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SCALE CONNECT

チュートリアル株式会社スマートエナジー研究所

Version 1.0.0, 2018-08-03

目次

1. チュートリアル概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. Simulinkでの設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1. ソルバーの設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.2. Rate Transition の設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3. SCALEでの設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1. Simulinkとの接続方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4. 高速にシミュレーションを実行 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4.1. Simulinkで結果を確認 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5. 詳細なシミュレーションを実行 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5.1. Simulinkからシミュレーション開始 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

5.2. EschartでWaveform結果を表示 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

6. 一巡の周波数特性を調べる . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

6.1. シミュレーション実行 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

6.2. ボード線図を表示 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

6.3. 周波数特性の結果がうまく得られないときは. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1. チュートリアル概要

本チュートリアルでは、SCALEとSimulinkを連携させて協調シミュレーションを行うために必

要な手順を降圧型DCDCコンバーターをPI制御することを例に挙げて解説します。

なお本書の内容は、「SCALE 1.2.0」と「CONNECT

BLOCKS」が既にインストールされている前提となっております。各種製品のインストール手順

および詳細な使い方は、各取扱説明書に記載されておりますので、そちらをご覧ください。

Figure 1. チュートリアルで動作させるモデル

Table 1. サンプルファイル

サンプルファイル名• BuckConverter.cvt2

• PI_DCDC.slx

1

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2. Simulinkでの設定

• Simulinkからサンプルファイル"PI_DCDC.slx"を開きます。

Figure 2. PI_DCDCモデル

2.1. ソルバーの設定

SCALE_CONNECTブロックは、Simulinkソルバーを固定ステップのみ対応としています。

まずは、モデルのコンフィギュレーションパラメーターを設定します。

メニューバーの【シミュレーション(S)】→【モデルコンフィギュレーションパラメーター

(F)】から「コンフィギュレーション

パラメーター」ウィンドウを表示し、"Simulinkソルバーの設定"のように設定します。

SCALE_CONNECTが対応するソルバータイプは固定ステップのみです。固定ステップサイズは

SCALEのSLCブロックで指定した周波数(SCALEでの設定)と一致するようにしてください。シ

ミュレーションの終了時間とソルバー（離散、ODE1など）は任意ですが、本チュートリアルで

は離散（連続状態無し）に設定しています。

Table 2. Simulinkソルバーの設定

分類名称値

シミュレーション時間終了時間 0.02

ソルバーオプションタイプ固定ステップ

ソルバー離散（連続状態無し）

固定ステップサイズ（基本サン

プル時間）

2e-5

2


Figure 3. コンフィギュレーションパラメータ設定

2.2. Rate Transition の設定

Rate Transitionブロックの値を、"Rate Transition設定"のように設定して下さい。Rate

Transitionブロックは本来異なるサンプル時間で動作するブロック同士を接続する場合に用いま

すが、SCALE_CONNECTブロックの場合SCALEとデータを送受信する周期を確定的に明示する

ためにこのブロックを直前に接続する必要があります。

Figure 4. Rate Transitionブロック

3


Figure 5. Rate Transition設定

4


3. SCALEでの設定

1. SCALE_CONNECTブロックでSCALEファイル"BuckConverter.cvt2"

を選択します。

2. "SCALEを開く"ボタンで指定のファイルを開きます。

Figure 6. SCALE_CONNECTブロックからSCALEファイルを開く

5


Figure 7. SCALEメイン回路

3.1. Simulinkとの接続方法

Simulinkと接続するためにはSLCブロックを使用します。SLCブロックのFreqにはSimulinkのR

ateTransitionブロックで設定した実行周期と同じ周期を入力します。

Figure 8. SLCブロックの設定

SLCブロックには以下のプログラムが記載されています。

6


IL1 = output("L1", "I", "AVE");Vout = output("OUT1", "V", "AVE");

SLexport(1, IL1);SLexport(2, Vout);

SLsync();

D = SLimport(1);

setparam("Q1", "T0", D);

Table 3. 関数解説

関数内容

output("sym","type", "mode") シンボルsym、タイプtype、モードmodeで指

定された出力変数の現在値を返す関数。シンボ

ルは"sym"のように二重引用符で挟む。以下同

様とする。PRCとDSPでは、この関数で指定さ

れる出力変数が存在しないときは自動的に出力

変数が設定され、この関数を削除するとその出

力変数も削除される。

SLexport(n, value) SCALE_CONNECTのn番目の出力ポートに対

し、valueを設定する関数。nは1から始まる整

数、valueは任意の変数。

SLsync() SCALE_CONNECTとの同期をとる関数。SLex

port(),SLsync(),SLimportの順番で配置する

。

SLimport(n) SCALE_CONNECTのｎ番目の入力ポート値を

返す関数。nは1から始まる整数。

setparam("sym", "par", value) シンボルsymを持つ素子のparで指定されたパ

ラメータ値をvalueに設定する関数。parには、

各素子のパラメータダイアログボックスに表示

されているパラメータシンボルを指定する。

7


4. 高速にシミュレーションを実行

SCALEから電圧や電流の波形をADコンバータの要領でサンプリングし、フィードバック制御を

行っている様子をSimulink上で確認します。

4.1. Simulinkで結果を確認

「PI_DCDC.slx」を開き、「SCALE_CONNECT」ブロックの設定の「シミュレーション

モード」で、Transientを選択後「OK」ボタンで確定してください。

Figure 9. Transientを選択

シミュレーション時間を0.02に設定し、シミュレーションを開始してください

Figure 10. シミュレーション開始

自動的にSCALEが起動され、シミュレーションが実行されます。シミュレーション終了後、Sco

peブロックをダブルクリックすることで、グラフの結果が得られます。約8[ms]程度で出力電

圧（凡例：緑実線）が指令値（凡例：赤点線）3[V]に収束している結果になります（図のグラ

フは見やすいように背景色などを変更しています。）。

8


Figure 11. シミュレーション結果

9


5. 詳細なシミュレーションを実行

Transient解析ではPWMスイッチの１周期の代表点をSimulinkに送っているため、スイッチン

グ１周期の間にどのような波形が出ているのか観測することができません。詳細なシミュレー

ションでは、このスイッチング波形をグラフツールEschartを用いて確認します。

5.1. Simulinkからシミュレーション開始

「PI_DCDC.slx」を開き、「SCALE_CONNECT」ブロックに以下の設定をします。

• SCALE起動オプション : 自動起動

• SCALE内部にシミュレーション結果を保持 : チェック

• シミュレーションモード : Waveform

• Waveform 開始時間 : 0.019

Figure 12. Waveformを設定

一般的に、Transientと比べてWaveformは出力データ点数が多くなり解析に

時間がかかります。そのため、「Waveform

開始時間」を出力したい部分からを指定することで、シミュレーション時間

を短縮することができます。

シミュレーション時間を0.02に設定し、シミュレーションを開始してください

10



SimulinkのSCOPE画面では、先のTransient解析と同じ結果が得られます。

5.2. EschartでWaveform結果を表示

先の設定によりシミュレーション結果はSCALEでも保持されておりますので、この結果をEscha

rtに転送します。

SCALEConnectのメニューバーからWindow→Eschart→Transferを選択することにより、自動

的にEschartが立ち上がり、解析結果を表示します。

Figure 14. SCALEからEschartに転送

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Figure 15. Eschartの表示結果

EschartにはSCALEのOUTPUTで設定した出力変数のすべてが表示されるので

、Simulinkに出力しているデータ以外のデータも表示することができます。

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6. 一巡の周波数特性を調べる

Simulinkで作成したコントローラモデルとSCALEで作成したプラントモデルの一巡伝達関数の

周波数特性を観測します。

6.1. シミュレーション実行

「PI_DCDC.slx」を開き、「SCALE_CONNECT」ブロックの設定の「シミュレーション

モード」で、FrequencyResponseAnalysis を選択してください。「周波数特性解析

開始時間」は0.04と入力し「OK」ボタンで確定してください。

Figure 16. FRAを選択

周波数特性解析は、系が定常状態になった状態で実施することで正しく算出

されます。周波数特性解析を行う前に、Transientで系が十分に定常状態に到

達する時間を確認しておき、その値を「周波数特性解析

開始時間」に入力してください。

シミュレーション時間をinfに変更し、シミュレーションを開始してください

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自動的にSCALEが起動され、周波数特性を解析する系を尋ねるダイアログボックスが表示され

ます。周波数特性を解析する系は、伝達関数の入力と出力（分母と分子）を指定することで確

定されます。本チュートリアルでは、「From」をOUT1:V:AVEに、「To」をR1:V:AVEに設定

することで一巡伝達特性を調べることができます。

このようにすることで、AC

Sweepから出力された微小変動がフィードバック信号に加算され、制御器とプラントを通過し

た変動を観測することができます。この微小変動の変化から周波数特性が算出され、ボード線

図として表示されます。

Figure 18. FRA概要

「OK」ボタンを押下するとシミュレーションが実行されます。シミュレーション時間はinfに設

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定されていますが、周波数特性の解析が完了すると自動的にSCALEがシミュレーションを中断

させます。

6.2. ボード線図を表示

FrequencyResponseAnalysisモードのシミュレーション実行後、MATLABのワークスペース以

下の結果が保存されます。

• ScaleBodeFrequency

• ScaleBodeGain

• ScaleBodePhase

「ScaleBodeFrequency」が周波数、「ScaleBodeGain」と「ScaleBodePhase」がそれぞれ

の周波数に対応した利得と位相を格納した変数です。これらの変数をプロットすることで、グ

ラフ（ボード線図）を得ることができます（周波数特性解析モードにおけるボード線図は後述

の手順で自動的にプロットすることが可能ですが、手動でプロットすることもできます。

Figure 19. FRA WorkSpace

「Simulink ライブラリブラウザー」の「SCALE Library

1.2.0」から「SCALE_BODE」ブロックを選択し、「PI_DCDC.slx」モデル内にドラッグ＆ド

ロップしてください。配置した「SCALE_BODE」ブロックをダブルクリックし、「表示」ボタ

ンをクリックするとボード線図が自動的に描画されます。

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Figure 20. BodePlotの配置

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Figure 21. Bode線図の表示

自動的に描画されたボード線図では、ゼロクロスした点での周波数、利得、位相が追記されま

す（MATLAB

R2016b以降のバージョンのみ追記されます）。これら利得と位相それぞれのゼロクロス点を確

認することで、位相余裕と利得余裕を素早く検討することが可能になります。

シミュレーションを実行する前に「SCALE_BODE」ブロックをモデル内に配

置しておくことで、シミュレーション終了時自動的にボード線図を描画させ

ることが可能です。

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6.3. 周波数特性の結果がうまく得られないときは

Simulinkと連携して行う周波数特性解析は、SCALEの周波数特性機能（Fast）を内部的に用い

ています。この機能は、解析する系によっては正確な結果が得られない場合もあります。正確

な結果を得るために、下記の項目を検討してください。

Table 4. 周波数特性のチェックポイント

ポイント説明

回路を安定系にする周波数特性は定常状態で計測するため、系全体が安定系となる

よう設計してください。

直流波形を解析する交流電源や他の理由で波形が振動する場合、AC Sweep

素子の正弦波信号が乱されてしまうため、正確な周波数特性は

得られません。直流波形に変換して解析してください。

変数のモードをAveに設定する入力・出力波形には任意の変数モードを指定可能ですが、通常

、平均値の特性で周波数特性を解析することが一般的と考えら

れるため、変数モードには「Ave」を設定してください。

周波数特性の解析帯域を確認す

る

AC Sweep

素子のパラメーターで、周波数特性を解析する帯域を指定する

「Fmin」と「Fmax」の値を確認してください。

「Fmin」の値が大きい場合、正確な特性が得られないことが

あるため、十分に小さい値にしてください。

「Fmax」は系のサンプリング周波数の半分以下の値になるよ

う設定してください（サンプリング定理）。

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