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）とは何か？

所要時間 | 8分

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、パワーエレクトロニクス制御システムの試験に有効な手法である。実コントローラ（被試験デバイス）がプラントの高忠実度リアルタイムシミュレーションと相互作用する動的試験環境を構築し、物理実験室では再現が過度に高コストまたは危険となるシナリオの試験を可能にする。コスト削減、安全性向上、テストカバレッジの拡大、複雑なシステムの開発加速を通じて、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、系統連系コンバータ、電力システムなどの産業分野におけるイノベーションを推進しています。本技術記事では、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変革しているか、その可能性のすべてを探ります。

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の試験手法です。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高忠実度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、仮想試験と物理試験の間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、様々な産業分野における制御システム、保護システム、監視システムの開発・試験の標準手法となっています。従来の試験手法に比べ、安全性が高く、費用対効果に優れ、柔軟性のある代替手段を提供すると同時に、高精度なリアルタイム結果をもたらします。

C-HILシミュレーションはどのように機能するのか？

HILシミュレーションは、センサー、アクチュエータ、コンバータなどの物理システムコンポーネントをリアルタイムシミュレーション環境内で仮想的に再現しつつ、実際の被試験装置（DUT）をループ内に保持することで機能します。この枠組みでは、典型的なテストベッドは主に2つの層に分けられます。システムの一部をリアルタイムでモデル化・シミュレートする仮想層と、DUTで構成される実層です。C-HILテスト環境では、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コントローラです。このコントローラは、様々なテスト条件やシナリオをエミュレートして物理システムを反映するシミュレート環境と相互作用します。制御装置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フィードバックが保証され、制御装置は実システムと全く同じ挙動を示す。これによりテストベッドは実稼働環境とほぼ同一となり、実システムへの統合前に安全かつ包括的な性能検証を可能とする。

図1はC-HIL試験の概念図を示しており、マイクログリッドに接続された電力電子コンバータとその関連制御器を特徴としている。左側の図は実システムを示し、上部には物理プラント、下部にはコンバータ制御器が配置されている。右側にはC-HIL試験セットアップが示されており、同じ実制御器がプラントの挙動をエミュレートするリアルタイムシミュレータと接続されている。

図2に示すようなC-HIL環境では、シミュレーションは高忠実度の結果をリアルタイムで提供し、実際のプラントに接続されているかのように実コントローラがシームレスに動作できるようにしなければならない。これには適切な信号インターフェースが必要であり、シミュレータの性能面において重大な課題をもたらす。シミュレータはコントローラからの高動的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。これらの要求を満たすため、リアルタイムシミュレータは固定シミュレーションステップ（通常約1μs）で動作する。これは各ステップで利用可能な計算時間が限られることを意味し、高い処理能力と超低遅延を備えた専用プラットフォームの使用が不可欠となる。さらに、反復解法を用いた数値ソルバを実行する時間的余裕がないため、特殊な機能を備えた最適化されたモデリング手法が必要となる。

市場をリードする超高精度HILテストソリューションであるTyphoon 、高性能なFPGAベースのマルチコアリアルタイムシミュレータと垂直統合型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における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200ns（専用DC-DCコンバータソルバーでは25ns）の時間ステップを実現し、デジタル入力サンプリング分解能3.5nsを特徴とします。一方、ツールチェーンは包括的なコンポーネントライブラリを備え、比類のない使いやすさを提供。精密性と信頼性を求めつつ、スムーズな習得曲線を必要とする産業界や学術界に最適です。

新規HILユーザーが必要なスキルを体系的に習得できるよう、当社のエンジニアが開発した「HILスペシャリスト2.0専門プログラム」では、学生やエンジニアがHIL環境内でモデル作成、シミュレーション実行、結果分析の実践的経験を積むことを可能にします。

**図2.** HIL TriBoard Interfaceを介してInfineon AURIX™評価ボードと接続されたHIL404リアルタイムシミュレータで構成される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は何ですか？

コスト効率性：従来のパワーラボ試験は高額になる可能性があり、物理的なコンポーネント、セットアップ、メンテナンスに多額の投資が必要です。C-HILシミュレーションは、高忠実度モデルを用いて物理システムの一部をリアルタイムで再現することで、これらのコストを大幅に削減し、機器損傷のリスクを低減します。実際のパワー試験やスケールモデル試作が必要な場合でも、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・評価を提供することで、これらの試験のリスク軽減に貢献します。これにより学術機関は研究・教育用ラボをより低コストで構築でき、産業研究開発センターでは迅速制御プロトタイピング（RCP）の効率化と普及が促進される。企業にとっての機会は研究開発を超え、開発から保守・顧客サポートに至る製品ライフサイクル全体で、エンジニアリング支援やテスト自動化、販売前・販売活動の強化を通じた付加価値創出が可能となる。

ハイファイ：FPGA技術による高忠実度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環境を忠実に再現します。図3に示すような設定により、エンジニアは設計を厳密にテストし、正確かつ再現性のある結果を得ることが可能となり、システムが実稼働時に正しく動作する確信を得られます。

安全性：C-HILテストは高出力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、学生が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探索できるようにします。これにより、物理的なテストが危険を伴う可能性のある高出力または複雑なシステムのテストにおいて、HILシミュレーションは極めて貴重な存在となります。また、若手エンジニアや学生にとって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、故障や不安定な状態を含む幅広いシナリオをオンザフライでテストすることを可能にします。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、テスト自動化を通じて広範なテストカバレッジを達成でき、テスト実施者にリスクを及ぼすことなく危険なシナリオを容易にテストできます。

自動化と高速化：エンジニアはテストスクリプトを自動化し、手動監視なしで複数のテストを継続的かつ反復的に実行できます。この機能により、長期テストを通じて微妙なバグや性能問題を特定でき、開発を加速し市場投入までの時間を短縮します。Typhoon Control Center統合されたTyphoonTest Typhoon HubTyphoon 、自動化されたPythonベースのテストスクリプトの作成、ならびにテスト結果の収集・報告・比較を容易にします。

モデルの継続性と統合：垂直統合型Typhoon ツールチェーンの主な利点は、オフラインシミュレーションとリアルタイムHILテスト間のシームレスな移行が可能な点である。エンジニアはオフラインシミュレータを利用でき、 TyphoonSimを用いて初期段階の設計とテストを行い、その後同じモデルを使用してリアルタイムHILテストへシームレスに移行できます。この継続性により、複雑なモデル設定の再作成が不要となり時間を節約できるほか、モデリングエラーの発生リスクを低減し、異なる開発段階にわたって一貫したシステム動作を保証します。

**図3.**C-HIL構成の2例。左はHIL404、右はHIL606リアルタイムシミュレータを、HIL TI LaunchPadを介してTexas Instruments LaunchPad™開発キットと接続した構成を示す。

C-HILシミュレーションは一般的にどこで適用されますか？

当初、自動車および航空宇宙産業向けに開発されたHILシミュレーションは、これらの分野における物理的な試験装置のコストの高さから、進化を遂げコスト効率が向上し、以下のような様々な産業分野での利用が拡大しています：

パワーエレクトロニクス：C-HIL試験は、モーター駆動装置、アクティブフィルタ、スマート家電、ならびに太陽光インバータ、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）を含む様々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、効率性を確保するために極めて重要です。

eモビリティ: HIL手法は自動車および航空宇宙分野で発祥しましたが、電動輸送への移行に伴い、電気自動車・ハイブリッド車、列車、トラック、電動バイク、電動自転車のシームレスな統合、信頼性、最適な性能を確保するためにはC-HIL試験が不可欠となっています。これには電動駆動系、バッテリー管理システム、車載充電器、外部充電器、車両と充電ステーション間の通信が含まれます。

グリッド近代化：再生可能エネルギーへの移行が進むにつれ、インバーターベースの電源の高浸透に伴う課題が生じている。C-HIL手法により、導入前の複雑なシステムに対する包括的な試験と検証が可能となり、システム全体レベルおよび相互運用性試験を通じて故障リスクを最小限に抑える。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、船舶用電力システムなどのアプリケーションにおいて極めて重要である。

医療機器：HILは医療機器に組み込まれた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への適合を保証します。これにより、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が可能となり、X線画像診断装置のような医療診断機器の迅速な技術革新も促進されます。

結論

C-HILシミュレーションは、コスト効率が高く安全かつ柔軟な環境で制御システムのテストと検証を行うエンジニアにとって不可欠なツールです。リアルタイムフィードバック、高忠実度の結果、包括的なテスト自動化といった利点により、HILシミュレーションは複雑な制御システムが実運用前に徹底的にテストされることを保証します。

産業がデジタルトランスフォーメーションを推進する中、HILは開発サイクルの加速と製品品質の向上においてますます重要な役割を果たすでしょう。この技術を習得しようとする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、この変革的な分野で不可欠なスキルを獲得する道筋を提供します。