優れたハードウェア・イン・ザ・ループ設計の4原則

はじめに

昨年、応用パワーエレクトロニクス会議（APEC2016）で、大学院以来会っていなかった親友に偶然再会した。彼は今や有力なパワーエレクトロニクス企業の一つで、実績ある研究開発エンジニアとして活躍している。

最初の会話で互いの近況や仕事上の成果を話し合った後、パワーエレクトロニクス業界について議論を始めました。私はハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）シミュレーションに関する知見と、それが（地球規模の）パワーエレクトロニクスと電力システムの様相を根本的に変えつつある現状を、ぜひ共有したいと考えていました。

私の説明が終わる前に、彼の顔が嫌悪感で歪むのを見て驚いた。彼はすぐにこう言い返した。「HILシステムを使ってみたことがあるが、動作させるのに必要なソフトウェアツールを習得するのに数ヶ月かかった上に、シミュレーション波形は期待していたものとは程遠かった。 数値安定性の問題に絶えず直面し、シミュレーション用モデルの準備・コンパイルに何時間もかかった。正直なところ、時間と忍耐が尽きてしまい、コントローラテストの自動化作業にすら着手できなかった」と。私が彼を落ち着かせる前に、彼は生涯二度とHILシミュレーションを使うまいと誓った。

私はHILテストを強く信奉しており、必須のパワーエレクトロニクス制御エンジニアツールボックスにおいて、HILシステムをオシロスコープや電源装置と同等に位置づける傾向があるため、この件を個人的に受け止めた。友人が一つのシステム体験に基づいて開発・テスト手法に対して強い否定感情を抱いていることに、私はむしろ困惑した。

当然ながら、彼のフィードバックは、本質的に悪い製品設計に対する深い不満に端を発していた。しかし、特定の製品が設計不良であるからといって、その手法や応用全体が間違っているわけではない。もし新車の最初の数年で頻繁に故障するならば、私は別の車を購入するだろうが、そのメーカーから購入するのは間違いなく最後になる。

一方では不適切なHIL設計の事例に動機づけられ、他方では史上最高の工業デザイナーの一人であるディーター・ラームスとその優れたデザインの10原則に触発され、私は「優れたハードウェア・イン・ザ・ループ設計の4原則」と呼ぶべきものを定義せざるを得なかった。

1.優れたHIL設計は使いやすく直感的である

我々は皆、エンジニアであり、過密なスケジュール、厳しい納期、貪欲な設計欲求、そして大きな夢を抱えている。そんな我々の手に、常時監視が必要で、絶えずいじくり回したり再プログラミングしたりしなければならず、有用にするために複数のソフトウェア／ハードウェアツールを統合（飼いならす）ことを要求するような、新たなツールが加わるのは最も避けたいことだ。

端的に言えば、HILソフトウェアがハードウェアとシームレスに連携しない場合、それは構想・設計の拙いHILシステムである。これらの製品は以下のように使いやすくなければならない：単一の実行ファイルでインストール、数秒でコンパイル、ワンクリックで実行、完全自動化されたテスト、そして組み込みのレポート生成機能を備えること。

リアルタイムのハードウェア・イン・ザ・ループ試験は、楽しいものであって簡単であるべきです。ソフトウェア設計の悪さや統合の問題で頭を抱えるようなものであってはなりません。それはあなたの効率を高め、プロジェクトを容易にするべきであり、もちろん上司を喜ばせるという追加の利点も伴うのです。

2.優れたHIL設計はプラグアンドプレイである

コントローラをテストする際、それがスマートインバータコントローラ（プライマリコントローラ）であれ、マイクログリッド監視コントローラであれ、重要なのは、テスト対象デバイス（DUT）を、コントローラのハードウェア、ソフトウェア、またはファームウェアに一切の変更を加えることなく、テストシステムに接続できることです。

確かに、コントローラは実機のパワーステージに接続されているかのような「感触」を絶対に備えている必要がある。さらに、このようにテストされた制御ソフトウェアとファームウェアは、量産グレードの完成度を有しており、追加テストなしで導入可能である。

3.優れたHIL設計は超高忠実度である

当社は、高出力実験室を必要とせずに、コントローラファームウェアおよびソフトウェアの性能を確実に検証するため、コントローラハードウェアインザループ（C-HIL）シミュレーション技術を用いてコントローラをテストしています。このテスト手法により、メーカーは最新のソフトウェアリリースをテストし、世界中の何百万台もの設置済みスマートインバータへ自動的に配信することが可能となります。

したがって、特に安全上重要なアプリケーションにおいては、コントローラメーカーとHILツールプロバイダーの間で、一定の信頼関係と要件を確立する必要がある。

HILテスト結果を信頼するには、以下の3つの主要な基準を満たす必要があります：

1. 正確な動的モデリング。正確なリアルタイム動的モデリングには、非常に小さなシミュレーション時間ステップ（典型的な電力電子システムでは通常1マイクロ秒程度）と、電力変換器、機械、太陽光パネル、送電線などの高精度モデルが必要である。
2. 低遅延かつ高精度の入出力ステージ。HILではリアルタイムシミュレーションが制御器とループを構成するため、実制御器が認識する人工的な遅延を低減するには、HILシステムのループバック遅延を最小化する必要がある。典型的な遅延はシミュレーション時間ステップと同程度、例えば1～2マイクロ秒でなければならない。 さらに、高精度アナログ出力段と高サンプリングレートデジタル入力が重要である。アナログ出力は少なくとも12ビット以上、デジタルサンプリングは12～14ビットPWM分解能を達成するため10～20ナノ秒オーダーである必要がある。
3. 数値的安定性。HILを用いたコントローラの自動テストにおいて、いかなる数値的不安定性も数時間から数日分のテスト結果を台無しにする可能性がある。言うまでもなく、数値的問題に直面すると、結果の妥当性に疑念を抱き始める。優れたHILシミュレータが真価を発揮するのは、高精度と数値的安定性の両立を実現する能力においてである。

4.優れたHIL設計は有用である

ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）は主にテストおよび検証ツールである。したがって、HILツールの有用性はテスト効率の観点から評価すべきである。コントローラのライフサイクルには主に以下の2つの段階がある：

1. コントローラー開発：手動および半自動テストが主流であり、
2. 製品展開と保守：自動テストが主流となった。

コントローラ開発において、HILリアルタイムシミュレーションツールはエンジニアが安全に、かつ頻繁にテストを実施することを可能にします。新たな制御機能が継続的に追加される中、HILシステムは継続的なテストと設計者への即時フィードバックを実現します。この設計段階では完全なテスト自動化は不要であり、代わりにエンジニアは簡易テストを迅速に準備・実行する必要があります。

これを効率的に行うには、特定のテストケースに合わせて迅速に調整・カスタマイズ可能な、使いやすいグラフィカルユーザーインターフェースが極めて重要である。実際、実行時にリアルタイムシミュレーションモデルと対話し、インターフェースをカスタマイズできることは、制御器の開発とテストの効率を大幅に向上させる。

製品展開および保守段階では、コントローラソフトウェアおよびファームウェアのテストの大半を自動化すべきである。この段階におけるテストの効率性は、テスト実施コストに対するテスト実施数の比率として定義される。

C-HILテストベッドは（電力実験室試験とは異なり）監視なしで24時間365日コントローラファームウェア/ソフトウェアをテスト可能であり、テストベッドのコストは固定であるため、時間の経過とともにテスト数が増えるほどテスト効率は向上する。さらに、すべての制御問題を迅速に特定・修正するには自動レポート機能が不可欠である。

幾度かの説得の末、友人をハードウェア・イン・ザ・ループ試験に再挑戦させることに成功した。そして彼は認めた――優れた設計、いや優れたHIL設計とは、まさに「使いやすく」「プラグアンドプレイで」「正確で」「効率的な試験・検証」を実現できるものだと。さあ、ディーター・ラームの優れた設計原則と実践に従った設計例がここにある。

クレジット

著者 | Ivan Celanovic
ビジュアル | Typhoon
編集者 | Debora Santo