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に広く普及しているが、制御テストは遅れている。

制御システムタイプの試験のほとんどは、小規模または大規模な実物大の電力ハードウェアを使用して、実験室で手作業で行われているのが現状であり、新しいパワーエレクトロニクス製品を市場に投入するまでの時間を大幅に長引かせる可能性がある。

では、そもそもなぜ実務エンジニアはパワーハードウェアを使って制御システムをテストするのだろうか？

その理由のひとつは、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がナノ秒の分解能でPWMパルスを生成し始めると、インバーターに接続してゆっくりと電圧を上げ、今度は大きなバング音が聞こえ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、状況は改善されつつあり、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）テスト装置が利用できるようになってきている。技術市場調査会社であるVDC Research Groupは、同社の報告書「The Global Market for Hardware-in-the-Loop Testing Solutions」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、産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、新しいC-HILソリューションが置き換えることができるようになるスピードに依存すると予測している。

ハードウェア・イン・ザ・ループとは？

ハードウェア・イン・ザ・ループとは、リアルタイム・シミュレーションに物理的な何かが接続されていることを意味する。これは、パワーハードウェアの一部であったり、コントローラハードウェアの一部であったりします。パワー・ハードウェアを使用したHILシミュレーションは、しばしばP-HIL（Power Hardware-in-the-Loop）と呼ばれます。コントローラ・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たHILシミュレーションの場合は、C-HIL（Controller Hardware-in-the-Loop）と呼ばれます。

最近になって、FPGA技術の進歩のおかげもあって、極めて小さなシミュレーション・タイムステップとレイテンシを持つ商用C-HILテスト・システムが実現可能になり、ついに2009年には、サンプリング時間とレイテンシが1μsという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市販されるようになった。

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観測できる時間）と同じ速度で進行する。シミュレーションのタイムステップは、シミュレーション時間が実時間と一致する限り、分単位でもかまいません。これは、現実の時間よりも遅かったり速かったりするコンピューターシミュレーションとは対照的である。

この "C-HIL "とは何なのか、どこから来たのか？

c-HILテスト手法は、物理的な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た数学モデルに対してテストするテスト手順である。この手法は、高度な制御システムをテストする際に選択される手法として、自動車や航空宇宙産業で数十年にわたって使用されてきました。リアルタイムでシミュレートされた仮想プラントモデルにコントローラを接続することで、実験室でのテストが困難、あるいは非現実的で、時間がかかり、不当に高価な運転条件をテストすることが可能になった。

ここで、C-HILの重要な利点とトレードオフについて詳しく見てみよう：制御システムをテストするSIL（Software-in-the-Loop）とP-HIL（Power Hardware-in-the-Loop）手法である。

コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）アプローチ

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C-HILでは、すべてのソフトウェアとファームウェアを備えた実際の物理コントローラが、C-HILデバイス内でリアルタイムに動作する高忠実度のパワー段モデルと直接インターフェースされます。C-HILアプローチの主な目的は、電源と制御ハードウェアの両方における過渡状態や最も重要な故障状態を含む、あらゆる可能な動作条件を通じて、コントローラのハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアをテストし、検証することです。

メリット

  • 制御システムは現実のものであるため、制御システムモデルの精度に関する仮定はない。
  • テスト操作ポイントの範囲は無制限。
  • 自動化された繰り返し可能なテスト。

課題だ：

  • 実際のコントローラ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との間には、信号調整インターフェースが必要な場合がある。

ソフトウェア・イン・ザ・ループ（SIL）アプローチ

SIL_approach.png

この方法は一般的にティーチングに使用される。DSPデバッグ・ツールとパワー・ハードウェア・シミュレータのハイブリッドである。SILの魅力的な特徴は、通常、シミュレーション・ソフトウェア自体よりもそれほど高価ではないことである（そして、ソフトウェアの価格は着実に下がっている）。

コード自動生成の進歩に伴い、デバッグ機能は重要性を失いつつある。しかし、シミュレーションの高速化に伴い、SILはC-HILアプローチに対抗しようとしているが、コントローラコードのFPGA部分により、その速度はまだ制限されている。

すべてを考慮すると、このアプローチは、コントローラーが非常に単純なアプリケーション（DC/DCコンバーターのデジタル制御など）や、低コストであることから学術分野では実現可能かもしれない。

メリット

  • 低コスト
  • コントローラーのハードウェアは不要

課題だ：

  • 最も単純な制御システム以外では、制御システムのモデリングの精度には疑問が残る。

パワー・ハードウェア・イン・ザ・ループ（P-HIL）システム

P-HIL_アプローチ.png

この方法は、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・システム全体を試験するための、おそらく最も柔軟で汎用性の高い方法である。P-HILは、避けられない全システム試験の複雑さを大幅に軽減し、柔軟性を高めることができます。

パワーエレクトロニクスの制御システム試験のみでの有用性は疑問である。その主な理由は、短絡のような潜在的に壊滅的な故障をエミュレートする場合、関係する実電力（制御システムの観点からはほとんど関係ない）とシステムの帯域幅が限られているためである。

メリット

  • シンプルなインターフェース：3相ACシステムには3本の電源線、DCシステムには2本の電源線。

課題だ：

  • 電力を使用した制御システムのテストは、潜在的に危険でコストがかかる。
  • テスト中の低速ダイナミクス・コントローラーと非常に高ダイナミクスのP-HILシステムの組み合わせ以外では、帯域幅が不十分。

テストの未来

パワーエレクトロニクス・コントローラー・テストツールの未来は？

HILテスト・ツールとコンピュータ支援設計ツールとの緊密な統合は、コントローラ開発の設計段階とテスト段階との間のギャップをより良く埋めることによって製品開発プロセスを合理化し、エンドユーザーに最も利益をもたらすとともに業界を統合する論理的な進化の道であるように思われる。

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クレジット

執筆者｜Hweedo Chang
ビジュアル ｜Typhoon HIL
編集者｜Debora Santo
注｜本記事は2016年5月に掲載されたものであり、包括性と正確性のために更新されました。