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ITK Engineering entwickelt Dental-Controller mit Model-Based Design
„Das Model-Based Design zusammen mit Simulink ermöglichte es uns, sowohl die Kosten als auch das Projektrisiko mittels einer frühzeitigen Verifizierung zu reduzieren, die Zeit bis zur Markteinführung eines IEC 62304-zertifizierten Systems zu verkürzen und qualitativ hochwertigen Seriencode zu liefern, der bereits beim ersten Mal funktionierte und richtig war.“
Die Herausforderung
Die Lösung
Die Ergebnisse
- Entwicklungszeit halbiert
- Hardware-Probleme frühzeitig erkannt
- Auftrag gewonnen, Kundenvertrauen aufgebaut
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Sensorlose bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) eignen sich gut für den Einsatz in Dentalbohrern. Sie arbeiten mit weniger Verschleiß als Bürstenmotoren, sind zuverlässiger, leiser und einfacher zu warten und zu sterilisieren. Im Vergleich zu BLDC-Motoren mit Sensoren sind sensorlose BLDC-Motoren kostengünstiger und kompakter. Allerdings erfordern die komplexen Algorithmen, die für eine sensorlose Steuerung erforderlich sind, einen wesentlich größeren technischen Entwicklungsaufwand.
ITK Engineering sparte Zeit und Aufwand durch die Verwendung von Model-Based Design bei der Entwicklung und Implementierung eines serienmäßigen BLDC-Motorcontrollers, der dem IEC 62304-Standard für Medizingerätesoftware entspricht.
„Model-Based Design mit Simulink ermöglichte es uns, den Controller zu entwerfen und zu optimieren, noch bevor die Motorhardware zum Testen verfügbar war, und dann, nachdem wir den Motor hatten, Produktionscode für den Controller zu generieren“, sagt Dr. Michael Schwarz, Senior-Ingenieur für medizinische Steuerungssysteme bei ITK. „Es wäre unmöglich gewesen, dieses Projekt termingerecht abzuschließen, wenn wir den Code von Hand geschrieben hätten.“
Die Herausforderung
Dentalbohrmotoren arbeiten mit Geschwindigkeiten von bis zu 40.000 U/min. Der feldorientierte Regelungsalgorithmus für solche Motoren benötigt genaue Informationen über die Rotorposition über einen weiten Drehzahlbereich. Bei einem sensorlosen Motor muss die Rotorposition aus Stromänderungen im Stator abgeleitet werden, die durch elektromagnetische Induktion vom Rotormagneten verursacht werden. Die Ingenieure von ITK mussten einen Rotorpositionsschätzer sowie eine ausgeklügelte Kaskadensteuerung für den Zahnbohrmotor entwerfen und optimieren, die dem IEC 62304-Standard für Medizingerätesoftware entsprechen würde.
Als das Projekt begann, war kein Motorprototyp verfügbar. Um den Projekttermin des Kunden einzuhalten, musste ITK die Steuerungssoftware parallel zur Motorhardware entwickeln. Die Ingenieure von ITK mussten ein genaues Modell des Motors erstellen und einen Controller entwickeln, der mit diesem Modell funktionierte. Sobald der Motor verfügbar war, mussten sie ihre Steuerungssoftware schnell auf einem eingebetteten Prozessor implementieren und testen.
Die Lösung
Die Ingenieure von ITK haben den sensorlosen BLDC-Motorcontroller mit Model-Based Design entworfen, optimiert, implementiert und getestet.
Anhand von Datenblättern vorhandener Motoren und Informationen ihres Kunden modellierten die Ingenieure den BLDC-Motor einschließlich seiner elektrischen und mechanischen Komponenten in Simulink®.
Sie entwickelten ein Controller-Modell in Simulink und verwendeten Stateflow®, um Start-, Abschalt- und Fehlermodi sowie vom Benutzer wählbare Betriebsmodi zu modellieren.
Das Team führte Closed-Loop-Simulationen des Regelstreckenmodells und des ursprünglichen Reglermodells durch, das auf einem vom Regelstreckenmodell gelieferten Rotorpositionssignal basierte.
Zur Entwicklung des Rotorpositionsschätzers verwendete das Team die Symbolic Math Toolbox™ zum Lösen algebraischer Gleichungen und verfeinerte anschließend den Schätzer, bis seine Ergebnisse mit dem tatsächlichen Rotorpositionssignal aus dem Anlagenmodell übereinstimmten.
Mithilfe der Funktionen zur automatischen Skalierung und Datentypüberschreibung von Fixed-Point Designer™ konvertierten die Ingenieure ihren Gleitkomma-Controller-Entwurf in einen Festkomma-Controller. Sie führten Simulationen erneut durch, um das Festkommamodell zu überprüfen.
Das Team entwickelte MATLAB®-Skripte, die Batch-Unit-Tests einzelner Modellkomponenten durchführten. Sie erstellten Modell-Abdeckungsberichte für diese Tests mithilfe von Simulink Coverage™.
Das Team generierte mit Embedded Coder® mehr als 5000 Zeilen C Code aus seinem Controller-Modell. Sie kompilierten den Code für einen ARM® Cortex®-M3-Prozessor mit einem Keil-Compiler.
Die Ingenieure testeten den Controller auf einer Prototypplatine und einem Motor, verfeinerten das Modell und generierten den Code mehrmals neu, um die Leistung zu optimieren.
ITK lieferte seinem Kunden Simulink-Modelle der Steuerung und der Regelstrecke sowie den generierten Produktionscode. Der Controller und der sensorlose BLDC-Motor werden derzeit in Dentalbohrern in Serie hergestellt.
Die Ergebnisse
Entwicklungszeit halbiert. „Wir haben die Controller-Entwicklung in etwa vier Monaten abgeschlossen“, sagt Schwarz. „Ohne Model-Based Design hätte es mindestens doppelt so lange gedauert, weil wir auf die Hardware hätten warten, Code von Hand schreiben und mehr Prototypen hätten testen müssen.“
Hardware-Probleme frühzeitig erkannt. „Unser Streckenmodell spiegelte das Motorverhalten sehr genau wider, sodass wir unseren Regler und die Hardware schon in einem frühen Entwicklungsstadium verifizieren konnten“, sagt Alexander Reiss, Systemingenieur bei ITK. „Wir haben die Ursache eines Fehlers beim ersten Hardware-Prototyp schnell identifiziert: Die auf der Hardware gemessenen Ergebnisse stimmten nicht mit den Ergebnissen unseres verifizierten Simulink-Modells überein.“
Auftrag gewonnen, Kundenvertrauen aufgebaut. „Unser Kunde wollte sofort mit der Arbeit beginnen. „Model-Based Design hat uns geholfen, den Auftrag zu bekommen, weil wir so mit der Entwicklung beginnen konnten, bevor die Hardware verfügbar war“, sagt Reiss. „Model-Based Design hat auch das Vertrauen unserer Kunden in unsere Arbeit gestärkt; wir haben unsere Simulink-Modelle und -Simulationen weitergegeben, die sie jetzt für ihre eigenen Verbesserungen verwenden.“