2024年9月19日

コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ・シミュレーション（C-HIL）とは？

読書時間｜8分

C-HIL（Controller-Hardware-in-the-Loop）シミュレーションは、パワーエレクトロニクス制御システムをテストするための強力な手法です。HILシミュレーションは、実際のコントローラ（被試験デバイス）がプラントの忠実度の高いリアルタイムシミュレーションと相互作用する動的な試験環境を構築し、エンジニアが物理的なラボで再現するにはコストがかかりすぎたり、危険であったりするシナリオをテストできるようにします。コストの削減、安全性の向上、テスト範囲の拡大、複雑なシステム開発の迅速化により、HILシミュレーションは自動車、航空宇宙、パワーエレクトロニクス、産業用ドライブ、グリッド接続コンバータ、電力システムなどの業界全体で技術革新を推進しています。このテクノロジー記事では、HILシミュレーションが現代のエンジニアリングをどのように再構築し、その可能性を最大限に引き出しているかをご紹介します。

はじめに

コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）シミュレーションは、制御システムをリアルタイムで検証するために使用されるテスト手法です。実際のコントローラが、プラントやその他の物理システムの忠実度の高いリアルタイムシミュレーションと相互作用できる環境を構築することで、仮想テストと物理テストのギャップを埋めます。HILシミュレーションは、自動車、航空宇宙、パワーエレクトロニクス、マイクログリッドなどの業界において、制御、保護、監視システムの開発とテストの標準となっています。HILシミュレーションは、高精度でリアルタイムな結果を提供しながら、従来のテスト手法に代わる、より安全で費用対効果の高い、柔軟な選択肢を提供します。

C-HILシミュレーションの仕組み

HILシミュレーションは、センサー、アクチュエーター、コンバーターなどの物理的なシステムコンポーネントを、実際の被試験デバイス（DUT）をループ内に保持したまま、リアルタイムシミュレーション環境内に仮想的に複製することで機能します。このフレームワークでは、典型的なテストベッドは、システムの一部がリアルタイムでモデリングおよびシミュレーションされる仮想レイヤと、DUTからなる実レイヤの2つの主要レイヤに分けられます。C-HILテストのセットアップでは、DUTはハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアを含む実際のコントローラです。このコントローラは、さまざまな試験条件やシナリオをエミュレートすることで、物理システムを反映したシミュレート環境と相互作用します。コントローラとシミュレータ間の継続的な信号/データ交換により、リアルタイムのフィードバックが保証されるため、コントローラは実際のシステムとまったく同じように動作します。これにより、テストベッドは実際の動作とほぼ同じになり、実システムに統合する前に安全かつ包括的な性能検証が可能になります。

図1は、マイクログリッドに接続されたパワーエレクトロニクス・コンバータとその関連コントローラを特徴とするC-HILテストのコンセプトを示しています。左側は実システムを示しており、上部に物理プラント、下部にコンバータ・コントローラがある。右側には、C-HILテストのセットアップが描かれており、同じ実際のコントローラーが、プラントの動作をエミュレートするリアルタイム・シミュレーターとインターフェースされている。

**図1.**典型的なC-HIL（Controller-HIL）テストシステムの図。

図2のようなC-HILセットアップでは、シミュレーションは、あたかも実際のプラントに接続されているかのように、実際のコントローラをシームレスに動作させるために、忠実度の高い結果をリアルタイムで提供する必要があります。これには適切な信号インターフェースが必要であり、コントローラからの非常に動的な入力に対して正確かつ決定論的に応答しなければならないシミュレータの性能という点で大きな課題があります。このような要求を満たすため、リアルタイムシミュレータは、通常1μs程度の固定されたシミュレーションステップで動作します。このため、高い処理能力と超低レイテンシを備えた専用プラットフォームを使用する必要があります。さらに、反復解法による数値ソルバーを使用する時間もないため、特殊な機能を持つ最適化されたモデリングアプローチが必要となります。

Typhoon HILは、超高忠実度HILテストソリューションのマーケットリーダーとして、FPGAベースの高性能マルチコアリアルタイムシミュレータと垂直統合ソフトウェアツールチェーンにより、要求の厳しいアプリケーションのこれらの課題を克服します。これらのシミュレータは、最小200ナノ秒（特殊なDC-DCコンバータ・ソルバでは25ナノ秒）の時間ステップを提供し、3.5ナノ秒のデジタル入力サンプリング分解能を備えています。一方、ツールチェーンには包括的なコンポーネント・ライブラリが含まれ、比類のない使いやすさを提供するため、スムーズな学習曲線で精度と信頼性を必要とする産業界や学術界に最適です。

新しいHILユーザーが必要なスキルを簡単かつ体系的な方法で習得できるよう、当社のエンジニアはHILスペシャリスト2.0スペシャライゼーション・プログラムを開発し、学生やエンジニアがHIL環境内でモデルの作成、シミュレーションの実行、結果の分析を実践的に経験できるように設計しました。

**図2.** HIL404リアルタイムシミュレータとInfineon AURIX™評価ボードをHIL TriBoard Interfaceで接続したC-HILセットアップの例。

C-HILシミュレーションの主な利点とは？

コスト効率：従来のパワーラボ試験は、物理的なコンポーネント、セットアップ、メンテナンスに多大な投資を必要とするため、高額になる可能性があります。C-HILシミュレーションでは、物理システムの一部を高忠実度モデルでリアルタイムに再現し、機器の損傷リスクを低減することで、これらのコストを大幅に削減します。実電力試験やスケールアップしたプロトタイプが必要な場合でも、HILシミュレーションは、現実的な条件下でのコントローラの早期検証と妥当性確認を提供することで、これらの試験のリスク軽減に役立ちます。これにより、学術機関にとっては、研究や教育のためのラボの設立がより安価になり、産業用研究開発センターにとっては、ラピッドコントロールプロトタイピング（RCP）がより効率的で利用しやすくなります。ビジネスチャンスは研究開発だけにとどまらず、プリセールスや営業活動の強化、開発からメンテナンス、カスタマーサポートに至るまで、製品ライフサイクル全体を通してエンジニアリングやテストの自動化をサポートすることで、さらなる価値を提供します。

高忠実度：FPGA技術によって実現される忠実度の高いシミュレーションにより、C-HILシミュレーションにおけるコントローラの性能は、実世界の状況に近いものとなります。図3のようなセットアップにより、エンジニアは設計を厳密にテストし、正確で再現可能な結果を得ることができます。

安全性：C-HILテストは、ハイパワーコンポーネントをシミュレートすることで安全性を大幅に向上させ、エンジニア、研究者、学生は、機器や人員を危険にさらすことなく、故障モードを含む幅広いシナリオを検討することができます。このため、HILシミュレーションは、物理的なテストが危険を伴う可能性のある大電力システムや複雑なシステムのテストに非常に有効です。また、キャリアの浅いエンジニアや学生にも安全な学習環境を提供します。

柔軟性とテストカバレッジ：C-HILは、障害や不安定な状態を含め、幅広いシナリオをオンザフライでテストできる。さらに、従来の方法とは異なり、この汎用性は物理的なハードウェアの再構成を必要とせずに実現されます。その結果、テストの自動化によって幅広いテストカバレッジを達成することができ、危険なシナリオもテストを実施する人にリスクを与えることなく簡単にテストすることができます。

自動化とスピード：エンジニアはテストスクリプトを自動化することで、手作業による監督なしに、複数のテストを継続的かつ反復的に実行することができます。この機能により、微妙なバグや性能上の問題を特定するための長期的なテストが可能になり、開発を加速し、市場投入までの時間を短縮します。Typhoon HIL Control Center内に統合されたTyphoonTest IDEと Typhoon Test Hubは、Pythonベースの自動テストスクリプトの作成、テスト結果の収集、レポート、比較を容易にします。

モデルの継続性と統合：垂直統合されたTyphoon HILツールチェインの大きな利点は、オフラインシミュレーションとリアルタイムHILテストの間をシームレスに移行できることです。エンジニアは、オフラインシミュレータであるTyphoonSimを初期段階の設計とテストに使用した後、同じモデルを使用してリアルタイムのHILテストにシームレスに移行できます。この継続性により、複雑なモデル・セットアップを書き直す必要がなくなるため時間を節約でき、モデリング・エラーが発生するリスクを低減し、異なる開発段階間で一貫したシステム動作を保証します。

**図3.**C-HILセットアップの2つの例。HIL404（左）またはHIL606リアルタイム・シミュレータ（右）を、HIL TI LaunchPadを使用してTexas Instruments LaunchPad™開発キットとインターフェイスしています。

C-HILシミュレーションはどこで一般的に適用されているのか？

もともとは自動車や航空宇宙産業向けに開発されたもので、これらの分野では物理的なテストセットアップのコストが高かったため、HILシミュレーションは進化し、コスト効率も向上した：

パワーエレクトロニクスC-HIL試験は、モータドライブ、アクティブフィルタ、スマート家電、太陽光インバータ、風力タービン、エネルギー貯蔵システムなどの分散型エネルギー資源（DER）など、さまざまなアプリケーションにおける電力変換器の信頼性、安全性、効率を確保するために極めて重要です。

eモビリティ:HILの手法は自動車や航空宇宙分野で生まれましたが、電気輸送への移行に伴い、電気自動車やハイブリッド車、電車、トラック、電動バイク、自転車などのシームレスな統合、信頼性、最適性能を確保するために、C-HILテストが重要になっています。これには、電気駆動系、バッテリー管理システム、車載充電器、車外充電器、車両と充電ステーション間の通信などが含まれます。

スマートグリッド:再生可能エネルギーの移行が進むにつれて、インバータベースの電源の高い普及率に関連する課題がもたらされています。C-HIL手法は、配備前の複雑なシステムの包括的なテストと検証を可能にし、完全なシステムレベルと相互運用性のテストを通じて、故障のリスクを最小限に抑えます。これは、住宅用エネルギーシステム、BESS、マイクログリッド、配電自動化、海洋電力システムなどのアプリケーションにとって極めて重要である。

医療機器HILは、医療機器の組込みソフトウェアのテストと検証を可能にし、患者の安全を危険にさらすことなく、規制基準を満たしていることを保証します。これは、ペースメーカーの例のように、患者の健康と安全を危険にさらすことなく、医療補助機器の安全な開発と検証を支援し、X線画像診断のような医療診断機器の迅速な技術革新にもつながります。

結論

C-HILシミュレーションは、コスト効率が高く、安全で柔軟な環境で制御システムのテストと検証を行おうとするエンジニアにとって不可欠なツールです。リアルタイムのフィードバック、忠実度の高い結果、包括的なテストの自動化などの利点を持つHILシミュレーションは、複雑な制御システムをフィールドに配備する前に徹底的にテストすることを保証します。

産業界がデジタルトランスフォーメーションを受け入れ続ける中、HILは開発サイクルを加速し、製品品質を向上させる上でますます重要な役割を果たすでしょう。この技術の習得を目指すエンジニアにとって、HILスペシャリスト2.0認定のような教育機会は、この変革の分野で重要なスキルを身につけるための道筋を提供します。