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モデルを活用したパワーエレクトロニクス制御開発～シミュレーション編～

MathWorks Japan

アプリケーションエンジニアリング部

アプリケーションエンジニア

張 莉

2

パワーエレクトロニクス制御と広がる活用分野

パワーエレクトロニクス制御

電源/UPS

HEMSEV/HEV

電力の有効・安全利用のために電流・電圧を所望の形に変換/制御

活用分野

太陽光発電/

パワーコンディショナ

直流/交流/電圧/電流/周波数/位相が制御対象

3

パワーエレクトロニクスに対するニーズ

限られた開発リソース/機能的制約下での付加価値の創出

■高品質化・低リプル・デバイス/負荷保護・瞬停/熱/EMC対策

■小型化・軽量化・携帯機器向け電源・高密度サーバ用電源・車載コンバータ・インバータ

■高効率化・環境規制対策（e.g. 省エネ法 / 国際エネルギースタープログラム）

・動作時/待機時の省電力の両立

■高機能化・インテリジェントな電力管理（創・蓄・省エネ）・通信による他システムとの連携

4

パワーエレクトロニクスとデジタル制御

デジタル制御がパワーエレクトロニクスで徐々に浸透中

環境依存低減（温度、劣化、部品ばらつき）

アナログを上回る効率性 ソフトによる柔軟性・高機能化

複数機能の1チップ集約

制御性能は制御手法/アルゴリズムの良し悪しに依存

5

モデルを活用したパワエレシステム開発

シミュレーション: 試作前に様々な検証が可能、手戻り回避

実装/試験: 様々なハードウェアや試験環境に実装可能

コード実装に向けたモデル詳細設計

制御ソフト＋回路シミュレーション検証

自動コード生成

制御ソフト実装実回路検証

モデル＆コード等価性検証

6

モデルを活用したパワエレシステム開発～シミュレーション編～

制御設計の効率化＆検証作業の前倒しで、品質向上とコスト・時間削減を両立

制御設計

システムの線形解析 制御パラメータの自動調節 状態診断・フェールセーフ検証

プラントモデリング

制御対象の動作を把握 様々な負荷をテスト可能

シミュレーション検証

単体・複合・システム検証が容易 システム全体のトレードオフ設計が可能

高電流・高電圧など、実物だと困難な検証も可能

7

ユーザー事例

ABB

電力変換器用ハイパワーエレクトロニクス コントローラー

Stem

分散型電力貯蔵システム用パワーエレクトロニクスコントロールシステム

三菱自動車

電気自動車の車載充電器開発

オムロン太陽光発電向け

パワーコンディショナ開発

東風汽車HEV用バッテリーマネージメント

システム開発

四国総合研究所マイクログリッド需給シミュレーション

8

例題：DC-DC降圧コンバータ

プラントモデリング モデル作成

負荷挿入

システム特性解析

制御設計 目標追従補償器設計

安全性設計

シミュレーション応用例 効率計算

パラメトリック解析

回路故障

※サンプルモデル：http://www.mathworks.co.jp/help/physmod/elec/examples/synchronous-buck-converter.html

9

システム仕様： 入力電圧範囲： 4~40V

出力電圧範囲： 2~30V

最大電流： 10A

スイッチング周波数： 100kHz

ソフトスタート機能： あり

保護回路： 過電流リミット

変換効率： 90%以上

DC-DC降圧コンバータ⇒負荷に所望の出力電圧を安定して供給する

Vout

－

降圧コンバータ

＋

負荷Vin

－

＋

制御仕様： 時間応答

– 立上り時間 0.5 ms以下

– 整定時間 1 ms以下

– オーバーシュート 1 % 以下

周波数応答

– ゲイン余裕 10 dB 以上

– 位相余裕 60 deg 以上

10

－

RL

負荷

C

LTr1

Tr2 Vout

15V

＋

＋Vin

30V

－

DC-DC降圧コンバータ（同期整流方式）入力30V⇒出力15Vとなるように定電圧制御

例題

HG

LG

ゲート駆動回路

ゲート駆動回路

d

デューティ比

1-d

PWM 補償器

デジタル制御器

＋

－

Vout

出力電圧

Vref

基準電圧

R

11

降圧コンバータのモデルをどう作れば良い？

回路図

Quiz

－

RLC

L

Tr1

Tr2Vout

15 V

＋

＋Vin

30 V

－

HG

LG

?

R

12

プラントモデリング環境

基本部品のブロックライブラリ

マルチドメインシステム専用の計算エンジン

DAE（微分代数方程式）ソルバ

カスタムコンポーネント作成

MATLAB ®, Simulink ®

Sim

Mec

han

ics

TM

Sim

Dri

veli

ne

TM

Sim

Hyd

rau

lics

®

Sim

Ele

ctr

on

ics

®

Sim

Po

werS

yste

ms

TM

弱電デジアナ

動力伝達1D

油圧1D

機械3D

強電パワエレ

SimscapeTM

専門領域に特化したブロックライブラリを提供

Simscape

機械 油圧 電気

熱

“Simscape Language”

によるカスタム部品/ドメイン開発

空気圧 磁気

N S

熱流体

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降圧コンバータの回路モデル

電圧計

Ans.

半導体スイッチ

物理モデリングツールで、直観的にプラントモデルを作成可能

PWM信号生成

電圧計入力電圧

負荷

時間波形

14

負荷変動のシミュレーション応用.1

様々な負荷を挿入し、システムへの影響を確認

負荷電流

出力電圧

変動的な負荷電流を挿入

負荷電流の変動による出力電圧の変動を確認可能

15

コンバータの周波数応答を推定応用.2

プラントモデルの作成により、システム応答特性を簡単に解析可能

システムの入出力ポイントを指定

正弦波スイープによる周波数応答の推定

Simulink Control Design

16

例題：DC-DC降圧コンバータ

プラントモデリング モデル作成

負荷挿入

システム特性解析

制御設計 目標追従補償器設計

安全性設計

シミュレーション応用例 効率計算

パラメトリック解析

回路故障

17

制御設計環境

Simulink Control DesignTM

Simulinkモデルの線形解析・周波数応答表示

PIDゲインの自動調節

Stateflow®

フローチャート

状態遷移図

System Identification ToolboxTM

入出力値から

線形/非線形

動的モデルを同定

同定のための

前処理/後処理

18

デジタル制御器のモデルをどう作れば良い？Quiz

－

Tr1

Tr2

＋

＋

－

HG

LG

?

出力電圧

基準電圧

デューティ比d

1-d

補償器

デジタル制御器

＋

－

PWM

制御仕様

時間応答

– 立上り時間 0.5 ms 以下

– 整定時間 1 ms 以下

– オーバーシュート 1 % 以下

周波数応答

– ゲイン余裕 300 dB 以上

– 位相余裕 60 deg 以上

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補償器、PWM発生器を組合せたモデルAns.

PWM

発生器

プラントモデルと同じプラットフォーム上でシームレスに制御設計

出力電圧

基準電圧

補償器

20

制御パラメータの自動調整Ans.

補償器設計の効率を大幅向上

システムの線形近似 制御パラメータの自動調整 時間応答・周波数応答を確認しながら手調整

Simulink Control Design

System Identification Toolbox

21

100

101

102

-180

-135

-90

-45

0

P.M.: 16.3 deg周波数: 22.3 Hz

周波数 (Hz)

位相

(deg

)

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

G.M.: inf周波数: Inf安定ループ

ゲイン

(dB

)

100

101

102

103

104

105

106

-180

-135

-90

-45

0

P.M.: 78.6 deg周波数: 782 Hz

周波数 (Hz)

位相

(deg

)

-100

-50

0

50

100

G.M.: inf周波数: Inf安定ループ

ゲイン

(dB

)

Tips

時間 (秒)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

時間 (秒)

振幅

0 1 2 3 4 5 6 7

x 10-3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

周波数応答（ボード線図）

時間応答（ステップ応答）

様々な補償器

位相進み 位相遅れ ノッチフィルタなど

零点

極

ゲイン

入力 出力

振動抑制

Simulink上の補償器設計⇒応答波形を操作して様々な補償器の設計が可能

Simulink Control Design

22

コンバータの安全性を向上したいQuiz

ソフトスタート機能コンバータの立ち上がりを緩やかにし、起動時のラッシュ電流を防止

ソフトスタート無

ソフトスタート有

過電流リミット電流が閾値を超えた場合、PWM出力を制限、或いは停止させる

閾値１

tth

I [A

]

t [sec]

制限

I [A

]

t [sec]

即停止閾値２

23

ソフトスタート機能Ans.1

ブロック一つで簡単にソフトスタートを実現

ソフトスタート追加前

―出力電圧

―制御信号

ソフトスタート追加後

Rate Limiter:

信号の変化率を制限します。

24

過電流リミットAns.2

Stateflowで制御状態の遷移を直観的に表現

過電流リミット仕様

5A

1s

I [A

]

t [sec]

制限

I [A

]

t [sec]

即停止10A

・ 電流が1秒以上5Aを超えた場合、PWM出力を半分に制限

・ 電流が10Aを超えた場合、即停止

電流＜10A and

外部スイッチON

電流＜5A

電流≧10A

制御モード1

電流≧10A

PWM

停止モード

2

電流≧5A

過電流検知モード

3

PWM

制限モード

4

1秒

Stateflow

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例題：DC-DC降圧コンバータ

プラントモデリング モデル作成

負荷挿入

システム特性解析

制御設計 目標追従補償器設計

安全性設計

シミュレーション応用例 効率計算

パラメトリック解析

回路故障

26

コンバータ変換効率の計算応用例.1

コンポネントデータのロギングにより、電力ロスの計算が可能

半導体素子に損失した電力をロギングし、コンバータの変換効率を計算

27

パラメトリック解析応用例.2

パラメータ変更によるシステムへの影響を手早く検討

例：出力電圧を6～20Vの間に変更し、変換効率への影響を検討

低電圧の領域では、変換効率が低下

28

並列計算によるパラメトリック解析の高速化

複数シミュレーションの並列実行– 複数のコア/プロセッサで

複数のシミュレーションを並列実行

– トータルのシミュレーション実行時間の

大幅な短縮

– コンピュータクラスタを

用いた並列処理

(MATLAB Distributed

Computing Serverが必要)

…

Computer Cluster

Workers

… …

シミュレーションの並列実行によるテストプロセスの高速化

Desktop System

Workers

… …

Simulation 1

Simulation 2

Hint.

Parallel Computing Toolbox

Parallel Computing Toolboxとの併用でシミュレーション実行時間を削減

29

回路故障のシミュレーション（短絡・断線）

短絡 （@ 0.003sec） 断線 （@ 0.003sec）

過電流@ 0.003sec

電流 0[A]

@ 0.003sec

SwitchSwitch

×

応用例.3

Switchブロックを使用し、回路の短絡・断線を簡単に表現

30

システム仕様： 入力電圧範囲： 4~40V

出力電圧範囲： 2~30V

最大電流： 10A

スイッチング周波数： 100kHz

ソフトスタート機能： あり

保護回路： 過電流リミット

変換効率： 90%以上

モデルを活用したDC-DC降圧コンバータの設計

Vout

－

降圧コンバータ

＋

負荷Vin

－

＋

制御仕様： 時間応答

– 立上り時間 0.5 ms以下

– 整定時間 1 ms以下

– オーバーシュート 1 % 以下

周波数応答

– ゲイン余裕 10 dB 以上

– 位相余裕 60 deg 以上

31

使用製品リスト

使用製品 機能 / 例題内用途

MATLAB 基本プログラミング環境

Simulink 基本モデリング環境

Simscape 基本物理モデリング環境

SimElectronics 電気素子・ドライバ（PWM）ブロック

Simulink Control Designモデル線形化・周波数応答解析PIDゲイン自動調節

System Identification Toolbox システム同定

Stateflow 状態遷移図・フローチャート環境（ 過電流リミット）

Parallel Computing Toolbox 並列計算によるプロセスの高速化

※ ライセンス構成上必要になるオプション製品は省略しています

32

制御設計の効率化＆検証作業の前倒しで、品質向上とコスト・時間削減を両立

制御設計

システムの線形解析 制御パラメータの自動調節 状態診断・フェールセーフ検証

プラントモデリング

制御対象の動作を把握 様々な負荷をテスト可能

シミュレーション検証

単体・複合・システム検証が容易 システム全体のトレードオフ設計が可能

高電流・高電圧など、実物だと困難な検証も可能

まとめ：モデルを活用したパワエレシステム開発～シミュレーション編～

33

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