HILS 検証システム

図

5.7

に，提案する

MBD

手法における

HILS

検証システムの構成を示す．システム は，実際のコントローラ，実際のサーボアンプの制御ユニット基板，サーボアンプの パワー回路，コンバータ，電源，サーボモータおよび機械のモデルを実装したリアル タイムシミュレータとホスト

PC

を接続した構成となっている．各モデルは，図

5.5

に

示した

Simulink

モデルをリアルタイムシミュレータの実行コードに変換した形で実

装される[19]．ただし，スイッチング動作を伴うパワー回路とサーボモータの位置を 検出するエンコーダのモデルは

FPGA(Field Programmable Logic Array)

に実装されて いる．各モデルの動作は以下のようになる．

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図5.6 MILS検証のSimulink画面例

図5.7 提案するサーボ制御システムのためのHILS検証システムの構成

DC-リンク電圧

パワー回路 モデル コンバータ

モデル

PWM リアルタイムシミュレータ 信号

コントローラ

制御ユニット 基板

機械モデル トルク

パワー回路 モデル PWM信号

制御ユニット 基板 サーボアンプ1

パワー回路 モデル PWM

信号 制御ユニット

基板

商用 電源 モデル

モータ モデル モータ

モデル モータ

モデル

指令ｎ ネットワーク

3Dリアルタイム アニメーション

各部波形 位置 速度 電流 電圧 振動

： ホストPC

指令1 指令2

ｴﾝｺｰﾀﾞ モデル 電流

位置

実際の制御機器 _{サーボアンプ2 サーボアンプｎ}

FPGA FPGA FPGA

FPGA FPGA FPGA

S/W S/W

S/W

S/W S/W

トルク トルク

ｴﾝｺｰﾀﾞ

モデル ｴﾝｺｰﾀﾞ

モデル

電流 電流

位置 位置

・・・

表示器

66

(1)パワー回路モデル：サーボアンプからの PWM(Pulse Width Modulation)信号を， FPGA

を用いてリアルタイムシミュレータの計算周期

10 μs

間での平均電圧に変換する．

PWM

信号のスイッチングはリアルタイムシミュレータの計算周期とは非同期で発 生するため，

FPGA

において

20 ns

周期でサンプリングし

10 μs

間での平均電圧に変 換している．なお，PWM信号生成のキャリア周波数は

10 kHz

である．ここではサ ーボアンプ（

50 W

～

55 kW

）のパワー回路をモデル化している．

(2)モータモデル：パワー回路モデルからの 10μs

間での平均電圧に基づいて電流およ

びトルクを発生する．ここでは表面磁石タイプと埋込磁石タイプの回転型サーボモ ータ，およびリニアサーボモータをモデル化したものである．

(3)エンコーダモデル：モータ位置信号に基づいて FPGA

を用いてエンコーダ信号を

模擬して，製品と同じく

50 μs

周期でサーボアンプに出力する．

(4)電流センサモデル：D/A

変換器を使って電流検出信号を模擬して，サーボアンプに

出力する．

(5)

電源モデル：瞬時停電などの現象も含めた商用電源系統の動作を模擬する．

(6)機械モデル：モータトルクや外乱に対する機械各部の動作を模擬する．計算周期は

200 μs

が標準設定である．

以上のように提案手法における

HILS

検証システムでは，コントローラやサーボア ンプの制御ユニット基板は，実際の機械，モータ，パワー回路を制御しているのと同 等な挙動を示すことになる．また，実際のパワー回路，モータ，機械を使用しないの で，電源環境，設置場所，安全面での制約を受けずに様々な運転条件や負荷条件に対 して机上での検証が可能である．

図

5.8

は，上述のリアルタイムシミュレータとホスト

PC

間での信号やデータの授 受を示したものである．ホスト

PC

はリアルタイムシミュレータからの情報に基づい て，機械モデルのリアルタイム

3D

アニメーションや各部の波形を表示することがで きる

67

図5.8 リアルタイムシミュレータとホストPCの処理内容とその関係

5.4 提案手法の適用結果と考察

ドキュメント内 産業機械のサーボ系開発におけるモデルベース手法の活用 (ページ 69-72)