Microchipのeバイク技術に関するQ&A：CPUは、どのようにしてハードウェアアクセラレーションを実現するのですか？

日本語フォーラム よくある質問
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Q：Microchipのeバイクスキームで、FOCライブラリが100kHzのスイッチング周波数で動作する場合、CPUはアプリケーションにどの程度の余裕を残しているのですか？

A：PWM周波数が100kHzの場合、アルゴリズムの計算周波数は帯域幅に応じて調整可能です。例えば、電流ループには50kHz、速度ループには12.5kHzを採用します。推奨される dsPIC33AK シリーズは、200MHzのクロック周波数、32ビットMCU（マイクロコントローラユニット）、倍精度FPU（浮動小数点ユニット）、および三角関数と平方根（SQRT）演算のハードウェアアクセラレーションを備えています。

FOCライブラリを100kHzのスイッチング周波数で使用する場合、CPUがアプリケーションに提供する余裕は、主に特定のアルゴリズム構成と選択したMCUの性能に依存します。

例として、推奨される dsPIC33AK シリーズMCU（クロック周波数200MHz、32ビットアーキテクチャ、倍精度FPU搭載、三角関数および平方根演算のハードウェアアクセラレーション機能搭載）を挙げます。PWMが100kHzの場合、電流ループは50kHz、速度ループは12.5kHzに設定されます。この設定では、FPUおよび三角関数と平方根（SQRT）に対するハードウェアアクセラレーションの使用が推奨されます。

倍精度FPU（浮動小数点ユニット）

  • これは、浮動小数点演算を処理するためのMCU内の専用ハードウェアモジュールです。「倍精度」とは、64ビット浮動小数点データ（IEEE 754規格準拠）をサポートすることを意味し、単精度（32ビット）浮動小数点と比較して、より高い計算精度とダイナミックレンジを提供します。

  • FOCアルゴリズムにおいては、電流ループおよび速度ループに対するPI制御や座標変換（Clarke/Park変換）といったコアの演算は、いずれも大量の浮動小数点演算（例えば十進乗算や十進除算）を伴います。倍精度FPUは、ソフトウェアエミュレーションに依存することなく、ハードウェアを通じてこれらの演算を直接実行することが可能です。

三角関数のハードウェアアクセラレーション

  • これは、正弦関数（sin）や余弦関数（cos）などの三角関数を計算するためにMCUに組み込まれた専用ハードウェア回路を指します。これにより、ソフトウェアによるテーブル検索やTaylor級数近似といった時間のかかるソフトウェアベースの手法が不要となります。

  • FOCアルゴリズムでは、SVPWM（空間ベクトルパルス幅変調）や逆Park変換といったステップで、角度に対応する三角関数値のリアルタイム計算が必要となります。これらは高頻度で実行される重要な演算です。

SQRTハードウェアアクセラレーション

  • これは平方根（√x）演算用のハードウェアアクセラレーションモジュールであり、ベクトルの大きさの計算（例：FOCにおける電流ベクトルの大きさの計算）を高速に行うことができます。

  • モータ制御においては、電流ループフィードバック信号の合成や過電流保護閾値の判定といった場面で、平方根演算が頻繁に用いられます。

ハードウェアアクセラレーションがない場合、コア演算はソフトウェア命令で実行するCPUに依存することになり、多大な時間を要します。倍精度FPUと三角関数および平方根（SQRT）に対するハードウェアアクセラレーションを利用することで、効率を向上させることが可能です。

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