2024年9月19日

コントローラーハードウェアインザループシミュレーション (C-HIL) とは何ですか?

読了時間| 8分

コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）シミュレーションは、パワーエレクトロニクス制御システムのテストに効果的な手法です。C-HILは、実際のコントローラ（テスト対象デバイス）がプラントの高精度リアルタイムシミュレーションと相互作用する動的なテスト環境を構築します。これにより、エンジニアは、物理的なラボでは再現するにはコストがかかりすぎたり危険が大きすぎたりするシナリオをテストできます。コスト削減、安全性向上、テストカバレッジの拡大、そして複雑なシステム開発の加速化を実現するHILシミュレーションは、自動車、航空宇宙、パワーエレクトロニクス、産業用ドライブ、グリッド接続コンバータ、電力システムなど、さまざまな業界でイノベーションを推進しています。この技術記事では、HILシミュレーションが現代のエンジニアリングをどのように変革し、その可能性を最大限に引き出すのかを解説します。

導入

コントローラハードウェアインザループ（C-HIL）シミュレーションは、制御システムをリアルタイムで検証するために使用されるテスト手法です。実際のコントローラがプラントやその他の物理システムの高精度リアルタイムシミュレーションと連携できる環境を構築することで、仮想テストと物理テストのギャップを埋めます。HILシミュレーションは、自動車、航空宇宙、パワーエレクトロニクス、マイクログリッドなど、様々な業界において、制御、保護、監視システムの開発とテストの標準となっています。従来のテスト手法に比べて安全で、コスト効率が高く、柔軟性の高い代替手段を提供し、高精度なリアルタイム結果を提供します。

C-HIL シミュレーションはどのように機能しますか?

HIL シミュレーションは、実際のテスト対象デバイス (DUT) をループ内に維持しながら、センサー、アクチュエーター、コンバーターなどの物理システムコンポーネントをリアルタイムシミュレーション環境内で仮想的に複製することで機能します。このフレームワークでは、一般的なテストベッドは 2 つの主要なレイヤーに分かれています。仮想レイヤーではシステムの一部がモデル化され、リアルタイムでシミュレートされ、実レイヤーでは DUT で構成されます。C-HIL テストセットアップでは、DUT はハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアを含む実際のコントローラーです。このコントローラーは、さまざまなテスト条件とシナリオをエミュレートすることで物理システムをミラーリングするシミュレートされた環境と対話します。コントローラーとシミュレーター間で信号/データが継続的に交換されるため、リアルタイムのフィードバックが保証され、コントローラーは実際のシステムとまったく同じように動作します。これにより、テストベッドは現実世界の動作とほぼ同じになり、実際のシステムに統合する前に安全で包括的なパフォーマンス検証が可能になります。

図1は、マイクログリッドに接続されたパワーエレクトロニクスコンバータと、それに関連するコントローラを備えたC-HILテストのコンセプトを示しています。左側の図は実際のシステムを示しており、上部に物理プラント、下部にコンバータコントローラが配置されています。右側はC-HILテストのセットアップを示しており、同じ実際のコントローラが、プラントの挙動をエミュレートするリアルタイムシミュレータに接続されています。

**図 1.**一般的なコントローラー HIL (C-HIL) テストシステムの図。

図 2 に示すような C-HIL セットアップでは、実際のコントローラが実際のプラントに接続されているかのようにシームレスに動作できるように、シミュレーションはリアルタイムで高忠実度の結果を提供する必要があります。これには適切な信号インターフェイスが必要であり、コントローラからの非常に動的な入力に正確かつ確定的に応答する必要があるシミュレータのパフォーマンスの点で大きな課題があります。これらの要求を満たすために、リアルタイムシミュレータは、通常約 1 μs の固定シミュレーションステップで動作します。つまり、各ステップに使用できる計算時間は限られています。そのため、高い処理能力と超低レイテンシの専用プラットフォームを使用する必要があります。さらに、反復解法を備えた数値ソルバーに時間をかける余裕はなく、特殊な機能を備えた最適化されたモデリング手法が必要になります。

Typhoon HILは、超高忠実度HILテストソリューションの市場リーダーとして、高性能FPGAベースのマルチコアリアルタイムシミュレータと垂直統合型ソフトウェアツールチェーンを通じて、要求の厳しいアプリケーションの課題を克服します。これらのシミュレータは、最小200ns（専用DC-DCコンバータソルバーの場合は25ns）のタイムステップを提供し、3.5nsのデジタル入力サンプリング分解能を備えています。また、ツールチェーンには包括的なコンポーネントライブラリが含まれており、比類のない使いやすさを実現しています。これにより、スムーズな習得と精度と信頼性が求められる産業界や学術界に最適です。

新しい HIL ユーザーが必要なスキルをすべて簡単かつ体系的に習得できるように、当社のエンジニアは、学生やエンジニアが HIL 環境内でモデルの作成、シミュレーションの実行、結果の分析を実践的に体験できるHIL スペシャリスト 2.0 専門プログラムを開発しました。

**図 2.** HIL TriBoard インターフェースを使用して Infineon AURIX™ 評価ボードとインターフェースされたHIL404リアルタイムシミュレーターで構成される C-HIL セットアップの例。

C-HIL シミュレーションの主な利点は何ですか?

コスト効率: 従来の電力ラボでのテストは高価になる可能性があり、物理的なコンポーネント、セットアップ、メンテナンスに多大な投資が必要です。C-HILシミュレーションは、高忠実度モデルを使用して物理システムの一部をリアルタイムで複製することでこれらのコストを大幅に削減し、機器損傷のリスクを軽減します。実際の電力テストやスケールプロトタイプが必要な場合でも、HILシミュレーションは現実的な条件でコントローラの早期検証と妥当性確認を提供することで、これらのテストのリスクを軽減します。これにより、学術機関は研究と教育のためのラボをより手頃な価格で設立できるようになり、産業研究開発センターではラピッドコントロールプロトタイピング（RCP）をより効率的かつアクセスしやすいものにすることができます。ビジネスの機会は研究開発にとどまらず、販売前および販売活動を強化することで付加価値を提供し、開発からメンテナンス、顧客サポートまでの製品ライフサイクル全体を通じてエンジニアリングとテストの自動化をサポートします。

高忠実度： FPGAテクノロジーによる高忠実度シミュレーションにより、C-HILシミュレーションにおけるコントローラのパフォーマンスが実世界の状況を忠実に反映します。図3に示すようなセットアップにより、エンジニアは設計を厳密にテストし、正確で再現性の高い結果を得ることができ、システムが実際に導入された際に正しく動作するという確信を得ることができます。

安全性：C-HILテストは、高出力コンポーネントをシミュレートすることで安全性を大幅に向上させます。エンジニア、研究者、学生は、機器や人員をリスクにさらすことなく、故障モードを含む幅広いシナリオを検討できます。そのため、HILシミュレーションは、物理的なテストが危険を伴う可能性のある高出力システムや複雑なシステムのテストに非常に役立ちます。また、キャリア初期のエンジニアや学生にとって安全な学習環境を提供します。

柔軟性とテストカバレッジ：C-HILは、障害や不安定な状態を含む幅広いシナリオをオンザフライでテストできます。さらに、従来の手法とは異なり、この汎用性は物理的なハードウェアの再構成を必要とせずに実現されます。その結果、テスト自動化によって広範なテストカバレッジを実現できるだけでなく、テスト実行者にリスクを与えることなく、危険なシナリオも容易にテストできます。

自動化とスピード：エンジニアはテストスクリプトを自動化することで、複数のテストを人手による監視なしに継続的かつ繰り返し実行できます。この機能により、長期的なテストで微細なバグやパフォーマンスの問題を特定し、開発を加速させ、市場投入までの時間を短縮できます。Typhoon HIL Control Centerに統合されたTyphoonTest IDEとTyphoon Test Hubは、Pythonベースの自動テストスクリプトの作成、テスト結果の収集、レポート作成、比較を容易にします。

モデルの継続性と統合：垂直統合されたTyphoon HILツールチェーンの大きな利点は、オフラインシミュレーションとリアルタイムHILテストをシームレスに移行できることです。エンジニアは、初期段階の設計とテストにオフラインシミュレータTyphoonSimを使用し、その後、同じモデルを使用してリアルタイムHILテストにシームレスに移行できます。この継続性により、複雑なモデル設定の書き換えが不要になり、開発時間を節約できるだけでなく、モデリングエラーのリスクも軽減され、開発段階を問わず一貫したシステム動作が保証されます。

**図 3.** C-HIL セットアップの 2 つの例。HIL TI LaunchPadを使用して Texas Instruments LaunchPad™ 開発キットとインターフェースされたHIL404 (左) またはHIL606リアルタイムシミュレーター (右) を示しています。

C-HIL シミュレーションは一般的にどこに適用されますか?

HIL シミュレーションはもともと、これらの分野での物理的なテストセットアップのコストが高いことから、自動車業界と航空宇宙業界向けに開発されましたが、進化してコスト効率が向上し、次のようなさまざまな業界での使用が拡大しています。

パワーエレクトロニクス: C-HIL テストは、モータードライブ、アクティブフィルター、スマート家電、太陽光インバータ、風力タービン、エネルギー貯蔵システムなどの分散型エネルギーリソース (DER) を含むさまざまなアプリケーションにおける電力コンバータの信頼性、安全性、効率性を確保するために不可欠です。

e-モビリティ：HIL手法は自動車および航空宇宙分野に端を発しますが、電気自動車への移行に伴い、電気自動車、ハイブリッド車、電車、トラック、電動バイク、自転車のシームレスな統合、信頼性、最適な性能を確保するためには、C-HILテストが不可欠となっています。これには、電動ドライブトレイン、バッテリー管理システム、オンボード充電器、オフボード充電器、そして車両と充電ステーション間の通信が含まれます。

グリッド近代化：再生可能エネルギーへの移行が進むにつれ、インバータベースの電源の普及に伴う課題が生じています。C-HIL手法は、複雑なシステムの導入前に包括的なテストと検証を可能にし、システムレベルおよび相互運用性テスト全体を通じて障害リスクを最小限に抑えます。これは、住宅用エネルギーシステム、BESS、マイクログリッド、配電自動化、海洋電力システムなどのアプリケーションにとって非常に重要です。

医療機器：HILは、医療機器に組み込まれたソフトウェアのテストと検証を可能にし、患者の安全を損なうことなく規制基準への適合を保証します。これにより、ペースメーカーなどのように患者の健康と安全を損なうことなく医療補助器具の安全な開発と検証が可能になるだけでなく、 X線画像診断装置などの医療診断機器のイノベーションを加速させることもできます。

結論

C-HILシミュレーションは、コスト効率、安全性、柔軟性に優れた環境で制御システムのテストと検証を目指すエンジニアにとって不可欠なツールです。リアルタイムフィードバック、高忠実度結果、包括的なテスト自動化といった利点を備えたHILシミュレーションは、複雑な制御システムを現場に導入する前に徹底的にテストすることを保証します。

産業界がデジタルトランスフォーメーションを推進する中で、HILは開発サイクルの加速と製品品質の向上においてますます重要な役割を果たすようになります。この技術を習得したいエンジニアにとって、 HILスペシャリスト2.0認定のような教育機会は、この変革をもたらす分野で重要なスキルを習得するための道筋となります。