はじめに
コンピュータ支援設計ツールは実務エンジニアの間で広く採用されている一方で、制御テストは遅れをとっている。
制御システムの型式試験の大半は、依然として実験室で手動で行われており、小規模または大規模の実物大電力ハードウェアを使用するため、新しい電力電子製品を市場に投入するまでの時間を大幅に延長する可能性がある。
では、なぜ実務エンジニアは制御システムのテストにパワーハードウェアを使うのだろうか？
一つの大きな理由は、つい最近まで満足のいく代替手段がなかったことだ。リアルタイムソフトウェアがDSPにロードされ、FPGAがナノ秒単位の分解能でPWMパルスを生成し始めると、あとはインバーターに接続して電圧を徐々に上げ、今度は大きな爆発音がしないことを祈る以外にできることはほとんどない。
幸いなことに、状況は改善しつつあり、強力な市販のコントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）試験装置が利用可能になりつつある。 技術市場調査会社であるVDCリサーチグループは、レポート「ハードウェア・イン・ザ・ループ試験ソリューションの世界市場ソリューションの中で、パワーエレクトロニクス向けの商用C-HILソリューションの採用は、新しいC-HILソリューションが、業界が数十年にわたって構築してきた自社開発の試験装置をどの程度のスピードで置き換えられるかにかかっていると予測しています。
ハードウェア・イン・ザ・ループとは何か？
ハードウェア・イン・ザ・ループとは、物理的な何かがリアルタイムシミュレーションに接続されていることを意味します。これは電力ハードウェアの一部、あるいは制御器ハードウェアの一部である可能性があります。電力ハードウェアを用いたHILシミュレーションは、しばしばパワーハードウェア・イン・ザ・ループ（P-HIL）と呼ばれます。 一方、制御器ハードウェアがリアルタイムシミュレーションに接続されるHILシミュレーションは、コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）と呼ばれます。
ごく最近になって、主にFPGA技術の進歩により、極めて小さなシミュレーション時間ステップとレイテンシを備えた商用C-HILテストシステムが実現可能となり、ついに2009年には、1マイクロ秒のサンプリング時間とレイテンシを持つ世界最速のリアルタイムデジタルシミュレータプラットフォームが商用化された。
シミュレーションとリアルタイムシミュレーションの違いは何ですか？
リアルタイムシミュレーションは、実際の時間の経過（腕時計やスマートフォンで確認できる時間）と同じ速度で進行します。シミュレーションの時間ステップは、シミュレーション時間が実時間に対応している限り、分単位など任意の設定が可能です。これは、実時間より遅くも速くもなるコンピューターシミュレーションとは対照的です。
この「C-HIL」とは何ですか？また、どこから来たのですか？
c-HIL試験手法とは、物理制御システムのハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアの性能を、C-HILプラットフォーム上でリアルタイムにシミュレートされる数学モデルに対して検証する試験手順である。この手法は自動車および航空宇宙産業において数十年にわたり、高度な制御システムの試験において最適な方法として採用されてきた。 制御装置をリアルタイムでシミュレートされる仮想プラントモデルに接続することで、実験室では困難あるいは非現実的である運用条件に加え、時間のかかる、かつ不当に高価なテストを実施することが可能となった。
それでは、C-HILおよび関連する二つの明確に異なるアプローチ、すなわち制御システム試験手法であるソフトウェア・イン・ザ・ループ（SIL）とパワー・ハードウェア・イン・ザ・ループ（P-HIL）の重要な利点とトレードオフについて、より詳しく見ていきましょう。
コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（または「C-HIL」）アプローチ
C-HILでは、実際の物理コントローラとそのソフトウェア・ファームウェア全体が、C-HILデバイス内でリアルタイムに動作する高忠実度パワーステージモデルと直接接続されます。C-HILアプローチの主目的は、コントローラハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアを、過渡状態を含むあらゆる動作条件、そして最も重要な点として、電源ハードウェアと制御ハードウェア双方の故障状態においてテストおよび検証することです。
メリット：
- 制御システムが実物であるため、制御システムモデルの精度に関する仮定は存在しない。
- テスト動作点の無制限の範囲。
- 自動化され、繰り返し可能なテスト。
課題：
- 実際のコントローラーハードウェアが必要です。
- C-HILデバイスと被試験制御システムの間には、信号調整インターフェースが必要となる場合があります。
ソフトウェア・イン・ザ・ループ（または「SIL」）アプローチ
この手法は教育現場で広く用いられている。DSPデバッグツールと高性能ハードウェアシミュレータを融合させたハイブリッド方式である。SILの魅力的な特徴は、通常シミュレーションソフトウェア本体よりも大幅に高価ではない点にある（しかもソフトウェア価格は着実に低下傾向にある）。
自動コード生成技術の進歩に伴い、デバッグ機能の重要性は低下しつつある。しかしシミュレーション速度の向上に伴い、SILはC-HIL手法との競争を試みているが、コントローラコードのFPGA部分に起因する速度制限が依然として存在する。
総合的に判断すると、この手法は、コントローラが非常に単純なアプリケーション（例：DC/DCコンバータのデジタル制御）や、低コストという理由から学術分野において実現可能である。
メリット：
- 低コスト
- コントローラーハードウェアは不要です
課題：
- 最も単純な制御システム以外に対する制御システムモデリングの精度の信頼性は疑問視される
パワー・ハードウェア・イン・ザ・ループ（または「P-HIL」）システム
この手法は、パワーハードウェアと制御ハードウェアで構成されるパワーエレクトロニクスコンバータシステム全体をテストする上で、おそらく最も柔軟かつ汎用性の高い方法である。P-HILは、避けられないフルシステムテストの複雑さを大幅に低減し、柔軟性を高めることができる。
電力電子制御システムの試験における有用性のみを論じる場合、その有用性は疑問視される。主な理由は、関与する実電力（制御システムの観点からはほとんど関連性がない）とシステムの帯域幅の制限、特に短絡などの壊滅的な故障を模擬する場合に顕著である。
メリット：
- シンプルなインターフェース：三相交流システムには3本の電源線、直流システムには2本の電源線。
課題：
- 動力装置を備えた制御システムの試験は、潜在的に危険で費用がかかる。
- テスト対象の低速ダイナミクス制御器と非常に高速なダイナミクスP-HILシステムの組み合わせ以外では、帯域幅が不足している。
テストの未来
パワーエレクトロニクス制御装置の試験ツールの将来はどうなるのか？
HILテストツールとCADツールの緊密な統合は、制御器開発における設計段階とテスト段階のギャップをより効果的に埋めることで製品開発プロセスを効率化し、エンドユーザーに最大の利益をもたらすと同時に業界の統合を促進する、論理的な進化の道筋と言える。
クレジット
著者| Hweedo Chang
ビジュアル | Typhoon
編集者| Debora Santo
注記| 本記事は2016年5月に初公開され、内容の網羅性と正確性を高めるため更新されました。
