モーター・モーション制御 モデルベースデザイン …...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）

1 © 2013 The MathWorks, Inc.

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 電気 機械

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 まずは実例でワークフローの全体像を見てみましょう

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 電気 機械

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） xPC Target ブロックライブラリ

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

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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

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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 （xPC Target用ドライバ、テストモデル、ケーブル、端子台が付属）

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（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 Intel Core2 Duo / 2GBメモリ

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： ブラシレスDCモーター（PMSM）の速度制御

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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

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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

spin

dle

spee

d (r

pm)

time (sec)

Expected Velocity Envelope応答性の要求

（目標速度） 安全性の要求

（過電流保護）

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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

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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

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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

ターゲットマシン

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

• HDL Coder™によるプログラミング

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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

PC

I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）

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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

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（参考）Speedgoat 社提供

xPC Target Drivers and Tools Library

37

④リアルタイムテストの実行 制御要求に対する実機の挙動は？

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

Ro

tor

Ve

locity

r (R

PM

)

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

Ph

ase

A C

urr

en

t I A

(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

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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

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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

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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

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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？

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