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モデルベースモータ制御アプリ開発～解析・設計から実装・試験まで～

MathWorks Japan

アプリケーションエンジニアリング部 制御

山本順久

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はじめに：皆様からよく頂く声

モータユーザー/装置ベンダー

実機レスでシステム全体の早期検証を行いたい

検討結果をすぐに実験で確認、設計に活かしたい

モータドライバメーカー

実機で様々なモータ・運転環境を用意できない

制御パラメーターの調節に手間がかかる

モータメーカー/テストベンチメーカー

動的/現実的な挙動を再現・入力したい

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本講演でお伝えしたいこと：モデルベース＆マスワークスソリューションのご利益

モータユーザー/装置ベンダー

モデリング＆シミュレーションによる早期のシステム検証

コード自動生成＆デバイス実装による実験/試作の迅速化

モータドライバメーカー

パラメータスタディで様々なモータ特性・運転環境に対応

応答最適化ツールで制御パラメーター調節を効率化

モータメーカー/テストベンチメーカー

メカエレモデリングツールで動的/現実的な挙動を再現

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モータ制御アプリ開発上の目標・課題

高効率化（省エネ化）

高精度化

高速化

高信頼性・安全性

高経済性（低価格）

快適性（振動/騒音抑制）

装置小型化

・・・

※「モータの省エネ化が日本を救う」から引用 http://www.nikkeibp.co.jp/article/reb/20110622/275169/

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モデルベースソリューション概要 ～解析・設計から実装・試験まで～

仮想実験・解析

周波数応答パラメータ最適化

モータ/

負荷モデル

制御ロジックモデル

＋

制御装置試験

モータ制御実験

RCP

MCU/DSP

FPGA/SoC

モータ/

負荷

制御ロジック

HILS

モデリングC/HDLコード自動生成

シミュレーション制御系設計

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例題を通じてモータ制御開発に便利な機能を紹介します

～DCブラシレスモータの位置センサレス速度制御の開発～

電流

制御装置速度・電流制御

駆動回路インバータ

DCブラシレスモータ

負荷駆動対象

位置（角度）センサ無しで電流情報から演算で位置を推定 エンコーダ・レゾルバ等のコストダウン（コストと性能のトレードオフはアリ） 高温・高圧等のセンサ不適なシステムへの対応

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位置センサレス速度制御ブロック図

dq

αβ

dq

αβ

αβ

abc

αβ

abc

PWM

Driver

PWM

HW

ADC

Driver

ADC

HW

駆動回路

PI

PIPI

モータ負荷

角度推定

速度計算

ω*

id*=0

iq*＋ー ー

＋

＋ー

vd*

vq* vβ*

vα* da

db

dc

ta

tb

tc

vDC

θeω

1kHz処理 10kHz処理（FOC/ベクトル制御）

va vcvb

ia

ib

ia

ibiβ

iα

iq

id

位置センサレス制御部

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デモ紹介の流れ

①基本環境紹介 ②位置センサレス開発 ③Cコード生成→実装

位置センサ付きモデル紹介

各種モデリング機能

制御系設計機能

位置センサレス制御紹介

推定精度の改善

センサレス化に伴う性能劣

化の確認

制御モデルから組み込みC

コードを自動生成

TI C2000プロセッサで評価

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①基本環境紹介

負荷トルク

速度目標

センサ制御ロジック

駆動回路

DCBLモータ

結果表示

制御系全体を1つの環境で表現できます

モータ制御系モデル全体図

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モータのモデリング

Simulink®：ブロック線図モデリング SimPowerSystems™ : モータライブラリ

伝達関数を用いたdq軸モデル例 理想モータモデルブロックを提供

同期モータ 誘導モータ

モータ仕様を設定してすぐに利用できます

様々なモータを表現できます

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負荷・駆動対象のモデリング 様々な運転条件やメカ挙動を再現しやすい

負荷トルク入力定型トルクパターン

ベルトコンベヤ プレスマシン

メカ/物理モデルによるトルク計算

ボールねじ 3Dメカ EV/HEV

SimMechanics™ : 3D機構系

Simscape™ : 1D物理モデリング

SimDriveline™ : 駆動系

SimHydraulics® : 油圧系

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駆動回路のモデリング

SimPowerSystems™ : 電気系/半導体素子ライブラリ

半導体素子ブロックを提供 3相インバータモデル例

様々なパワエレ回路を表現できます

計算を高速化する平均電圧モードを提供

（機械系挙動の確認に便利）

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電流/速度用PI制御の開発

Simulink Control Design™ : PID制御チューニング

①PIゲイン調整

②制御性能調整

③時間・周波数応答確認（開/閉ループ）

④調整結果を反映

PID制御設計・確認に便利です

性能はゲインに依存最適なゲインをどう求める？

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状態監視制御の設計 条件分岐/シーケンス制御に便利です

Stateflow®：状態遷移図/表・フローチャート

正常

制御中

緊急停止

0.2秒経過？

偏差許容外？

目標値変化アリ？

状態ロギング結果

回転数

目標値変化から0.2秒経過後、偏差許容外なら停止する

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②位置センサレス制御開発

位置センサ付き相当の速度・負荷応答

定常回転数誤差：目標値±2%

制御目標

位置センサレス手法

課題／チャレンジ

目標性能を達成できる？

センサレス化に伴う性能劣化は問題ない？応答性能が悪化すると騒音・振動悪化に直結

– 逆起電力が弱い低速度の挙動

– 負荷応答 スライディングモードオブザーバを用いた

逆起電力推定に基づく位置推定

𝑖𝑒𝑠𝑡 𝑛 + 1 = 𝐹𝑖𝑒𝑠𝑡 𝑛 + 𝐺 𝑣 𝑛 − 𝑒𝑒𝑠𝑡 𝑛 − 𝑧 𝑛

𝑒𝑒𝑠𝑡 𝑛 + 1 = 𝑒𝑒𝑠𝑡 𝑛 + 𝑘𝑠𝑙𝑓 𝑧 𝑛 − 𝑒𝑒𝑠𝑡 𝑛

𝑧 𝑛 = 𝑘𝑠𝑙𝑑𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑖𝑒𝑠𝑡 𝑛 − 𝑖 𝑛

𝜃𝑒𝑠𝑡 𝑛 = 𝑡𝑎𝑛−1 −𝑒𝛼 , 𝑒𝛽

課題解決にモデルを活用した設計・

解析・最適化がお役に立ちます

※位置センサレス手法には他にも様々な手法が提案・実用化されています

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スライディングモードオブザーバを用いた位置推定ロジックモデル

モータモデルスライディングモード

コントローラ

逆起電力推定

電気角推定

角速度計算

𝒌𝒔𝒍𝒅, 𝒆𝟎 𝒌𝒔𝒍𝒇

制御ゲイン

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位置推定精度＆制御性能はスライディングモード制御ゲインに依存します

最適なゲインをどう求めるか？ ksld kslf e0

5 1 1

ksld kslf e0

0.5 2 3

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目標性能を達成できる？ 最適値探索で調節作業を効率化できます

Simulink Design Optimization™ : パラメータ自動調節による応答最適化

初期結果位置センサレス結果

目標応答位置センサ付き結果

②目標応答に追従するようパラメータを自動調節

誤差2%未満を達成

①設定 ③確認

ksld kslf e0

初期値 0.5 2 3

最適値 2.14 2.00 5.20

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性能劣化は問題ない？ 実機では検討困難なロバスト解析や

トレードオフ設計に便利

目標性能を達成できる速度下限の評価

センサレス

許容最大負荷：0.25 [N*m]

許容最大負荷：0.24 [N*m]

センサ付き

Simulink APIを用いたパラメータスタディ例

許容最大負荷の評価

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③Cコード自動生成→

MCU/DSPへ実装・評価

マイコンを用いた実験/量産ソフト開発に対応

Serial

over USB

入出力アナログ/

デジタル/

PWM等

MCU検証キット/エミュレータ

Simulinkモデル

Embedded Coder®：

量産/組み込みCコード生成

量産/組み込みに適した可読性/効率性

固定小数点演算コード生成に対応Fixed-Point DesignerTMが必要

特定MCU向けブロックライブラリを提供

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位置センサレス制御の実装例：TI社 C2000 F28027プロセッサへの実装

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モデルを実装・試験にまで活用できます

モータ/

負荷モデル

制御ロジックモデル

＋

制御装置試験

HILS: Hardware In the Loop Simulation

RCP: Rapid Control Prototyping

RCP

MCU/DSP

FPGA/SoC

HILS

C/HDLコード自動生成

用途に合わせて様々な

デバイスで制御実験可能

モータ・負荷挙動を

模擬した試験環境構築

モータ制御実験

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Simulink + TI C2000 実装連携ソリューション概要

モデル成果物をCコード化して実験・試作に活用できます

Simulink/Stateflowモデリング＆シミュレーション

Embedded Coder Support

Package for TI C2000

TI C2000コード生成アドオン

Embedded Coderモデル→Cコード自動生成

Code Composer Studioビルド・実装

controlSUITEデバイスライブラリ

C2000動作・検証

評価ボード実験・試作

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ルネサスエレクトロニクス社提供モデルベース環境

MATLAB EXPO 2014 講演

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RCPマシンによる制御実験・試作 制御モデルをすぐに実験に利用可能

Simulink Coder™：試験用Cコード生成 MCU評価キットよりも便利でお手軽

– 複雑・大きなロジックも試しやすい

– データ型設計不要（倍精度でOK）

– 高速な信号表示＆パラメータ調節

ホストPC RCPマシン ハードウェア

Simulink Real-Time™：RCP/HIL用環境

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FPGA/SoCへの実装

VHDL/Verilog HDLコード生成

ZYLINX Zynq, Altera SoCや

各種FPGAボードに対応

FPGAを用いた高速制御ニーズに対応

Interface FPGAHDLコード

ARM

プロセッサCソフト

HDL Coder™：HDLコード生成Embedded Coder®：

組み込みCコード生成

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モータHILS：モータシミュレータ開発事例

引用元：http://news.mynavi.jp/series/mw_casestudy/009/

世界一の自動車開発を支える検証技術 - TTDCのモータHILS「MotorBox3」

モータ用HILSのFPGA実装にHDL Coder(Simulink)を適用

動作クロック10nsの実現で次世代モータ制御の評価/検証が可能に

TTDC：トヨタテクニカルディベロップメント株式会社

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まとめ：モデルベースでモータ制御アプリ開発をより迅速・快適に！

モータユーザー/装置ベンダー

モデリング＆シミュレーションによる早期のシステム検証

コード自動生成＆デバイス実装による実験/試作の迅速化

モータドライバメーカー

パラメータスタディで様々なモータ特性・運転環境に対応

応答最適化ツールで制御パラメーター調節を効率化

モータメーカー/テストベンチメーカー

メカエレモデリングツールで動的/現実的な挙動を再現

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ご清聴ありがとうございました

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