はじめに
昨年の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会った。彼は現在、大手パワーエレクトロニクス企業で優秀な研究開発エンジニアとして活躍している。
最初の会話で、お互いの個人的な、そして仕事上の業績を把握しようとした後、私たちはパワーエレクトロニクス業界について話し始めた。私は、HIL（Hardware-in-the-Loop）シミュレーションと、それがいかに（地球の）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かについて、私の知恵を分かち合いたいと思った。
私が話し終える前に、彼の顔が全く嫌悪感をあらわにしたのを見て、私はショックを受けた。彼はすぐに私に反撃した：「HILシステムを使おうとしたことがあるのですが、動作させるために必要なすべてのソフトウェア・ツールを習得するのに何カ月もかかったという事実とは別に、シミュレーションされた波形は私が期待していたものにはほど遠いものでした。数値的な安定性の問題が絶えず発生し、シミュレーション用のモデルの準備やコンパイルに何時間もかかりました。正直なところ、時間と忍耐が尽きてしまったので、コントローラーのテストを自動化する作業すらできませんでした」。私が彼をなだめる前に、彼は二度とHILシミュレーションを使わないと誓った。
私はHILテストの大信奉者であり、パワーエレクトロニクス制御エンジニアの必須ツールボックスといえば、HILシステムをオシロスコープと電源装置のすぐ隣に位置づける傾向があるので、個人的にそれを受け止めた。
当然のことながら、彼のフィードバックは悪い製品デザインに対する深い不満に起因している。しかし、特定の製品の設計が悪いからといって、全体的な方法や用途が間違っているということにはならない。新車で買った車が最初の2、3年故障が続いたら、私は別の車を買うつもりだが、そのメーカーから買うのは間違いなく最後になるだろう。
一方では悪いHIL設計の例、他方では偉大な工業デザイナーの一人であるディーター・ラームスの優れた設計の10原則に触発され、私は優れたHIL設計の4原則と呼ぶべきものを定義しなければならなかった。
1.優れたHIL設計は使いやすく直感的である
私たちは皆、スケジュールがいっぱいで、納期が厳しく、設計意欲が旺盛で、大きな夢を抱いているエンジニアだ。そんな私たちに必要なのは、フルタイムのベビーシッターを必要とし、常にいじってプログラムし直す必要があり、それを便利にするために複数のソフトウェア／ハードウェア・ツールを手なずける（統合する）ことを期待されるような、別のツールなのだ。
簡単に言えば、もしHILソフトウェアがハードウェアとシームレスに動作しないのであれば、それはHILシステムの構想や設計が不十分であるということです。これらの製品は、1つの実行ファイルでインストールでき、数秒でコンパイルでき、ワンクリックで実行でき、完全に自動化された方法でテストでき、組み込みのレポート生成を提供するなど、使いやすいものでなければなりません。
リアルタイム・ハードウエア・イン・ザ・ループ・テストは、楽しく簡単であるべきで、ソフトウエアの設計や統合の不備のために髪をかきむしるようなものであってはならない。もちろん、上司を喜ばせるという利点もある。
2.優れたHIL設計はプラグ・アンド・プレイ
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、コントローラをテストする際に重要なのは、コントローラのハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアに変更を加えることなく、テスト対象のコントローラ・デバイス（DUT）をテスト・システムに接続できることです。
実際、コントローラーは、実際のパワーステージに接続されているのと同じ「感覚」を絶対に持っていなければならない。さらに、このようにしてテストされた制御ソフトウェアとファームウェアは、プロダクション・グレードの準備が整ったものであり、これ以上のテストを行うことなく導入することができる。
3.優れたHIL設計は超高忠実度
当社では、コントローラのファームウェアとソフトウェアの性能を確定的に検証するために、ハイパワーラボに行くことなく、C-HIL（Controller Hardware in the Loop）シミュレーション技術を使ってコントローラをテストしています。このテスト方法により、メーカーは最新のソフトウェア・リリースをテストすることができ、世界中に設置された数百万台のスマート・インバータに自動的に配信することができます。
したがって、特にセーフティ・クリティカルなアプリケーションでは、コントローラ・メーカーとHILツール・プロバイダの間で信頼と要件のレベルを確立する必要がある。
HILテストの結果を信頼するためには、3つの主要基準を満たしていなければならない：
- 正確な動的モデリング。正確なリアルタイムダイナミックモデリングには、非常に小さなシミュレーション時間ステップ（一般的なパワーエレクトロニクスシステムでは通常1マイクロ秒のオーダー）が必要であり、電力変換器、機械、PVパネル、送電線などの高忠実度モデルが必要です。
- 低レイテンシで高精度な入出力ステージ。HILは、リアルタイム・シミュレーションがコントローラとループ内にあることを意味するため、実コントローラから見える人工的な遅延を低減するために、HILシステムのループバック・レイテンシを最小化する必要があります。典型的な遅延は、シミュレーションのタイムステップのオーダーでなければなりません。さらに、高精度のアナログ出力ステージと高サンプリングレートのデジタル入力が重要です。アナログ出力は少なくとも12ビットである必要があり、デジタル・サンプリングは12～14ビットのPWM分解能を達成するために10～20ナノ秒のオーダーである必要がある。
- 数値の安定性。HILでコントローラを自動テストする場合、数値的な不安定さがあれば、数時間から数日分のテスト結果が台無しになる。数値的な問題に直面すると、結果の妥当性を疑い始めるのは言うまでもありません。最高のHILシミュレータが輝くのは、高精度と数値的安定性の両方を達成する能力です。
4.優れたHIL設計は役に立つ
ハードウェア・イン・ザ・ループは、主にテストと検証のためのツールである。したがって、HILツールの有用性は、テスト効率に関して測定されるべきである。コントローラのライフサイクルには、主に2つのフェーズがあります：
- 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る。
- 製品展開とメンテナンス：自動テストが主流
コントローラの開発において、HILリアルタイムシミュレーションツールを使用することで、エンジニアは安全かつ頻繁にテストを行うことができます。新しい制御機能が継続的に追加されるため、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可能にします。この設計フェーズでは、完全なテスト自動化は必要ありませんが、その代わりに、エンジニアは簡単なテストを迅速に準備し、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素早くカスタマイズできる、使いやすいグラフィカル・ユーザー・インターフェースが最も重要です。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、コントローラーの開発とテストの効率を大幅に向上させます。
製品のデプロイとメンテナンスの段階では、コントローラのソフトウェアとファームウェアのテ ストの大部分は、自動化されるべきである。このフェーズのテストの効率は、テストの数をテストのコストで割ったものとして定義される。
C-HILテストベッドは、（電力ラボのテストとは異なり）監督なしで24時間365日、コントローラのファームウェア/ソフトウェアをテストでき、テストベッドは固定コストであるため、テストの効率は時間の経過とともにテスト回数とともに増大する。さらに、自動レポートは、すべての制御問題を迅速に特定し、修正するために重要である。
私は友人を説得し、ハードウェア・イン・ザ・ループ・テストにもう一度チャンスを与えるよう説得した。そして実際に彼は、優れた設計、あるいは優れたHIL設計と言うべきものは、使いやすく、プラグ・アンド・プレイが可能で、正確で、テストと検証が効率的であることを認めた。そしてほら、ディーター・ラームのグッド・デザインの原則と実践に従った設計がある。
クレジット
著者 ｜イヴァン・セラノヴィッチ
ビジュアル ｜Typhoon HIL
編集 ｜デボラ・サント
