TECH Biz EXPO 2013 レアアースレスモータ制御の …IP モータ制御ソフトウェア本研究成果新方式制御用電子回路現在新技術ネオジムやジスプロシウムなどの希土類を使わないモータ。

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株式会社サニー技研名古屋事業部開発課

渡辺雅之

レアアースレスモータ制御のためのソフトウェア実装技術の開発事例

2013/10/10

次世代ものづくり基盤技術産業展 TECH Biz EXPO 2013


会社概要

• TOPPERS（正会員）

• ASIF（幹事会員）車載組込みシステムフォーラム

• JASPAR（正会員）

• AUTOSAR （アソシエートメンバー)

加盟団体

•本社/伊丹開発センター兵庫県伊丹市

•名古屋事業所/技術センター名古屋市中区

•熊本技術センター熊本県熊本市

•東京オフィス東京都中央区

事業所

• 社名株式会社サニー技研

• 所在地本社兵庫県伊丹市

• 代表者代表取締役社長中村和彦

• 設立１９７４年７月

基本情報

• 【電子機器の開発、製造、販売】

• マイクロコンピュータを応用した各種機器の開発・製造・販売

• 車載LANに関するツール開発・販売・適合試験

• 各種工場のFAシステム開発

• 情報通信機器のソフトウエアの開発

• 半導体試験装置の開発

事業内容


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車載ネットワーク応用制御（地域新生コンソーシアム研究事業「自動車統合制御用組込みOS」実証実験より）

車載組込みソフトウェア開発支援装置（車載ネットワーク評価ボード(S810-CLG3）、CAN/LINバスアナライザ、RAMモニタ（MicroPecker））

車載組込みソフトウェア・開発支援装置から、

モータ制御の開発支援システムへの取り組みへ

MGマイコン評価システム

ET-2011におけるモータ開発支援システムの展示

モータ制御開発への取組み

EV/HV制御応用へ

EV/HV用開発ツールへ

モータ制御マイコンを応用したソリューションの提供

サニー技研のモータへの取り組み


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レアアースレスモータとは？

制御用電子回路

現状のEV/HVモータ及びその制御レアアースモータ

（従来モータ：永久磁石同期モータ）

汎用ハードウェア

レアアース

モータ制御ソフトウェア（大規模）

制御電子回路・コンピュータの構成の見直し必要

新制御ソフトウェアの開発が必要

研究開発

次世代EV/HVモータ及びその制御レアアースレスモータ

（巻線界磁形フラックススイッチングモータ）

レアアース削減

モータ制御ハードウェア

モータ制御IP

モータ制御ソフトウェア本研究成果

新方式制御用電子回路

現在新技術

ネオジムやジスプロシウムなどの希土類を使わないモータ。


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巻線界磁形フラックススイッチングモータ

研究に用いたレアアースレスモータの紹介

• ステータ側に三相電機子巻線、界磁巻線を配置． • ロータは電磁鋼板（レアアースモータは永久磁石）. • 希土類元素などの特殊な材料は使用しない．

ロータ：電磁鋼板ステータ

モータの構造

永久磁石を使用しない、脱レアアースモータ従来からある三相ブラシレスモータの制御【三相電機子巻線制御】に加えて、界磁巻線制御がプラス。

界磁巻線三相電機子巻線


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レアアースレスモータ制御の課題

・制御電子回路・コンピュータの構成の見直しが必要

・新制御ソフトウェアの開発が必要

・実機は世界に1台のみ・・・。 (制御の評価が困難) (誤った制御だと破損する恐れがある)


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課題の解決 -シミュレータツール導入の経緯-


課題解決の為に、シミュレータツールの導入を決定!

制御基板の新規設計・製造と並行し、かつ安全に新制御ソフトウェアの開発・評価を実施したい・・・。

モデルベース開発を実施しよう！ HILSも作りたい。モデル開発ツールで、マイコンの周辺モデルを作成した実績と資産がある！！

各シミュレータツールを利用。 Virtualizer, SPW, HDS(Synopsys社)

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研究開発に使用したツールその1

Virtualizer

• バーチャル・プロトタイプの作成、配布(共有)、活用のためのツール

• 今までのソフトウェアの評価では、基板とICE及び制御対象の実機が必要。

• Virtualizerを使うと、実機が無くてもソフトウェアの検証が可能。また、モデル化したハードウェアのコードに対してブレークを仕掛けることも可能。


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SPW(Signal Processing Worksystem)

• DSPシステムのコンセプトからインプリメンテーションまでの期間を最短化するためのツール

• モータモデルの実装に使用。


なぜ、SPWを使用したのか？

8


• Simulinkとの違い計算模型が異なる。 Simulink：連続時間信号を取り扱えるタイム・ベース・ソルバー SPW：離散信号を取り扱うデータフロー型 ⇒より高速な計算処理を期待できる。

• 後述のHDSで、Simulink同様RTLに落とし込める。

検討したソリューション

Simulinkは「標準」と言われていますが... なぜ、SPWを使用したのか？


9



HDS(Hardware Design System)

• SPWと連携することで、FPGAにモータモデルを落とし込むことが可能。

• HDSを用いるとSPWと、Verilog間で、コードの一貫性を保持することが可能。

FPGA搭載モータ模擬基板レアアースレスモータ制御のためのソフトウェア実装技術の開発事例

10


プロジェクトの流れとツールの利用シーン


制御基板模擬基板

巻線界磁形同期モータ＋モータベンチ

仮想基板

制御システム

安全を考慮したシステムのため大規模

プロジェクトの流れ


等価

等価

等価

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制御コントローラとモータのモデル化

iq

ωLd

－

id

+ id

*

iq*

vq*

vd*

vq

vd

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iq

vd*’ vd

’

vq’ vq

*’

vd*

vq*

if*

Kpf

Kif

S +

if

Kpq

Kiq

S +

Kpd

Kid

S +

ωKE(if)

ωLq

ˆdi

ˆqi

current

estimation

1

Rf + sLf

1

Ra + sLq

1

Ra + sLd

ωLq

ωLd

+

+

－

－

－

－

－

+

+

+ +

+

T*

ω

lookup

table

+

dq/uvw

DC chopper

Harmonic

suppressio

n

+

+

+

+

ω ω

INV

Harmonic ωKE(if)

ω ω

+

+

－

－

－

θ

third

-harmonic

injection

method

dq/uvw

uvw/dq

vu*

vv*

vw*

vu

vv

vw

uvw/dq

iu

iv

iw

θ θ θ

ω

ω

ω

ω

iq

モータコントローラ三相モータ

界磁巻線

インバータベクトル制御・PI制御

界磁巻線直流電力制御


13


モータのモデル化

このモータモデルをSPWで実装。


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Inverter

DC chopper

Harmonic

UVW / DQ

DQ / UVW WFFSMotor

Resolver

モータパラメータ

sub

sub

delay delay

delay

Inverter電圧

DC chopper電圧

負荷トルク入力

delay

ツール上のモータモデル


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制御コントローラのモデル化

この制御コントローラをソフトウェアで実装し、 Virtualizerでモータモデルと接続し検証を実施。


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仮想デバッグ環境

仮想PF実行画面（GUI起動時、GUIを起動しない設定も可能）

◎シミュレーションアウトプット画面を搭載しており、周辺機能モデルがダンプする情報、エラー情報が表示される。 ◎VPAから周辺機能モデルが持つデバッグI/Fへコマンドを送信し、モデルの挙動の変更/ステータスの表示が可能。


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仮想デバッグ環境

Cソース（アセンブリ）

Cソース（DDD）

モータ回転数表示

トルク指令制御ボタン

オシロスコープ（緑：Vd 青：Vq）

オシロスコープ（緑：If）オシロスコープ（緑：Iu 青：Iv）

仮想基板実行時の画面


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モデルと実物：等価性の検証方法

実機制御波形

仮想環境及びモータ模擬基板で、実機の制御波形と比較し、モデルと実物の等価性を検証。

モータ模擬基板制御波形

＝


19


成果

1. 過去の資産を用いて、モータ制御に必要な周辺機能モデルを備えた、マイコンモデルを準備。

2. 巻線界磁形同期モータを、理論式ベースでモデル化。

3. 上記、2種のモデルを結合し、仮想モータ制御環境を構築。モータ制御ソフトウェアをロードし、PC上でモータモデルと制御ソフトウェアの挙動を確認。

4. モータモデルをFPGAに搭載し、モータ模擬基板を作成。制御基板との接続により、実モータレスでの検証を実施。


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成果

•検証効果 –例）相順がズレた制御の場合

黄：Ｕ相電流青：V相電流紫：W相電流緑：レゾルバ信号 500mV/div 機械回転速度 500rpm

正しい制御 U相V相入れ替え


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今後の方針

•仮想基板

モータモデルがどの程度、実機を模擬できているのか、評価が不足している。

•モータベンチの付加

モータ制御検証の際、モータ回転数を固定しておくことで、検証が容易になる。

現在、回転数は単純に値を固定しており、モータの負荷を制御することで速度を固定する機構(PI制御)を付加する。

•トルク情報出力

モータ内部で、モータが作り出すトルクを表示する。


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まとめ


モータ制御ソフトウェアの実装には時間制約やリソース制約を解決する必要がある。【仮想開発環境】でモータ制御を検証すること実制御に使用するマイコンモデルと、モータモデルとを結合し、フルシミュレータ環境で検証を進めることを可能とした。【模擬開発環境】でモータ制御を検証すること実制御に使用するマイコン搭載ボードと、モータモデルを活用したFPGAボードとを結合し、モータHILS環境で検証を進めることを可能とした。

代替えのない研究開発中の次世代モータを短期間で制御を確立するまでに至るには、実機レスのモデルベース開発が有効である。

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～ご清聴ありがとうございました～

株式会社サニー技研

URL http://www.sunnygiken.jp E-mail [email protected]

Ｆｉｎ

超小型オールインワン統合開発ツール MICRO PECKER

モータ制御用マイコン評価基板 S810-MGS


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TECH Biz EXPO 2013 レアアースレスモータ制御の …IP モータ制御ソフトウェア本研究成果新方式制御用電子回路現在新技術ネオジムやジスプロシウムなどの希土類を使わないモータ。