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 ルネサスエレクトロニクス株式会社 第二ソリューション事業本部産業第一事業部家電ソリューション部 Rev. 1.00 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. IAAS-AA-14-0202-1
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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 2
1. はじめに 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 3
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 数値計算言語 MATLAB モデルベースデザイン Simulink ハードウェア系 SimElectronics SimPowerSystems Simscape ソフトウェア系 Stateflow コード生成 Embedded Coder MATLAB Coder Simulink Coder 解析 最適化 Control System Toolbox Optimization Toolbox Simulink Design Optimization モータ制御アプリケーションのモデル化 シミュレーション / 解析 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 4 GUI 開発 /C 言語自動生成
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 システムのモデル化 MATLAB シミュレーション 実機評価 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 5
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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 6
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 ) ハードウェア開発 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 ハードウェア仕様策定 回路図レイアウト 基板作成 基板基礎評価 システム仕様策定 テストフィードバック システムテスト / 検証 ソフトウェア開発 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 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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 7
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 ) 仮想環境 実機環境 システムシミュレーション 基板作成 基板基礎評価 システム仕様策定 ハードウェアシミュレーション テストフィードバック システムテスト / 実機検証 ソフトウェアシミュレーション コーディング 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 モデルベース開発対応 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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 8
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 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 工数削減 Time 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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 9
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 仕様検討 コーディング パラメータ調整 実機によるテスト 検証コード / パラメータ微調整 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 工数削減 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 ) Time 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 工数削減 低コスト化 信頼性の確保 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 10
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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 11
2. ルネサスモデルベース開発環境ご紹介 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 12
2.1 当社モデルベース開発環境概要 MATLAB & Simulink C プログラム C 言語自動生成 シミュレーションフィードバック シミュレーション 評価結果フィードバック マイコン実装 結果比較 シミュレーション結果 実機評価 / 結果 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 13
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 ) モデル化 Renesas Solution Starter Kit ( 低電圧モータ制御評価システム ) Simulink 画面 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 14
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 ) モデル化 サンプルコード 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 15
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 ) 負荷トルク BLDC モータ モデル化 エンコーダ BLDC モータ 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 16
3. シミュレーション 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 17
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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 18
2.1 当社モデルベース開発環境 GUI 概要 C 言語自動生成 モータパラメータ調整 制御パラメータ調整 GUI トップ画面 PIゲインチューニング 検証 19 シミュレーション 様々な機能を 1 つの GUI に実現 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved.
3.2 モータパラメータの設定 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 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 最大速度 慣性モーメント 極対数 など 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 20
3.2 制御パラメータの設定 1 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 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 位置センサあり? なし? 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 最大電流 など 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 21
3.2 制御パラメータの設定 2 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 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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 22
3.2 指令値設定 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 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 負荷トルク指令値設定 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 23
3.3 シミュレーション実行 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 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 シミュレーション進捗度 シミュレーション開始シミュレーション停止 例 1) 速度指令値とモータ速度 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 24 例 2)3 相電流波形
3.3 シミュレーション実行 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 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% 2000rpm 負荷をかけるとモータ速度低下 負荷 50% 3 秒 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 25 システムの要求に応じてパラメータを修正する 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. 実機評価 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 26
4.1 C 言語自動生成 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 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 ユーザが任意に統合開発環境を選択することが可能 e 2 studio 版 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 27
4.2 実機検証 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 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 2500 2000 モータ速度評価 速度指令値 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 シミュレーションモータ速度結果 実機評価モータ速度結果 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 1500 1000 500 0-500 0 1 2 3 4 5 6 7 シミュレーション結果 実機結果にすることが課題 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 28
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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 29
5. まとめ 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 30
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 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved. 31
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