パワー エレクトロニクス ハードウェアインザループ (HIL) テスト

ハードウェアインザループ (HIL) テストはシステムハードウェアを必要とせずに組み込みコードのテストを開始できるリアルタイム シミュレーションです。これにより、開発中のコードが仕様の範囲内で動作しない場合に、ハードウェアに損傷を与えるおそれのある異常や障害状態をテストできます。パワー エレクトロニクス制御システムは、電気ベースの輸送および再生可能エネルギーシステムに不可欠な要素です。ハードウェア損傷のリスクにより、過度状態の全範囲にわたってシステムを実行できないため、プロトタイプをテストしてこれらの制御システムの組み込みコードを検証することは困難です。

ハードウェアインザループ シミュレーションのパフォーマンスは、モデリングする電気システムのダイナミクスの複雑度と、使用しているリアルタイム コンピューターのハードウェアの両方に依存します。例えば、モーター駆動インバーターのパワー エレクトロニクスのスイッチング動作をモデル化する方法を選択できます。スイッチング周期全体の電圧を平均化し、すばやく計算して必要なダイナミクスを提供する平均値インバーターモデルを使用できます。また、パワー エレクトロニクス コンポーネントによって注入される高調波の影響を理解するには、それらのオン・オフ動作を含めて、ハードウェアインザループ コンピューターのプロセッサへの負荷を受け入れる必要があります。

スイッチング動作をシミュレートする際にリアルタイム動作を確保するには、シミュレーション サンプリング周波数を実際のシステムの予想スイッチング速度よりも 100 倍速く実行する必要があります。例えば、10 KHz のスイッチング周波数で動作するモーター制御アプリケーションでは、ハードウェアインザループ シミュレーションを 1 MHz で実行して、スイッチングデバイスに起因する非線形性を取得する必要があります。1 MHz 以上でシミュレーションを実行するには、リアルタイムシステムに低い I/O レイテンシと動作周波数を達成できるプロセッサが必要です。

パワー エレクトロニクス システムのハードウェアインザループ テストを実行する場合、スイッチング ダイナミクスを備えたシステムのシミュレーションに CPU または FPGA のどちらが優れているかについての絶対的なガイダンスはありません。決定する際には、モデルの複雑度、パワー エレクトロニクスの数学的な詳細、負荷と電源のモデリングの詳細、チャネルの数とテストシステム I/O の種類を考慮する必要があります。ハードウェアインザループ システムがデスクトップ シミュレーション モデルを複数のコアと異なる種類のプロセッサに分割できる場合、CPU と FPGA の両方を使用することが望ましい場合があります。

MATLAB および Simulink を使用したハードウェアインザループ

パワー エレクトロニクス システムのハードウェアインザループ テストは、能動回路および受動回路コンポーネント、負荷、および電源の電気的動作をモデル化する制御システム シミュレーションから始まります。Simulink^® と Simscape Electrical™ を使用することで、システムモデルを構築およびシミュレーションできます。Simulink Coder™ を使用して電気モデルから C コードを生成し、HDL Coder™ を介して HDL コードを生成します。制御コードをテストするために、このコードをリアルタイム コンピューターに配布して、正常および障害のさまざまな動作条件で検証することができます。Simulink Real-Time™ を使用すると、コードを Speedgoat のリアルタイム ターゲットマシンに配布することができます。さらに、Speedgoat は電力ハードウェアインザループをサポートしているため、バッテリー管理システム (BMS)、電動パワートレイン、再生可能電力システムをテストすることができます。Speedgoat を使用した送電系統側コンバーターの HIL テストの詳細について解説します。