いまや世界一の自動車メーカーとなったトヨタ自動車。そんな同社を牽引するのがエンジンとモータを組み合わせたハイブリッド車(HV)だ。

自動車の開発は大きく分けて「車両開発」「車両評価」「車両生産」「販売/サービス」に分けられる。中でも車両開発・評価はいわゆる「Vプロセス」と呼ばれる設計と試作・検証の組み合わせで成り立っており、近年では仮想環境による開発/評価、すなわちモデルベース開発(MBD)が用いられるようになってきた。その一方で、自動車に多くのECU(Electronic Control Unit)やセンサなどが搭載される、いわゆるエレクトロニクス化が進んできており、そうしたさまざまな機能の性能評価や検証をスムーズに行っていくことが求められるようになってきた。そんな多様なニーズに応えることを目指した様々なソリューションを提供するのが「トヨタテクニカルディベロップメント株式会社(TTDC)」だ。

TTDCの本社・2号館の外観

モータ用HILSのFPGA実装にHDL Coder(Simulink)を適用

自動車業界では、かなり以前からMATLAB/Simulinkを用いて開発を行ってきた。それは同社も例外ではなく、ECUの評価/検証を行うために用いられるシミュレータ(HILS:Hardware In the Loop Simulation)での応用を皮切りに、近年ではSILS(Software In the Loop Simulation)としてECUへの実装前に検証を行ったり、仕様検討時の車両性能予測、ECU実装前の検証、システムの性能評価などにも用いるようになってきたという。

そんな同社が2014年春に提供を開始した最新のモータ用HILSが「次世代MotorBox」だ。いわゆるHVのモータの代わりに仕事をするHILSで、FPGAへHVモータのモデルを実装することにより、ECUのさまざまなテストが実モータを使用することなく実現できるシステムとなっている。ちなみに、MotorBoxシリーズとして第3世代品という位置づけになる。

さまざまなモータ用HILSが存在するが、同製品の最大の特徴は高速化を実現するために用いられるFPGAへ実装するモデル開発環境にある。第2世代品までは、FPGAへ実装するモデル開発環境にFPGAベンダが提供する専用ツールボックス(ブロックライブラリ)を用いていたが、次世代MotorBoxではMATLAB/Simulink/StateflowよりダイレクトにFPGA向けHDLコードを生成することが可能な「HDL Coder」を用いることで、モデル開発が容易となり開発期間の短縮を実現したという。

「次世代MotorBox」の外観。右下の手前2台が第1世代の「MotorBox」と第2世代の「MotorBox2」

TTDC 第1計測制御開発部 シミュレーション要素開発室グループリーダーの鈴木紀康氏

同社 第1計測制御開発部 シミュレーション要素開発室グループリーダーの鈴木紀康氏は、HDL Coderの採用について、「車両開発におけるMBDにおいて、次世代MotorBoxが主に担当するECUの『単体検証』という工程までの、『企画/仕様』、『設計/製作』、『実装』という一連の工程では一貫してSimulinkモデルが主流として用いられている。しかし、第2世代品まではSimulinkをベースにしていたとはいえ、FPGA専用ツールボックスでモデルを作り直す必要があり、開発工程を流れるSimulinkモデルをそのままでは活用しきれていなかった。当社は車両開発とそのプロセスを支える開発環境をパッケージ化して提供することを目的としているが、従来のままでは『検証』を行うために手作業によるモデルの変更作業が必要で、一貫したツールフローを実現することが難しかった」とし、Simulinkで作られたモデルという資産の流用度を引き上げること、ならびに前工程に次世代MotorBoxで得られたシミュレーション結果をフィードバックし、なおかつその結果が正しいものであることを担保することを目指して開発を行ったとする。

ECU開発におけるVプロセス。『企画/仕様』～『設計/製作』までSimulinkで開発されても、モータHILSで『単体評価』を行うにはSimulink以外のツールを用いていたことで、一貫したモデルのやり取りができなかった。しかし、次世代MotorBoxの製品化により、Simulinkモデルによるシームレスな連携が可能となったという (画像提供:TTDC)

動作クロック10nsの実現で、次世代モータ制御の評価/検証が可能に

カーエレクトロニクス分野の性能向上が著しいことから、将来のニーズに対応するべく、この次世代MotorBoxでは、FPGAの動作クロックも従来の100ns(10MHz)から10ns(100MHz)に引き上げることにも成功しており、モータ制御の高速化/精密化といった近年のトレンドにも対応できるようになっている。

また、モータモデルは連続系の物理モデルになるので、HDL Coderとしては苦手な部類のモデルにあたる。HDL Coderの性能や使い勝手に関する課題は、マスワークスと連携しながら解決することで、10nsという超高速に動作する次世代MotorBoxでも適用できたという。

次世代MotorBoxの操作・モニタリング・サンプリングなどを行うためのGUI。モデルの実装、シミュレーション条件の設定には汎用PCと接続しGUIからの操作が必要となるが、シミュレーションの実行にはGUIを使わず次世代MotorBoxの筐体のみでも可能である

「チャレンジした甲斐はあった。次世代MotorBoxの製品化で、FPGAを用いたシミュレータベンダのトップであるという自負と、今後もそうありたいという想いが強くなった」(鈴木氏)とのこと。今後もMBDのツール開発として、世の中にないものを生み出すための取り組みをマスワークスと連携して強化していきたいとするほか、さらなるシミュレータとMATLAB/Simulinkの組み合わせとして、FPGAでできる部分、汎用PCでできる部分の連携強化を図ることで、開発効率の向上を図れればとしている。

マスワークスとしても、HDL CoderやEmbedded Coderなどを組み合わせることで、そうしたニーズへの対応を図って行きたいとしているほか、顧客の要求に真摯に応えていくことで、変化を続け、より良い開発環境の実現に協力できればとしている。

既報のとおり、トヨタ自動車の自動車開発はSiCパワー半導体といった次世代の半導体デバイスの採用や、自動運転技術の実用化といった最先端の技術をカバーしていく必要があり、そうした先端技術を誰よりも先んじて実用化していくところに世界一たる所以があるのだろう。トヨタ自動車が世界一の自動車メーカーであり、そのHVも世界一であり続けるために、TTDCは世界一のシミュレータをMATLAB/Simulinkを活用することで今後も実現していくことだろう。