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
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
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 制御モデルリアルタイムテストの実行環境
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
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
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)
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
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 3xPC 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?
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 4xPC 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?
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?
(参考)
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
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
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
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
(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 IO313CAN(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
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
ケーススタディ:
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
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)
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
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
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*m2③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
ン
エンコーダー信号
カスタム
ボード
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
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)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(参考)Speedgoat 社提供
④リアルタイムテストの実行
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
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 ms⑤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
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
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
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
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?
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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