LabVIEW FPGA を使用した制御モデル評価装置
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Author(s):
株式会社計測技研 技術開発部統括 - 渡辺 英男氏
Industry:
Automotive
Products:
FPGA Module, PXI/CompactPCI, LabVIEW, Multifunction DAQ, Real-Time Module
The Challenge:
MATLAB/Simulink で作成した制御モデルを実機に接続、PWM電流制御し、評価を行うコンパクトな装置を開発する。フィードバックに使用するPWM電流はサンプリングポイントを柔軟に設定できること。
The Solution:
MATLAB/Simulinkのモデル実行→シミュレーションインターフェースツールキットとLabVIEW RT；PWM電流制御→LabVIEW FPGA とPXI-7831R；コンパクトな装置→PXI/SCXIコンビネーションシャーシを使用。
"シミュレーションインターフェースツールキットと、LabVIEW RT を使用することによって、MATLAB/Simulink の制御モデルからリアルタイムでI/O操作を行うことが可能となりました。"
課題
MATLAB/Simulink で作成した制御モデルを実機に接続、PWM電流制御し、評価を行うコンパクトな装置を開発する。フィードバックに使用するPWM電流はサンプリングポイントを柔軟に設定できること。
ソリューション
MATLAB/Simulinkのモデル実行→シミュレーションインターフェースツールキットとLabVIEW RT、PWM電流制御→LabVIEW FPGA とPXI-7831R、コンパクトな装置→PXI/SCXIコンビネーションシャーシを使用。
今までに例のない新しい制御モデルを評価する場合、通常机上でのシミュレーションから始めます。この事例の場合、エンドユーザはMATLAB/Simulink を使用していました。この装置を導入する前は、評価モデルの実装はTTLICやアナログ回路を組み合わせた手組みの基板をしていたため、評価モデルを変更した後の回路変更は時間が掛かり、評価サイクルはスパンの長いものとなっていました。また、加速度センサ用アンプ、計測器、PWMドライバアンプなど、複数の機器を使用するため、それらはラック一台分ほどにもなりました。
この装置では、MATLAB/Simulink の制御モデルの実行に、シミュレーションインターフェースツールキット使用しています。シミュレーションインターフェースツールキットと、LabVIEW RT を使用することによって、MATLAB/Simulink の制御モデルからリアルタイムでI/O操作を行うことが可能となります。今回は、元の机上シミュレーション用の制御モデルになんら変更を加えることなく、この装置に組み込むことができました。モデルは加速度センサからの入力にフィルタをかけ、微分し、マップ参照を行って制御量を算出します。
PWMコントローラの部分ですが、速度の問題でLabVIEW RTを使用しても要求されるスペックが満たされなかったため、FPGA の載ったプリント基板を作成しようと考えておりました。しかし、たまたま同時期にパイオニアシステムという形でLabVIEW FPGAを利用可能になったことを知り、コストを計算しなおしたところ、FPGA の載ったプリント基板を作成するよりコストを低く抑えられる事が判明したため、LabVIEW FPGAを採用することにしました。
FPGAでは、大きく分類すると、3つのタスクを実行しています。1つめのタスクは、整数のPID演算です。ここではアナログ入力へ入力された電流値と目標値の差から制御指令値を演算します。2つめのタスクはPWM出力の制御で、制御指令値からパルス出力のデューティー比を設定するカウンタです。3つめのタスクはPID演算、PWM出力へのタイミング発生、マルチファンクションDAQと同期を取るために、PXIバスへタイミング信号出力、RTコントローラで動作するモデルの実行タイミングなどの、タイミング処理です。
制御モデル評価装置
LabVIEW FPGAを利用することにより、FPGAの部分でさえもLabVIEWを使用してエンドユーザが変更可能となり、PWM制御についても柔軟な仕様変更が可能となりました。結果として、制御モデルの設計者は、制御モデルの設計以外に掛かる時間を大幅に短縮することが可能となっております。
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