1 © 2013 The MathWorks, Inc.

モーター・モーション制御

モデルベースデザイン実践

「制御系設計」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

新井 克明

2

モーター・モーション制御とは？

負荷の動き（速度、位置）を意図した通りに制御

駆動回路 モーター 負荷

モーター制御

負荷制御

モーターの状態

（電流、速度、位置）

負荷の状態

（速度、位置）

制御指令

制御信号

機械

制御

電気 熱

3

モーター・モーション制御に対するニーズ・トレンド

低コスト化 センサレス制御、

安価なマイコンの採用

過負荷・過電流保護、

自動診断

品質・安全性向上 開発期間短縮 タイムリーな製品市場投入

電動化の普及・拡大 HEV/PHV、FA、プラント、

家電、空調、鉄道、等

省エネ化・高効率化・ 省スペース化 先進的なモータ/インバータ

駆動技術

制御の高精度化・ 高機能化 自動パラメータ調節

振動・騒音抑制

多軸同期制御

4

モデルベースデザイン（MBD）が皆様の

課題・ニーズの解決に貢献します

統合テスト（実機）

システムレベル設計（モデル）

制御 電気 機械

テスト＆検証

研究課題、要求仕様書

RCP/HIL

システム性能評価（モデル・実機）

組み込み

コード生成

高精度・高機能な

コントローラを設計

[講演.1] 制御設計編

実機の挙動を模擬した

プラントモデルを作成

[講演.2] プラントモデリング編

コントローラモデルから

組込みコード生成

[講演.4] 組み込みコード生成編

リアルタイムHWを使って

すぐに制御実験

[講演.3] リアルタイムテスト編

モデル活用で開発前倒し＆修正ループ高速化を実現

5

アジェンダ

制御設計とMathWorksのソリューション

フィードバック制御の設計

フィードバック制御パラメータの最適化

制御モードロジックの設計

まとめ

6

アジェンダ

制御設計とMathWorksのソリューション

フィードバック制御の設計

フィードバック制御パラメータの最適化

制御モードロジックの設計

まとめ

7

本講演のターゲット

駆動回路 モーター 負荷

モーター制御

負荷制御

モーターの状態

（電流、速度、位置）

負荷の状態

（速度、位置）

制御指令

制御信号

制御設計での主なタスク

モーター制御仕様の策定

制御パラメータのチューニング

制御モードロジックの検討

8

制御設計での悩みごと

制御対象無しでの

動作確認が困難

手間のかかる

制御パラメータ調整

KD

Plant

+ - ？ Controller

様々な条件の想定による

制御モードの複雑化

9

Simulink®

MBDをベースにした制御設計

本講演で紹介するMathWorksソリューション

Simulink Design Optimization™

制御パラメータの自動最適化

Stateflow®

状態遷移図によるモードロジック設計

高精度で効率の良い制御設計

10

アジェンダ

モーター・モーション制御設計と本講演の位置づけ

制御設計とMathWorksのソリューション

フィードバック制御の設計

フィードバック制御パラメータの最適化

制御モードロジックの設計

まとめ

11

従来の設計～性能評価までの流れ

設計

試作

評価 制御性能

の評価

仕様変更・修正

設計内容をスグには評価できない

12

配線

実機による制御設計の場合

制御対象 制御装置・ソフト

出力信号

(PWM, DIG-I/O)

入力信号

（電流・速度・位置）

研究課題・要求仕様

C/C++

H/W・S/Wの仕様検討

実装・製作

制御対象

の製作

実機の準備完了後に

詳細な制御設計

13

モデルベースによる制御設計の場合

制御モデル指令値

プラントモデル演算結果

制御モデル プラントモデル

研究課題・要求仕様

モーター

制御

負荷

制御 実機レスで

詳細な制御設計！

14

MathWorksのモデルベースデザイン環境

グラフィカルな制御設計インターフェイス

制御対象を含めた制御モデルのシミュレーション

制御仕様書として転用可能

Simulink®

ドラッグ

＆

ドロップ

1クリック

15

モーター・モーション制御モデルテスト環境

テスト信号 出力結果

制御モデル モーターモデル

制御対象を含めた、再現性の高い動作確認

16

モーター・モーション制御モデル

テスト信号 出力結果

制御モデル モーターモデル

17

モーターモデル

駆動回路

モーター 性能諸元

SimPowerSystems™

物理モデルを直接記述可能にする

モデリングツール

18

ブラシレスモーター制御モデル

テスト信号 出力結果

制御モデル モーターモデル

19

制御システムは様々な機能で構成

制御モード演算 フィードバック制御演算

スタンバイモード

エラーモード

オープンループ制御モード

クローズドループ制御モード

…

S1

S2 S3

if(..)

{

x = …

}else{

x = …

}

PID + -

電流制御

速度制御

座標変換

…

Simulink® Stateflow®

状態遷移や条件分岐処理の 表現が得意

数式演算の表現が得意

20

モーターモーション制御モデル

制御モード切替

モーター制御

機能ごとに階層構造を用いて表現

Simulink®

Stateflow®

21

3相モーターベクトル制御概要

座標変換 回転→静止

2相→3相

速度制御 PI

3相

モーター

座標変換 3相→2相

静止→回転

イン

バータ

電流

センサ

角度

センサ

ωm*

ωm

IQ

ID

IQ*

ID*= 0 VD*

VQ*

Vu*

Vv*

Vw*

θe

Iu

Iv

Iw

Vu

Vv

Vw

3相モーター駆動出力を2軸の回転座標に変換・制御

ベクトル制御

角度→速度 変換

2 3

3

1

4

23

Simulink®ブロックで表現したベクトル制御

座標変換

回転→静止

2相→3相

速度

PI制御

座標変換

3相→2相

静止→回転

ID、IQ電流

PI制御

各関数・機能の関連性を判りやすく可視化

2

3

1

4

24

＜Demo＞

モーター・モーションのシミュレーション

制御対象（モーター）に外乱（負荷）が加わった際の

速度制御時のシミュレーション

モータ起動SW

目標回転数

外部入力トルク 目標回転数

回転数

25

Simulink®による制御設計のメリット

破損リスクの回避

再現性の高い試験 制御対象を含めた

動作確認

Plant

+

- Controller

実機試験に近い検討！

シミュレーションならではの積極的な設計検討が可能！

Simulink®

制御対象も考慮した

モデルベース制御設計環境

26

Simulink®での様々なテストパターン

SignalBuilderによるテスト信号作成

様々な外乱を

想定した仕様構想

.xls / .xlsx / .csv

.mat

テスト信号のインポート

テスト信号グループ化

27

Simulink®が容易にするアイデアの構想

MBDは構想段階のアイデアの具体的検討に最適

設計アイデアをスグに試せる

適用前

適用後 e.g. フィードバック制御

アンチワインドアップ制御

28

アイデアを

スグに試せる

まとめ Simulink®による制御設計のメリット

破損リスクの回避

様々な外乱を

想定した仕様構想

再現性の高い試験

制御対象を含めた

動作確認

Plant

+

- Controller

29

アジェンダ

モーター・モーション制御設計と本講演の位置づけ

制御設計とMathWorksのソリューション

フィードバック制御の設計

フィードバック制御パラメータの最適化

制御モードロジックの設計

まとめ

30

現状の制御性能は？

指標 項目 仕様

応答性

（目標速度） 立ち上がり時間（定常値の80%） < 0.18 sec

整定時間 < 0.5 sec

オーバーシュート < 5 %

定常偏差 < 2 %

入力信号 出力信号 モータ起動SW

目標回転数

外部入力トルク

回転数

目標性能

31

配線

実機による制御パラメータの調整の場合

制御対象 制御装置・ソフト

出力信号

(PWM, DIG-I/O)

入力信号

（電流・速度・位置）

KP= 0.1

KI= 0.3

KD= 0.01

ダウンロード 実機の応答を

確認

実機の応答を解析し手動で調整

パラメータ検討

実機ではじめて

パラメータ検討開始

32

MBDにおける制御パラメータの調整の場合

制御モデル指令値

プラントモデル演算結果

制御モデル プラントモデル

最適化ツールによる制御パラメータの自動調整

実機試験前に

事前検討が可能！

最適化アルゴリズム

パラメータ更新 応答を取得

33

MathWorksの自動最適化ツール

MATLABの最適化計算機能を活用

非線形モデルにも使用可能

専用GUIによる最適化用設定

Simulink Design Optimization™

34

Simulink Design Optimization™による

最適化の流れ

パラメータ値変更

シミュレーション実施

応答を評価

応答要件の設定 /

パラメータの指定

修正可能？

YES

完了

NO

KP KI KD

36

Simulink Design Optimization™オーバービュー

1. 応答要件を設定

2. 制御パラメータ指定

3. 最適化開始

パラメータの最適化手順

目標rpm: 1000rpm

立ち上がり時間<0.18sec

整定時間<0.5sec

…

速度制御用P項ゲイン

速度制御用I項ゲイン

38

＜Movie＞

制御パラメータの最適化プロセス

P項およびI項のゲインの自動最適化

39

Simulink Design Optimization™のメリット

制御パラメータ適合作業

の省力化 KP KI KD

制御パラメータの事前検討に最適！

設計・検証ループをより素早く！

最適化アルゴリズムを用いた

制御パラメータの自動調整

Simulink Design Optimization™

40

性能バラツキを考慮したパラメータ調整

製品のバラツキは避けられない問題

Simulink Design Optimization™

製品バラツキ影響の

検討はマスト

未確定な特性を考慮した制御パラメータの最適化機能

イナーシャ？

摩擦？

寸法？ 負荷？

41

イナーシャのバラつきを考慮したパラメータの最適化

製品バラツキを考慮した

制御パラメータの調整

一定のバラつきのある変数を割り当て可能

物理量のバラツキを設定

42

まとめ Simlink Design Optimization™でのパラメータ調整のメリット

制御パラメータ適合作業

の省力化 KP

KI KD

モーター・モーション制御パラメータの自動最適化

バラつきも考慮した

制御パラメータの調整

43

アジェンダ

モーター・モーション制御設計と本講演の位置づけ

制御設計とMathWorksのソリューション

フィードバック制御の設計

フィードバック制御パラメータの最適化

制御モードロジックの設計

まとめ

44

制御モードロジック設計に関する課題

あらゆる使用条件の想定

機能性・操作性 製品の故障・破損防止

安全性

制御モードロジックの複雑化

状況に応じた制御モードの検討必要

45

実機による制御モードロジック設計の場合

紙面ベースでの仕様検討＋コード実装 → 実機試験

制御対象 制御装置・ソフト

出力信号

(PWM, DIG-I/O)

入力信号

（電流・速度・位置）

コーディング

モーター

OFF

エラー

モーターON

OpenLoop

制御

CloseLoop

制御

紙面での

仕様検討

46

MBDによる制御モードロジック設計の場合

状態遷移図で仕様検討しながら即座に机上試験

制御モデル指令値

プラントモデル演算結果

制御モデル プラントモデル

47

MathWorksの状態遷移図デザインツール

Stateflow®

Simulinkブロックと連動するシミュレータブルな状態遷移図

ビジュアルな制御モードロジックの構想が可能

デバッグ機能あり

48

Stateflow®の利点

Simulink® ブロック

Stateflow® チャート

Stateflow®

状態遷移や条件分岐処理の表現が得意

ステート（状態）を持っている

ステートや遷移に

処理内容を記述可能 前回の状態を保持する設計必要

Switchブロックなどを用いて

処理内容切り替える必要あり

49

Stateflow®による制御モードロジックの表現

フローチャート 状態遷移図 状態遷移表

各種条件分岐処理の表現に最適

50

Stateflow®オーバービュー

状態ブレークポイント 遷移線ブレークポイント

デバッグ機能

様々なチャートの記述表現

Simulinkによる

関数化

Stateflowによる

関数化

52

モーター・モーション制御切替・異常判定用チャート

エラー

（過電流）

モーター稼動中 モーター稼動前

スタンバイ オープンループ

速度制御モード

クローズドループ

速度制御モード

53

＜Demo＞

Stateflow®によるエラー検出

速度制御モードへの切替と

負荷変動によるモーターへの過電流の検出

54

まとめ Stateflow®による制御モードロジック設計のメリット

状態遷移の様子を可視化し

ロジック動作を検証

様々な使用条件を想定した

モードロジック仕様の検討

Stateflow®

モードロジックをビジュアルに検討

シミュレーションで状態遷移を確認

55

アジェンダ

モーター・モーション制御設計と本講演の位置づけ

制御設計とMathWorksのソリューション

フィードバック制御の設計

フィードバック制御パラメータの最適化

制御モードロジックの設計

まとめ

56

制御パラメータの

効率的な事前検討

KP KI KD

制御対象を含めた制御設計 +

-

まとめ

モデルベースデザイン開発手法を

モーター・モーション制御設計に導入

Simulink®

Simulink Design Optimization™

状態遷移の様子を可視化による

モードロジックの詳細検証

Stateflow®

57

まとめ モデルベースデザインを制御設計に導入してみませんか？

MathWorksのMBDツールチェーン

低コスト化 品質・安全性向上 開発期間短縮

Simulink®

Simulink Design

Optimization™

Stateflow®

モデル活用で開発前倒し＆修正ループ高速化を実現

61

Accelerating the pace of engineering and science

© 2013 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The

MathWorks, Inc. See www.mathworks.com/trademarks for a list of additional trademarks.

Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their

respective holders.