GDSオーバーサンプリング

リアルタイム/VHIL シミュレーションにおける GDS オーバーサンプリングの定義と概要、およびシミュレーションタイムステップごとにデジタル入力を複数回サンプリングする必要がある場合にどのように使用するかについて説明します。

無視された機能： GDSオーバーサンプリングは、リアルタイムシミュレーションにおいて高忠実度のシミュレーションを実現するために特に使用される手法です。TyphoonSimシミュレーションでは、可変ステップソルバーがスイッチングイベントを発生時に正確に処理できるため、このオーバーサンプリングは必要ありません。オーバーサンプリングの設定値を変更しても、TyphoonSimシミュレーションにはまったく影響しません。

リアルタイム/VHILシミュレーションにおけるGDSオーバーサンプリング

注:ここで説明する概念や機能のインタラクティブな概要は、 HIL アカデミーのHIL スペシャリスト 2.0 認定プログラムの一部として、またビデオナレッジベースでも入手できます。

GDS（ゲート駆動信号）は、コンバータを制御するために使用されるデジタル入力です。GDSオーバーサンプリングが必要な理由と、デジタル信号（GDS）を観測できる最大周波数について説明するために、まず実効分解能という用語を定義しましょう。この分解能は次の式で計算できます。

${RES}_{EFF} = ⌊ {ログ}_{2} \frac{1}{f_{PWM} T_{s}} ⌋$ .

パワーエレクトロニクス回路において最も高速な信号は、ほとんどの場合、パルス幅変調（PWM）ゲート駆動信号であるため、実効分解能は、HILデジタル入力が所定のスイッチング周波数で認識するPWMの最大分解能として定義できます。例えば、16ビット分解能（デューティサイクルの異なる値が65,000通り）のPWM信号がある場合、実効分解能はPWM周波数とサンプリング時間に応じて低くなる可能性があります。

GDSオーバーサンプリングがない場合、GDSはシミュレーションステップで定義された時間ステップと同じ時間ステップでサンプリングされます。つまり、例えばシミュレーションステップが1µsに設定されている場合、サンプリングは同じ瞬間に1MHzのサンプリング周波数で実行されます。これは問題となる可能性があります。サンプリング周波数がこれほど低いと、変化がどの瞬間に発生したかを正確に把握できず、サンプリング誤差が生じる可能性があります。この例では、実効分解能はスイッチング周波数に応じて4～6ビットです。図1 サンプリング誤差の影響を示しています。緑の線はデジタル入力（DI）であるGDSを表し、青の線（X）はシミュレーションステップ（SS）計算後のモデル状態の変化を表しています。GDSの変化の正確な時間に関するこの不正確な情報は、シミュレーション結果に誤差をもたらし、時間の経過とともに蓄積される可能性があります。全体的なループバック遅延は、シミュレーションステップに対するGDSの変化のタイミングに依存し、1～2シミュレーションステップの範囲になります。

GDSオーバーサンプリングにより、HILデバイスは1つの時間ステップでGDSを複数回サンプリングすることができます。これにより、サンプリング誤差が低減され、シミュレーション結果が大幅に改善されます。GDSオーバーサンプリングを有効にすると、GDSサンプリング周期が大幅に短縮されます（ GDSオーバーサンプリング周波数と最小タイムステップ）により、実効分解能が約12～13ビットに向上します。つまり、GDSオーバーサンプリングでは、より正確な結果が得られます。GDSオーバーサンプリングでは、図に示すように、実効PWM分解能を大幅に向上させることができます。図2.

ここまで、GDSオーバーサンプリングを用いてGDSサンプリング解像度を向上させる方法について説明しました。シミュレーション結果を改善するためにGDSオーバーサンプリングを利用するアルゴリズムは2つあります。

これら2つのアルゴリズムの詳細については、専用のドキュメントを参照してください。グローバルGDSオーバーサンプリングは表2から有効化でき、デフォルトで有効化されています。スイッチレベルGDSオーバーサンプリングはコンポーネントレベルで実装されており、それをサポートするコンポーネントで有効化できます。スイッチレベルGDSオーバーサンプリングがコンポーネントで有効化されている場合、設定で有効化されていても、そのサブサーキットではグローバルGDSオーバーサンプリングは無視される点にご注意ください。ただし、その他のすべてのサブサーキット（SPC）では、グローバルGDSオーバーサンプリングが実行されます。

GDSオーバーサンプリング周波数と最小タイムステップ

GDSオーバーサンプリングの分解能は、デバイスのIOタイミングによって定義されます。詳細については、各HILデバイスのドキュメント（ハードウェアマニュアルから入手可能）の「IOタイミング」セクションをご覧ください。つまり、HIL402、602+、604デバイスでは最大6.25ns、HIL101デバイスでは4.5ns、HIL404、HIL506、HIL606デバイスでは最大3.5nsとなります。