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モーター・モーション制御 モデルベースデザイン実践 「リアルタイムテスト」編

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Academic year: 2021

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(1)

モーター・モーション制御

モデルベースデザイン実践

「リアルタイムテスト」編

MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部 チームリーダー / シニアアプリケーションエンジニア 宅島 章夫

(2)

モーター・モーション制御とは?

負荷の動き(速度、位置)を意図した通りに制御

モーター

モーター制御 負荷制御

モーターの状態

(電流、速度、位置)

負荷の状態

(速度、位置)

制御指令

制御信号

負荷

駆動回路

(3)

モーター・モーション制御に対するニーズ・トレンド

低コスト化

センサレス制御、 安価なマイコンの採用 過負荷・過電流保護、 自動診断

品質・安全性向上

開発期間短縮

タイムリーな製品市場投入

電動化の普及・拡大

HEV/PHV、FA、プラント、 家電、空調、鉄道、等

省エネ化・高効率化・

省スペース化

先進的なモーター/インバータ 駆動技術

制御の高精度化・

高機能化

自動パラメータ調節 振動・騒音抑制 多軸同期制御

(4)

モデルベースデザインが皆様の

課題・ニーズの解決に貢献します

統合テスト(実機 システムレベル設計(モデル 制御 機械 電気 テ ス ト & 検 証 研究課題、要求仕様書 RCP/HIL システム性能評価(モデル・実機 組み込み コード生成

高精度・高機能な

コントローラを設計

[講演.1] 制御設計編

実機の挙動を模擬した

プラントモデルを作成

[講演.2] プラントモデリング編

コントローラモデルから

組込みコード生成

[講演.4] 組み込みコード生成編

リアルタイムHWを使って

すぐに制御実験

[講演.3] リアルタイムテスト編

モデル活用で開発前倒し&修正ループ高速化を実現

(5)

本講演の位置付け

モデルベースデザインによるリアルタイムテストに

フォーカスします

コード 自動生成 モデ リング 制御 設計 制御 実験

KEY POINTS

「今すぐ動かせる」

制御モデル、I/Oドライバをシングルク リック操作で実装 

「いろいろ試せる」

自動/手動での実機チューニング、 データの収集・モニター 

「シームレス」

一貫したMathWorksのツールチェー ンによる解析・設計・検証・テスト 

「汎用性・柔軟性」

汎用PCベース、幅広いI/Oに対応し たリアルタイムシステムの構築 制御対象 制御装置・ソフト 制御対象 モデル 制御モデル

(6)

リアルタイムテストの実行環境

(7)
(8)

アジェンダ

モデルベースデザインとリアルタイムテスト

xPC Target

によるリアルタイムテスト環境の構築

ケーススタディ

アドバンストトピックス

まとめ

(9)

アジェンダ

モデルベースデザインとリアルタイムテスト

xPC Target

によるリアルタイムテスト環境の構築

ケーススタディ

アドバンストトピックス

まとめ

(10)

モデルベースデザインとリアルタイムテスト

リアルタイムテストとは?そのキー要素は?

「リアルタイムテスト」とは?

システムレベル設計の妥当性を

「実機・実時間で」実行・検証する

プロセス

「モデルベースデザイン」では

RCP

,

HIL

の2つの検証手法が

リアルタイムテストのキー要素

※RCP :Rapid Control Prototyping ※HIL :Hardware-In-the-Loop 統合テスト(実機 システムレベル設計(モデル 制御 機械 電気 テ ス ト & 検 証 研究課題、要求仕様書 組み込み コード生成 RCP/HIL システム性能評価(モデル・実機

(11)

RCP

• 評価対象は制御モデル

• ターゲットマシンに制御モデルを実装

• 実制御対象と接続

HIL

• 評価対象は実制御装置(例:ECU)

• ターゲットマシンに制御対象モデル

を実装

• 実制御装置と接続

RCPとHILの概要・目的と基本構成

評価対象は「制御モデル」か?「実制御装置」か?

Ethernet 各種I/O ホストPC ターゲット マシン テスト ハードウェア 本講演のフォーカス

(12)

リアルタイムテスト(RCP)のメリット

どのようなニーズに応えられるのか?その効用は?

「とにかく今すぐ実機で動かしたい」

というニーズに応える手法

• ハンドコーディング不要 • コンセプト/アイディアを即座に実装

「小さな検証サイクルを回す」

ことで大きな手戻りを抑制

• モデルへの知見/ノウハウ蓄積 • 実機挙動に即した高精度な設計・検証

「動かすからこそ見える/試せる」

ことを評価して原理原則を理解

• モデル化誤差、パラメータ誤差 • 実機でのパラメータチューニング

「量産/試作ハードの完成を待たず」

に開発の早期段階で検証

• 汎用制御装置でシステムを構築 • 専用ハードの都度試作が不要

(13)

アジェンダ

モデルベースデザインとリアルタイムテスト

xPC Targetによるリアルタイムテスト環境の構築

ケーススタディ

アドバンストトピックス

まとめ

(14)

Host Computer with MATLAB® & Simulink® Real-Time Target Machine Ethernet Link 1 2 3

ホストPCで作成したSimulinkモデルをビルドし、

ターゲットマシン(汎用PCベース)へ自動ダウンロード

コード生成, コンパイル & リンク, 実行

1 2 3

xPC Target - ワークフロー

リアルタイムテストの実行には何が必要?

(15)

Ethernet Link 3 1 2 4 2

パラメータチューニング, 信号のモニタリング, テストデータを

ロギングしてMATLAB上で解析, GUI/HMIを作成してコントロール,

3次元アニメーション

Host Computer with MATLAB & Simulink Real-Time Target Machine 1 2 3 4

xPC Target - 操作性とデータアクセス

実行時にできることは?データの収集・解析の方法は?

(16)

Real-Time Target Machine

幅広いI/Oデバイスタイプ、通信プロトコルをサポートするドライバ

ブロックのライブラリを提供

I/Oハードウェアの設定はブロックパラメータで容易に設定可能

xPC Target - I/Oサポート

I/Oハードウェアの使用方法・設定方法は?

(17)

(参考)

(18)

例題:簡易的なループバックテスト

出力波形の切り替え

アニメーション表示

I/Oドライバブロック

スライダーバー

ゲイン調整

xPC Target Explorer

モニタリング・パラメータ調整

(19)

xPC Targetのキーバリュー

リアルタイムテストにおける本製品ならではのポイントは?

ツールの一貫性

• シンプルな操作ステップで実装

• Simulinkモデルからの直接操作・

チューニングが可能

• 同一のツールチェーン+最新

バージョンでデータのモニターや

解析が可能

ハードの汎用性・柔軟性

• リアルタイムマシンは汎用の

PCベース

• 広範なI/Oデバイスタイプ、

通信プロトコルを使用可能

• 「Turnkeyソリューション」

を提供

(20)

お客様のハード/システム

xPC Targetを含む MATLAB®, Simulink® 開発環境

テストハードウェア

お客様のハード/システムに最も適した

ソフト/ハード環境を提案・提供する2社連携ソリューション

xPC Target Turnkey ソリューション

ソフト/ハード環境の構築はどう進める?

※Speedgoat GmbHの日本販売代理店は(株)アイダックス リアルタイムシステム

(21)

Speedgoat リアルタイムターゲットマシン

どのような場面で使える?

• xPC Target向けに最適化された様々な性能のマシン

• 様々な用途のフォームファクタ(オフィス、実験、工場 等)

• 幅広いI/O接続に対応した柔軟なアーキテクチャ

(22)

I/O タイプ 主な機能

Analog High-resolution, high-speed, simultaneous sampling, BNC and XLR panels Digital TTL, 12V, 24V, high-drive, opto-coupled

Serial RS232, RS422, RS485, SDLC, HDLC

Protocols CAN, SAE J1939, real-time UDP, raw Ethernet, SPI, I2C, SSI, EtherCAT, USB WebCam, CameraLink, ARINC 429, MIL-STD-1553, FlexRay, ... Audio/Speech Audio/Speech optimized analog IO modules

Shared Memory Reflective Memory for high speed data transfer in multi-processor systems Various LVDT/RVDT, Synchro/Resolver, reed relays, programmable resistors,

thermocouple I/O module from Measurement Computing, external signal conditioning modules (current to voltage, voltage to current, temperature, …) Configurable FPGA • Pulse train (PWM, capture, quadrature decoding, hall effect)

• Event based interrupts

• Analog I/O with lowest latency and/or special synchronization schemes

I/Oモジュール

幅広いタイプ・スペックのI/Oモジュールを提供

(23)

(参考)モーター・モーション制御向け

Speedgoat ハード環境の構成例

入出力タイプ I/O要求例 対応モジュール アナログ入力(2ch) 20kHz程度, 16-bit, 同時サンプリング IO106 PWM出力(3ch) 数kHz程度, TTL IO313 エンコーダー測定(1ch) インクリメンタルエンコーダー, TTL IO313

CAN(1ch) CAN 2.0B準拠 IO601

IO106 アナログ入力 16-bit, 32SE/16DF, 200kHz/ch IO313 FPGAベース I/O 3xPWM, 3xQAD,... (デフォルト設定) IO601 CAN 2xCAN/LIN Performance

Real-time Target Machine

(24)

アジェンダ

モデルベースデザインとリアルタイムテスト

xPC Targetによるリアルタイムテスト環境の構築

ケーススタディ

アドバンストトピックス

まとめ

(25)

ケーススタディ:

(26)

ケーススタディの流れ

モデルベースデザイン, RCP, xPC Targetのバリューは?

コード 自動生成 モデ リング 制御 設計 制御 実験 制御対象 制御装置・ソフト 制御対象 モデル 制御モデル

①制御要求の確認

• 応答性・安全性に対する仕様

③テスト環境のセットアップ

• ホスト・ターゲット・実機の接続

④リアルタイムテストの実行

• モデルのビルド・ダウンロード

⑤テスト結果の検証

• 制御要求、モデルの妥当性検証

②制御系の構築

• 制御構造・I/O・制御周期

目的:制御モデルの妥当性をRCPで検証

(27)

①制御要求の確認

要求される応答性、安全性は?

指標 項目 仕様 応答性 (目標速度) 立ち上がり時間(定常値の80%) < 0.18 sec 整定時間 < 0.5 sec オーバーシュート < 5 % 定常偏差 < 2 % 安全性 インバーター過電流保護 > ±1.8 A, > 50 ms 持続時 インバーターをトリップ(遮断) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -500 0 500 1000 1500 sp ind le sp eed ( rp m )

Expected Velocity Envelope

応答性の要求 (目標速度)

安全性の要求 (過電流保護)

(28)

②制御系の構成

制御構造、I/Oの構成、制御周期は?

駆動回路

モーター

負荷

モーター電流

(アナログ信号)

モーター回転数

(エンコーダー信号)

PWM駆動信号

• 状態監視制御

(制御周期:5 ms)

• 電流・速度制御

(制御周期:40 ms)

制御装置

(29)
(30)

③テスト環境のセットアップ

システム全体構成

ホストPC

テスト

ハードウェア

エンコーダー モーター+負荷 駆動回路

ターゲットマシン

(31)

③テスト環境のセットアップ

モーター・エンコーダー・機械負荷

機器 型番 説明 モーター BLY171D-24V-4000 (Anaheim Automation) ブラシレスDCモーター(PMSM) 30W/24V/4000rpm/0.0625N*m エンコーダー E3-2000-197-I-H-D-B (US Digital) 光学式インクリメンタルエンコーダー 分解能2000パルス 機械負荷 (円盤) - A6061(アルミニウム合金) 直径9.7cm, 慣性モーメント1.035e-4kg*m2

(32)

③テスト環境のセットアップ

モーター駆動回路

ブラシレスDCモーター・キット(TI DRV8312-C2-KIT)

メインボードに搭載のモータードライブチップを使用

コントロールカードに代わりターゲットマシンで制御演算

ターゲットマシ

エンコーダー信号

カスタム

ボード

(33)

③テスト環境のセットアップ

ターゲットマシン

Mobile Real-Time Target Machine

(Speedgoat GmbH)

構成 主な仕様・特徴

メインボード • 2GHz Dual Core Intel® プロセッサ

• 2GB RAM, 100GB HD • Gigabit Ethernet

拡張スロット • 5(PCIバス)

I/Oボード • アナログI/O, CAN, シリアル, etc.

FPGA拡張ボード • 高速PWM生成, エンコーダー測定

(34)

③テスト環境のセットアップ

ターゲットマシンとテストハードウェアの接続

I A I B エンコーダー モーター+負荷 駆動回路 PWM A PWM B PWM C A B Index PCI バス

CPU(x86)

Inverter SW/A Inverter SW/B Inverter SW/C アナログ入力 モジュール (IO106) ディジタルI/O モジュール (IO101) FPGAベース I/Oモジュール (IO313)

(35)

③テスト環境のセットアップ

制御モデルへのI/Oブロック配置

電流信号入力 エンコーダー 信号入力 インバーター ON/OFF出力 PWM信号出力

(36)

(参考)Speedgoat 社提供

(37)

④リアルタイムテストの実行

(38)
(39)

⑤テスト結果の検証(応答性)

目標速度の要求を満たしているか?

指標 項目 仕様 応答性 (目標速度) 立ち上がり時間(定常値の80%) < 0.18 sec 整定時間 < 0.5 sec オーバーシュート < 5 % 定常偏差 < 2 %

実機でのローター回転速度(rpm)

制御設計の有効性が

実機テストで実証

(40)

⑤テスト結果の検証(安全性)

過電流保護の要求を満たしているか?

指標 項目 仕様 安全性 インバーター過電流保護 > ±1.8 A, > 50 ms 持続時 インバーターをトリップ(遮断) 青:過電流検出フラグ 赤:インバーターSW 青:A相電流 赤:B相電流

機能安全設計の有効性が

実機テストで実証

50.04 ms

(41)

⑤テスト結果の検証

シミュレーションとの一致性は?

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 R o to r V e lo c it y  r ( R P M ) time (sec) Hardware vs. Simulation NRMSD = 0.345% Sim HW ローター回転速度(rpm) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 P h a s e A C u rr e n t IA ( A ) time (sec) Hardware vs. Simulation NRMSD = 2.42% Sim HW A相電流(A)

モデルで高精度な

制御設計・検証が可能

(42)

ケーススタディまとめ

モデルベースデザイン, RCP, xPC Targetのバリューは?

実機で即座に動作検証

ハンドコーディングが不要

シングルクリック操作で実装

モデル⇔実機の繰り返しに

よる修正ループ高速化

実機実験でアイディア実証

知見に基づきモデルを改良

シームレスなツールチェーン

パラメータチューニング

データのモニター・ロギング

汎用性の高い制御装置

PCベースのプラットフォーム

専用I/Oライブラリの提供

①制御要求の確認

• 応答性・安全性に対する仕様

③テスト環境のセットアップ

• ホスト・ターゲット・実機の接続

④リアルタイムテストの実行

• モデルのビルド・ダウンロード

⑤テスト結果の検証

• 制御要求、モデルの妥当性検証

②制御系の構築

• 制御構造・I/O・制御周期

(43)

アジェンダ

モデルベースデザインとリアルタイムテスト

xPC Targetによるリアルタイムテスト環境の構築

ケーススタディ

アドバンストトピックス

まとめ

(44)

xPC Target TurnkeyにおけるFPGAソリューション

FPGA I/Oモジュールのカスタムプログラミングは可能?

実装したいアルゴリズムをSimulinkで作成

「HDLワークフローアドバイザ」によりステップ・バイ・ステップで設定

FPGAビットストリームとxPC Target用のI/Fブロックを自動的に作成

HDL Coder™と連携してI/Fブロックを自動作成

Speedgoat のシステムだけが提供できるソリューション

(45)

アジェンダ

モデルベースデザインとリアルタイムテスト

xPC Targetによるリアルタイムテスト環境の構築

ケーススタディ

アドバンストトピックス

まとめ

(46)

まとめ

コード 自動生成 モデ リング 制御 設計 制御 実験

KEY POINTS

「今すぐ動かせる」

制御モデル、I/Oドライバをシングルク リック操作で実装 

「いろいろ試せる」

自動/手動での実機チューニング、 データの収集・モニター 

「シームレス」

一貫したMathWorksのツールチェー ンによる解析・設計・検証・テスト 

「汎用性・柔軟性」

汎用PCベース、幅広いI/Oに対応し たリアルタイムシステムの構築 制御対象 制御装置・ソフト 制御対象 モデル 制御モデル

シームレスで汎用性・柔軟性の高い

リアルタイムテスト環境を構築してみませんか?

(47)

お問い合わせ

http://www.mathworks.co.jp/contact_us/

ご清聴ありがとうございました。

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