Microsoft PowerPoint - 【最終提出版】 MATLAB_EXPO2014講演資料_ルネサス菅原.pptx

第二ソリューション事業本部

ルネサス エレクトロニクス株式会社

産業第一事業部

家電ソリューション部

MATLAB/Simulinkを使用したモータ制御

アプリのモデルベース開発事例

目次

１．はじめに

１．１ モデルベース開発とは？

１．２ 目的とメリット

１．３ モデルベース開発環境を使用した場合のメリット

２．当社モデルベース開発環境ご紹介

２．１ 当社モデルベース開発環境概要

２．２ モデル設計

３．シミュレーション

３．１ シミュレーション概要

３．２

GUI上でできること（各種パラメータの設定～シミュレーション実行）

４．実機検証

４．１

C言語自動生成

４．２ 実機検証

４．３ 各種設定から実機評価までの流れ（まとめ）

５．まとめ

1.はじめに～MathWorks

®

_{社製品を採用した理由～}



MathWorks社では多種多様の製品を取り扱っており、

MathWorks社製品のみ

でモー

タ制御アプリケーション向けモデルベース開発環境を構築することが可能

MATLAB

MATLAB

数値計算言語

Simulink

Simulink

モデルベースデザイン

Embedded Coder

MATLAB

_Coder™

Simulink

_Coder™

Embedded Coder

MATLAB

_Coder™

Simulink

_Coder™

コード生成

Control System Toolbox™

Optimization Toolbox™

Simulink

_{Design Optimization™}

Control System Toolbox™

Optimization Toolbox™

Simulink

_{Design Optimization™}

解析・最適化

SimElectronics

SimPowerSystems™

Simscape™

SimElectronics

SimPowerSystems™

Simscape™

ハードウェア系

Stateflow

Stateflow

ソフトウェア系

１．１ モデルベース開発とは？



シミュレーション可能なモデルを用いるソフトウェア及びハードウェア開発手

法



制御器（コントローラ）／制御対象（プラント）またはその一部をモデルで表現し、

机上シミュレーションにより制御アルゴリズムやハードウェアの開発検証を行う開

発手法

MATLAB

®

_{シミュレーション}

_実機評価

システムのモデル化

１．２ 目的とメリット



目的



開発プロセスの改善



メリット

設計品質の向上、後戻り工程の低減、ヒューマンエラーの低減、

生産性の向上、プラントモデルによる全体検証

低コスト化、開発工数の短縮

１．２ 目的とメリット

従来の組込みシステムの開発の流れ（一例）

システム

仕様策定

ハードウェア

仕様策定

ソフトウェア

仕様策定

ハンド

コーディング

ソフトウェア

単体試験

回路図

レイアウト

基板作成

システム

テスト/検証

ハードウェア

開発

ソフトウェア

開発

基板が完成するまで実機でソフトウェ

ア検証することができない。

ハンドコーディングのためヒューマンエ

ラーの可能性が高くなる。

ハードウェアバグが発生した場合、基

板開発費がさらに上乗せ。

テストフィードバック

基板

基礎評価

１．２ 目的とメリット

モデルベース開発を利用した組込みシステムの開発の流れ（一例）

システム

仕様策定

システム

テスト/実機

検証

基板

基礎評価

コーディング

テスト

フィードバック

設計品質の向上、後戻り工程の低減、ヒューマンエラーの低減、

生産性の向上、プラントモデルによる全体検証

仮想環境

_実機環境

モデルベース開発

対応

基板作成

システム

シミュレーション

ハードウェア

シミュレーション

ソフトウェア

シミュレーション

仮想環境上（シミュレーション）で仕様

の妥当性を確認することが可能

１．３ モデルベース開発環境を使用した場合のメリット

モータ制御アプリケーションハードウェア開発では・・・

従来の開発工程

Time

机上による仕様及び機能検証・検討

基板開発

テスト

モデルベース開発

環境を使用した

開発工程

シミュレーションによる仕様及

び機能検証・検討

基板開発

テスト

机上による仕様検証→システム仕様でシミュレーションによる

仕様検証・検討（ソフトウェア不要）

工数削減、低コスト化、信頼性の確保

工数削減

１．３ モデルベース開発環境を使用した場合のメリット

モータ制御アプリケーションソフトウェア（アルゴリズム）開発では・・・

従来の開発工程

Time

仕様検討

モデルベース開発

環境を使用した

開発工程

シミュレーションにより

ソフトウェア（アルゴリズム）検証が可能

（ハードウェア不要）

工数削減、低コスト化、信頼性の確保

コーディング

シミュレーションによる

仕様検証・検討

実機によるテスト・検証

コード/パラメータ微調整

シミュレーション時にパラメータ調整を

実施するため、パラメータ調整工数や

実機によるテスト出戻り及び実機破壊が半減

実機によるテスト・検証

コード/パラメータ微調整

工数削減

パラメータ

調整

１．３ モデルベース開発環境を使用した場合のメリット

モータ制御アプリケーションのシステム検証では・・・



制御系の安定性評価のために・・・

ナイキスト線図



周波数特性評価のために・・・

ボード線図



応答性評価のために・・・

ステップ応答特性評価



システム環境に近い状態の評価のために・・・

負荷トルクを考慮した速度評価など

机上では難しい評価を簡単に確認することが可能

２．１ 当社モデルベース開発環境概要

MATLAB

®

_{& Simulink}

®

シミュレーション結果

シミュレーション

シミュレーション

フィードバック

C言語自動生成

マイコン実装

Cプログラム

実機評価

/結果

結果比較

評価結果

フィードバック

２．２ モデル設計：制御器



モータ制御ボード



Renesas Solution Starter Kit(低電圧モータ制御評価システム)を

MathWorks

®

_{社製ツールを用いて実装（モデル化）}

Renesas Solution Starter Kit

(低電圧モータ制御評価システム)

モデル化

２．２ モデル設計：制御器



モータ制御ソフト



センサレス

/エンコーダベクトル制御サンプルソフトをMathWorks

®

社製ツール

を用いて実装（モデル化）

サンプルコード

モデル化

２．２ モデル設計：制御対象



3相BLDCモータ



Renesas Solution Starter Kitに同梱しているBLDCモータを

MathWorks

®

_{社製ツールを用いて実装（モデル化）}

モデル化

負荷トルク

BLDCモータ

エンコーダ

BLDCモータ

３．１ シミュレーション概要



評価の流れ

モータパラメータ

の設定

制御パラメータの

設定

速度/負荷トルク

指令値設定

シミュレーション

実機評価

1つのGUIで操作可能

GUIトップ画面

２．１ 当社モデルベース開発環境

GUI概要

19

GUIトップ画面

モータ

パラメータ調整

制御パラメータ

調整

PIゲインチューニ

ング・検証

C言語自動生成

シミュレーション

様々な機能を

1つのGUIに実現

３．２ モータパラメータの設定



モータパラメータ設定



モータに関わるパラメータを設定することが可能

抵抗

d/q軸

インダクタンス

定格トルク

慣性

モーメント

極対数

最大速度

など

３．２ 制御パラメータの設定①



制御パラメータ設定（基本設定）



制御に関わるパラメータを設定することが可能

クロック

デッドタイム

過速度

リミット値

キャリア

周波数

位置センサ

あり？なし？

最大電流

など

３．２ 制御パラメータの設定②



制御パラメータ設定



PIゲインを直接入力可能



理論式から求める

PIゲイン静的チューニング



特定の負荷に対しての

PIゲイン動的チューニング

（

Simulink

®

Design Optimization™使用）



伝達関数（電流ループ・速度ループ）の計算



解析や勉強の為にステップ応答、ナイキスト線図、ボード線図の表示

３．２ 指令値設定



モータ速度指令値／負荷トルク指令値設定



モータ速度指令値や負荷トルク指令値を

GUIを用いて直感的に操作/設定する

ことが可能

速度指令値設定

３．３ シミュレーション実行



シミュレーション実行



ボタン

1つでシミュレーション開始/停止



シミュレーション結果：任意の値を表示することが可能

例1）速度指令値とモータ速度

例2）３相電流波形

シミュレーション開始

シミュレーション停止

シミュレーション進捗度



評価例：負荷トルクをかけたときの速度評価



シミュレーション条件

− 速度指令値:2000rpm

− 負荷トルク：モータ定格トルクの50%

３．３ シミュレーション実行

50%

負荷をかけるとモータ速度低下

システムの要求に応じて

パラメータを修正する

2000rpm

負荷

多様な条件を評価すること

が可能（基板・モータ必要なし）

４．１

C言語自動生成



下記のソフトウェア開発環境（統合開発環境）に対応し、ボタン１つでコード

生成が可能



CS+版



e

2

_studio版

CS+版

e

2

_studio版

ユーザが任意に統合開発環境を

選択することが可能

0

500

1000

1500

2000

2500

0

1

2

3

4

5

6

7

モータ速度評価

４．２ 実機検証



シミュレーション結果と実機比較



速度指令値

− 0s～3.3s：2000rpm

− 3.3s～：0rpm



負荷トルク指令値：無負荷



シミュレーション時間

:6.5s

シミュレーション結果と実機評価結果は

ほぼ同等の値を得ることが可能

シミュレーション上には存在しない

基板ノイズなどが影響

シミュレーション結果≒実機結果

にすることが課題

４．３ 各種設定から実機評価までの流れ（まとめ）

モータパラメータ

の設定

制御パラメータの

設定

速度/負荷トルク

指令値設定

シミュレーション

実機評価

各種パラメータ設定

• 抵抗

•

q軸インダクタンス

•

d軸インダクタンス

• 定格電圧

• 定格電力

• 極対数 など・・・

各種パラメータ設定

• 制御手法

• デッドタイム

• 最大電流

• 最大電圧

•

PIチューニング

など・・・

指令値設定

• 速度指令値の

設定

• 負荷トルク指令値

の設定

シミュレーション

・スタート

・ストップ

・波形自動表示

実機評価

・C言語自動生成

・統合開発環境

自動表示

様々な機能を

1つのGUIに実現

５．まとめ



本講演では、当社で開発したモータ制御モデルベース開発環境の概要をご

紹介致しました。



当社モータ制御モデルベース開発環境を用いることにより、低コスト化や開

発期間の短縮を図ることが可能です。



当社では様々なモータ及び制御手法のモデルベース開発環境を用意してい

ます。詳細に関しましては当社までお問い合わせください。

問い合わせ先：

ルネサスエレクトロニクス株式会社 技術問合わせホームページ

http://japan.renesas.com/contact/contact_tech.html