次世代ものづくり基盤技術産業展 TECH Biz EXPO 2013

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
株式会社サニー技研
名古屋事業部開発課
渡辺 雅之© 20132013SunnySunnyGiken
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会社概要
加盟団体

基本情報
• 社名
• 所在地
• 代表者
• 設立

• TOPPERS（正会員）

株式会社サニー技研
本社 兵庫県伊丹市
代表取締役社長 中村和彦
１９７４年７月• ASIF（幹事会員）
車載組込みシステムフォーラム

事業内容• JASPAR（正会員）• 【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

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• AUTOSAR（アソシエートメンバー)

事業所• 本社/伊丹開発センター• 名古屋事業所/技術センター• 熊本技術センター• 東京オフィス

1

兵庫県伊丹市
名古屋市中区
熊本県熊本市
東京都中央区サニー技研のモータへの取り組み
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

EV/HV制御応用へ

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）

モータ制御開発への取組み

EV/HV用開発
ツールへ
ET-2011におけるモータ開発支援システムの展示
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））
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2モータ制御マイコンを応用したソリューションの提供レアアースレスモータとは？
現在

新技術

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）

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）

研究開発

レアアース削減

レアアース
汎用ハードウェア
モータ制御ソフトウェア（大規模）制御用電子回路

新制御ソフトウェアの開発が必要

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
制御電子回路・コンピュータの構成の見直し必要

本研究
成果

新方式制御用電子回路

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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研究に用いたレアアースレスモータの紹介

巻線界磁形フラックススイッチングモータ
ロータ：電磁鋼板

ステータ

モータの構造三相電機子巻線界磁巻線• 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．
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。
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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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研究開発に使用したツール その2SPW(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？
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8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？
• 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。
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研究開発に使用したツール その3

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
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10プロジェクトの流れとツールの利用シーン© 20132013Sunny
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プロジェクトの流れ
安全を考慮したシステムのため大規模巻線界磁形同期モータ＋モータベンチ

制御システム

等
価等
価制御基板

仮想基板
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等価12

模擬基板

制御コントローラとモータのモデル化
コントローラ モータベクトル制御・PI制御iˆqiˆdcurrent
estimation

id* －+

T*

if *

θθ

vd*’ ++－+

vd*

vu*－+

Kpq +－+

Kpf +

Kiq
S++

ωKE(if)Harmonicsuppressionω

INVthird-harmonicvq* injection v *w
method+

KifS

vu+

vd’－
vv*+vq*’+θ
vd+dq/uvw

ωLdω
iq*

KidS

dq/uvwωLqωlookuptableω

Kpd +iq
idi
vq*q
vd*

三相モータ

インバータ

θvv

ωLq－

vq++－－－

Harmonic

ω

vq’ω
iq1
Ra + sLq

1
Rf + sLfωivuvw/dq

ωKE(if)

DC chopperifω

界磁巻線界磁巻線直流電力制御
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ωuvw/dq
ωLdvw

iu

id

1
Ra + sLd

13

iw

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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ツール上のモータモデル
負荷トルク入力
Invertersub

DQ / UVWWFFSMotor
sub

UVW / DQ
Inverter電圧

ResolverDC chopper電圧

delay

delay
delay

Harmonic

モータパラメータ

DC chopper

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delay

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
仮想基板 実行時の画面
オシロスコープ（緑：Vd 青：Vq）

Cソース（アセンブリ）
モータ回転数表示

トルク指令制御ボタン
Cソース（DDD）

オシロスコープ（緑：Iu 青：Iv）

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オシロスコープ（緑：If）

モデルと実物：等価性の検証方法
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。

＝

実機制御波形
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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

正しい制御

U相V相入れ替え

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
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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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Ｆｉｎ～ ご清聴ありがとうございました ～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

株式会社サニー技研
URL
E-mailhttp://www.sunnygiken.jp
info@sunnygiken.co.jp

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