【最終提出版】20141030matlab expo2014講演 …...3．2制御パラメータの設定②...

IAAS-AA-14-0202-1

第二ソリューション事業本部

Rev. 1.00

ルネサスエレクトロニクス株式会社

産業第一事業部

家電ソリューション部

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

© 2014 Renesas Electronics Corporation. All rights reserved.

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

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１．はじめに

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


MATLAB®MATLAB®

数値計算言語

Simulink®Simulink®

モデルベースデザイン

Embedded Coder®

MATLAB® Coder™Simulink® Coder™

Embedded Coder®

MATLAB® Coder™Simulink® Coder™

コード生成

Control System Toolbox™Optimization Toolbox™Simulink® Design Optimization™

Control System Toolbox™Optimization Toolbox™Simulink® Design Optimization™

解析・最適化

SimElectronics®

SimPowerSystems™Simscape™

SimElectronics®

SimPowerSystems™Simscape™

ハードウェア系

Stateflow®Stateflow®

ソフトウェア系

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 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


MATLAB®シミュレーション実機評価システムのモデル化

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

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）


システム仕様策定

ハードウェア仕様策定

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

回路図レイアウト

基板作成

システムテスト/検証

ハードウェア開発

ソフトウェア開発

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。

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。

テストフィードバック

基板基礎評価

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）


システム仕様策定

システムテスト/実機

検証

基板基礎評価

コーディング

テストフィードバック

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

仮想環境実機環境

モデルベース開発対応

基板作成

システムシミュレーション

ハードウェアシミュレーション

ソフトウェアシミュレーション

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

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

Time

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

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

工数削減

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

Time

仕様検討

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）

工数削減、低コスト化、信頼性の確保

コーディング

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

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

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

パラメータ調整

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


２．ルネサス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


MATLAB® & Simulink®

シミュレーション結果

シミュレーションシミュレーションフィードバック

C言語自動生成

マイコン実装

Cプログラム

実機評価/結果

結果比較

評価結果フィードバック

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）


Renesas Solution Starter Kit(低電圧モータ制御評価システム)

モデル化

Simulink®画面

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）


サンプルコード

モデル化

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）


モデル化

負荷トルク BLDCモータ

エンコーダ

BLDCモータ


３．シミュレーション

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

２．１当社モデルベース開発環境GUI概要


19

GUIトップ画面

モータパラメータ調整

制御パラメータ調整

PIゲインチューニング・検証

C言語自動生成

シミュレーション

様々な機能を1つのGUIに実現

３．２モータパラメータの設定

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

慣性モーメント極対数

最大速度

など





３．２制御パラメータの設定①

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


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

位置センサあり？なし？

最大電流

など





３．２制御パラメータの設定②

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






３．２指令値設定

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





３．３シミュレーション実行

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


例1）速度指令値とモータ速度

例2）３相電流波形

シミュレーション開始シミュレーション停止

シミュレーション進捗度





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%


３．３シミュレーション実行

50%

3 秒

負荷をかけるとモータ速度低下

システムの要求に応じてパラメータを修正する

2000rpm

負荷





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

４．１ C言語自動生成

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

e2studio版


CS+版

e2studio版ユーザが任意に統合開発環境を

選択することが可能





-500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1 2 3 4 5 6 7

モータ速度評価

４．２実機検証

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


実機評価モータ速度結果

シミュレーションモータ速度結果

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

シミュレーション上には存在しない基板ノイズなどが影響





シミュレーション結果≒実機結果にすることが課題

４．３各種設定から実機評価までの流れ（まとめ）






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


５．まとめ

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

【最終提出版】20141030matlab expo2014講演 …...3．2制御パラメータの設定②...

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