モータHILSとハイブリット自動車

1. IGBT回路の、Fault(故障）モード対応が可能になりました。
2. DC-Linkモデルは、インダクタンスを内蔵させることが可能になりました。
3. FEAで計算されたトルクは、FPGA上で計算されることで、サンプルレートが非常に速くなり、モデルのモジュール構造に追従した、シミュレーションが可能になりました。

FEA（Finite Element Analysis）ベースのモータ駆動モデル

この計算式には以下の要素が使われFPGA上で演算が行われます。

L = inductance matrix
Iabc = startor current inside the winding
Ψabc = magnet flux linked into startor winding
R = startor resistance
Vabc = voltage across the stator windings

標準的なd-qモデルの場合、トルク値はd-qインダクタンスが変化しても即座に反映させることは出来ません。
JMAGモデルを使うとインダクタンスの変化に追従して、トルク値を変化させていくことが可能です。
この計算式には下記の要素が使われ、同じくFPGA上で演算が行われます。

pp = number of pair of poles
Iabc = motor current
Ψabc = motor flux in phase domain

dLabc	=	derivative of phase domain inductance with regard to the rotor electric angle
dθ

Tcog = null current cogging torque

FPGA上のJMAGモデル

JMAGモータモデルは、株式会社JSOLから供給されております、JMAGのJMAG-RTから生成された、インダクタンス、 逆起電力、トルクのデータを使うことが出来ます。

このアプローチでは、モータモデルは電流飽和や、スロット形状の影響から来るインダクタンス変化を考慮することが出来ます。
d-qモデルでは、正弦逆起電力（sinusoidal back-EMF）しか扱えませんが、JMAGモデルでは、非正弦逆起電力プロファイル（non-sinusoidal back-EMF）を、シミュレーションに取り込むことが可能です。

FPGAモータモデルのシミュレーション能力

FPGAチップ上で行う複雑なモデル検証は、数式の設定や、FPGA上のコード化がかなり面倒で、専門のエンジニアの対応が必要です。

このため、実際のHILS環境ではPMSMインバータにパルス変調を使い、オープンループテストで行います。
OPAL-RTHILSシステムは、ユーザーによってモデル上でデッドタイム、変調指数、角度オフセット、周波数を選択することが出来ます。

Nodalモデルによる完全なFaultシミュレーション

適用されるFaultsは、下記 Table I にリストアップされています。

Inverter faults	Motor and DC-link faults
Inverter IGBT open fault (any)	DC-link short-circuit
Inverter Diode open fault (any)	Motor phase-phase fault
Inverter IGBT & Diode open fault (any)	Motor open-phase fault
Inverter IGBT/Diode short circuit (any)
No-gate signals at IGBT, with or without natural rectification

FPGA上で動作している、FEAモーインバータモデルでの、Faultのテスト結果です。
PMSMモータは、2対のポールを持っており、　Interior Magnet Type, Ld=31mH Lq=11mH　ポール毎の電磁フラックスは、0.1584Wbです。




図４はFEAのPMSMインバータモデルで、100Hz動作・PWMは8KHzです。
このテストは、下段のIGBTのひとつのlegが、OPEN Fault（不並行ダイオードは動作している）を起こした結果です。

図は、シミュレータのアナログ出力で、右図は同じテストを、SimPowerSystemを使い１μで行った結果です。
結果を見ると、アナログ出力のモータ電流は、非常に似ています。
モータ電流の中に、リップルが確認されますが、これは、スタータースロットによって、誘発されたものです。
（FEAではこれらも再現できます）



図５は、インバータlegの、IGBT/ダイオード両方のOPEN Faultで、この場合電流は０になります。
この場合のPWM周波数は、20KHzです。
このテスト結果でも、オシロスコープで捕らえられたリアルタイムの結果は、右側のSimscape Electrical™(旧SimPowerSystems™)におけるレファレンスの結果と、一致しています。



モータモデルの、アナログ出力に伴うデジタル入力による、IBGTのゲート信号を見ていただくと、モデルとオシロスコープの信号に、遅れが無いことが判ります。
これは、FPGAとI/O出力が、HILS内でうまく連動して、動作しているためです。


この図は、トルク/スピードマッピングのHILS結果（バーチャルモータ駆動）と、ベンチ計測（実機） 結果の誤差の比較です。

左の図は、FEAを用いたバーチャルモータの、トルク精度の表示です。
一方右は、dpモータモデルを使った場合の誤差です。
両方とも、モデルはFPGA上で動作しています。

1. 両方 (FEA 、d-q)のモデルとも、ほとんどの動作基点で良い精度が出ています。
2. 出力定格の端のほうではJMAGモデルはDQモデルに比べるとずっと良い精度が出ています。

ほとんどの動作基点で、真値に近くなっていますが、4000 RPM で-30 N.mのあたりでは、両方とも大きな 誤差が出ています。

これは、この段階ではモータコントローラが、まだ完成されていない状態で、計測がされたもので、モータコントローラのキャリブレーションが、充分出来ていないのが原因と思われます。
次のステップでは、実機コントローラを使い、この部分のキャリブレーションを行う必要があります。


コントローラが要求するトルク出力に対して、モータモデルがどのように追従するかを示したものです。
下図のように、JMAGモデルのレスポンスは、d-qモデルよりコントローラの要求に近いものとなっています。




Virtex-6FPGA上に、2つのバーチャルPMSMモータ駆動を、実装することが可能です。
モデルはNodalSolverという手法をもとに作成されており、高精度のFEAデータから取り込まれハイブリット車や、複雑な モータ駆動に対応するHILSシステムで動作するように作られています。

インバータモデルは、Nodalアルゴリズムをコード化しすることで、全てのデバイスのFaultをきちんとサポートすることが可能です。

FPGAに実装することで、HILSシミュレーションのサンプリング時間を短縮し、高周波数PMWにも対応し、自動車産業では標準的な周波数である20KHzはもちろん、さらに速い100KHｚにも対応が可能です。

FPGAに実装された、モータインバータモデルを使用することで、インバータの個々のコンポーネントのFaultを、HILSシミュレーションで完全サポートすることが可能です。

バーチャルなモータモデルを使用することで、新しい顧客からの要求に、すばやく柔軟に対応が出来、実機テストベンチの立ち上げや操作にかかる時間を、大幅に節約することが出来ます。
さらに、開発やテストにかかるコストを大幅にカットし、プロジェクト間でのプラットフォームを共有することで、製品化までの時間を大幅に短縮することが可能です。

A Dual High-Speed PMSM Motor Drive Emulator with Finite Element
Analysis on FPGA chip with Full Fault Testing Capability
株式会社デンソー殿とOPAL-RTが共同で出したモータHILSのハイブリット自動車への適用に関する論文を ベースに記述しています。

これらの機能を提供しているツール

株式会社 NEAT

Opal-RT Technologies,Inc.