はじめに
今日、全産業用電力の70％近くが電気モーターによって消費されている。しかし、これらのドライブのうち、可変周波数ドライブはわずかな割合に過ぎない（EUでは15％～20％、ドイツでは12％、世界では5％）。可変周波数ドライブ（VFD）が完全に普及すれば、電力消費を最大6％削減できると推定されている。
先進的な可変周波数ドライブは、効率の改善に加えて、高度なセンシング、クラウドインターフェース、AI技術により、ドライブの使いやすさ、状況認識、相互運用性（他のドライブや産業プロセスとの両方）、故障予測機能の強化を実現し、強化されたソフトウェア機能からさらなる価値を生み出します。
実際、第4次産業革命（またはインダストリー4.0または産業用IoT）は、モータードライブを、広範なデータ分析機能、シームレスなセンサー接続性、通信ゲートウェイ機能（クラウド、センサー、近隣のドライブなどとの接続を容易にする）を可能にする強力な計算能力を備えたインテリジェントで急速に進化するエッジデバイスへと変貌させ、OEMとオペレータの両方にとって新たなユースケースと価値生成の流れを解き放ちます。実際、産業用IoTは、データ駆動型プロセス最適化サービスのための広大な新分野を切り開きます。
ソフトウェアは、VFDメーカーにとって重要な差別化要因であり、価値を生み出す要因となっています。一方では、インテリジェント・ドライブが使いやすさ、多用途性、アプリケーション・スペースを最大化し、相互運用性を高め、性能を向上させます。一方では、市場投入までの時間短縮、限られた開発予算、エンジニアの人材不足といった課題に対応するため、高度なソフトウェア開発ツールや手法を迅速に導入する必要があります。
HIL（Hardware in the Loop）テストとモデルベースの設計およびテストプラクティスは、HILを使用しなかった場合と比較して、プロジェクトのスケジュールパフォーマンスを32％改善し、ソフトウェアのバグ数を70％削減し、チームが42％多くのコードを作成できることが実証されている。
モデルベースHILテストが急速に採用された6つの主な理由について見てみよう。
1.制御ソフトウエアは、キーバリュー・ジェネレーターになりつつある。
今日、モータードライブは、自動車が過去10年間に経験したのと同じような変貌を遂げつつある。自動車用ソフトウェアの複雑さが10年間で10倍以上になる一方で、モータードライブは文字通り車輪の上の「スーパーコンピューター」になったのだ。
従来、モータードライブコントローラーは、高速コントローラー（モジュレーターと電流/トルク/速度/位置ループからなるカスケードタイプ）とフィールドバス通信ユニットからなるコンパクトな組み込みデバイスでした。どちらも、多くの場合CPLDやFPGAと組み合わせたベアメタルDSPプロセッサーマイクロコントローラー上に実装されています。
今日、コアとなるドライブ制御機能は、産業用イーサネットやワイヤレス通信、（予測）診断、故障検出と隔離、データ分析、機械学習、プロセスの安全性と最適化機能によって大幅に拡張されている。さらに、ソフトウェアは、リアルタイム・オペレーティング・システムとFPGAを実行する1つまたは複数のCPU上に展開されることがほとんどです。
新しいソフトウェア機能を追加することは、産業用ドライブ開発の特徴である長い設計サイクルを必要とすることなく、製品の差別化と価値を生み出す機会となります。VFD製品の差別化と新たな価値を生み出す絶好の機会です。
当然ながら、先進的なソフトウェアには、規律ある最先端のモデルベースのテストとライフサイクル・メンテナンス・プロセスが必要です。実際、モデルベースHILテストは、大いに必要とされる機能をもたらし、市場投入までの時間を短縮し、より良い品質を提供し、より大きなコードサイズを開発・維持します。そのすべてが、より小規模な開発・テストチームと、より小規模なラボ・テスト費用で実現します。
2.新しい制御アルゴリズム開発の必要性。
モータードライブの制御は成熟していると考えられているが、新しいアルゴリズムの開発は常に推進されている：
- 新型電気モーターへの対応
- 計算負荷の高い新しい制御アルゴリズムの導入（モデル予測制御（MPC）など）
- より優れた障害検出、隔離、ランタイム適応
- より高速なスイッチング能力を持つ新しい半導体スイッチ（ワイドバンドギャップSiCやGaNデバイスなど
- 半導体の特徴をよりよく活用する新規または既存のトポロジー。
新しいアプリケーションに後押しされ、JMAG-FEAのような先進的な有限要素解析（FEA）ソフトウェアツールによって、電気モータの新設計や改良が常に開発されています。これらの新しい設計には、既存のモータタイプ/設計と新しいモータの両方を制御する、新しく改良された制御アルゴリズムが必要です。
組込みプロセッサの高速化により、高性能な制御アルゴリズムや、最近まで計算不可能であった、より複雑で要求の厳しい故障検出・絶縁アルゴリズムの実行が可能になった。さらに、ワイドバンドギャップ・デバイスは、はるかに高いスイッチング周波数で動作し、より高速な実行速度を含む、より複雑な制御を必要とする。マルチレベル・トポロジをワイドバンドギャップ・デバイスやシリコン・デバイスと併用することで、効率や性能の向上、小型化、待機時間の短縮を実現できる。
3.システムレベルの相互運用性要件。
今日の典型的な高性能ドライブコントローラの標準コード行数は約20万行（SLOC）であり、これは一般的なペースメーカーのソフトウェアサイズやスペースシャトルの制御ソフトウェアサイズの約2分の1より少し多い程度ですが、ほとんどのVFDは10台または100台のドライブ（同一メーカー製または多様なメーカー製）やセンサーとネットワーク接続し、プロセスレベルコントローラとインターフェイスし、クラウドアプリケーションと不具合なく通信します。今日、最も普及している通信規格は、EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、Powerlink、Modbus TCPなど、決定論と制御を提供する産業用イーサネット（IE）プロトコルです。
100以上のドライブセンサーとプロセスコントローラーを持つこれらの産業用ネットワークは、ボーイング787の制御ソフトウェアサイズに匹敵する、〜20M SLOCの総制御コードサイズを簡単に超えてしまう。
この制御コードの複雑さは、特にサイバーセキュリティの要件を考慮すると、完全に自動化されたモデルベースの制御ソフトウェアのテストと検証プロセスを必要とする。したがって、コストと複雑さを管理しながら制御ソフトウェアの品質とシームレスな相互運用性を保証するには、C-HILの使用が最も重要になります。
4. モジュラー電力コンバータの設計。
ほとんどのVFDは、幅広い出力レベルと性能要件に対応するため、モジュール方式で設計されています。多くの場合、入力段はパッシブ・フロントエンドまたはアクティブ・フロントエンド・モジュールのいずれかを使用して構成できます。複数のモジュールを並列接続することで、電力を調整できます。DCリンク・コンデンサ・バンクは、用途に応じて柔軟に構成できる。同様に、インバーターモジュールも並列化して出力電力レベルを上げることができます。
VFDコントローラは、どのようなドライブ構成に対してもシームレスな動作を保証し、あらゆる運転条件下であらゆる電動モータータイプとあらゆる負荷タイプに対する安定性と性能を保証しなければなりません。
すべてのコンフィギュレーションとすべての動作条件（障害を含む）に対するコントローラソフトウェアのテストは、C-HILリアルタイムシミュレーションアプローチと組み合わせたテスト自動化を使用してのみ効率的に行うことができます。
5. グリッドコードの遵守。
今日のMVおよびHVドライブは、電流/電圧歪み、力率、フリッカー制御、電力品質、系統障害性能など、より厳しい電力品質および系統規定を満たす必要があります。
常に進化し続けるさまざまなグリッドコードに対するテストは、モデルベースのHILアプローチでテストを自動化しない限り、困難で高価な品質保証タスクである。
6. ソフトウェアのライフサイクルメンテナンスの複雑さを制御する。
今日のドライブ・メーカーは、管理という大きな課題に直面している：
- 複雑化する制御コード、
- 商品と製品ラインの拡大
- ライフサイクルにわたるすべてのソフトウェア/ファームウェアの変更を管理する、
- ソフトウェアやファームウェアのアップデートをリモートで展開するためのインフラが成長中
- 製品の機能性と品質を向上させる競争圧力
同時に、ベンダーはコストを下げ、縮小し続ける予算と技術陣の中で結果を出さなければならないという絶え間ないプレッシャーにさらされている。
これらの直交する要件は、ソフトウェア業界の最先端のツールとプロセスを採用することによってのみ満たすことができる。このようなツールを効果的に使用するためには、テスト装置を物理的な実験室から、クラウドからアクセス可能なループテストベッドの仮想ハードウェアに変換する必要がある。そうして初めて、ソフトウェアのテスト自動化とライフサイクル・メンテナンス・プロセスが完全に展開され、あらゆる利点と節約をもたらすことができる。
クレジット
著者 ｜イヴァン・セラノヴィッチ
ビジュアル ｜カール・ミッケイ
編集｜デボラ・サント
