C-HILインターフェースのシミュレーション信号をスケーリングする方法

導入

コントローラーハードウェアインザループ（C-HIL）シミュレーション環境を構築する際、HILデバイスをDUTに物理的に接続（通常はインターフェースボード（またはインターフェースデバイス）を介して行います）した後の重要なステップは、モデルのインターフェース関連設定を調整することです。アナログ出力（AO）の場合、これはモデルからの必要な信号をHILデバイスの適切なAOピンにマッピングし、適切なスケーリングとオフセットを設定することを意味します。可能であれば、HILデバイスの出力電圧をコントローラーがサポートする値に制限することをお勧めします。

このガイドでは、2つの異なるインターフェースシナリオにおける信号スケーリングについて説明します。1つ目のシナリオでは、HILデバイスの電圧および電流能力が十分なDUTを対象とし、インターフェースボード（例： TI LaunchPadコントローラ用のLaunchPadインターフェース）を介してインターフェースを行います。これについては、このガイドの「インターフェースボードとのインターフェース」セクションで説明します。

リレーや一部のコントローラなど、HILデバイスが供給できる電圧や電流よりも高いレベルを必要とするDUTの場合、インターフェースはHIL Connectインターフェースデバイスを介して行われます。この2つ目のシナリオについては、 「HIL Connectとのインターフェース」の章で説明します。

一般に、HIL デバイスのアナログ出力の定格出力電圧範囲は -10 V ～ +10 V です。さまざまな HIL デバイスのアナログおよびデジタル IO 電圧レベルの詳細については、ハードウェア マニュアルのそれぞれのドキュメント ページを参照してください。

アナログ出力のスケーリング

アナログ出力設定は、次の 2 つの方法で定義できます。

• 回路図エディタの出力設定コンポーネントの使用
• HIL SCADAのモデル設定ドックのモデル設定タブの出力制御→アナログ出力

前述の2つの方法のいずれかを使用して、シミュレーションからの信号をHILデバイスの特定のAOに割り当て、スケーリング、オフセット、上限値と下限値を設定できます。HIL SCADAを使用する場合は、モデル設定を.runxファイルとして保存できます。

スケーリング係数を決定する際には、シミュレーションに出現し、DUTが認識する必要がある最大の測定値を考慮することが重要です。例えば、過渡事象を考慮すると、シミュレーション値が公称値よりも大幅に高くなる可能性があります。スケーリング係数は、これらの過渡値、あるいはシミュレーションによって生成されるその他の（定常状態と比較して）大きな対象信号がHILデバイスの飽和限界に達し、AOでクリップされないようにする必要があります。

アナログ入力のスケーリング

一部のC-HILアプリケーションでは、コントローラからHILデバイス上でシミュレーションされるプラントへアナログ信号を供給する必要があります。この場合、アナログ入力にはスケーリングも必要になる場合があります。スケーリングとは、HILデバイスのアナログ入力の電圧レベルを、シミュレーションで適切に表現できるようにスケーリングすることです。

アナログ入力コンポーネントは、HILデバイスのアナログ入力から収集した値をシミュレーションに出力する信号処理コンポーネントです。プロパティでは、信号を受信するアナログ入力ピン、ゲイン（スケーリング）、オフセットを設定できます。シミュレーションにおけるこのコンポーネントからの出力値は、以下の式で表されます。

${\mathrm{人工知能}}_{\mathrm{シム}}=得\bullet {\mathrm{（AI}}_{\mathrm{ピン}}+\mathrm{オフセット）}$

外部制御ソースは基本的にアナログ入力コンポーネントと同じように実装されていますが、いくつかの利点があります。これらのコンポーネントは、信号処理コンポーネントの低速な速度ではなく、回路ソルバーのシミュレーション段階で実行されます。そのため、より忠実度の高いアナログ信号を提供します。また、ゲインとオフセットのパラメータはシミュレーション実行中に調整可能です。

インターフェースボードとのインターフェース

低電圧出力のスケーリング

AO信号に必要なスケーリングは、シミュレーションにおける変数の電圧範囲とHILデバイスのAOの電圧範囲を考慮して計算できます。スケーリングは次の式で定義されます。

${\mathrm{スケーリング}}_{左}=\frac{V_{\mathrm{simu\_max}}-V_{\mathrm{simu\_min}}}{V_{\mathrm{AO\_HIL\_max}}-V_{\mathrm{AO\_HIL\_最小値}}}$

どこ：

• V _{simu_max} - シミュレーション変数の最大値。
• V _{simu_min} - シミュレーション変数の最小値。
• V _{AO_HIL_max} – HILデバイスのアナログ出力における最大電圧。
• V _{AO_HIL_min} – HILデバイスのアナログ出力における最小電圧。

V _{AO_HIL_max}と V _{AO_HIL_min は}、必ずしもHILデバイスのアナログ出力電圧の定格値ではなく、インターフェースボードの入力仕様とコントローラの仕様に合わせてユーザーが選択した値であることに留意してください。次の式を用いて、コントローラの入力仕様から直接スケーリングを計算できます。

${\mathrm{スケーリング}}_{左}=G_v\bullet \frac{V_{\mathrm{simu\_max}}-V_{\mathrm{simu\_min}}}{V_{\mathrm{AI\_CTRL\_max}}-V_{\mathrm{AI\_CTRL\_min}}}$

どこ：

• V _{simu_max} - シミュレーション変数の最大値。
• V _{simu_min} - シミュレーション変数の最小値。
• V _{AI_CTRL_max} – コントローラのアナログ入力における最大電圧。
• V _{AI_CTRL_min} – コントローラのアナログ入力における最小電圧。
• G _v – インターフェースボードでの電圧ゲイン。

インターフェースボードにおけるゲインは、ボードのハードウェアレベルで定義されるパラメータです。これはボードの仕様の一部であり、インターフェースボードごとに異なる場合があります。ゲインは次の式で表されます。

$G_v=\frac{V_{\mathrm{AO\_INT\_max}}-V_{\mathrm{AO\_INT\_分}}}{V_{\mathrm{AI\_INT\_最大値}}-V_{\mathrm{AI\_INT\_分}}}$

どこ：

• V _{AO_INT_max} - インターフェースボードのアナログ出力における最大電圧。
• V _{AO_INT_min} - インターフェースボードのアナログ出力における最小電圧。
• V _{AI_INT_max} – インターフェースボードのアナログ入力における最大電圧。
• V _{AI_INT_min} – インターフェースボードのアナログ入力における最小電圧。

インターフェースボードを使用しない場合、Gv = 1 になります。

スケーリングに加えて、AC信号とDC信号の両方にオフセットが必要になる場合があります。AC信号の場合、オフセットは通常、負の半サイクルを正の値のセットとして表すために使用され、これによりコントローラが信号を完全に表現できるようになります。DC信号の場合、 TI LAUNCHXL-F28379Dコントローラを搭載したバッテリーチャージャーデュアルアクティブブリッジ（DAB）の例に使用例があります。この例では、測定電流I2は方向（つまり符号）が変化する可能性があるため、オフセットを使用することで、コントローラが電流を両方向で表現できるようになります。

オフセットを計算するには、次の式を使用できます。

$\mathrm{オフセット}=V_{\mathrm{AO\_HIL\_ゼロ}}$

どこ：

$V_{\mathrm{AO\_HIL\_ゼロ}}$ - シミュレーションでは 0 を表す、HIL デバイスのアナログ出力で測定された電圧。

シーケンスでは、2 つのインターフェイス例を示します。

A) TI LAUNCHXL-F28379DとHIL TI LaunchPad インターフェイスの使用を考えると、ボードは信号にゲインまたはオフセットを含めません (Gv = 1)。つまり、V _{AI_INT_max} = V _{AI_CTRL_max} = 3 V、V _{AI_INT_min} = V _{AI_CTRL_min} = 0 V となります。したがって、HIL デバイスのアナログ出力もそれに応じて定義する必要があります。つまり、V _{AO_HIL_max} = 3 V、V _{AO_HIL_min} = 0 V です。シミュレーションで振幅が 60 V の正弦波信号があると仮定すると、V _{AO_simu_max} = 60 V、V _{AO_simu_min} = -60 V となります。スケーリングとオフセットは次のように計算できます。

${\mathrm{スケーリング}}_{左}=\frac{V_{\mathrm{simu\_max}}-V_{\mathrm{simu\_min}}}{V_{\mathrm{AO\_HIL\_max}}-V_{\mathrm{AO\_HIL\_最小値}}}=\frac{\mathrm{60}-\mathrm{（-60）}}{3-0}\mathrm{=\; 40}$

$\mathrm{オフセット}=V_{\mathrm{AO\_HIL\_ゼロ}}=\mathrm{1.5\; V}$

B) DSP DIM100カード ( TI C2000ファミリ) とHIL TI uGrid DSPインターフェースの使用を考えると、ボードの入力仕様は V _{AI_INT_max} = 5 V および V _{AI_INT_min} = -5 V ですが、V _{AI_CTRL_max} = 3 V および V _{AI_CTRL_min} = 0 V です。つまり、ボードの電圧ゲインは Gv = 0.3 で、適切なオフセットも生成します。HIL デバイスのアナログ出力をインターフェース ボードの入力と一致させるために、V _{AO_HIL_max} = 5 V および V _{AO_HIL_min} = -5 V を定義できます。シミュレーションで振幅が 60 V に等しい正弦波信号があると仮定すると、V _{AO_simu_max} = 60 V および V _{AO_simu_min} = -60 V になります。この場合のスケーリングとオフセットは次のように計算できます。

${\mathrm{スケーリング}}_{左}=\frac{V_{\mathrm{simu\_max}}-V_{\mathrm{simu\_min}}}{V_{\mathrm{AO\_HIL\_max}}-V_{\mathrm{AO\_HIL\_最小値}}}=\frac{\mathrm{60}-\mathrm{（-60）}}{5-\mathrm{（-5）}}\mathrm{=\; 12}$

$\mathrm{オフセット}=V_{\mathrm{AO\_HIL\_ゼロ}}=\mathrm{0\; V}$

HIL Connectとのインターフェース

高電圧出力のスケーリング

DUTは、アナログ入力で受信できる電圧レベルに関して標準化されています。リレーや一部のコントローラなどのデバイスの入力電圧は、通常100V～250V [rms]の範囲です。これらのタイプのDUTが要求する電圧レベルはHILデバイスの電圧能力を超えるため、HIL Connectは、HILデバイスのアナログ出力電圧をDUTに必要なより高い電圧レベルに適切に調整するインターフェースです。HIL Connectのアナログ出力仕様に関する情報は、表1に示されています。

はじめに述べたように、HILデバイスのアナログ出力の定格電圧範囲は-10V～+10Vです。そのため、シミュレーション電圧を適切にスケーリングする必要があります。スケーリングは、シミュレーション変数とDUTのアナログ入力電圧仕様の両方の範囲を考慮することで計算できます。

${\mathrm{スケーリング}}_{\mathrm{HV}}=G_v\bullet \frac{V_{\mathrm{simu\_max}}-V_{\mathrm{simu\_min}}}{V_{\mathrm{AI\_DUT\_最大値}}-V_{\mathrm{AI\_DUT\_最小値}}}$

どこ：

• V _{AI_DUT_max} – DUTのアナログ入力における最大電圧。
• V _{AI_DUT_min} – DUTのアナログ入力における最小電圧。

HIL Connectの電圧ゲインは、HIL Connectのハードウェアレベルで定義されるパラメータであり、仕様の一部です。HIL Connectの高電圧出力を考慮すると、以下のように計算できます。

$G_v=\frac{V_{\mathrm{HIL\_Connect\_peak}}}{V_{\mathrm{HIL\_デバイス\_ピーク}}}=\frac{\mathrm{183.3\; V}}{\mathrm{10\; V}}=\mathrm{18.33}$

どこ：

• V _{HIL_Connect_peak} - ハードウェア仕様で定義される、HIL Connect のアナログ出力における電圧のピーク値。
• V _{HIL_Device_peak} - HILデバイスのアナログ出力のピーク値(10 V)。

DUTの高電圧アナログ入力における信号を適切に表現するには、DUTの内部スケーリング係数も設定する必要があります。このスケーリング係数の設定手順は、DUTの種類とメーカーによって異なります。設定後、DUTのHMI（ヒューマンマシンインターフェース）ディスプレイに表示される電圧値は、シミュレートされた電圧と等しくなるはずです。

高電圧出力のスケーリングを設定する例を図 2に示します。

どこ：

• スケーリング_DUT – DUTのスケーリング係数。
• V _disp – DUT に表示される電圧の値。

低電圧出力のスケーリング

DUTがHIL Connectを介してインターフェースされているものの、高電圧出力が不要なテストベッドでは、HIL Connect内の電圧バッファチャネルを使用して、HILデバイスからDUTの低電圧入力へのフィードスルーが提供されます。その場合でも、本ガイドの「インターフェースボードとのインターフェース」セクションで前述したように、シミュレーションされた電圧はソフトウェアでスケーリングする必要があります。

高電流出力のスケーリング

DUTは、アナログ入力で受信できる電流値に関して標準化されています。リレーや一部のコントローラなどのデバイスの入力電流は、通常1Aまたは5A [rms]の範囲です。

これらのDUTが要求する電流値はHILデバイスの電流容量を超えるため、DUTとHILデバイスの間にインターフェースが必要です。このインターフェースは、ここでもHIL Connectです。HIL ConnectはVCCS（電圧制御電流源）を備えており、HILデバイスの出力電圧からDUT入力に必要な電流を供給することができます。

そのためには、シミュレーションで測定された電流がHILデバイスのAOにおける電圧値として表されます。したがって、信号を適切にスケーリングする必要があります。スケーリングは、シミュレーション変数とDUTのアナログ入力電流仕様の両方の範囲を考慮することで計算できます。

${\mathrm{スケーリング}}_{\mathrm{HC}}={\mathrm{グラム}}_{\mathrm{メートル}}\bullet \frac{{私}_{\mathrm{simu\_max}}-{私}_{\mathrm{simu\_min}}}{{私}_{\mathrm{AI\_DUT\_最大値}}-{私}_{\mathrm{AI\_DUT\_最小値}}}$

どこ：

• スケーリング_HC – 高電流出力のスケーリング係数。
• g _m - HIL Connectのトランスコンダクタンス。
• I _{simu_max} – シミュレーション変数の最大値。
• I _{simu_min} – シミュレーション変数の最小値。
• I _{AI_DUT_max} – DUTのアナログ入力における最大電流。
• I _{AI_DUT_min} – DUTのアナログ入力における最小電流。

HIL Connectのトランスコンダクタンスは、HIL Connectのハードウェアレベルで定義されるパラメータであり、仕様の一部です。HIL Connectの高電流出力を考慮すると、以下のように計算できます。

${\mathrm{グラム}}_{\mathrm{メートル}}=\frac{{私}_{\mathrm{HIL\_Connect\_peak}}}{V_{\mathrm{HIL\_デバイス\_ピーク}}}=\frac{\mathrm{2.82\; A}}{\mathrm{10\; V}}=\mathrm{0.282}$

どこ：

• I _{HIL_Connect_peak} - HIL Connectのアナログ出力における電流のピーク値。ハードウェア仕様によって定義されます。
• V _{HIL_Device_peak} - HILデバイスのアナログ出力のピーク値(10 V)。

最後に、DUTの高電流アナログ入力における電流を適切に表現するために、DUTの内部スケーリング係数も設定する必要があります。このスケーリング係数の設定手順は、DUTの種類とメーカーによって異なります。設定が完了すると、DUTのHMIディスプレイに表示される測定電流は、シミュレーションされた電流と一致するはずです。高電流出力のスケーリング設定例を図3に示します。

どこ：

• スケーリング_DUT – DUTのスケーリング係数。
• I _disp – DUT に表示される電流の値。