導入
コンピュータ支援設計ツールは現場のエンジニアに広く採用されていますが、制御テストは遅れています。
制御システムタイプのテストのほとんどは、小規模または大規模なフルスケールの電力ハードウェアを使用して、ラボで手動で行われているため、新しいパワーエレクトロニクス製品を市場に投入するまでの時間が大幅に長くなる可能性があります。
では、そもそもなぜ現役のエンジニアは制御システムをテストするために電力ハードウェアを使用するのでしょうか?
一つの大きな理由は、最近まで満足のいく代替手段がなかったことです。リアルタイムソフトウェアをDSPにロードし、FPGAがナノ秒単位の分解能でPWMパルスを生成し始めると、インバータに接続してゆっくりと電圧を上げ、今度は大きな音が鳴らないことを祈る以外にできることはほとんどありません。
幸いなことに、状況は改善しており、高性能な市販のコントローラーハードウェアインザループ（C-HIL）テスト機器が登場しつつあります。テクノロジー市場調査会社であるVDCリサーチグループは、レポート「ハードウェアインザループテストソリューションの世界市場」の中で、パワーエレクトロニクス向けの市販C-HILソリューションの普及は、業界が数十年にわたって構築してきた自社開発のテスト装置を、新しいC-HILソリューションがどれだけのスピードで置き換えることができるかにかかっていると予測しています。
ハードウェア・イン・ザ・ループとは何ですか?
ハードウェア・イン・ザ・ループとは、リアルタイムシミュレーションに物理的な何かが接続されていることを意味します。これは、電源ハードウェアの一部、またはコントローラハードウェアの一部である可能性があります。電源ハードウェアを使用したHILシミュレーションは、しばしばパワー・ハードウェア・イン・ザ・ループ（P-HIL）と呼ばれます。コントローラハードウェアがリアルタイムシミュレーションに接続されたHILシミュレーションの場合は、コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）と呼ばれます。
最近では、FPGA テクノロジの進歩のおかげで、シミュレーションのタイムステップとレイテンシが極めて小さい商用 C-HIL テスト システムが実現可能となり、最終的に 2009 年には、 1 µs のサンプリング時間とレイテンシを備えた世界最速のリアルタイム デジタル シミュレーター プラットフォームが商用化されました。
シミュレーションとリアルタイムシミュレーションの違いは何ですか?
リアルタイムシミュレーションは、実際の時間（腕時計やスマートフォンで観測できる時間）の経過と同じ速度で進行します。シミュレーションのタイムステップは、シミュレーション時間が実時間と一致している限り、分単位など任意の値に設定できます。これは、実時間よりも遅くなったり速くなったりするコンピュータシミュレーションとは大きく異なります。
この「C-HIL」とは何ですか？どこから来たのですか？
c-HILテスト手法は、C-HILプラットフォーム上でリアルタイムにシミュレートされた数学モデルを用いて、物理制御システムのハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアの性能をテストするテスト手順です。このアプローチは、自動車業界や航空宇宙業界で数十年にわたり、高度な制御システムをテストする際の最適な方法として使用されてきました。リアルタイムでシミュレートされた仮想プラントモデルにコントローラーを接続することで、ラボでのテストが困難または非現実的であるだけでなく、時間と費用がかかりすぎる動作条件をテストできるようになりました。
ここで、C-HIL と、制御システムをテストするための 2 つの関連性はあるものの明確に異なるアプローチであるソフトウェア・イン・ザ・ループ (SIL) とパワー・ハードウェア・イン・ザ・ループ (P-HIL) の重要な利点とトレードオフについて詳しく見ていきましょう。
コントローラハードウェアインザループ（または「C-HIL」）アプローチ
C-HILでは、実際の物理コントローラとそのすべてのソフトウェアおよびファームウェアが、C-HILデバイス内でリアルタイムに実行される高忠実度パワーステージモデルと直接インターフェースされます。C-HILアプローチの主な目的は、電力ハードウェアと制御ハードウェアの両方における過渡状態、そして最も重要な障害状態を含む、あらゆる動作条件下でコントローラのハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアをテストおよび検証することです。
利点：
- 制御システムは実際のものであるため、制御システム モデルの精度に関する仮定はありません。
- テスト操作ポイントの範囲は無制限です。
- 自動かつ繰り返し可能なテスト。
課題:
- 実際のコントローラー ハードウェアが必要です。
- C-HIL デバイスとテスト対象の制御システムの間に信号調整インターフェースが必要になる場合があります。
ソフトウェア・イン・ザ・ループ（SIL）アプローチ
この手法は教育現場で広く用いられています。DSPデバッグツールと電源ハードウェアシミュレータを組み合わせたものです。SILの魅力的な点は、通常、シミュレーションソフトウェア自体の価格とそれほど変わらないことです（ソフトウェアの価格は着実に低下しています）。
自動コード生成の進歩により、デバッグ機能の重要性は低下しています。しかし、シミュレーション速度の向上に伴い、SILはC-HILアプローチに対抗しようとしていますが、コントローラコードのFPGA部分のために速度は依然として制限されています。
すべてを考慮すると、このアプローチは、コントローラが非常に単純なアプリケーション（DC/DC コンバータのデジタル制御など）や、低コストのため学術分野では実行可能である可能性があります。
利点：
- 低コスト
- コントローラーハードウェアを必要としない
課題:
- 最も単純な制御システム以外では、制御システムモデリングの精度に疑問がある
パワーハードウェアインザループ（または「P-HIL」）システム
この手法は、電力ハードウェアと制御ハードウェアを含むパワーエレクトロニクス・コンバータシステム全体をテストするための、おそらく最も柔軟で汎用性の高い手法です。P-HILは、避けられないフルシステムテストの複雑さを大幅に軽減し、柔軟性を高めます。
パワーエレクトロニクス制御システムのテストのみに有用であるかどうかは、主に関連する実際の電力（制御システムの観点からはほとんど関係ありません）と、特に短絡などの潜在的に壊滅的な障害をエミュレートする場合のシステムの帯域幅の制限のために疑問です。
利点：
- シンプルなインターフェース: 3 相 AC システムの場合は 3 本の電源線、DC システムの場合は 2 本の電源線。
課題:
- 制御システムを電力を使ってテストすることは、潜在的に危険であり、コストもかかります。
- テスト対象の低速ダイナミクス コントローラーと非常に高ダイナミクスの P-HIL システムの組み合わせ以外では、帯域幅が不十分です。
テストの未来
パワーエレクトロニクスコントローラテストツールの将来はどうなるのでしょうか?
HIL テスト ツールとコンピュータ支援設計ツールをより緊密に統合し、コントローラ開発の設計段階とテスト段階のギャップをより適切に埋めることで製品開発プロセスを合理化することは、エンド ユーザーに最大のメリットをもたらし、業界を統合する論理的な進化の道筋であると思われます。
クレジット
著者| ウェード・チャン
ビジュアル| 台風HIL
編集者| デボラ・サント
注| この投稿はもともと 2016 年 5 月に公開され、網羅性と正確性を高めるために更新されました。
