用電力の約70%は電気モーターによって消費されています。しかし、これらの駆動装置のうち、可変周波数駆動装置（VFD）が占める割合はごくわずかです（EUでは15～20%、ドイツでは12%、全世界では5%）。可変周波数駆動装置（VFD）が完全に普及すれば、電力消費量は最大6%削減されると推定されています。
効率性の向上に加え、高度な可変周波数ドライブは、高度なセンシング、クラウド インターフェイス、AI テクノロジによってドライブの使いやすさ、状況認識、相互運用性 (他のドライブおよび産業プロセスとの相互運用性) が向上し、障害予測機能も強化されるなど、強化されたソフトウェア機能からさらなる価値を生み出します。
実際、第4次産業革命（インダストリー4.0、インダストリアルIoT）は、モータードライブを、強力な計算能力を備えたインテリジェントで急速に進化するエッジデバイスへと変貌させています。これらのデバイスは、広範なデータ分析機能、シームレスなセンサー接続、通信ゲートウェイ機能（ドライブとクラウド、センサー、隣接するドライブなどとの容易な接続を実現）を備え、OEMとオペレーターの双方にとって新たなユースケースと価値創出の源泉となります。まさに、インダストリアルIoTは、データ駆動型プロセス最適化サービスのための広大な新たな機会を切り開きます。
ソフトウェアは、VFDメーカーにとって重要な差別化要因であり、価値創造の源泉として台頭しています。インテリジェントドライブは、使いやすさ、汎用性、アプリケーション領域を最大限に高め、相互運用性を高め、パフォーマンスを向上させるという側面があります。一方で、市場投入までの期間短縮、限られた開発予算、そしてエンジニア人材の不足といった課題も抱えています。
ハードウェア イン ザ ループ (HIL) テストとモデルベースの設計およびテストの実践により、HIL を使用しないチームと比較して、プロジェクト スケジュールのパフォーマンスが 32% 向上し、ソフトウェア バグの数が 70% 削減され、チームが 42% 多くのコードを作成できるようになることが実証されています。
モデルベースの HIL テストが急速に導入されている 6 つの主な理由を見てみましょう。
1.制御ソフトウェアがキーバリュージェネレーターになりつつあります。
今日、モーター ドライブは、過去 10 年間に自動車が経験したのと同様の変革を経験しています。モーター ドライブは文字通り車輪の付いた「スーパー コンピュータ」となり、自動車ソフトウェアの複雑さは 10 年間で 10 倍以上に増加しました。
従来、モーター ドライブ コントローラーは、高速コントローラー (変調器と電流/トルク/速度/位置ループを含むカスケード型) とフィールドバス通信ユニットで構成されるコンパクトな組み込みデバイスであり、両方とも CPLD または FPGA と組み合わせられることが多いベアメタル DSP プロセッサー マイクロコントローラー上に実装されていました。
今日では、コアとなるドライブ制御機能は、産業用イーサネットや無線通信、（予測）診断、障害検出・分離、データ分析、機械学習、プロセス安全性・最適化機能によって大幅に拡張されています。さらに、ソフトウェアは、リアルタイムOSとFPGAを搭載した1つまたは複数のCPU上に実装されることがほとんどです。
新しいソフトウェア機能の追加は、産業用ドライブ開発の特徴である長期にわたる設計サイクルを必要とせずに、製品の差別化と価値創造を実現する機会となります。これは、VFD製品の差別化と新たな価値創造にとって絶好の機会です。
当然のことながら、高度なソフトウェアには、規律ある最先端のモデルベーステストとライフサイクルメンテナンスプロセスが必要です。実際、モデルベースHILテストは、切望されていた機能を提供し、市場投入までの時間を短縮し、品質を向上させ、より大きなコードサイズの開発と保守を可能にします。しかも、開発・テストチームの規模は縮小し、ラボテストの費用も削減できます。
2.新しい制御アルゴリズムの開発の必要性。
モーター駆動の制御は成熟していると考えられていますが、次のような要因により、新しいアルゴリズムの開発が常に求められています。
- 新しいタイプの電気モーターのサポート
- 計算負荷の高い新しい制御アルゴリズムの導入（例：モデル予測制御（MPC））
- 障害検出、分離、ランタイム適応の改善
- より高速なスイッチング能力を備えた新しい半導体スイッチ（例：ワイドバンドギャップSiCおよびGaNデバイス）
- 半導体の機能をより有効に活用する新規または既存のトポロジ。
新たな用途の出現と、JMAG-FEAなどの高度な有限要素解析（FEA）ソフトウェアツールの活用により、新しく改良された電気モーターの設計が絶えず開発されています。これらの新しい設計には、既存のモーターの種類／設計と新しいモーターの両方の制御を網羅する、新しく改良された制御アルゴリズムが必要です。
より高速な組み込みプロセッサにより、高性能な制御アルゴリズムや、最近まで計算的に実現不可能だった、より複雑で要求の厳しい障害検出・分離アルゴリズムの実行が可能になります。さらに、ワイドバンドギャップデバイスは、はるかに高いスイッチング周波数で動作するため、より高速な実行速度を含む、より複雑な制御が必要になります。ワイドバンドギャップデバイスやシリコンデバイスと組み合わせたマルチレベルトポロジーは、効率と性能の向上、そしてサイズと待機時間の短縮を実現します。
3.システムレベルの相互運用性要件。
今日の一般的な高性能ドライブコントローラの標準コード行数（SLOC）は約20万行です。これは一般的なペースメーカーのソフトウェアサイズをわずかに上回り、スペースシャトルの制御ソフトウェアサイズの約半分に相当します。しかし、ほとんどのVFDは、数十台または数百台のドライブ（同一メーカーまたは異なるメーカー製）やセンサーとネットワーク接続され、プロセスレベルのコントローラとインターフェースし、クラウドアプリケーションと問題なく通信します。現在、最も普及している通信規格は、EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、Powerlink、Modbus TCPなど、決定論性と制御性を提供する産業用イーサネット（IE）プロトコルです。
数百のドライブ センサーとプロセス コントローラを備えたこれらの産業用ネットワークは、合計制御コード サイズが約 20M SLOC を簡単に超え、これはボーイング 787 の制御ソフトウェア サイズに匹敵します。
この制御コードの複雑さは、特にサイバーセキュリティ要件を考慮すると、完全に自動化されたモデルベースの制御ソフトウェアのテストと検証プロセスを必要とします。したがって、コストと複雑さを管理しながら制御ソフトウェアの品質とシームレスな相互運用性を保証するには、C-HILの活用が不可欠となります。
4.モジュラー電力コンバータの設計。
ほとんどのVFDは、より幅広い電力レベルと性能要件に対応するため、モジュール方式で設計されています。多くの場合、入力段はパッシブ・フロントエンド・モジュールまたはアクティブ・フロントエンド・モジュールのいずれかを使用して構成できます。複数のモジュールを並列接続することで、出力を調整できます。DCリンク・コンデンサ・バンクは、アプリケーションに応じて柔軟に構成できます。同様に、インバータ・モジュールを並列接続することで、出力電力レベルを高めることができます。
VFD コントローラは、任意のドライブ構成でシームレスな操作を保証し、あらゆる動作条件下ですべての電気モーター タイプとすべての負荷タイプに対して安定性とパフォーマンスを確保する必要があります。
すべての構成およびすべての動作条件（障害を含む）でのコントローラ ソフトウェアのテストは、C-HIL リアルタイム シミュレーション アプローチと組み合わせたテスト自動化を使用することによってのみ効率的に実行できます。
5.グリッド コードの遵守。
今日の MV および HV ドライブは、電流/電圧歪み、力率、フリッカー制御、電力品質、グリッド障害パフォーマンスなど、より厳しい電力品質およびグリッド コードを満たす必要があります。
モデルベースの HIL アプローチでテストを自動化しない限り、常に進化するさまざまなグリッド コードに対するテストは困難でコストのかかる品質保証タスクになります。
6.ソフトウェア ライフサイクル メンテナンスの複雑さを制御します。
今日のドライブメーカーは、次のような大きな課題に直面しています。
- 制御コードの複雑さが増し、
- 製品の種類と製品ラインを拡大し、
- ライフサイクル全体にわたるすべてのソフトウェア/ファームウェアの変更の管理、
- ソフトウェアおよびファームウェアのアップデートをリモートで展開するためのインフラストラクチャの拡大
- 製品の機能性と品質を向上させる競争圧力
同時に、ベンダーは、縮小し続ける予算とエンジニアリング チームでコストを削減し、成果を上げるという絶え間ないプレッシャーにさらされています。
これらの相反する要件を満たすには、ソフトウェア業界の最先端のツールとプロセスを導入するしかありません。これらのツールを効果的に活用するには、テスト設備を物理的な実験室から、クラウドからアクセス可能な仮想的なHIL（Hardware in the Loop）テストベッドへと移行する必要があります。そうすることで初めて、ソフトウェアテストの自動化とライフサイクルメンテナンスプロセスを完全に導入し、あらゆるメリットとコスト削減を実現できます。
クレジット
著者| イヴァン・チェラノヴィッチ
ビジュアル| カール・ミッケイ
編集者| デボラ・サント
